底板起伏條件下綜采工作面回采工藝

王俊虎

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030200)

引 言

綜采工作面回采率一直以來都是考核煤礦的關(guān)鍵指標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面的高效安全開采。實(shí)踐表明，影響工作面高效安全生產(chǎn)的主要因素包括工作面煤層的傾角范圍、煤層埋藏深度、工作面地質(zhì)相關(guān)的褶皺及斷層條件等。本文將針對工作面褶皺和斷層條件下對煤礦開采的影響。理論研究表明，工作面底板的起伏變化不僅會影響割巖量的增加，而且在煤巖交叉位置容易出現(xiàn)煤壁片幫、頂板等圍巖控制效果不佳等問題，從而在影響煤礦安全開采的同時(shí)，還會造成頂煤的浪費(fèi)[1]。因此，本文將著重對底板起伏條件下綜采工作面的回采工藝和注漿加固進(jìn)行研究。

1 工程概況

新景煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬t/a，80117工作面可供開采的煤層包括3#、8#、9#以及15#煤層。本文以新景煤礦80117工作面目前開采的15#煤層為例展開研究。80117工作面的走向長度為1 423 m，其中工作面的傾斜長度為220 m，15#煤層的埋藏深度為430 m～585 m。經(jīng)探測，15#煤層的厚度范圍為4.7 m～6.9 m，平均煤層厚度為5.94 m；煤層傾角范圍為2°～18°，平均傾角范圍為10°；15#煤層工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 15#煤層工作面頂?shù)装迩闆r

實(shí)際探查發(fā)現(xiàn)，15#煤層底板存在局部不規(guī)則起伏變化，且最大傾角可達(dá)16°，最小為5°。實(shí)踐表明，15#煤層底板起伏較大在煤層和巖層的交叉界面存在支護(hù)困難影響其生產(chǎn)安全性；同時(shí)，由于底板起伏較大為了保證生產(chǎn)安全性煤層上方的頂板不進(jìn)行放煤操作，從而導(dǎo)致頂煤被浪費(fèi)。此外，由于工作面底板起伏較大，導(dǎo)致工作面搬遷效率低，進(jìn)而影響工作面的煤炭開采效率。

2 底板起伏條件下回采工藝研究

為了解決底板起伏條件下安全隱患、開采率低等問題，保證底板起伏條件下對應(yīng)工作面的煤炭的回收率和高效益化，需根據(jù)底板實(shí)際情況設(shè)計(jì)最佳工藝回采路線[2]。鑒于15#煤層工作面走向長度中包括有傾斜方向和走向方向的工作面，本節(jié)將對上述兩個(gè)方向的回采路線進(jìn)行研究。

2.1 底板起伏條件下傾斜方向工作面回采路線分析

工作面底板起伏存在溝谷區(qū)域和背斜構(gòu)造帶兩種形式，針對溝谷區(qū)域?yàn)楸ＷC刮板輸送機(jī)可安全、穩(wěn)定通過該區(qū)域，采用留底煤的開采方式，其對應(yīng)的回采路線如圖1所示。

圖1 溝谷區(qū)域回采路線

針對背斜構(gòu)造帶煤層開采，可通過截割底板巖石或預(yù)留底板煤層的兩種方式，其對應(yīng)的回采路線分別如圖2a)、b)所示。

圖2 背斜構(gòu)造帶煤層對應(yīng)兩種回采路線

圖2a)中為當(dāng)前80117工作面15#煤層的開采方式，該開采方式下采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)可平穩(wěn)推進(jìn)，但需截割一部分巖層；圖2b)中采煤機(jī)到達(dá)背斜構(gòu)造帶位置存在一定的爬坡現(xiàn)象，不許對底板巖層進(jìn)行截割，但底板會預(yù)留一定的煤量。結(jié)合工作面底板情況，圖2b)中對應(yīng)開采方式下采煤機(jī)的最大傾斜角度可達(dá)20°，最小傾斜角度為12°。

不同傾斜角度下開采時(shí)截割巖層的量如圖3所示。

圖3 截割巖層量與傾斜角度的變化關(guān)系

如圖3所示，隨著傾斜角度的增加所截割巖層的量不斷減少。但是，當(dāng)傾斜角度較大時(shí)液壓支架的穩(wěn)定性較差，當(dāng)在實(shí)際移架過程中由于傾角較大導(dǎo)致摩擦力較小，存在咬架的現(xiàn)象，也就是說需適當(dāng)降低傾斜角度[3]。如圖3所示，綜合考慮巖層截割量和液壓支架的穩(wěn)定性，當(dāng)傾斜角度為12° 時(shí)雖然液壓支架穩(wěn)定性能較好但是其對應(yīng)巖層截割量為195 m3；而傾斜角度為16° 時(shí)巖層截割量明顯降低至45 m3。因此，綜合分析將傾斜角度設(shè)定為16°。

綜上所述，考慮到避免預(yù)留底煤浪費(fèi)較大的問題，針對80117工作面15#煤層傾斜工作面的背斜構(gòu)造帶和溝谷位置采用截割適量巖層的回采方式，且對應(yīng)的傾斜角度為16°。

2.2 底板起伏條件下走向方向工作面回采路線分析

針對工作面底板起伏條件下走向方向工作面回采，本節(jié)分為工作面過背斜構(gòu)造區(qū)域、工作面過背斜拱頂。

2.2.1 過背斜構(gòu)造區(qū)域開采

當(dāng)工作面過背斜構(gòu)造區(qū)域時(shí)，由于工作面底板的起伏變化較大，因此需適當(dāng)調(diào)整液壓支架的角度以適應(yīng)煤層的變化，與此同時(shí)采煤機(jī)也需采用仰采的方式進(jìn)行，以避免截割到底板下方的巖層。針對過背斜構(gòu)造區(qū)域的開采，為確保采煤機(jī)盡快找到煤層[4]。經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)采煤機(jī)仰角為16°時(shí)需推進(jìn)210 m才能找到煤層；當(dāng)采煤機(jī)仰角為20°時(shí)需推進(jìn)43 m即可找到煤層。因此，針對底板起伏條件下采煤機(jī)過背斜構(gòu)造區(qū)域時(shí)需將采煤機(jī)仰角調(diào)整為20°。

2.2.2 過背斜拱頂區(qū)域開采

針對采煤機(jī)過背斜拱頂區(qū)域開采，可設(shè)計(jì)如圖4所示的開采方式。

圖4 過背斜拱頂區(qū)域開采

如圖4所示，針對工作面過背斜拱頂區(qū)域時(shí)同樣可采用沿著煤層開采和截割底部巖層的兩種開采方式[5]。當(dāng)沿著煤層開采時(shí)，采煤機(jī)最大傾斜角度可達(dá)30°，此時(shí)傾斜角度過大容易對應(yīng)液壓支架的穩(wěn)定性極差，此工藝不予采用；當(dāng)采用截割底部巖層的開采方式時(shí)，對應(yīng)采煤機(jī)的傾斜角度可為16°和10°兩種。其中，當(dāng)傾斜角度為16° 時(shí)，截割工作面離頂板的距離較小，容易發(fā)生片幫、冒頂?shù)仁鹿剩划?dāng)傾斜角度為10° 時(shí)，截割工作面距離頂板的距離較對應(yīng)采煤機(jī)等設(shè)備可穩(wěn)定通過，但煤炭浪費(fèi)較多。

因此，綜上所述當(dāng)頂板圍巖穩(wěn)定性較好時(shí)可將傾斜角度調(diào)整為16°，避免過多的頂板煤炭浪費(fèi)；當(dāng)頂板圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)可將傾斜角度調(diào)整為10°，避免片幫、冒頂事故的發(fā)生。結(jié)合80117工作面的頂?shù)装逡约皫r層情況其頂板圍巖穩(wěn)定性較好，針對其過背斜拱頂區(qū)域的開采將采煤機(jī)傾斜角度調(diào)整為16°。

3 結(jié)論

煤礦綜采工作面回采工藝設(shè)計(jì)的合理性對其生產(chǎn)安全性和高效性具有重要意義。對于底板起伏較大的工作面煤層的開采，存在煤巖與巖層交界區(qū)域位置支護(hù)困難，導(dǎo)致頂板冒頂及片幫事故的發(fā)生；此外，頂板煤不放煤的操作也造成煤層極大的浪費(fèi)，工作面搬遷效率也低。因此，本文以80117工作面15#煤層開采為例對其走向方向和傾斜方向工作面的回采工藝進(jìn)行研究，具體總結(jié)如下：

1)針對傾斜方向工作面回采其中的背斜構(gòu)造帶和溝谷位置，采用截割適量巖層的回采方式，且對應(yīng)的傾斜角度為16°。

2)針對走向方向工作面回采的過背斜構(gòu)造區(qū)域回采需將采煤機(jī)的傾斜角度調(diào)整為20°，對于背斜構(gòu)造拱頂區(qū)域鑒于工作面頂板圍巖條件較好將采煤機(jī)傾斜角度調(diào)整為16°。