提升大采高工藝開采效率研究

閆耀中

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)公司，山西 朔州 036000）

1 工作面煤壁片幫觀測(cè)及分析

對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中工作面礦山壓力現(xiàn)象規(guī)律和片幫現(xiàn)象的特征進(jìn)行分析，為后續(xù)治理大采高工藝對(duì)應(yīng)的煤壁片幫現(xiàn)象提供支撐。

1.1 工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律分析

根據(jù)工作面的實(shí)際情況，重點(diǎn)對(duì)傾斜工作面液壓支架的受力情況進(jìn)行分析，并劃分為上部觀測(cè)區(qū)域、中部觀測(cè)區(qū)域以及下部觀測(cè)區(qū)域；其中，上部區(qū)域的重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象為47#液壓支架，中部區(qū)域?yàn)?9#和33#液壓支架；下部位9#和15#液壓支架。在上述區(qū)域中安裝KJ377 的礦山壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，其主要是對(duì)所在區(qū)域液壓支架前后的工作壓力進(jìn)行測(cè)定。

不同區(qū)域液壓支架的工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果及其利用率核算，如表1 所示：

表1 液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果及其阻力利用率

總的來講，大采高開采工藝下綜采工作面液壓支架的初次來壓和周期來壓相對(duì)明顯；但是，初次、周期來壓對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度和步距與工作面圍巖的載荷、跨距以及力學(xué)性質(zhì)相關(guān)[1]。具體總結(jié)如下：

1）經(jīng)分析，工作面初次來壓對(duì)應(yīng)的步距為43 m，而周期來壓的范圍在13～18 m 之間；而且，初次和周期來壓的持續(xù)時(shí)間平均為3 d。在初次和周期來壓期間，所在區(qū)域液壓支架在的工作阻力為6 500 kN 左右；大部分液壓支架后柱的工作阻力均大于前柱。

2）工作面在非來壓期間，即在正常推進(jìn)時(shí)，液壓支架的工作阻力的利用率最高達(dá)到73.13%，最低為57.15%；說明，工作面在正常推進(jìn)的過程中，液壓支架的工作阻力較高且阻力變化不穩(wěn)定，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)橐簤褐Ъ芏嘟佑|的頂板情況相對(duì)復(fù)雜，給予液壓支架沖擊性的來壓。

1.2 工作面煤壁片幫特征分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)工作面發(fā)生煤壁片幫時(shí)對(duì)應(yīng)的液壓支架的工作阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出在2020 年12 月到2021 年8 月期間內(nèi)煤壁發(fā)生片幫時(shí)液壓支架的工作阻力進(jìn)行劃分。對(duì)觀測(cè)期間煤壁發(fā)生片幫的事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出如下結(jié)論：

1）30#液壓支架對(duì)應(yīng)工作面煤壁的片幫事故最嚴(yán)重，其對(duì)應(yīng)的冒頂深度為5～6 m；

2）在15#—20#和40#液壓支架所在區(qū)域的工作面頂板出現(xiàn)了垮落現(xiàn)象；

3）工作面大部分液壓支架所在區(qū)域的片幫深度為1.0～1.8 m 之間。

總的分析，工作面煤壁片幫事故具有頻次高、范圍大、分區(qū)域、蔓延性等特征[2]。其中，范圍大主要表現(xiàn)在工作面的中部區(qū)域和上部區(qū)域，工作面下部區(qū)域不容易發(fā)生片幫現(xiàn)象。發(fā)生煤壁片幫事故的區(qū)域占據(jù)了工作面長(zhǎng)度的1/3。

2 大采高工藝煤壁片幫控制的工程實(shí)踐

可以說，煤壁片幫是影響大采高開采工藝發(fā)揮效率的關(guān)鍵問題；而且，當(dāng)煤壁出現(xiàn)片幫的問題后還會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)頂板的漏冒，嚴(yán)重威脅著工作面的安全生產(chǎn)[3]。將根據(jù)某礦導(dǎo)致煤壁片幫的具體原則提出相應(yīng)的控制煤壁片幫的措施，并對(duì)其控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 煤壁片幫的控制措施

根據(jù)某礦煤壁片幫的特征和原因分析，提出相應(yīng)的治理煤壁片幫的措施。

2.1.1 保證工作面頂板-煤壁-支架-底板系統(tǒng)的穩(wěn)定性

為保證煤礦工作面頂板-煤壁-支架-底板所組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可采取如下措施：

1）保證液壓支架工作阻力和各操作工序的合理性。

2）對(duì)現(xiàn)有液壓支架進(jìn)行改造，尤其是針對(duì)液壓支架的護(hù)幫板和伸縮頂梁，改造后的液壓支架可對(duì)煤幫進(jìn)行支護(hù)。

3）根據(jù)工作面的實(shí)際情況，將切眼采用“楔形”的方式進(jìn)行布置，如圖1 所示。

圖1 工作面開切眼的“楔形”布置方式

如圖1 所示，為保證工作面頂板-煤壁-支架-底板所組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將1-10#液壓支架采用降坡段的方式進(jìn)行布置；將11#—60#液壓支架采用“楔形”的方式進(jìn)行布置。

2.1.2 對(duì)工作面煤壁進(jìn)行超前加固

工作面煤壁強(qiáng)度較低是發(fā)生煤壁片幫的關(guān)鍵核心因素。因此，可對(duì)煤壁進(jìn)行超前加固以緩解工作面煤壁片幫的現(xiàn)象[4]。具體措施為在在煤壁中充填特種材料，從而達(dá)到提高煤壁整體強(qiáng)度的目的。具體操作如下：在工作面煤壁上布置兩排錯(cuò)位的注漿孔。為保證最終的超前加固效果，注漿孔的深度為9 m，注漿孔之間的間距確定為3.5 m，注漿孔的直徑為42 mm，注漿壓力為4.2 MPa。此外，隨著工作面的不斷推進(jìn)，每推進(jìn)6 m 均需對(duì)煤壁進(jìn)行加固依次。煤壁逐漸孔的布置方式，如圖2 所示。

圖2 煤壁超前加固注漿孔布置示意圖

2.2 煤壁片幫控制效果

將上述煤壁片幫控制措施在工作面按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施后，通過對(duì)液壓支架工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)反應(yīng)煤壁片幫的控制效果。煤壁片幫控制措施應(yīng)用后工作面液壓支架平均工作阻力應(yīng)用前對(duì)比情況，如表2 所示。

表2 煤壁片幫控制措施的應(yīng)用效果對(duì)比

如表2 所示，煤壁片幫控制措施實(shí)時(shí)后，液壓支架的平均工作阻力均減小，對(duì)應(yīng)的液壓支架利用率也明顯降低，最大減幅為11.6%；可以說明，煤壁片幫控制措施應(yīng)用后，工作面頂板對(duì)液壓支架的沖擊載荷減小，從而有效降低了工作面頂板對(duì)煤壁的覆巖載荷作用。

同時(shí)，在監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)：煤壁片幫控制措施應(yīng)用后，工作面頂板初次垮落步距減少了17 m，周期來壓步距減少了5 m，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄鄿p少了13 m；說明，液壓支架所承受的工作面頂板的來壓強(qiáng)度和載荷減小。

總的來講，煤壁片幫的控制措施有效降低了工作面頂板對(duì)煤壁的壓力作用；而且在工作面中上部區(qū)域發(fā)生片幫現(xiàn)象的范圍和次數(shù)也明顯降低。

3 結(jié)語

大采高工藝在綜采工作面的應(yīng)用極大的提升了工作面的開采效率和回采率。但是，大采高的技術(shù)特點(diǎn)導(dǎo)致工作面容易發(fā)生煤壁片幫的現(xiàn)象，從某種程度上制約了大采高工藝的應(yīng)用效果。本文以某礦生產(chǎn)為實(shí)例，開展了關(guān)于大采高工藝對(duì)應(yīng)煤壁片幫控制的研究，總結(jié)如下：

1）在來壓生產(chǎn)期間作面頂板的次來壓對(duì)應(yīng)的步距為43 m，而周期來壓的范圍在13～18 m 之間，液壓支架在的工作阻力為6 500 kN 左右；而且在非來壓期間，液壓支架的工作阻力的利用率最高達(dá)到73.13%，最低為57.15%；

2）工作面煤壁片幫事故具有頻次高、范圍大、分區(qū)域、蔓延性等特征，發(fā)生煤壁片幫事故的區(qū)域占據(jù)了整個(gè)工作面長(zhǎng)度的1/3；

3）實(shí)踐表明：煤壁片幫控制措施實(shí)施后，液壓支架的平均工作阻力均減小，對(duì)應(yīng)的液壓支架利用率也明顯降低，最大減幅為11.6%；工作面頂板初次垮落步距減少了17 m，周期來壓步距減少了5 m，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄鄿p少了13 m；整體上效降低了工作面頂板對(duì)煤壁的壓力作用，工作面中上部區(qū)域發(fā)生片幫現(xiàn)象的范圍和次數(shù)也明顯降低。