小常煤礦厚煤層綜放工作面扇形開采技術(shù)研究

宋宇鵬，王 濤

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長治公司，山西 長治 046000)

在井工煤礦開采過程中，部分工作面受開采條件的制約，如遇斷層和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造、村莊和礦界的保護(hù)煤柱，為提高煤炭資源的回收率，常將工作面的始采線或停采線布置在地質(zhì)構(gòu)造帶或保護(hù)煤柱附近。此類工作面在初采或收尾時，常出現(xiàn)三角煤或不規(guī)則區(qū)域煤的回采，需要對工作面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開采或調(diào)斜開采，盡量保證工作面等長布置。國內(nèi)大量專家學(xué)者對不規(guī)則工作面的開采技術(shù)進(jìn)行了研究，吳士良等[1]通過對三角煤旋轉(zhuǎn)開采的長刀斜切和短刀斜切2種工藝進(jìn)行對比分析，在楊村礦305工作面初采期間實施了1刀長刀和3刀短刀穿插割煤方式，并對調(diào)采工藝提出了要求；馬旋[2]根據(jù)石臺礦3118工作面開采條件，提出了“實中心旋轉(zhuǎn)，弧形甩面法”的旋轉(zhuǎn)回采工藝，解決了工作面旋轉(zhuǎn)回采期間爬架、擠架、歪架等技術(shù)難題；葉宗寶等[3]結(jié)合三河口礦2326工作面生產(chǎn)實踐，深入研究優(yōu)化了弧形開采技術(shù)。以上研究對煤礦不規(guī)則工作面的回采提供了強(qiáng)有力的指導(dǎo)，但是對于扇形旋轉(zhuǎn)開采過程中的關(guān)鍵技術(shù)以及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究則相對較少。本文基于小常煤礦30212工作面扇形區(qū)域的開采需求，對綜放工作面扇形開采工藝和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

1.1 工作面開采條件

小常煤礦位于山西省長治市潞州區(qū)，生產(chǎn)能力210萬t/a.礦井開采的3號煤層厚度為5.55～6.94 m，平均6.6 m，煤層傾角1～8°.煤層中部含夾矸0～3層，厚度0.10～1.25 m，巖性一般為泥巖和炭質(zhì)泥巖。3號煤層老頂為中粒砂巖和粉砂巖，直接頂為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖；直接底為泥巖和砂質(zhì)泥巖，老底為中細(xì)粒砂巖。煤層和頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 礦井地質(zhì)綜合柱狀圖

30212工作面位于302采區(qū)西南部，東起302采區(qū)膠帶上山，西至井田邊界保安煤柱，北側(cè)為30211工作面的采空區(qū)，南側(cè)為實體煤。工作面地面標(biāo)高+908 ～ +930 m，井下標(biāo)高+493 ～ +583 m.工作面切眼及兩巷均沿煤層底板掘進(jìn)，運(yùn)巷長1 558 m，風(fēng)巷長1 570 m，切眼長277.5 m，矩形斷面，錨網(wǎng)索支護(hù)。工作面的設(shè)計可采長度運(yùn)巷側(cè)577 m，風(fēng)巷側(cè)707 m，設(shè)計可采煤量139.8萬t.30212工作面布置見圖2.

圖2 30212工作面布置(m)

1.2 工作面設(shè)備配置

30212工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法，采煤機(jī)截深0.8 m，工作面采高6.6 m，機(jī)采高度3.2 m，放煤高度3.4 m，回采率95%，循環(huán)產(chǎn)量1 912.8 t.工作面內(nèi)布置有188組液壓支架支護(hù)頂板，采空頂板采用全部垮落法。工作面設(shè)備配置見表1.

表1 工作面設(shè)備配置

2 扇形開采方案設(shè)計

30212工作面回采方向與井田邊界線的夾角64°，如果沿用小常礦以往的開采經(jīng)驗，將工作面布置成兩巷等長的正規(guī)工作面，則會在工作面切眼與礦界保護(hù)煤柱線之間留下一塊三角煤區(qū)域，如圖3所示。該區(qū)域面積約20 736 m2，儲量約17.94萬t，為盡可能多地回收煤炭資源，需要對工作面布置進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合國內(nèi)其他煤礦的開采實踐，本文對布置刀把面和扇形面兩種開采方案進(jìn)行比較，為了便于計算分析，比較中不考慮巷道上方和初采期間的頂煤損失。

圖3 三角煤區(qū)域(m)

2.1 刀把面開采方案

如圖4(a)所示，30212運(yùn)輸巷掘進(jìn)到位后向右拐彎掘進(jìn)切眼Ⅱ段139 m(全切眼長度的1/2)，切眼到位后向左拐彎掘進(jìn)運(yùn)輸巷Ⅱ段72 m至礦界保護(hù)煤柱線處，再向右拐彎掘進(jìn)切眼Ⅰ段144 m與回風(fēng)巷貫通。規(guī)劃的刀把面面積約10 368 m2，可采煤量8.97萬t，三角煤回收率50%.

2.2 扇形面開采方案

如圖4(b)所示，以30212運(yùn)輸巷的終點為圓心，切眼長度加兩巷寬度為半徑作一圓弧，回風(fēng)巷沿圓弧掘進(jìn)至井田邊界保護(hù)煤柱線處，從運(yùn)輸巷終點沿礦界保護(hù)煤柱線傾斜布置切眼，并與回風(fēng)巷圓弧段貫通。扇形面的切眼長度277.5 m，圓弧段巷長度130 m，面積約18 745 m2，可采煤量16.22萬t，三角煤回收率90%.

圖4 兩種工作面布置規(guī)劃圖(m)

2.3 方案比較

對兩種方案進(jìn)行比較可以看出，通過布置扇形面能夠大大提高三角煤的回收率，由刀把面的50%提高到90%，多回收煤炭資源7.25萬t.刀把面掘進(jìn)期間巷道需要兩次拐彎，穩(wěn)裝期間需要對兩條切眼進(jìn)行設(shè)備安裝，隨工作面推進(jìn)還要安排專門時間進(jìn)行兩段切眼的對接工作，巷道拐彎多，生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，通風(fēng)阻力大，而扇形面只需要整體安裝一次切眼內(nèi)的設(shè)備，系統(tǒng)相對簡單。因此，采用扇形面開采三角煤區(qū)域，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

3 扇形開采關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)備安裝控制

1) 前后溜機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接要合理，搭接角度均為26°，前溜與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接控制在650 mm左右，后溜與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接控制在350 mm左右。

2) 端頭三角區(qū)及前溜機(jī)尾的電纜和管路敷設(shè)要留出1.5 m的空間，防止采斜時前溜上竄下滑導(dǎo)致出現(xiàn)增、減溜槽情況。

3) 端尾過渡架與回風(fēng)巷外幫之間要預(yù)留一定的空隙：巷道位于實體煤內(nèi)，預(yù)留700～1 000 mm；巷道臨近采空區(qū)，預(yù)留1 500～2 500 mm，并將巷道變形量考慮在內(nèi)。

3.2 進(jìn)刀方式控制

采煤機(jī)從工作面端尾進(jìn)刀割煤向端頭方向運(yùn)行時，遵循“深入淺出”的方法，采煤機(jī)向煤壁側(cè)斜切進(jìn)刀，截深800 mm；從工作面端頭方向進(jìn)刀割煤向端尾方向運(yùn)行時，遵循“淺入深出”的方法，采煤機(jī)運(yùn)行至前部刮板輸送機(jī)鏟煤板與煤壁<800 mm處時，自然切入煤壁，待采煤機(jī)滾筒完全切入煤壁和在端尾出刀時，截深要達(dá)到800 mm.從端尾進(jìn)刀時，進(jìn)刀距離為30 m，正常進(jìn)刀；從端頭進(jìn)刀時，采煤機(jī)由端尾運(yùn)行至端頭，割透端頭煤壁后即完成進(jìn)刀作業(yè)，然后反向牽引采煤機(jī)向端尾運(yùn)行。

3.3 推溜方式控制

在采斜階段，工作面設(shè)備本身處于向端尾方向運(yùn)動的趨勢，采用端尾向端頭方向單向推溜的方法，可以有效抵消設(shè)備下滑的力，以保持設(shè)備基本穩(wěn)定。因此，推前溜時，無論采煤機(jī)是向端頭還是端尾運(yùn)行，始終堅持由端尾向端頭單向順序推溜，防止前溜急速下滑。在臨近采斜結(jié)束時，前溜有一個上竄臨界值，一旦越過臨界值，前溜將會急速上竄，造成調(diào)整困難，必須加強(qiáng)觀測，提前采取多進(jìn)機(jī)頭、趕溜等措施進(jìn)行控制。

3.4 支架移架控制

按照工作面回風(fēng)巷側(cè)的推進(jìn)距離，移架作業(yè)分為三個階段。

1) 回風(fēng)巷側(cè)推進(jìn)0～25 m，此階段正常移架作業(yè)。

2) 回風(fēng)巷側(cè)推進(jìn)25～110 m.41號中間架向3號排尾架：移架時，使用小單體柱一頭支設(shè)在支架左前立柱底座部位，另一頭支設(shè)在其相鄰機(jī)尾一側(cè)支架右前立柱上，邊移架邊伸單體柱，強(qiáng)迫支架向工作面機(jī)頭方向擺動，擺架操作跟隨移架作業(yè)同步進(jìn)行。1號排頭架向40號中間架：使用單體柱支設(shè)在相鄰支架尾部，利用單體柱的推力，強(qiáng)迫支架尾部向工作面機(jī)尾方向擺動，在停機(jī)狀態(tài)下操作；待工作面支架隨著工作面的回采進(jìn)度逐步進(jìn)行調(diào)整后，使用單體柱支設(shè)在端頭外幫側(cè)煤壁與端頭架外幫副架之間，可利用單體柱的推力，強(qiáng)迫端頭架向工作面機(jī)尾方向擺動。

3) 回風(fēng)巷側(cè)推進(jìn)110～130 m.41號中間架向3號排尾架執(zhí)行與上階段相同的擺架操作。1號排頭架向40號中間架：在擺動支架尾部的基礎(chǔ)上，增加擺動支架前部的操作，使之與其它支架逐步呈現(xiàn)為平行狀態(tài)；端頭架向工作面機(jī)尾方向擺動后，最終要與工作面成平行狀態(tài)。

4 工程應(yīng)用

30212工作面斜切眼與工作面推進(jìn)方向的夾角為64°，弧長位于回風(fēng)巷一側(cè)，整個扇形三角區(qū)設(shè)計可采長度130 m(風(fēng)巷側(cè)弧長)，可采面積17 934 m2，可采煤量約15.51萬t.

在扇形面實際回采過程中，要保持端頭側(cè)為圓心完全不動的理想情況是比較困難的，為了便于采煤機(jī)進(jìn)刀、支架調(diào)整和推拉前后溜，端頭側(cè)也要相應(yīng)地以弧形推進(jìn)。以端頭側(cè)為圓心，切眼長度為半徑，端尾多進(jìn)刀，端頭少進(jìn)刀，近似順時針轉(zhuǎn)動；初采結(jié)束，端頭端尾推進(jìn)距離趨于平行后，開始正規(guī)回采作業(yè)。工藝流程：采煤機(jī)割煤—裝煤—移架—推前刮板輸送機(jī)—放煤—拉后刮板輸送機(jī)—采空區(qū)頂板自行垮落。30212工作面扇形區(qū)域2019年10月9日開始回采，2019年12月5日回采完畢，初期端頭進(jìn)1刀(0.8 m)，端尾進(jìn)5刀(每刀0.8 m)；端頭累計進(jìn)7刀后，調(diào)整為只進(jìn)端尾，不進(jìn)端頭；端尾推進(jìn)至120 m時，達(dá)到前溜上竄臨界值，開始推進(jìn)端頭進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個扇形區(qū)域端頭側(cè)推進(jìn)18刀共14.4 m，端尾側(cè)推進(jìn)165刀共132 m，如圖5所示。

圖5 扇形開采區(qū)域示意(m)

工作面采用液壓支架支護(hù)頂板，回風(fēng)巷超前支護(hù)段長度50 m，單體柱配合π型梁組成“一梁四柱”支護(hù)，運(yùn)輸巷超前支護(hù)段長度20 m，單體柱配合π型梁組成“一梁兩柱”支護(hù)，棚距均為0.8 m，工作面支護(hù)如圖6所示。

圖6 扇形工作面支護(hù)(mm)

5 實施效果

5.1 礦壓顯現(xiàn)分析

1) 頂板離層。在巷道頂板中部每隔50 m安裝1個頂板離層儀，用于監(jiān)測深淺基點離層情況。扇形面開采期間，30212回風(fēng)巷超前工作面50 m內(nèi)頂板最大離層量10 mm，回風(fēng)巷其他區(qū)域和運(yùn)輸巷均未觀測到頂板離層，說明頂板的整體性較好。

2) 巷道變形。巷道表面位移采用“十字布點法”安設(shè)測站，每旬觀測1次并做好記錄[4]。在回采期間，30212運(yùn)輸巷的斷面基本無變化，由于回風(fēng)巷側(cè)與相鄰的30211工作面采空區(qū)之間只留設(shè)7 m寬小煤柱護(hù)巷，受30211工作面采動壓力和扇形面超前支承壓力的雙重影響，超前支護(hù)區(qū)內(nèi)頂板下沉量最大300 mm，兩幫移近量最大1 200 mm，底板未出現(xiàn)明顯底鼓，說明巷道動壓顯現(xiàn)明顯，變形量較大，但仍在可控范圍。

3) 錨桿(索)受力。為監(jiān)測頂板錨桿(索)的受力變化情況，巷道內(nèi)每隔300 m安設(shè)1組錨桿(索)測力計。扇形開采期間，30212運(yùn)輸巷的頂錨桿和頂錨索受力情況變化不大，最大值分別為23 kN和47 kN；回風(fēng)巷的頂錨桿和頂錨索壓力最大值分別為156 kN和174 kN，是運(yùn)輸巷的6.8倍和3.7倍，需要加強(qiáng)回風(fēng)巷內(nèi)的支護(hù)[5]。

4) 工作面礦壓顯現(xiàn)。工作面端頭端尾推進(jìn)距離不等，為便于分析，現(xiàn)將工作面分成端頭、中部、端尾三個區(qū)域。①端頭區(qū)域：礦壓顯現(xiàn)不明顯，推進(jìn)12 m時直接頂才初次垮落。②中部區(qū)域：推進(jìn)1.8 m時，頂煤垮落，上方頂板隨即呈破碎型陸續(xù)垮落；推進(jìn)60 m時有頂炮聲，范圍廣且清脆，判斷是直接頂初次垮落，支架壓力無明顯變化。③端尾區(qū)域：推進(jìn)1.8 m時，頂煤垮落，上方頂板隨即呈破碎型陸續(xù)垮落；推進(jìn)40～50 m時能聽到清脆的頂炮聲響，判斷是直接頂初次垮落；端尾開始出現(xiàn)幫鼓、頂板下沉，期間一直伴隨有頂炮聲，越來越顯沉悶；回采至128 m時，端尾有乳白色水涌出，判斷是老頂垮落。

在整個扇形開采期間，工作面未觀測到明顯的周期來壓，頂板自端尾向端頭逐漸垮落，至扇形開采結(jié)束時，端頭、中部、端尾的頂煤及上方的頂板均已破碎垮落，垮落后的煤巖體將采空區(qū)封閉。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

30212工作面扇形區(qū)域初采時前3刀不放頂煤損失了部分煤炭資源，其余均按照預(yù)定計劃完成了回采工作，共回收三角煤約16萬t，按照小常煤礦3號煤當(dāng)時的售價570元/t計算，多創(chuàng)造產(chǎn)值約9 120萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

6 結(jié) 語

1) 根據(jù)小常煤礦30212工作面的開采條件，設(shè)計了刀把面和扇形面兩種開采方案，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，相比布置刀把面，扇形面對三角煤的回收率由50%提高至90%，可多回收煤炭資源7.25萬t，系統(tǒng)布置也更加簡單。

2) 提出了工作面扇形開采的關(guān)鍵技術(shù)，包括對設(shè)備安裝、進(jìn)刀方式、推溜方式、移架方式的控制，并在30212工作面進(jìn)行了成功的應(yīng)用，整個扇形區(qū)域端頭側(cè)推進(jìn)14.4 m，端尾側(cè)共推進(jìn)132 m，回收三角煤約16萬t.

3) 對30212工作面扇形開采期間進(jìn)行了礦壓觀測分析，完全能夠滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)要求，驗證了扇形開采的可行性和適用性，同時也為今后相似條件下的三角煤回收提供參考借鑒。