復(fù)合煤層區(qū)工作面分層回采技術(shù)研究

張華星 張東旭 肖見(jiàn)兵

（1.山東浩珂科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.徐礦能源股份有限公司張雙樓礦，江蘇 徐州 221000；3.臨礦集團(tuán)王樓煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

1 引言

受地質(zhì)年代中成煤時(shí)期及地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，一定區(qū)域內(nèi)煤層賦存厚度及相鄰煤層間距有時(shí)存在較大差異，并且會(huì)對(duì)后期煤炭資源回采方法的選擇有很大影響。對(duì)于穩(wěn)定性的厚煤層，常采用大采高綜采技術(shù)、分層回采技術(shù)及綜采放頂煤技術(shù)進(jìn)行資源回收。然而對(duì)于厚度不穩(wěn)定煤層，選擇何種回采方式保證較高的煤炭資源采出率，成為擺在煤礦工作者面前的難題。

本文以張雙樓礦74102工作面作為工程實(shí)例，旨在分析不同開(kāi)采技術(shù)在復(fù)合煤層區(qū)的應(yīng)用特點(diǎn)。由于大采高綜采技術(shù)不僅對(duì)設(shè)備有較高要求，更關(guān)鍵是要求煤層賦存較為穩(wěn)定，本工作面不具備大采高綜采技術(shù)實(shí)施條件，鑒于此，本文僅分析分層開(kāi)采技術(shù)與綜放技術(shù)在復(fù)合煤層區(qū)的回采特點(diǎn)，為后續(xù)工作面布置提供參考指導(dǎo)。

2 概況

張雙樓煤礦地處徐州西北部，隸屬江蘇徐礦能源股份有限公司，設(shè)計(jì)產(chǎn)能2.25Mt/a。井田水平標(biāo)高為-200m～ -1200m，東西走向長(zhǎng)13.5km，南北傾斜寬2.9km，面積約37.9km2。井田內(nèi)可采煤層為7#、9#、17#、21#煤，平均總厚度8.21m。目前主采7#煤層的74采區(qū)74102工作面位于-1000m水平延伸采區(qū)，東起工廣保安煤柱，西距井田內(nèi)10號(hào)勘探線約200m，南部為7425、7426工作面采空區(qū)，北部尚未開(kāi)采。

74102工作面設(shè)計(jì)回采東西走向長(zhǎng)1108m，南北向斜長(zhǎng)153.6～200.4m，平均約175.3m。根據(jù)順槽探明情況，回采區(qū)域內(nèi)7#煤與9#煤煤層間距呈由西向東逐漸減小的趨勢(shì)，并在工作面東北部合成，使工作面回采厚度在1～11m變化，煤層可采指數(shù)為1，變異系數(shù)41.6%，屬極不穩(wěn)定煤層區(qū)。工作面總體為傾向NNE單斜構(gòu)造，地層傾角為10～35°，平均22°。74102工作面位置如圖1所示，頂?shù)装迕簬r性特征及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 74102工作面位置

表1 74102工作面頂?shù)装迕簬r性及力學(xué)參數(shù)

3 回采方案對(duì)比

3.1 分層開(kāi)采技術(shù)特點(diǎn)

分層開(kāi)采技術(shù)通過(guò)設(shè)置層間人工假頂將整體厚煤層劃分成若干中厚煤層，以適應(yīng)常規(guī)工作面回采要求。隨著分層開(kāi)采技術(shù)的廣泛應(yīng)用發(fā)展，其已經(jīng)具備技術(shù)成熟、資源采出率高等特點(diǎn)。

針對(duì)74102工作面煤層賦存特征，其西區(qū)煤層主要為較穩(wěn)定的7#煤，而東區(qū)受9#煤合成影響，造成區(qū)域煤厚變化較大。若采用分層開(kāi)采技術(shù)，可在74102工作面布置適宜7#煤層采厚的綜采設(shè)備，進(jìn)入復(fù)合煤層區(qū)后，工作面沿7#煤層頂煤布置巷道進(jìn)行回采，并隨鋪人工假頂。而下分層工作面主要回采9#煤，并在復(fù)合煤層區(qū)沿9#煤底煤布置巷道進(jìn)行回采，以此保證復(fù)合煤層區(qū)資源得到最大程度采出。分層開(kāi)采巷道布置示意圖如圖2所示。

3.2 綜放開(kāi)采技術(shù)特點(diǎn)

綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)通常是沿煤層底板布置回采巷道，巷道高度與常規(guī)工作面巷道一致，然后采用綜合機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行回采推進(jìn)。在工作面超前支承壓力作用下，頂煤破碎成散體，并從專有放頂煤液壓支架后方的“放煤窗口”冒落至后端刮板輸送機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)頂煤的回采。綜采放頂煤技術(shù)如圖3所示。

圖2 復(fù)合區(qū)煤層分層開(kāi)采示意圖

圖3 綜放開(kāi)采示意圖

一般而言，煤層綜放開(kāi)采技術(shù)可行性主要依賴于頂煤的冒放性，即頂煤在超前支承壓力作用下的冒落程度。頂煤冒放性與煤層強(qiáng)度直接相關(guān)，并常用普氏系數(shù)表示。普氏系數(shù)越小的軟煤，其冒放性最佳，而隨著煤層普氏系數(shù)的增大，其頂煤冒放性逐漸變差，也越不適宜用綜放開(kāi)采技術(shù)。表2所示為基于普氏系數(shù)的煤層分類。

表2 基于普氏系數(shù)的煤層分類

如表1所示，7#煤層單軸抗壓強(qiáng)度為12.63MPa，其普氏硬度為1.26，故屬于軟煤。單從7#煤層強(qiáng)度而言，其符合綜放開(kāi)采要求，但由于復(fù)合煤層區(qū)范圍有限，不能僅在復(fù)合煤層區(qū)布置回采巷道，為滿足工作面長(zhǎng)度要求，需外延復(fù)合煤層區(qū)一定距離布置回采巷道，即如圖4所示。

圖4 綜放開(kāi)采工作面巷道布置示意圖

3.3 對(duì)比分析

分層開(kāi)采和綜放開(kāi)采都能保證復(fù)合煤層區(qū)資源的較高回采率。綜放開(kāi)采的7#頂煤雖滿足冒放性要求，但在工作面布置時(shí)，7#煤與9#煤層間存在厚度不一的細(xì)砂巖及泥巖夾層，且細(xì)砂巖為9#煤的基本頂巖層，強(qiáng)度很高，在支承壓力作用下，難以發(fā)生冒落，這會(huì)對(duì)上覆7#煤層回采率產(chǎn)生較大影響。即使綜放工作面頂板能順利冒落，也會(huì)增加選煤成本。而分層開(kāi)采雖然存在巷道布置復(fù)雜，掘進(jìn)量大等缺點(diǎn)，但能有效滿足復(fù)合區(qū)回采及工作面長(zhǎng)度要求。

基于以上原因，74102工作面不宜采用綜采放頂煤技術(shù)，選擇分層回采作為復(fù)合煤層不穩(wěn)定煤厚區(qū)資源開(kāi)采方法。

4 巷道及人工假頂布置

根據(jù)上述分析，分層開(kāi)采巷道布置可采用如下方式：

（1）在上分層回采時(shí)為保證7#煤采出率，根據(jù)煤層平均厚度設(shè)計(jì)巷道寬高比。首先沿7#煤底板完成掘進(jìn)巷道2，從而可探明7#與9#煤間距變化情況，實(shí)現(xiàn)一巷雙用。然后根據(jù)工作面綜采設(shè)備型號(hào)進(jìn)行巷道1的掘進(jìn)，此時(shí)完成7#煤上分層工作面布置，即74102工作面。

（2）74102工作面回采過(guò)程中，在臨近復(fù)合煤層區(qū)后，開(kāi)始施作人工假頂，擬使用重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、低蠕變的聚合長(zhǎng)絲纖維沿經(jīng)緯縱橫方向整體編制而成的聚酯纖維柔性網(wǎng)作為人工假頂材料，其敷設(shè)流程為：液壓支架安裝絞盤及定滑輪→工作面調(diào)直→運(yùn)網(wǎng)→柔性網(wǎng)搭接→挑至頂板掛網(wǎng)→割煤、移架，完成柔性網(wǎng)鋪設(shè)。根據(jù)74102工作面頂板巖性、冒落特征、周期來(lái)壓步距及復(fù)合煤層回采規(guī)模，柔性網(wǎng)規(guī)格尺寸選擇如表3所示。

表3 柔性網(wǎng)規(guī)格尺寸

（3）待74102工作面回采完成并形成采空區(qū)一段時(shí)間后，此時(shí)根據(jù)9#煤層采區(qū)布置情況，布置下分層工作面回采巷道3和4。為避免受上分層煤柱留設(shè)形成的高應(yīng)力區(qū)影響，下分層工作面巷道3、4布置應(yīng)以內(nèi)錯(cuò)式為宜，使其處于采空區(qū)下低應(yīng)力區(qū)。

5 結(jié) 論

（1）復(fù)合煤層不穩(wěn)定煤厚區(qū)在采用分層回采時(shí)，為保證資源回采率，上分層巷道沿7#煤層頂煤布置，而下分層回采時(shí)沿9#煤層底煤布置。同時(shí)，上下分層巷道需采用內(nèi)錯(cuò)式布置方式避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)。

（2）在分析綜放開(kāi)采技術(shù)回采復(fù)合煤層時(shí)，頂煤冒放性不僅與煤層強(qiáng)度有關(guān)，更需要考慮復(fù)合煤層層間距變化情況。

（3）復(fù)合煤層分層開(kāi)采采用聚酯纖維柔性網(wǎng)人工假頂布置，不僅可以提高工作效率，也能保證9#煤層回采時(shí)柔性網(wǎng)的整體護(hù)頂效果。圖5所示為柔性網(wǎng)假頂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果圖。

圖5 柔性網(wǎng)人工假頂工作面應(yīng)用效果圖