黄玉川煤矿
岁月如诗-重大项目库
2023年2月20日发(作者：满月对联)龙王沟煤矿巨厚煤层开采工艺优选及设备选型
程峰
【摘要】为确定龙王沟煤矿巨厚煤层(6#煤层)开采工艺,分别从技术、安全、生产
能力等方面进行了分析,认为分层放顶煤开采工艺较适宜.在此基础上,通过与类似煤
层支架选型进行对比分析,确定了支架型号,并根据工作面产能确定了采煤机及前后
刮板输送机型号,可为进一步提升巨厚煤层开采效率提供借鉴.
【期刊名称】《现代矿业》
【年(卷),期】2017(000)012
【总页数】4页(P78-80,108)
【关键词】巨厚煤层;分层放顶煤开采;采煤机;刮板输送机;设备选型
【作者】程峰
【作者单位】山西汾西矿业集团高阳煤矿
【正文语种】中文
1煤层赋存条件
龙王沟煤矿井田煤层赋存稳定，储量丰富，地层走向近SN，倾向W，煤层倾角多
小于5°，为单斜构造，具有煤尘爆炸危险性，易自燃，无地热危害。煤层赋存自
东向西逐渐变深，煤层露头位于井田东部及南部。矿区地质构造条件简单，未发现
较大的断层和大的褶曲及岩浆岩侵入。矿井水文地质类型为中等类型，涌水量一般。
该井田共赋存5层可采或局部可采煤层，即煤层。
表1矿区可采煤层特征煤层编号厚度/m结构稳定性可采性主要岩性顶板底板
3#1．87简单较稳定大部分可采泥岩砂质泥岩5#1．80简单不稳定局部可采泥岩
砂质泥岩6#上1．75简单较稳定大部分可采砂质泥岩泥岩6#20．00复杂稳定全
区可采泥岩砂质泥岩9#2．71简单较稳定大部分可采砂质泥岩砂质泥岩
矿区6#煤层(主采煤层)平均埋深359m，可采厚度4～30.1m，平均厚度20m，
煤层构成复杂，夹矸总厚度0～6.3m，平均2.81m，夹矸岩性为砂质泥岩或泥岩。
顶板岩性主要为砂质泥岩及粉砂岩，平均厚度为1.625m，底板岩性以砂质泥岩
与泥岩为主，平均厚度为1.4m。6#煤层密度为1.42t/m3，普氏系数f=2.2。该
煤层顶煤冒放性隶属度μ=0.788，冒放性一般。
2采煤工艺优选
适合于6#煤层开采的工艺主要有：①整层综放开采工艺，将20m厚的煤层一次
全部采出，采5m放15m，采放比为1∶3，即布置一个机采高度为5m，放煤
高度为15m的大采高综放工作面；②分层综放开采工艺，即将整个煤层分为两层，
每层厚度10m，采3m放7m。
2.1技术层面分析
(1)在开采工艺成熟度方面，目前国内外20m左右特厚煤层采5m放15m的实
例极少，缺乏可供参考的技术经验，设备管理和采煤工艺的实施难度较大；分层综
放开采工艺应用广泛，特别是10m左右煤层的综放开采工艺非常成熟，有丰富的
设备管理以及采煤技术经验可供参考[1-2]。
(2)整层综放开采时由于放煤高度过大，顶煤回收与分层综放开采时相比难度较大，
回采率较低，易导致煤炭资源浪费[3]。
(3)整层综放开采时机采高度和放煤高度均较大，易产生严重的片帮，从而影响工
作面正常推进；分层综放开采时采煤高度和放煤高度合理，不易产生片帮。
(4)整层综放开采时顶煤厚度较大，上部顶煤难以得到充分松动，该部分顶煤难以
回收，造成采出率较低；分层综放开采时顶煤厚度为7m，处于顶煤易冒落的范
围内，且下分层开采时放顶煤工作在网下进行，可减少含矸率，提高采出率[4]。
(5)分层综放开采将煤层分为两层，增加了铺网(人工假顶)工序，且下分层受假顶质
量的影响，工作面顶板控制问题增多；上分层开采后，减小了下部煤层开采的矿山
压力作用，可能导致下部顶煤的冒放性变差；上下层之间接茬间隔为3～5a，时
间较长，维护较困难。整层综放开采将整层煤一次采出，程序较简单。
(6)分层综放开采较整层综放开采所留煤柱多。
2.2安全层面分析
(1)整层综放开采时机采高度和放煤高度均较大，采空区顶板不易搭实，易出现岩
层悬空现象，其压力便转移至煤壁上，煤壁承受的压力增大，从而产生严重的片帮，
对工作面人员及设备安全构成了威胁[5]。
(2)整层综放开采时由于采高大，矿压显现剧烈，顶板难以控制且缺乏可供参考的
经验，易产生顶板事故。
(3)整层综放开采时一次放15m厚的煤层，煤层中的瓦斯释放出来易导致矿井瓦
斯、煤尘浓度超标。
(4)整层综放开采较分层综放开采更有利于防治煤层自燃发火;分层综放开采时上下
层之间的接茬间隔较长，易产生煤层自燃发火。
2.3生产能力分析
按照工作面长度L=260m，采煤机截深B=0.8m，机采高度H=3m，放煤高度
7m，年工作日330d，“采一放一”，工作面一个循环产量的计算公式为
Qg=L·B·H·r·K，
(1)
式中，r为煤层密度，1.42t/m3；K为机采回收率，取96%，顶煤回收率取85%。
经计算，得出Qg=2608.02t。
矿方拟定的工作面日产量为18182t/d。工作面日循环数=工作面日产量/循环产
量=18182/2608.02≈6.9，本研究取7。循环产量=2608.02×7=18256.14t，
工作面年产量=330×18256.14t/a=6024526.2t/a，矿井年产量=2×6024
526.2t/a=12049052.4t/a，可以满足矿方拟定的生产能力(12Mt/a)要求。可
见，分层开采工艺更适合于该矿6#煤层生产。
3工作面“三机”选型
3.1液压支架选型3.1.1支架参数确定
通过查阅相关资料得知，黄玉川煤矿、酸刺沟煤矿、塔山煤矿、不连沟煤矿所采煤
层的地质条件和赋存状况与龙王沟煤矿6#煤层相似(表2)。
表2相似煤层工作面参数对比煤矿煤层编号煤层倾角/(°)煤层厚度/m煤层硬度系
数基本顶厚度/m岩性直接顶厚度/m岩性黄玉川6#上0～179．561．01～
3．568．32粗砂岩1．5～2．5泥岩酸刺沟6#上0～511．101～226．35粗粒
砂岩9．6粗—细砂岩塔山3#～5#<515．721～2．611．21～27．36粉砂岩
2．4～6．3碳质泥岩不连沟6#3～516．500．98～2．116．7粗砂岩3．3碳
质泥岩龙王沟6#0～520．002．22．5砂质泥岩8砂质泥岩煤矿煤层编号直接底
厚度/m岩性煤层埋藏深度/m工作面生产能力/(Mt/a)割煤高度/m放煤高度/m黄
玉川6#上细砂岩204～24463．56．0酸刺沟6#上5．25泥岩230123．87．2
塔山3#～5#2．4～6．3碳质泥岩4004．211．5不连沟6#1．1砂质泥岩
3804．012．5龙王沟6#2．6砂质泥岩35963．07．0煤矿煤层编号夹板层数
厚度/m岩性工作面长度/m支架强度/MPa支架型号黄玉川6#上3～60～1．35
泥岩3002．02ZF21000/25/42D酸刺沟6#上0～122．9碳质泥岩2451．43～
2．02ZF15000/26/42、ZF21000/25/45D塔山3#～5#5～340．15～1．4碳质
泥岩2101．41ZF15000/28/52不连沟6#3～220．45～8．89砂质泥岩
2401．43ZF15000/26/42龙王沟6#0～320～6．3砂质泥岩260
结合表2及相关分析初步确定6#煤层采用分层综放开采工艺生产时的工作阻力为
13000kN，支护强度为1.40MPa。
3.1.2液压支架其余参数确定3.1.2.1支架高度
《煤矿安全规程》规定应根据所采煤层厚度、开采范围内的地质条件确定液压支架
的最大与最小支撑高度[5]。根据《液压支架设计规范》(MT/T556—1996)，液压
支架的最大和最小支撑高度可由下式计算
Hmax≥hmax+S1，
(2)
Hmin≥hmin-S2-a-σ，
(3)
式中，hmax为最大采高，3.5m；hmin为最小采高，2.7m；S1为考虑伪顶及
顶煤冒落后所需的支撑高度，取300mm；S2为顶板最大下沉量，取100mm；
a为移架时的最小可缩量，取50mm；σ为矸石、浮煤厚度，取50mm。
由式(1)、式(2)计算出Hmax=3.8m，Hmin=2.5m。
3.1.2.2支架架式
目前液压支架架式有四柱式和两柱式两种[6-8]，其中四柱放顶煤支架在全国得到
了普遍应用，且黄玉川、酸刺沟、柏树沟、不连沟等煤矿均使用了四柱放顶煤液压
支架，效果良好。本研究参考临近矿井的成功经验，选用四柱放顶煤液压支架。
3.1.2.3支架宽度
经过计算，工作阻力为13000kN的四柱式液压支架4个支柱的缸径为320mm，
支架宽度为1.75m较适宜。
3.1.2.4支架顶梁结构及长度确定
常用的支架主要有整体顶梁和铰接顶梁两种，铰接顶梁的优点在于对破碎顶板适应
性强，而整体顶梁支架优点为支撑力大，能够较好地控制顶板初期回转下沉。本研
究选择整体顶梁的液压支架，并且选用前探梁+伸缩梁+侧护板结构。通过估算工
作面前后刮板输送机、采煤机等工作面设备和人行通道的宽度，确定支架的顶梁长
度为5.2m。
3.1.3其余开采参数确定
(1)工作面长度。工作面较长时可节约时间、降低工人劳动强度、提高回采率、减
少搬家倒面次数、降低生产成本。因此，在情况允许的条件下应尽可能加大工作面
长度。目前，国内高产高效的综采工作面长度普遍为180～300m，并有逐渐加
长的趋势。本研究采用分层综放开采工艺时生产能力确定为12.0Mt/a，首采区为
601盘区，煤层平均厚度为20m，参照临近矿井及相似矿井(唐公塔煤矿、陈家沟
煤矿)的开采情况，以及建井报告、盘区划分情况，确定工作面长度为260m。
(2)工作面采高。首采601盘区煤层可采厚度为4～30.1m，平均为20m，采用分
层综放开采方法时，煤层可分为两层，每层10m，采3m放7m。
(3)工作面推进长度。近年来，为减少工作面搬家次数，充分发挥设备的生产能力，
工作面推进长度有不断加大的趋势。神东矿区综采工作面的推进长度多在3000
m以上，最长已超过6000m。本研究分层综放开采时设置的两个工作面的推进
长度分别为2386，3640m。
(4)循环进度。循环进度取决于采煤机截深和综采工作面回采工艺，目前，采煤机
截深有0.6，0.8，1.0m3种，对于高产高效矿井，一般采用0.8，1.0m截深，
但1.0m截深要求采煤机功率大，钢材强度高，故本研究确定工作面一个循环进
度为0.8m。
3.1.4支架选型
6#煤层分层综放开采时的液压支架参数为工作阻力13000kN，最大采高
Hmax=3.8m，最小采高Hmin=2.5m，选用四柱放顶煤液压支架支柱的缸径为
320mm，支架宽度为1.75m。建议用整体顶梁+前探梁+伸缩梁+侧护板结构，
顶梁长度为5.2m。据此本研究液压支架选用ZF13000/25/38D型四柱放顶煤液
压支架,配套的端头支架型号为ZTZ20000/25/38，过渡液压支架型号为
ZFG13000/26.5/38，机巷超前支架型号为ZCQJ10000/27/45，回风巷超前支架
型号为ZCQF30000/27/45。
3.2采煤机选型
采煤机的参数主要有采高、截深、牵引力、割煤速度、功率，其中采高、割煤速度
和装机功率是反映采煤机生产能力的主要技术参数。
3.2.1截深
本研究确定的采煤机截深为0.8m。
3.2.2滚筒直径
工作面采高为3m，要求采煤机选择双滚筒，可以双向采煤自开缺口。滚筒直径
一般为最大采高的0.55～0.6倍，为提高采煤机滚筒的卧底量及装煤效率，可适当
增大滚筒直径，故本研究确定的滚筒直径为1800mm。
3.2.3采煤机机面高度
考虑到支架顶梁厚度、顶板下沉及底板起伏，最小采高应比机面高度大250mm，
同时要求机身尺寸应短小，以便更好地适应煤层起伏状况。考虑到最小采高为2.7
m，机身高度应小于2450mm。
3.2.4采煤机平均生产能力
采煤机平均生产能力Qm的计算公式为
Qm≥，
(4)
式中，T1为综放工作面的日生产时间，1080min；Hf为综放面平均放煤厚度，
7m；Cf为顶煤回收率，85%；L为工作面长度，260m；Q为工作面平均日产量，
18182t/d；Hg为平均割煤高度，3m；B为采煤机截深，0.8m；γ为煤层密度，
1.42t/m3；Cg为工作面采煤机割煤回收率，95%；I为采煤机开缺口行程，35
m；Td为采煤机往返时间，5min；K为采煤机开机率，60%。
经计算，Qm=777t/h。
3.2.5采煤机割煤速度
采煤机平均割煤速度的计算公式为
Vc=，
(5)
式中，Qm为采煤机的平均割煤能力，t/h。
计算得，Vc=3.8m/min。
采煤机的最大割煤速度可由下式计算
Vamax≥Kc·Vc，
(6)
式中，Kc为采煤机割煤不均匀系数，1.4。
经式(6)计算，Vamax=5.3m/min。
采煤机最大生产能力的计算公式为
Qmax≥Kc·Qm.
(7)
经式(7)计算，Qmax=1087t/h。
实际生产中，由于断层等地质构造的存在，采煤机的装机功率N应较正常割煤所
需的功率Nf大30%～50%，即实际装机功率N≥(1.3～1.5)Nf。考虑到6#煤层夹
矸较多，煤层较厚，采煤机的实际装机功率N应大于1.5Nf即N≥1099kW较适
宜，据此本研究选用MG500-1130-WD型采煤机。
3.3工作面刮板输送机选型
综放工作面需要两台刮板输送机，一台前刮板输送机，主要输送采煤机割下的煤，
一台后刮板输送机，用于输送顶煤。
3.3.1前刮板输送机
前刮板输送机的运输能力应不小于采煤机的最大割煤能力。前刮板输送机的最大运
煤能力Qy的计算公式为
Qy=Qmax·Ky·Kν·Kc，
(8)
式中，Qmax为采煤机的最大割煤能力，t/h；Ky为考虑刮板输送机运输方向及使
用倾角的修正系数，1；Kν为考虑刮板输送机与采煤机同向运行时的修正系数，
1.05；Kc为采煤机割煤不均匀系数，1.4。
计算得，Qy=1597.9t/h。前刮板输送机最小运输能力应大于1597.9t/h。经过
比较，本研究选择SGZ800/2×525型刮板输送机。
3.3.2后刮板输送机
通过参考类似工作面生产情况，本研究确定后刮板输送机的输送能力为2500t/h，
选用SGZ1000/2×1000型刮板输送机。
4结语
充分分析了龙王沟煤矿巨厚煤层(6#煤层)的煤岩赋存情况及力学性质，经过采矿工
艺优选，提出采用分层综放开采工艺进行生产，并对工作面生产设备进行了选型，
确定选用ZF13000/25/38D型四柱放顶煤液压支架，配套的端头支架型号为
ZTZ20000/25/38，过渡液压支架型号为ZFG13000/26.5/38，机巷超前支架型
号为ZCQJ10000/27/45，回风巷超前支架型号为ZCQF30000/27/45，采煤机型
号为MG500-1130-WD，刮板输送机型号分别为SGZ800/2×525、
SGZ1000/2×1000。
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