大傾角大采高“三軟”煤層綜采面安全高效開采技術

（淮南礦業(yè)集團新莊孜煤礦，安徽 淮南 232072）

大傾角大采高“三軟”煤層綜采面安全高效開采技術

邵洪杰

（淮南礦業(yè)集團新莊孜煤礦，安徽 淮南 232072）

新莊孜礦66207綜采面屬大傾角大采高“三軟”煤層，地質(zhì)條件復雜，頂板圍巖破碎。通過采用優(yōu)化風巷設計、實施強制放頂技術加強頂板管理；優(yōu)化設備選型；強化煤層注水；推廣鋪網(wǎng)工藝；調(diào)整回采面長等綜合技術管理手段，工作面得以安全高效回采，為類似條件下的綜采工作面開采提供了技術支撐，具有重要的指導意義。

支架選型；“三機”配套；煤層注水；鋪網(wǎng)回采

66207綜采工作面是新莊孜礦建礦以來六采區(qū)首個B7a煤層的綜采工作面，與上覆的66208工作面層間距8～15m，平均10m，回采間隔時間9個月，被淮南礦業(yè)集團列入《大傾角大采高“三軟”突出煤層綜采面圍巖（煤）控制技術研究》的重要科研項目之一。該工作面回采的成功與否，對新莊孜礦生產(chǎn)格局、采場布置的優(yōu)化及礦井的安全高效開采均有較為深遠的指導意義。

1 工作面概況

1.1 工作面布置

66207工作面“刀把”布置，短面斜長85m，可采走向長度130m，長面斜長133m，可采走向長度390m；B7a頂 煤 厚2.2～4.8/2.7m，B7a底 煤 厚0.7～1.7/1.0m， 夾 矸 厚 0～1.7/1.3m； 傾角26～32°/28°；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚2.3～8.2/6.5m；直接底為粉砂巖，厚3～10/6m。工作面頂?shù)装鍘r性及與上覆煤層的層位關系如圖1所示。

1.2 鄰近采動關系

66207工作面位于66208采空區(qū)下部，位于未穩(wěn)定采空區(qū)下方。66207工作面上階段66107工作面于2012年3月收作，上覆66208工作面、下伏B6煤層一階段（-600～700m）66106工作面已采畢。

1.3 地質(zhì)構造特征

該工作面南北分別靠近F6、F5-3斷層，構造應力較集中，受其影響局部煤巖層產(chǎn)狀變化較大，小構造發(fā)育，根據(jù)周邊資料分析，在回采過程中將過Fe、Fj斷層。

1.4 水文地質(zhì)

工作面采掘期間主要充水因素為：頂板砂巖裂隙水、上階段66107采空區(qū)積水、上覆66208采空區(qū)積水及鉆孔水，預計正常涌水量為2m3/h，最大涌水量為5m3/h。

1.5 其它情況

B7a煤層為突出煤層，該塊段處于突出危險區(qū)，但施工段全部處在B8煤層開采保護范圍內(nèi)。B7a煤層有爆炸性和自燃發(fā)火危險，煤層自燃發(fā)火期3～6個月。煤塵具有爆炸危險性；原始巖溫在23℃左右。如圖1所示。

2安全高效開采技術

2.1 開采設計優(yōu)化

2.1.1 風巷設計

66207工作面風巷內(nèi)錯10米布置在66208工作面卸壓區(qū)內(nèi)，面長控制在130米左右，避開8槽階段煤柱形成的應力集中區(qū)。已回采的上階段66107炮采工作面兩巷均采用U型棚支護，回采期間壓力大，巷道變形十分嚴重，尤其是風巷回采過程中由修護區(qū)重新刷架管理。因此，66207工作面兩巷掘進頂板采用錨網(wǎng)索支護（5-5-5布置），其中普通錨索和中空注漿錨索按排間隔布置；高幫采用2道走向錨索梁，錨索采用中空注漿錨索。

通過頂?shù)装逦灰票O(jiān)測，風巷掘出3～11天內(nèi)，頂?shù)装暹€尚處于變形劇烈期的尾段，變形速度平均高達10mm/d左右，其中頂板下沉比底鼓量更為厲害；在掘出11～16天內(nèi)，變形速度漸漸放緩，從第16天至觀測結束，平均速度更是降到了2mm/d以下；巷道掘出23天后，巷道頂?shù)装逦灰七_到穩(wěn)定（如圖2所示）。回采期間，兩巷變形量不大，能滿足兩巷通風、行人、運料、出煤等要求。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2.1.2 面長調(diào)整

66207工作面受傾角、地質(zhì)構造等條件影響，導致斜長不等，為了避免工作面不等長導致人工刷幫輔助作業(yè)而制約綜采工作面安全高效生產(chǎn)的缺陷，風巷在設計過程中，施工方位先由原來的318.5°優(yōu)化調(diào)整為316.5°，后根據(jù)地質(zhì)情況的變化進一步優(yōu)化，方位又調(diào)整為318.5°，經(jīng)過兩次優(yōu)化調(diào)整后，工作面傾斜基本等長，杜絕了人工刷幫，為工作面充分發(fā)揮高產(chǎn)高效提供了有力保障。

表1 液壓支架技術參數(shù)表

表2 采煤機技術參數(shù)表

表3 第一組爆破參數(shù)表

圖2 風巷頂?shù)装逡平孔兓€

2.2 設備選型配套

2.2.1 液壓支架優(yōu)化選型

66207工作面使用的ZZ7200/22/45型液壓支架是由集團公司專項設計的適應于大傾角破碎頂板松軟煤層開采的新型支架，該支架主要特點是選用了加長整體頂梁、高強側(cè)護板和兩級護幫，其技術參數(shù)如表1所示。

相比我礦以往大采高工作面所選ZZ6400/22/45型及ZZ6400/21/42型等液壓支架，ZZ7200/22/45型液壓支架主要優(yōu)點突出在以下幾個方面：

①立柱缸徑加粗，改為φ280mm，工作阻力提高至7200kN，實際工作阻力達8800kN；且支架支撐重心前移，改變了頂板應力分布，更有利于支護煤幫頂板。

②采用兩級護幫板結構，一級護幫長度1100mm，二級護幫長度為700mm，兩級都是液壓控制，增加了護幫面積。

③伸縮梁千斤頂行程由800mm變?yōu)?000mm，相應的頂梁前端加長200mm，加大了控頂距；而且伸縮梁和頂梁前端倒圓角設計便于過頂網(wǎng)。

④調(diào)架千斤頂液壓管路中設計液壓鎖，并與推移聯(lián)鎖，拉架時自動收回；延長底座后部邊主筋，使移架一個步距時，調(diào)底千斤頂與臨架底座仍能有效支撐。

⑤利用整體長推桿結構，并通過加大側(cè)護板千斤頂缸徑、加大調(diào)底座千斤頂缸徑，有效解決大傾角綜采工作面支架和刮板輸送機防倒防滑問題。

⑥采用整體長推桿結構，推溜力/移架力由713/396kN增加到802/445kN，確保推桿的可靠性，充分發(fā)揮了推移千斤頂?shù)哪芰Γ岣吡藥翰另斠萍苣芰Α?/p>

⑦中間架采用整體頂梁帶內(nèi)伸縮梁，增加整體頂梁前部寬度，減小側(cè)護板伸出時相鄰支架頂梁前部的間隙，增加頂梁對頂板的覆蓋率，減少架間漏矸。過渡支架為鉸接頂梁，頂梁適當加長，滿足機頭、機尾及時支護的需要。

⑧支架液壓系統(tǒng)的控制采用聯(lián)鎖控制，前立柱與抬底座千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制、推移千斤頂與調(diào)底座千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制、推移千斤頂與伸縮梁千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制、推移千斤頂與頂梁（掩護梁）側(cè)推千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制，有效避免了誤操作對支架等設備損壞和人身安全事故的發(fā)生。

2.2.2 采煤機優(yōu)化選型

工作面配套MG500/1130-WD型采煤機和SGZ800/1050型鏈板機，跟B7a直接頂回采，全部垮落法管理頂板。采煤機截深0.6m，減少開幫距可減輕割煤對煤壁的破壞程度，有利于防止片幫抽頂，達到淺截深多循環(huán)的目的；并配合液壓支架1m伸縮梁步距和鏈板機0.8m推移步距，可有效避免鋪頂網(wǎng)時煤機滾筒割煤期間攪網(wǎng)的現(xiàn)象。采煤機參數(shù)如表2所示。

2.3 頂板管控技術

2.3.1 強制放頂技術的實施

2.3.1.1 厚層堅硬頂板的影響

從巖性綜合柱狀圖可以看出，B8煤層上方11.3m存在一層厚度11m的中粗砂巖，巖體含有石英，具有強度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育，且整體性好、自穩(wěn)能力強的特點，對上方巖層活動起著主要控制作用，判定為66208工作面開采的關鍵層。

66208工作面回采過程中，直接頂冒落充分，冒落的高度可充滿采空區(qū)，但對工作面來壓步距以及大小起著決定作用的是關鍵層破斷規(guī)律，如果關鍵層大面積不斷裂，將會給工作面安全生產(chǎn)帶來隱患。同時，由于B7a煤與B8煤間距僅9m左右，與11m厚度的中粗砂巖間距20m，從頂板巖性及層厚來看，該層也是66207工作面開采的關鍵層。因此，對該層進行強制放頂措施不僅可以避免66208工作面回采期間大面積來壓，同時也可以減緩66207工作面開采時的礦壓顯現(xiàn)。

表4 第二～十組爆破參數(shù)表

圖3 第一組炮眼布置圖

圖4 第二～十組炮眼布置圖

2.3.1.2 強制放頂方案的確定

經(jīng)科研院校和集團公司組成的學科研小組理論分析，比較多個工作面強制放頂深孔預裂爆破方案，確定爆破參數(shù)。第一組爆破在風巷和順槽同步進行，風巷強制放頂孔距離上提切眼14m，與短面切眼平距145m，順槽強制放頂孔距離短面切眼平距138m，切頂爆破參數(shù)和炮眼布置分別見表3和圖3所示。

第二組到第十組僅在順槽進行，相距30～50m，各組爆破參數(shù)相同，見表4，炮眼布置如圖4所示。

2.3.1.3 強制放頂效果評價

66208工作面采取預裂爆破強制放頂措施后，周期來壓步距縮小，礦壓顯現(xiàn)減弱，同時對66207工作面來壓顯現(xiàn)也有著一定的影響。根據(jù)66207工作面回采過程中礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，周期來壓步距在18～21m左右，同66107綜采面相比，周期來壓步距增大10m左右，礦壓顯現(xiàn)減弱，回采至今沒有發(fā)生過大面積來壓等異常現(xiàn)象。

3月15日～21日工作面（此段回采范圍為第四組至第六組深孔預裂爆破范圍）壓力監(jiān)測結果來看，支架受力基本在26～28MPa之間，3月19日夜班工作面整體周期來壓，來壓最大強度為32.5MPa，來壓時間較短，支架工作阻力能夠適應來壓期間的支撐需要，且具有一定的富余系數(shù)。

2.3.2 強化煤層注水

類土質(zhì)煤通過煤層注水使煤體得到濕潤，可以改變煤體的物理力學性質(zhì)，使其延性增加，脆性降低并向塑性轉(zhuǎn)化，增加了粘結性和抗剪切力，起到固結煤壁，減少片幫的作用。我礦在總結以往回采的其他采煤工作面注水成功經(jīng)驗的基礎上，針對66207工作面煤層賦存特點，改進完善注水工藝，采取兩巷深孔低壓結合工作面淺孔低壓方式提高注水效果。

（1）兩巷利用鉆機每隔5～6m施工1個順層鉆孔，孔深80～90m，全程下套管，超前工作面煤壁不少于30m根據(jù)煤體出水情況實行24小時循環(huán)注水，三班落實責任人嚴格執(zhí)行交接班，注水壓力控制在3～5MPa，工作面采距鉆孔2m時停止注水。

（2）工作面上出口向下5m至下出口向上5m范圍內(nèi)，使用ZQ5—65型氣動手持式鉆機打眼，鉆孔垂直于工作面煤壁施工（或略帶2°～4°水平角），開孔位置距頂板0.5～1.0m處的軟分層中，孔深6～8m，注水孔間距3m（每3個孔為1組同時注水），采用FKSS—71/5型水力膨脹封孔器，自動實現(xiàn)封孔，注水壓力控制在1～3MPa之間。工作面淺孔注水主要利用檢修時間分5個茬同時注水，單孔注水時間原則上不得少于45分鐘，或者發(fā)現(xiàn)水由煤壁或相鄰注水孔中流出及注水期間煤壁片幫嚴重時即可停止注水，中班割完煤后根據(jù)現(xiàn)場煤壁情況適當補孔注水。煤壁淺孔注水采用錯茬式布置，每天注水眼沿傾斜方向錯開1～2m，煤壁片幫處先架棚背幫維護后再進行注水。

2.3.3 推廣鋪網(wǎng)工藝，控制頂幫抽冒

66207工作面回采期間采取全工作面超前鋪設金屬網(wǎng)的施工工藝，同時引進手搖絞盤配合鋪網(wǎng)作業(yè)，彌補了以前采用手拉葫蘆效率低、勞動強度大等諸多缺點；并根據(jù)每班回采進尺情況優(yōu)化改進金屬網(wǎng)尺寸，確定了較為合理的尺寸，實現(xiàn)了一班只需聯(lián)一次網(wǎng)的目的，大大提高了鋪網(wǎng)的效率。并通過進一步優(yōu)化鋪網(wǎng)施工工序，安排早班檢修期間為中班超前把金屬網(wǎng)聯(lián)齊，中班割煤結束后為夜班超前聯(lián)網(wǎng)提前準備生產(chǎn)條件，夜班割煤不占用檢修時間，給綜機設備的檢維修和早班注水創(chuàng)造條件，實現(xiàn)了班與班互相準備條件的良性循環(huán)，為工作面的高產(chǎn)高效發(fā)揮了積極作用。

鋪金屬網(wǎng)回采的主要優(yōu)點有以下幾點：

（1）有利于頂板管理。采取全工作面鋪設金屬網(wǎng)回采，使工作面頂板形成較好的整體性，即使頂板破碎，也能有效避免因頂板漏矸造成抽冒事故；

（2）有效預防片幫和架間漏矸。采取全工作面鋪設金屬網(wǎng)配合支架護幫板，能實現(xiàn)工作面全封閉式管理，尤其是對煤壁能有效控制，局部有片幫預兆時，采取鋪設金屬網(wǎng)配合架頭夾料這一有效措施，能有效控制割煤、移架期間煤壁的片幫及架間漏矸。

（3）有效的防止飛矸飛炭及片幫傷人。采取全工作面超前鋪設金屬網(wǎng)回采，金屬網(wǎng)始終超前聯(lián)至運輸機老塘側(cè)，金屬網(wǎng)由于自重原因始終覆蓋在運輸機上，形不成飛矸飛炭的空間，同時人員站在支架立柱與運輸機之間聯(lián)網(wǎng)，夾料在煤壁的網(wǎng)外作業(yè)，從根本上杜絕了大傾角綜采工作面飛矸飛炭及片幫傷人的發(fā)生。

結語

截止4月30日， 66207綜采工作面共回采365m。工作面先后過2個地質(zhì)異常區(qū)和2個底空石門，并進行了大小面對接和出煤系統(tǒng)改造，回采期間未出現(xiàn)大面積片幫和嚴重掉頂現(xiàn)象，局部有片幫預兆時立即采取鋪雙層網(wǎng)和對煤壁超前夾料的措施，就能控制片幫掉頂，從而消除了人員進入煤壁接頂這一重大安全隱患，并實現(xiàn)平均日退尺4.35m，平均月產(chǎn)83353t，最高日退尺7.2m，最高月退尺120m、最高月產(chǎn)100530t，做到了大傾角大采高三軟煤層復雜難采工作面相對的安全高效開采。對我礦乃至兩淮礦區(qū)今后類似地質(zhì)條件下的綜采面安全高效開采均有著深遠的指導意義。

[1]袁亮著，深井巷道圍巖控制理論及淮南礦區(qū)工程實踐[M]．煤炭工業(yè)出版社，2006．9．

[2]宋振騏著，實用礦山壓力控制[M]．中國礦業(yè)大學出版社，1988．

[3]錢鳴高，石平五編，礦山壓力與巖層控制[M]．中國礦業(yè)大學出版社，2003．11．

[4]何滿潮、袁和生、靖洪文、王方榮、景海河等著，中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M]．科學出版社，2004．4．

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