張俊杰(山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治047100)

1 前言

山西三元公司王莊煤業(yè)位于山西省長治縣境內(nèi),井田東西寬3.2 km,南北長5.9 km,井田面積16.7 km2。礦井采用斜井開拓方式,原設(shè)計能力30萬t/a,1967 年投產(chǎn)。2004 年以來進行采煤方法改革,使用綜采放頂煤生產(chǎn)工藝,核定生產(chǎn)能力為120萬t/a。2009 年開始進行大采高可行性研究,并于2010 年9 月份安裝成第一個大采高工作面,開始采用一次采全高工藝,山西省煤炭工業(yè)廳于2014 年5月27 日下發(fā)晉煤行發(fā)【2014】668 號文“關(guān)于山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司延深開采15#煤層的批復(fù)”,同意礦井延深開采15#煤層,設(shè)計能力仍為2.40 Mt/a。該礦主要開采3#、15#煤層,水文地質(zhì)條件中等,各煤層賦存穩(wěn)定,煤質(zhì)好,但全區(qū)范圍內(nèi)陷落柱相對較多,嚴(yán)重影響了正?；夭?其中3#煤為低中灰-中灰,特低硫、低磷、高熱值-特高熱值的無煙煤,平均采高5.17 m;15#煤為低中灰-中高灰,中高硫-高硫、特低磷-低磷、中高熱值—特高熱值的貧煤及少量無煙煤,且該煤層為原始煤田,井田范圍內(nèi)無采空區(qū),礦井潛在經(jīng)濟價值巨大,具有良好的開發(fā)前景。

根據(jù)井下鉆探,結(jié)合35 采區(qū)在3501 工作面北側(cè)鉆探,設(shè)計3500 工作面及35 采區(qū)探巷工作面,35采區(qū)探巷設(shè)計工作面長度150 m,順槽長度477 m,3500 工作面長度195.75 m,順槽長度1 066 m,為節(jié)約成本,對3500 工作面和35 探巷工作面進行合并,組成加長371.9 m 大采高超長工作面。超長工作面形成后,減少了一條巷道掘進,并且提高了資源采出率,減少了工作面搬家到面費用,并且為今后超長工作面的開采積累寶貴經(jīng)驗。

2 大采高超長開采工藝意義及現(xiàn)狀

2.1 研究的意義

大采高超長綜采工作面生產(chǎn)技術(shù)是我國煤礦集約化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向。國內(nèi)外有關(guān)超長工作面的生產(chǎn)實踐主要集中在地質(zhì)條件較好的中厚煤層礦井,但是隨著工作面切眼長度的加大,礦山壓力顯現(xiàn)特征、頂板控制、安全技術(shù)保障、工作面設(shè)備配套、工藝方式選擇與參數(shù)優(yōu)化等與普通長壁工作面開采相比均具有特殊性,現(xiàn)有的超長工作面研究成果主要集中在中厚煤層超長工作面設(shè)備配套、工藝方式選擇與參數(shù)優(yōu)化等方面,而對大采高超長工作面研究相對較少[1]。目前,我國的大采高開采技術(shù)已處于世界領(lǐng)先地位。但對大采高工作面長度對礦山壓力顯現(xiàn)的影響研究成果較少。有關(guān)大采高超長工作面礦山壓力顯現(xiàn)及控制技術(shù)等一系列理論方面的問題尚沒有系統(tǒng)的認(rèn)識,目前已有的煤層開采理論和技術(shù)還不能完全指導(dǎo)大采高超長工作面開采。為了全面掌握大采高超長工作面的礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律和工作面設(shè)備參數(shù)及運行狀況,對王莊煤業(yè)大采高超長工作面開采理論和技術(shù)進行系統(tǒng)研究,揭示超長工作面礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律,分析超長工作面的設(shè)備配套及生產(chǎn)工藝,形成一套完善的大采高超長工作面開采理論和技術(shù),實現(xiàn)王莊煤業(yè)安全高效開采。為本礦下一個超長工作面(15#煤的開采和設(shè)計)積累寶貴的理論和實踐經(jīng)驗。

2.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1)國外超長大采高綜采發(fā)展現(xiàn)狀

俄羅斯是煤炭生產(chǎn)大國,長壁綜采工作面技術(shù)也位居世界前列,部分綜采工作面長度已近350 m,其中德國DSK 公司裝備了3 個435 m 綜采工作面(煤層厚度2.3 m,采高2.1 ～2.3 m)。此外,美國、澳大利亞、德國、波蘭等主要產(chǎn)煤國家也在發(fā)展超長工作面,工作面長度增加后,煤礦單產(chǎn)都不同程度得到了提升。這些表明,加長工作面已成為礦井高產(chǎn)高效主要技術(shù)方向之一[2-3]。

德國、波蘭、英國、俄羅斯、捷克、日本等國從20世紀(jì)60 年代開始就發(fā)展采用大采高綜采技術(shù)。如環(huán)球JOY 公司,其產(chǎn)品主要特點為:①大功率采煤機以及微機電控系統(tǒng);②大采高強力液壓支架;③長距離輸送機。

2)國內(nèi)超長大采高綜采發(fā)展現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)70 年代開始發(fā)展械化開采,尤其是21世紀(jì)以來,煤礦行業(yè)發(fā)展迅速。對于中厚煤層及3.5 ～6 m 厚煤層綜采工作面,逐步推進大采高工作面,加大工作面長度,成為提高產(chǎn)量的主要途徑。

國內(nèi)煤礦工作面長度大多在200 ～300 m,隨著煤礦開采技術(shù)和采掘設(shè)備的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,工作面長度從240 m,300 m,360 m,400 m,甚至達到450 m,主要應(yīng)用在地質(zhì)條件簡單、煤層賦存穩(wěn)定、煤層傾角小、瓦斯涌出量小等條件下,為國內(nèi)加長工作面的設(shè)計、配備、礦壓及生產(chǎn)提供了非常寶貴的經(jīng)驗,為提高資源回收率、提高回采率奠定了基礎(chǔ)。

3 大采高超長工作面的應(yīng)用

王莊煤業(yè)為資源整合礦井,隨著工作面回采,剩余資源逐漸減少,采用探掘結(jié)合的方式在小窯破壞區(qū)域?qū)ふ铱刹少Y源,原設(shè)計3500 工作面長度為195 m,根據(jù)風(fēng)巷鉆探情況,在工作面北部還可以布置一個切眼176 m,兩個工作面合并后工作面長度為371 m,順槽長度為470 m 小工作面,現(xiàn)合并為1個工作面后,一方面少掘進一條巷道,另一方面可以減少煤柱損失,最后還可減少1 次搬家倒面。工作面于2016 年2 月份安裝完成并進行試生產(chǎn)成功。3505 工作面切眼長度也達到了360.5 m,并且于2019 年3 月安裝完成,到目前為止工作面運行正常。工作面配套設(shè)備見表1。

表1 3500 采煤工作面設(shè)備統(tǒng)計表

4 大采高超長工作面需要注意的問題

隨著工作面長度的不斷增加,在開采時容易出現(xiàn)一些問題:

(1)對供電要求也越來越高,低壓長距離供電電壓壓降大,為解決這一問題,控制系統(tǒng)增加中繼器,提高電源電壓,動力電源增加電壓等級,采用3 300 V 供電。

(2)工作面長度增加后,一旦工作面出現(xiàn)上竄下移情況,工作面控制相對比較困難,此時工作面推進時應(yīng)控制兩順槽水平較低一側(cè)推進進度超前另外一側(cè)兩巷錯差的1/3 ～1/2,盡可能保持工作面不發(fā)生竄動,另外推進期間觀測推溜桿擺向,及時調(diào)整工藝,確保推溜桿垂直于溜槽。

(3)由于采高大,頂板巖層的活動規(guī)律和采場壓力顯現(xiàn)規(guī)律相對普通采高綜采工作面有其特殊性,工作面采高大,液壓支架由于架身結(jié)構(gòu)高度大,容易產(chǎn)生傾倒、失穩(wěn),不能有效接頂,繼而會造成頂板冒落,使整個工作面處于癱瘓狀態(tài)[4]。因此在生產(chǎn)過程中必須密切注意支架的傾斜情況,發(fā)現(xiàn)異常及時進行擺架、扶架,避免事故擴大。

(4)工作面供液采用三泵兩箱,環(huán)形供液,從而彌補因供液管路距離長而造成的壓降損耗等,確保工作面供液流量和供液壓力。

5 大采高超長工作面應(yīng)用帶來的經(jīng)濟效益

采用了大采高超長開采工藝后,3500 工作面帶來了良好的經(jīng)濟效益:

(1)回收煤柱,盤活資源,延長礦井服務(wù)年限,增加效益。按照3500 工作面順槽長度410 m,煤層平均厚度5 m,密度1.5 t/m3,煤柱15 m,采出率0.95,3#煤共計可多回收煤炭資源4.38 萬t,增加效益約2 190 萬元。

(2)省去工作面搬家工序,提高礦井安全生產(chǎn)水平[5]。本工作面將減少一次搬家倒面,從而提高了礦井安全生產(chǎn)水平,并可節(jié)約搬家倒面資金約200 萬元。

(3)減少一條巷道的掘進。本工作面合并為一個工作面以后,可減少1 條巷道的掘進,進而節(jié)約人工掘進費用和支護費用。根據(jù)本單位的巷道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),每米巷道可以節(jié)省3 300 元,共可節(jié)約157.1 萬元。

應(yīng)用大采高超長開采工藝,僅3500 綜采工作面為礦井創(chuàng)造了2 547.1 萬元的利潤,實現(xiàn)了經(jīng)濟效益的最大化。

6 結(jié)論

實踐證明,大采高超長工作面已成為提高經(jīng)濟效益、礦井服務(wù)年限和安全生產(chǎn)水平的一種重要舉措,它的開采應(yīng)用具備一定的學(xué)術(shù)和工程研究價值,對國內(nèi)同類條件下的工作面布置具備重要的指導(dǎo)意義,推廣應(yīng)用前景良好。