切眼支護解除法在提高綜放工作面采出率中的應用

劉鐵鋼

（呂梁市市級煤礦五人包保中心，山西 呂梁 033000）

1 工程概況

山西蘭花煤炭實業(yè)集團有限公司望云煤礦位于山西省晉城市，井田內主要可采煤層有3#、9#、15#煤層，目前主要進行15#煤層的采掘工作。15#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，150107 工作面位于15#層一采區(qū)，北部緊鄰井田邊界，南部為150105 采空區(qū)，西部為老空區(qū)（為重組整合礦井，已關閉），東部為一采區(qū)軌道巷，上部為9108、9110 老空區(qū)。150107 工作面所采15#煤位于太原組中下部，內生裂隙發(fā)育，煤層厚度8.4～11.6 m，平均厚度10.2 m，煤層含夾矸4～5 層，夾矸厚度0.1～1.2 m，夾矸為泥巖、砂質泥巖。工作面頂底板巖層特征見表1。

表 1 煤層頂底板情況表

2 綜放工作面初采損失分析

煤炭資源開采過程中，未能有效采出的稱為損失量，主要包括初采損失、工藝損失等。初采損失是降低工作面采出率的重要因素。綜放工作面回采初期，工作面后方采空的頂煤懸露面積小，支架上方頂煤受到的支承壓力較小，頂煤在應力作用下碎裂不充分，頂煤完整性較好。該階段放煤期間易出現頂煤冒落不及時、難以冒落等問題，致使工作面回采初期煤炭采出率較低。初采損失主要由兩部分構成[1]，第一部分是開切眼處的頂煤無法垮落造成的損失，即頂煤開始垮落、放煤之間引起的頂煤損失，第二部分是頂煤垮落到直接頂垮落之間，頂煤冒放性差，且相當第一部分煤落入采空區(qū)引發(fā)的損失。

為減少15#煤層綜放工作面初采期間的煤炭損失量，分析以往工作面的礦壓顯現規(guī)律，指導150107 工作面的開采，采用YHY-60 型液壓支架測力儀，可以得到工作面初采期間頂煤及頂板垮落的規(guī)律如圖1。

圖 1 頂板垮落規(guī)律

15#煤層綜放工作面推進約15 m 后，頂煤開始冒落，工作面推進約30 m 后頂板出現初次垮落。根據頂煤和頂板冒落規(guī)律可以初步得到初采期間的損失量，初采損失計算公式[2]：

式中：Q1為初采損失量，t；L 為工作面長度，m；ρ 為煤體容重，t/m3；h 為頂煤厚度，m；L1為初采期間不放煤的長度，m。

15107 工作面長度為180 m，頂煤厚度7.6 m，參考臨近的150105 工作面，工作面初采期間不放煤推進的距離為15 m，開切眼寬度為7 m，則L1=22 m，15#煤層容重為1.35 t/m3。將以上參數代入式（1）計算可得，預計150107 綜放工作面初采損失量可達40 629.6 t，150107 工作面采出率約為78%，初采損失占煤炭總損失量的17.9%。綜上可知，15#煤層綜放工作面初采損失量是造成工作面采出率較低的重要因素，可通過減小該部分的損失來提高采出率。

3 支護解除技術提高初采期間采出率

3.1 支護解除技術原理

為防止放煤后頂板垮落引發(fā)沖擊采場，綜放工作面回采初期必須留部分頂煤。工作面開始回采直至直接頂開始垮落之間的煤炭損失量，可通過改善頂煤的冒放性，縮短工作面開始回采至頂煤開始冒落、直接頂開始垮落的距離，使頂煤盡早的放出、頂板盡快地垮落，減少初采期間的煤炭損失量。現階段隨著生產技術的發(fā)展，支護解除技術逐漸用于降低煤炭初采損失量。

支護解除技術原理如圖2。正常情況下，工作面回采一段距離后，采空區(qū)頂煤冒落，工作面后方的開切眼廢棄，但是由于切眼內保留著頂板錨桿錨索及煤柱幫錨桿支護，頂板將懸而不落，導致采空區(qū)頂板及頂煤無法及時垮落，巷道頂板狀態(tài)如圖2（a）。回采前解除切眼頂板的支護，支護解除后頂板狀態(tài)如圖2（b）。工作面回采后，切眼上方及采空區(qū)頂板將充分冒落，解決綜放工作面頂板懸而不冒的問題。

圖 2 支護解除原理

3.2 支護解除技術模擬分析

依據150107 綜放工作面具體的地質條件，采用FLAC3D軟件建立計算模型[3]。模型X 軸方向長度60 m，Y 方向寬度50 m，高度35 m。工作面開切眼位于模型中部，開切眼長度為180 m，斷面尺寸為7.0 m×3.0 m。工作面向X 正方向推進，切眼及回采巷道采用錨網索支護，錨桿錨索采用Cable單元進行模擬，模型四周邊界約束水平方向的位移，底部邊界為固定約束，頂部邊界施加7.35 MPa 的垂直均布載荷。模擬時，首先進行切眼的開挖支護，然后進行工作面的推進，最終可得到切眼支護解除前后巷道頂板的垮落情況如圖3、圖4。

由圖3 所示結果可以看出，工作面回采16 m 時，工作面對應位置巷道頂板最大垂直位移僅為0.41 m，頂板下沉并不明顯；工作面回采17 m 后，頂板最大下沉量達到1.18 m，表明此時巷道頂板及采空區(qū)頂煤（板）已垮落，說明直接頂初次垮落步距約為16 m。同樣由圖4 可以看出，支護解除后，工作面回采8 m 時，巷道頂板下沉量達到1 m 以上，表明直接頂初次垮落步距約為8.0 m。由此可知，支護解除能夠將頂板的初次垮落步距由17m 減小至8 m，縮短頂板（煤）的初次垮落步距，減小工作面的初采煤炭損失。

圖 3 支護解除前巷道頂板垂直位移云圖

圖 4 支護解除后巷道頂板垂直位移云圖

4 現場應用及效果分析

4.1 支護解除應用

150107 工作面開切眼采用錨網索梁聯合支護技術，工作面開始回采前，首先進行切眼的支護解除。開切眼凈寬8.0 m，凈高3.5 m，頂錨索采用直徑15.24 mm、長度11 m 的鋼絞線，頂板錨索的解除采用TMQ15-300/60 型退錨器，如圖5（a）。將退錨器固定在錨索外露的端部，采用張拉千斤頂對錨索施加載荷，錨索將與鎖具外套分離，卸下鎖具和托盤，使頂板錨索失去其懸吊功能。頂板錨桿采用直徑22 mm、長度2.4 m 的螺紋鋼，頂板錨桿的解除采用液壓錨尾剪斷器，如圖5（b），剪斷螺母與托盤的聯結面，將帶有螺母的錨尾剪下，回收螺母、托盤、鋼帶。

圖 5 TMQ15-300/60 型退錨器、液壓錨尾剪斷器實物圖

4.2 應用效果分析

150107 切眼支護解除后，工作面回采初期，工作面開始回采至頂煤開始冒落的距離相對于類似工作面減小了9 m，直接頂初次垮落步距減小了18 m，明顯增大了初采期間煤炭的采出量，增大了9 m 頂煤可以放出的空間，增加煤炭產量[4]：

式中：d 為初次放煤步距減小量，為9 m；L 為工作面長度，180 m；h 為頂煤厚度，7.6 m；ρ 為煤層容重，1.35 t/m3；η 為回采率，78%。計算可得增加的煤炭產出量為12 964.5 t，初采損失減小了31.9%，150107 工作面采出率提高了1.12%。

5 結論

為提高望云煤礦15#煤層采出率，理論分析150107 綜放工作面初采損失量達40 629.6 t，占煤炭總損失量的17.9%，提出采用支護解除技術來降低初采損失的方案。數值模擬研究表明，支護解除可顯著減小工作面回采至頂煤開始冒落之間的距離，降低工作面初采煤炭損失。現場應用表明，切眼支護解除后，頂煤初次跨落步距縮短了9 m，增加了12 964.5 t 的采出量，初采損失減小了31.9%，取得了很好的應用效果和經濟效益。