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第 26 卷 第 2期 2009 年 06 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 超前空巷支护; 地面爆破; 矿压特征; 支架适应性 中图分类号 TD 823 文献标识码 A Technology and Equipment for Pillar -Wall Fully Mechanized Coal Mining in India DAI Qiu -liang, ZHAO Hong -zhu, DIAO Jian -hua China Coal Overseas Development Co. Ltd., Beijing 100011, China Abstract Pillar -wall mining is a of which a long wall working face is arranged within the pillar -pattern mining section and a complete set of fully mechanized equipment is used. In the year 2007, balrampur mine in India purchased the fully mechanized mining equipment made by China Coal Overseas Development Co. Ltd. CODCO . The equipment was used in 63L working face, successfully solved three key problems of empty roadway support in advance, pseudo -inclined caving, and ground blasting. The result shows that the weighting of pillar -wall mining is great for the basic roof, uni for working face, and moderate or a little greater than moderate in middle area. T he ZZ6500/ 14/ 27 shield type support is good in adaptability and in economic effect. So it has good prospect to be popularized in India and also has a refer - ence value in coal mine with similar conditions in China. Key words pillar -wall mining; advance supporting in developed galleries; blasting on surface; strata pressure behavior; adaptability of powered support 1 柱壁式综采法产生及实质 印度 2006 2007 年度产煤 4. 3 亿 t. 最大的煤 炭公司 全印度煤炭公司 产煤 3. 6 亿 t, 其中井工 产量 4 332 万 t, 井工开采主要靠巷柱式采煤法, 2008 年在印度巴兰布矿试验了柱壁式综采. 巷柱式开采是印度井工开采的传统采煤法. 先 将矿田利用宽约 4 m 的巷道切割成 20 m 20 m 的煤柱, 近代利用打眼放炮落煤, 侧装机装煤, 小型 刮板输送机运煤, 利用锚杆支护巷道和回采空间. 此法优点是投资少、 见效快; 但产量低 巴兰布矿 2 个巷柱工作面回采 7 个煤柱, 日产 750 t , 效率低 采矿与安全工程学报第 26 卷 每班出勤 90 人, 效率约 1 t/ 工 , 回采率低 低于 70 , 劳动强度大, 支护简单, 不够安全. 长壁综采是巴兰布矿近十年来利用中国综采 成套设备获得良好效益的采煤法 [ 1 -2] , 产量高 巴兰 布矿平均年产 37. 5 万 t, 最高年产 77. 5 万 t , 效率 高 最高为 2. 95 t/ 工 , 回采率高达 95, 工作面 事故少并且安全. 印度巴兰布矿为开采 V煤层, 于 1997 年购 置了中国煤矿机械装备公司研制的综采成套设备, 包括 MG375W 型采煤机、 ZZ4400/ 14/ 27 型支撑 掩护式 支架、 SGZ764/ 400 型刮板输送 机、 SZZ - 764/ 132 型 桥 式 转 载 机、 PCM110 型 破 碎 机、 MRB200/ 31. 5 型乳化液泵、 R 1000 型乳化液箱、 CK2 型通讯设备、 移动变电站和开关等电器. 在采 深 47 68 m, 上覆岩层的强度指标 RQD 平均为 46 76, 最高达 100 的浅埋深、 上覆岩层整 体性强的条件下, 采用地面爆破弱化上覆硬岩层取 得综采长壁开采的成功经验 [ 3 -5] . 目前印度井工煤矿已掘成巷柱式开采的可采 储量达28 亿 t. 为在已掘巷道的巷柱式区使用长壁 综采, 故先在巴兰布矿首先试用这种柱壁式采煤 法, 如图 1. 对比长壁综采技术和设备, 柱壁综采革 新技术有 3 个 煤壁前方空巷支护、 伪斜开采和地 面爆破等. 图 1 柱壁综采工作面巷道和设备布置 Fig. 1 The layout of pillar -wall mining face 2 首采柱壁式综采试验面条件和能力 巴兰布矿 63L 柱壁式综采面位置与该矿 P1 长壁综采面相邻, 均是浅埋深、 上覆岩层整体性强 的工作面. 2. 1 工作面参数 采深 40 51 m; 推采长度 540 m; 工作面长 80 m 4 个房柱 ; 可采储量 10. 6 万 t; 煤柱尺寸 20 m 20 m; 巷道宽度 4. 5 m; 采 高 2. 2 2. 4 m; 煤层斜坡度 1B51. 工作面煤层柱状见图 2, 其强度指标 RQD 最 大达 97 81 . 图 2 63L 面煤层柱状图 Fig. 2 The layout of drilling hole on surface of 63L pillar -wall mining face 2. 2 工作面选用设备 1 液压支架 ZZ6500/ 14/ 27 型支撑掩护式支 架, 结构高度 1. 4 2. 7 m; 支护强度 1 000 1 160 kN/ m2; 工作阻力 6 500 kN, 安全阀开启压力 41 MPa, 中心距 1. 5 m; 推架力 161 kN; 移架步距 679 mm; 2 采煤机 MG375 -W 型液压牵引采煤机; 3 刮板输送机 SGZ764/ 400 型、 生产能力 800 t/ h; 4 桥式转载机 SZZ764/ 132型、 生产能力900 t/ h; 5 破碎机 PCM110 型; 6 乳化液泵 DRB -200/ 31. 5 型, 流量 200 L/ min, 压力 31. 5 MPa; 7 乳化液箱 RX -1600 型, 容积 1 000 L. 2. 3 工作面生产能力及劳动组织 计划每刀产煤 2. 2 m 0. 55 m 62 m 1. 4 t/ m 3 100 t . 日进 10 刀, 日产 1 000 t. 每天 18 h 出煤, 6 h 维修设备, 开机率 50 . 全天出勤 90 余人. 另安排地面爆破专业队、 地面下 沉观测组和井下测压人员. 3 煤壁前方的空巷支护技术 巷柱式开采最大的特点是在煤柱四周被巷道 即空巷所包围, 要改用长壁开采, 采煤机割煤要过 空巷, 支架要穿越平行和垂直煤壁的空巷. 因此, 支 护煤壁前方已掘空巷就成了巷柱变长壁的主要技 术难题. 230 第 2 期戴秋梁等 印度柱壁式综采技术和设备 超前空巷顶板均用锚杆支护, 煤壁前方空巷选 用单体支柱和液压支架支护. 63L 综采工作面共采 用 10 台液压支架和 300 根单体支柱联合支护方 案. 由图 1 可看出 在垂直工作面的 3 条巷道中各 布置 2 台 ZZ4400/ 14/ 27型支撑掩护式支架; 在平 行工作面的 2 条空巷中各布置 2 台支架, 共布置 10 台支架. 在工作面上、 下巷超前煤壁 30 m 范围内各布 置3 30 和 2 30 根工作阻力为 400 kN 的单体液 压支柱, 共布置 150 根支柱. 在靠近煤壁前方平行与垂直工作面的空巷交 叉点处各布置 6 根单体液压支柱, 共 36 根. 垂直工作面超前煤壁空巷内液压支架处支护 强度为447. 1 kN/ m 2; 而顶板锚杆支护强度为44. 4 kN/ m2. 平行工作面超前煤壁空巷内液压支架处支护 强度为 111. 7 kN/ m 2, 而顶板锚杆支护强度为 60 kN/ m 2. 超前空巷内的液压支架液压系统与工作面内 液压支架相近, 可单独设置乳化液泵站、 管路连结 至液压支架立柱、 千斤顶和阀组, 利用操作阀可本 架操作支架降柱、 移架、 升柱和转弯, 也可延长管路 遥控操作. 液压支架随工作面前进而移置是柱壁式综采 面安全高产的关键. 为此巴兰布矿将 10 台超前空 巷支护液压支架的移置程序定为 4 步, 使综采面顺 利地通过超前空巷, 见图 3. 图 3 超前支护空间液压支架移置程序 Fig. 3 Shift sequence of powered supports in the advance galleries 4 伪斜开采并防止输送机下滑 由于工作面内每隔 20 m 就有一条平行煤壁 的超前空巷, 工作面向前推进必须不断地通过此条 空巷. 为了减少每次割煤通过空巷时悬顶面积, 一 般采用工作面呈伪斜布置. 为防止伪斜工作面内刮 板输送机下滑, 一般增设防滑千斤顶装置 [ 6 -7] . 2002 年试验柱壁式开采时, 伪斜角为 22b, 但 工作面输送机下滑严重, 使生产管理很困难. 此次 63L 面伪斜角优选为 11 b, 见表 1. 表 1 63L 工作面优选伪斜角 Table 1 Choice of obliquity of 63L face 伪斜角/ b最大暴露宽度/ m最大暴露面积/ ㎡ 080640 541245 1020122 201061 在实践中输送机仍有下滑, 为防止其下滑, 在 两条平行煤壁超前空巷间的煤柱割煤过程中, 适时 减小伪斜角取得了良好效果, 即靠近空巷前从下端 头多进刀, 尽快形成伪斜布置工作面, 减少过空巷 时悬顶面积; 当工作面基本割过平行煤壁超前空巷 后, 逐渐减小伪斜角, 防止输送机下滑. 在 63L 工作面呈伪斜布置的状况下, 液压支 架与输送机间每隔 6 架安装一组防滑装置. 此装置 起到了防止输送机下滑的作用. 5 建立隔风墙形成通风系统 长壁工作面的特点之一是通风系统完善, 工作 面环境良好, 而巷柱式开采已将切割煤体巷道掘 出, 要形成长壁开采系统, 完善其进、 回风系统, 必 须将已掘巷道密闭起来. 如图 1 所示, 通过打若干 隔风墙 包括带风门、 带风窗及无门无窗的 , 防止 漏风, 才能形成长壁式开采的通风系统. 6 对上覆坚硬岩层进行爆破弱化处理 同矿相邻的 P1长壁综采工作面曾对上覆整体 坚硬岩层利用地面爆破弱化取得显著效果 [ 8 -10] . 使 顶板来压步距缩短 25, 顶板来压强度降低 18 . 工作面矿压显现由冲击型变为平缓型. 一般表现为 顶板来压时, 顶板沿煤壁只断裂无台阶下沉, 煤壁 片帮很小, 活柱下缩不大, 支架无压死、 损坏. 工作 面推进度加快 11. 4 , 产量提高 11. 6 . 因此 63L 231 采矿与安全工程学报第 26 卷 工作面采取 P1工作面类似的地面爆破方案. 计划先在工作面中部 48 m 的地面上自切眼 外侧 15 m 起布置第一排 11 个炮眼, 而后每隔 15 m 布置一排 13 个炮眼, 共布置了 34 排炮眼. 以后 随工作面推进, 逐排爆破炮眼. 每排炮眼爆破间隔 为 1 5 d, 平均为 2. 4 d. 每排炮眼爆破间距为 6. 55 22. 4 m, 平均为 13. 7 m. 炮眼深 30 m, 装药深 26 m, 每次爆破装药总 量为 400 700 kg, 平均为 590 kg. 地面按计划顺序进行了爆破, 效果是工作面支 架和围岩状况良好, 采空区岩石垮落可堆满支架尾 部, 煤壁无片帮, 空巷内顶板很少脱落, 地面有下 沉, 有周期性断裂的裂缝. 地面爆破和支架工作阻 力的提高, 以及超前空巷的完善支护保障了工作面 生产顺利进行, 使日推进度达 6. 8 m, 比 P1长壁综 采面日进度 4 m, 加快了 50 以上. 7 柱壁式综采工作面矿压特征 1 基本顶来压步距和强度加大, 柱壁式综采 工作面基本顶来压参数如表 2 所示. 表 2 柱壁式综采工作面基本顶来压参数 Table 2 The parameter of main fall in pillar -wall face 采煤法 工作 面号 初次来压 步距/ m 初次 来压 强度 周期来压 平均步距 / m 周期 来压 强度 柱壁式综采63L1201. 8843 平均 1. 53 最大 1. 87 长壁式综采P1841. 3810. 5平均 1. 35 由表 2 可知 柱壁式采面基本顶初次来压步距 加大了 36 m, 即增加 42. 8 ; 来压强度增大 36. 2 ; 基本顶周期来压步距加大了 32. 5 m, 即增加 3 倍, 来压强度平均增大 13. 3, 图 4 为 63L 工作面 29支架后柱压力分布图. 图 4 63L 工作面 29支架后柱压力分布图 Fig. 4 The pressure profile of rear leg of No. 29 support in 63L face 由图 4 可知, 在工作面沿走向推进过程中支架 受载较均匀, 尤其在前半区 290 m , 除基本顶 初次来压时支架受载突然加大外, 其余均在 30 MPa 左右; 推进过半后, 支架载荷波动较大. 2 沿工作面长度方向压力分布较均匀, 但中部 支架压力略大. 63L 工作面立柱压力统计如表 3. 表 3 63L工作面立柱压力统计 Table 3 The statistics of legs pressure in 63L face 柱 别 工作面位置 项目 下部 1 18 架 平均最大 中部 19 36 架 平均最大 上部 37 54 架 平均最大 全部 平均均方差 前 柱 平均值/ MPa33. 6634. 6333. 5834. 093. 89 均方差/ MPa1. 491. 981. 291. 391. 44 最大值/ MPa37. 64138. 17236. 773367. 82 后 柱 平均值/ MPa32. 3733. 0433. 0432. 84. 2 均方差/ MPa1. 551. 911. 491. 391. 48 最大值/ MPa35. 65636. 88035. 76435. 67. 6 由表 3 可知 柱壁式综采面支架受压较均匀, 但中部前后柱压力均略高于工作面上部和下部; 而 前柱压力略高于后柱. 3 沿工作面倾斜方向的分布情况. 由图 4 可 知 柱壁式综采面空巷中间煤柱的中部处支架压力 较高, 靠空巷一侧压力也略高, 但均低于煤柱中部. 且前柱压力略高于后柱, 其平均值高约 4 . 8 ZZ6500/ 14/ 27 型支撑掩护式支架的适 应性评价 巴兰布矿 V煤长壁工作面选用 ZZ5030/ 14/ 27 型支撑掩护式支架, 来压期间支架工作阻力, 实 测平均为 5 217 kN, 为额定值的 104, 稍显额定 阻力偏低. 因此, 63L 柱壁式综采工作面将支架工 232 第 2 期戴秋梁等 印度柱壁式综采技术和设备 作阻力提高到 6 500 kN. 经工作面使用和实测证 明 ZZ6500/ 14/ 27 型支撑掩护式支架对 V煤层还 是适应的. 1 实测压力平均值与均方差之和未超过支架 额定工作阻力. 根据圆图压力表实测的立柱压力统 计情况, 见表 4. 表 4 圆图压力表实测立柱压力统计 Table 4 The statistics of legs pressure of continuous pressure meters 位置29支架后柱14支架前柱 实测数据总平均基本顶来压最大值总平均 平均值/ MPa31. 657. 829. 62 均方差/ MPa11. 33. 96. 11 最大值/ MPa60. 060. 042 依表 4 所测数据, 支架实测工作阻力应为 P D , 即 6 231 kN, 为额定值的 95. 9, 支架工作阻力 富裕 4 . 2 循环时间短, 基本顶来压呈短时特征. 据统 计 63L 工作面生产班每割一刀煤, 即循环时间平 均为 1. 36 1. 64 h, 最短仅 0. 5 h. 基本顶来压时, 割煤最多持续 10 个循环. 因此, 基本顶来压是短时 的, 尽管基本顶来压时立柱压力实测为 43 60 MPa, 但支架在 70 余天的连续回采过程中, 支架立 柱下缩很小, 支架未发生压死和损坏, 运转十分正 常. 支架工作阻力是足够的. 3 支架立柱运转特性. 63L 工作面立柱初撑 式和一次增阻式占 83. 4 69. 6. 这两种运转 特性属于支架正常运转状态, 表明它一般不受老顶 来压等外因影响. 立柱二次和三次增阻式占 11. 4 26. 4 , 是老顶来压和伪斜反复割三角煤所造成的. 降阻式反映了支架不正常情况下的工作状态, 占 5. 4 8. 1, 原因是部分安全阀或压力表损 坏, 经维修后此状况已有改变. 4 初撑力偏低, 应予改进. 63L 工作面泵站额 定压力为 31. 5 MPa, 此值应是支架可达到的设计 初撑压力. 据实测 支架实测初撑压力平均值为 27. 7 29. 62 MPa, 均方差为 5. 92 6. 11 MPa. 小 于 31MPa 的占 71. 4 69. 2. 反映工作面立柱 初撑压力较低. 总之, ZZ6500/ 14/ 27 型支撑掩护式支架对巴 兰布矿 V煤层是适应的, 在地面爆破弱化顶板老 顶来压条件下, 设计工作阻力是足够的. 9 63L 柱壁式综采试验效果及推广前景 63L 工作面从 2007 年12月 31 日至2008 年 3 月 6 日已推进 446. 5 m, 历时 65 d, 平均日进 6. 87 m. 如以每刀推进 0. 55 m 计, 每天割煤 12. 5 刀. 最 快日进 19 刀. 试验期间采煤总量 102 415 t; 平均日产 1 304 t; 最高 1 982 t. 63L 工作面比用巷柱式开采可多回收煤炭资 源 26 500 t, 回采率提高 25. 平均日产 929 t, 提 高 2. 5 倍. 工效提高 14. 5 倍. 总之, 巴兰布矿在特定条件下试验用柱式准 备, 又用壁式回采是个创举. 在准备工作中用高效 掘进设备, 简单的锚杆支护采出近 34 的巷道煤 炭, 又采用高效长壁工作面综采设备采出其余 66 煤炭, 其单产达 3. 912 万 t/ 月, 甚至比相邻区 段用长壁式开采的工作面 3. 125 万 t/ 月 还高. 参考文献 [1] 赵宏珠. 中国综采长壁技术和装备出口印度应用效 果分析[ J] . 煤矿开采, 20001 5 -8. 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