大采高綜采工作面端部底板煤適宜留采技術(shù)研究

張英杰

（華陽(yáng)集團(tuán)開(kāi)元公司，晉中 壽陽(yáng) 045400）

隨著采煤技術(shù)水平的提高，大采高綜采技術(shù)已成為3.5～6 m厚煤層的主要開(kāi)采方法，開(kāi)采高度逐年增加[1-3]。為了方便巷道的施工和維護(hù)，巷道沿煤層頂板布置，同時(shí)保留底板煤。工作面端部底板煤分為“C”“S”和復(fù)合型三種類型[4]。巷道下底板煤層厚度和工作面末端底板煤層厚度會(huì)隨煤層厚度的增加而增加，因此會(huì)造成煤層損失，并對(duì)工作面機(jī)械設(shè)備特別是液壓支架的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。減少巷道下底板煤量和保留合適類型的底板煤將有利于機(jī)械設(shè)備的安全高效工作，也有利于底板煤的回收。

1 工作面端部底板煤的適當(dāng)滯留方法和尺寸

開(kāi)元公司9714綜采工作面巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，因此，工作面末端底板煤的存在并無(wú)法避免。在工作面端部保留適量底板煤，將支架從工作面端部轉(zhuǎn)移到采高，保證刮板輸送機(jī)處于合適的狀態(tài)，是安全高效采煤的前提條件。當(dāng)巷道下底板煤層較厚時(shí)，如果采用小的工作面傾角，則會(huì)使底板煤損失總量過(guò)高；如果采用較大的傾角，支架則可能會(huì)失去穩(wěn)定性，受到嚴(yán)重?cái)D壓?；仫L(fēng)巷設(shè)置在上工作面，運(yùn)輸巷道設(shè)置在下工作面，對(duì)上、下工作面端部底板煤的留存情況如圖1、圖2所示。

對(duì)于“C”型底板煤（見(jiàn)圖1-1），由對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系可得：

式中：b為一個(gè)支座的支承寬度，m；βc為端面彎曲段支座與底板之間的最小夾角，（°）；hc為“C”型外緣下底板煤的厚度，m；nc為工作面彎曲段支架個(gè)數(shù)；α為煤層傾角，（°）；支架的傾斜角γ應(yīng)滿足條件：α+ncβc≤γ[5]。

當(dāng)有nc個(gè)支架在彎曲段時(shí)，則第i個(gè)支架外緣到地板的距離為：

單位走向長(zhǎng)度彎曲段支撐的總面積為：

式中：B為進(jìn)給口寬度，m。

對(duì)于扁平煤層（α≤8°）、傾角較大的煤層，采用“S”型底板煤，如圖1-2所示。對(duì)于“S”型底板煤，由對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系可得如下公式：

式中：hs是“S”型外側(cè)邊緣地板煤層厚度，m；ns為端面彎曲段支撐物數(shù)量；其他參數(shù)與式（2）相似；支架傾角γ應(yīng)滿足條件：

彎曲截面單位長(zhǎng)度下的總支承面積：

Ss=bcos（iβs）hscosα+Bhs-hs2sinαcos.（6）

綜采工作面下端刮板輸送機(jī)與裝載機(jī)的合適高度重疊應(yīng)不小于0.5 m[6]。工作面末端底板煤比運(yùn)輸巷道底板高0.5 m左右?！癈”型底板煤可在工作面下端保留為大傾角煤層，如圖2-1所示。最佳支架數(shù)量如下式所示：

式中：各參數(shù)的意義與式（2）相似。

支架下底板煤面積為彎曲段底板煤面積與水平段底板煤面積之和，總面積的計(jì)算參照式（4）。

“S”型底板煤的尺寸如圖2-2所示。

圖2 下工作面端底板煤的保留類型

在靠近上工作面末端的內(nèi)底煤是“C”型和“S”型的混合型煤炭，彎曲截面的支撐物數(shù)為“C”和“S”截面的支撐物數(shù)之和。對(duì)于傾角為8°左右的煤層，底板煤應(yīng)保留“C”型或復(fù)合型。支座之間的間隙為t1，側(cè)護(hù)板的最大側(cè)向位移為t2。當(dāng)?shù)酌姘枷輹r(shí)，頂梁應(yīng)相互靠近，但頂梁橫向移動(dòng)的幅度不應(yīng)超過(guò)t1。支架應(yīng)適應(yīng)凹凸地板，變化角度（Φ，Φ′）應(yīng)滿足：

同時(shí)，β應(yīng)小于θ（θ為刮板輸送機(jī)線盤的垂直旋轉(zhuǎn)角度），因此，β≤min{Φ,Φ′,θ}。

2 工作面端部底板煤的回收方法

2.1 回風(fēng)巷底板凹進(jìn)的底板采煤方法

以“C”型底板煤為例，回風(fēng)巷底板凹進(jìn)后底板煤的尺寸如圖3所示。

圖3 底板凹陷后上端面底板煤的尺寸

圖3中，陰影部分表示采煤機(jī)底板采煤量；刮板輸送機(jī)尾部到室外的距離應(yīng)不小于0.7 m。同時(shí)l和h′應(yīng)滿足：

式中，B為進(jìn)給口寬度，m；l為刮板輸送機(jī)尾部到外側(cè)的距離，m；m為煤層厚度，m；h′為刮板輸送機(jī)尾部下底板凹痕后的煤層厚度，m；Hd為工作面端部維護(hù)設(shè)備最大支撐高度，m。

2.2 運(yùn)輸巷道底板超前掘進(jìn)底板采煤方法

如圖4所示，底板凹陷后，通道口整體高度增加。在超前支承壓力的作用下，巷道內(nèi)部變形嚴(yán)重，不利于巷道的維護(hù)。底板凹面高度應(yīng)保證巷道穩(wěn)定，并滿足端面支撐高度：

圖4 運(yùn)輸巷道底板凹度參數(shù)

式中：hw為底板支撐高度，m；H為入口高度，m；Hw為底板凹進(jìn)后巷道穩(wěn)定的最大高度，m。

總樓板壓痕長(zhǎng)度為超前支護(hù)長(zhǎng)度與日樓板壓痕長(zhǎng)度之和：

式中：Lw運(yùn)輸?shù)揽诳偟装鍍A度長(zhǎng)度，m；Lz巷道超前支護(hù)距離，m；Ld為每日底板壓痕長(zhǎng)度，m。

為保證巷道在底板凹陷后的穩(wěn)定性，需采用臨時(shí)支護(hù)方法進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)增加支架的強(qiáng)度和密度來(lái)加強(qiáng)頂板支架穩(wěn)定性，以減小巷道的變形。

3 實(shí)例

3.1 工作面生產(chǎn)條件

開(kāi)元公司9714綜采工作面煤層平均厚度為5.5m，平均傾角為7°，最大為15°，工作面長(zhǎng)度為240 m，每天向前推進(jìn)約4～5m。橫截面的長(zhǎng)×寬分別為4.6m×3.5 m和4.4 m×3.5 m。工作面設(shè)備參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

表1 工作面設(shè)備參數(shù)

3.2 巷道底板掘進(jìn)前后的煤損比較

根據(jù)工作面條件，支架的底板變化角度為1.1°。刮板輸送機(jī)尾部到外部的距離l=1.0 m，刮板輸送機(jī)尾部下的煤厚度h′=1.1 m，運(yùn)輸巷道底板凹陷深度hw=1.0m，梯級(jí)寬度dm=0.8m，總樓板凹面長(zhǎng)度Lw=25m（地面每天凹陷Ld=5 m）。

在回風(fēng)巷底板凹陷并允許上端面最后一個(gè)外支架保持在最大傾角（γ=15°）之前，回風(fēng)巷最后一個(gè)外支架以外的底板煤厚度為2.1 m。根據(jù)回采工作面條件，可得：β=0.5°（來(lái)自公式（2）），折彎段支架數(shù)量nc=16，底板煤面積（含回風(fēng)巷下底板煤面積）為27.77 m2。在運(yùn)輸巷道底板凹陷前，工作面端底板煤厚為2.5 m，支架和地面最大角度為7°，β=0.4°，折彎段支架數(shù)量nc=18，底板煤截面積為38.30 m2。

為了確保底板凹陷后的彎曲段有適當(dāng)數(shù)量的支架支撐，并使支撐與頂板相適應(yīng)，上端面彎曲段包括9個(gè)β=0.7°的支架。同時(shí)，水平段需要2個(gè)液壓支架，下端彎曲段需要9個(gè)，其中靠近下端的第一個(gè)彎曲段保持水平。底板凹陷后，上、下工作面端底板飽和煤截面積分別為7.68 m2和13.7 m2，底板凹進(jìn)前后底板煤的損失情況見(jiàn)表2。

表2 底板支護(hù)前后失煤量的比較

從表2分析可知，巷道底板煤越厚，過(guò)渡段需要的支架越多，保留的底板煤越多，減小巷道下部煤層厚度是減少底板煤損失的最佳途徑；下端面支撐2個(gè)或3個(gè)支架，端面煤損失較大,底板凹陷后，底板煤面積大幅減小，過(guò)渡段支架數(shù)量減少。

4 結(jié)論

1）在工作面端部保留適量底板煤，將支架從工作面端部轉(zhuǎn)移到采高，保證刮板輸送機(jī)處于合適的狀態(tài)，是安全高效采煤的前提條件。

2）在工作面端部底煤參數(shù)適當(dāng)?shù)那闆r下，工作面兩端的回收方法如下：上底板煤可用帶底板支護(hù)的采煤機(jī)直接回收，下層煤先推進(jìn)底板支護(hù)留臺(tái)階后，用采煤機(jī)進(jìn)行底板支護(hù)后回收運(yùn)輸通道中一側(cè)的煤。

3）根據(jù)大采高工作面的地質(zhì)條件和設(shè)備參數(shù)，采出工作面兩端的底板煤可使采收率提高3.5%，底板凹陷后，過(guò)渡段所需支架較少，保證了工作面設(shè)備的安全高效運(yùn)行。