近距離三軟煤層(17#煤層)開采關鍵技術研究

創造單位：貴州盤江精煤股份有限公司火燒鋪礦

主創人：吳學武

創造人：周金戀 孫昌輝 易明軍

一、公司簡介

火燒鋪煤礦位于貴州省盤州市火鋪鎮境內，始建于1966年，1971年正式投產，為平硐、斜井聯合開拓，煤礦井田面積26.47km2，已探明煤炭儲量50781.36萬噸，可動用煤炭儲量7330.04萬噸，現年生產能力達到285萬噸，是貴州盤江精煤股份有限公司主產煤礦之一。

近年來，隨著開采深度的不斷增加，地質復雜、斷層多等問題給煤礦安全高效生產帶來了極大挑戰。對此，火燒鋪煤礦堅持創新發展，堅定不移走機械化、自動化、信息化、智能化的高質量發展道路，通過引進智能設備、優化系統，加快推進生產模式由原來的“傻、大、黑”向“高、新、尖”轉變。

2022年，煤礦成功引進應用了大功率采煤機、重型掘進機、大功率鉆機、單軌吊、巷修機、清倉機、永磁電動滾筒、泥煤深度分選等一系列新技術、新裝備、新工藝，大大提高了生產效率和安全保障能力。2022年全年生產原煤230.96萬噸，同比增長10%，有力支持了地方經濟高質量發展。

二、實施背景

一直以來，三軟煤層（軟的頂板巖層、軟的主采煤層和軟的煤層底板巖層）開采都是制約煤礦安全生產、高質量發展的重大難題。目前，火燒鋪礦主采的17#煤層就是典型的三軟煤層，具有煤層松軟破碎，結構復雜，夾矸及煤層厚度變化大、煤層傾角大的特點，且還屬于突出煤層。

17#煤層儲量豐富，現有地質儲量為4644萬噸，占全礦井現有地質儲量（41732.75萬噸）的11.1%。同時，17#煤層的煤質好，采出的原煤內在灰份15%～19%，揮發份為28%，含硫量低（0.28%），高位發熱量為20.3MJ/kg，低位發熱量為25.2MJ/kg，只需將灰份降低，就能達到用戶要求。

然而，正是由于三軟煤層特性，使得火燒鋪礦17#煤層開采進展受到了嚴重影響。火燒鋪礦17#煤層13174工作面采用的是ZY3800/15/33型支架，回采過程中容易出現支架壓架、咬架、支架移架困難等情況，導致工作面月平均推進度僅40m左右，不僅嚴重降低了工作面的回采速度，還存在巨大的安全隱患。

特別是在17#煤層回采巷道掘進過程中，由于要采用手鎬掘進，導致工人勞動量大增，掘進速度緩慢。同時，回采巷道在服務年限內圍巖變形量大，在掘進期間平均臥底1-2次，回采期間需要臥底2-3次，這不僅增加了巷道維修工程量和費用，也影響了綜采工作面的正常高效回采。

基于上述情況，火燒鋪礦抽調技術骨干組成研究團隊，對17#煤層開采關鍵工藝技術進行攻關，以徹底解決這些制約煤礦安全、高效開采的一系列難題。

三、主要工藝技術研究

（一）綜采工作面井巷施工工藝及支護技術研究

為了減小圍巖變形量，提高工作面回采效率，研究團隊對231704工作面巷道表面收斂、深部位移、支架滑移量以及支架壓力等進行數據監測，分析掌握原支護條件下巷道圍巖活動規律及變形過程。（如圖1所示）

圖1 231704風巷掘進工作面頂板壓力監測

圖2 231704風巷金屬支架卡纜擰緊力矩對巷道圍巖變形影響現場

圖3 231704風巷采用U29可縮性支架+噴注漿聯合支護

圖4 231704風巷綜掘施工現場

巷道圍巖活動規律分別是：巷道頂底變化速度與支架搭接長度變化速度有較為相似的變化規律；初期變形大，來壓快，巷道整體收斂變形，呈顯著大變形特征；巷道的變形具有較強的時效性。

巷道變形主要經歷初期高速變形、減速變形與常速變形三個階段，隨著時間的延長勢必導致巷道失穩，圍巖變形移動范圍大。231704回采巷道圍巖在距巷道壁4m深部基點處，位移仍較大，且兩幫的圍巖穩定不動基點在大于4m的更深部。

另外，U型棚支護屬于被動支護。在支護初期，U型棚與圍巖間存在大量不均勻空隙，支架沒有提供足夠的強度和剛度控制圍巖松動圈的發展，支護體無法形成結構。這也是231704工作面巷道在原有支護下巷道圍巖破壞的原因。

17#煤層圍巖松動圈發育范圍較廣，碎脹變形力較大，給支護帶來較大的困難。扭矩扳手檢測發現搭接處滑移量較大的支架其卡纜螺栓的擰緊力矩普遍較小，支架搭接處預緊力矩不夠。（如圖2所示）

對此，火燒鋪礦研究團隊在原有支護結構基礎上，創新提出了“U29型鋼支架+噴注漿”聯合支護設計方案。該方案充分考慮了U型棚與圍巖間存在的大量空隙，在鋪設的金屬網上每隔一定間排距打設一組錨桿和注漿錨索（或注漿管），并對圍巖進行噴注漿，使U型棚與圍巖形成一個支護整體，對圍巖進行主動及被動支護。通過在231704回風巷、231704運輸巷進行工業性試驗，該方案支護效果提升明顯，在巷道掘進后的16天中仍處于穩定狀態，至觀測結束，巷道兩幫累計移近量為136mm，頂底移近量為206mm。（如圖3所示）

巷道掘進速度緩慢的主要原因是掘進與支護的不平衡，為了減少這種沖突，每個快速開挖項目在屋頂條件允許時，研究團隊通過增加空頂的距離，使開挖和支撐的工作空間不互相干擾，真正實現了并行操作。

同時，研究團隊針對掘進任務“破、落、裝、運”四個環節，綜合現場情況和掘進效率，設計了新的回采巷道綜掘工藝流程：掘錨機沿著中邊線破巖后，采用錨桿鉆機及時對巷道頂板和兩幫進行支護，所破下的巖石經刮板輸送機-連運車-裝載膠帶機及各個環節的膠帶運輸機運送至大巷，最后運輸至地面。

該項工藝流程，充分考慮到掘支平衡和掘進工藝優化，并利用層次分析法對傳統掘進工藝和新設計的綜掘方案進行了比較。

經過對比，新設計的綜掘方案優于傳統方案。231704工作面實施綜掘快速掘進工藝后，月平均進尺達到了126.7m，較之前月均進尺75m左右有了較大提高，達到了預期要求。（如圖4所示）

（二）綜采工作面“三機”配套及安全高效回采工藝研究

綜采工作面主要裝備是采煤機、刮板輸送機和放頂煤液壓支架，俗稱“三機”。“三機”配套的合理性決定著回采的成敗和生產效益的好壞。研究團隊通過對21170工作面液壓支架進行適應性及力學分析，發現存在支架初撐力、工作阻力偏小，工作面支架偏載現象嚴重、穩定性差，且支架移架時間長等問題，這直接導致工作面正常推進度僅有40m左右。

以問題為導向，研究團隊進一步研究了支架-圍巖關系，建立起數學模型，對支護阻力、支護角度以及端面距對頂板的控制效果進行深入分析和計算。

經過科學理論分析和計算，研究團隊確定了17#煤層“三機”型號：工作面液壓支架型號為ZY6000/15/33、采煤機型號為MG-320/710-WD，配備SGZ-764/2×315型刮板輸送機。同時，確定了工作面長度為120m，設計了單向采煤，上行割煤，下行清理浮煤采煤工藝，進刀方式采用留三角煤端部斜切進刀，在采煤機下行清浮煤時跟機推溜，并提出提高工作面開機率的方法，以及優化工作面回采工藝。

圖5 21170綜采工作面液壓支柱支撐阻力監測設備

通過現場支架阻力的監測，對ZY6000/15/33型液壓支架在21170工作面的使用情況進行綜合評判：初撐力達到要求；整面支架的末阻力在各個區間呈正態分布，支架末阻力分布合理；支架額定工作阻力有一定的富余量，能夠確保工作面頂板安全；支架穩定性好，較大的節省了支架的移架時間。最終，工作面實現日推進度3.2m，月推進度達80～90m，月產量達7萬噸左右，產量、推進度均達到目標要求。（如圖5所示）

研究團隊還研發了合理控制工作面采高、提高工作阻力等相應的防止煤壁片幫技術，進一步提升了掘進能效。

（三）工作面及兩巷圍巖控制技術研究

隨著工作面向前推移，一系列嚴重影響安全生產和生產效率的問題日益凸顯，給工作面的支護和采煤機、刮板輸送機、液壓支架的使用造成了極大困難。問題主要集中在兩個方面：

一方面，暴露出來的頂板極易冒落，在構造應力作用下發生流變；另一方面，底板軟且大部分含有膨脹性粘土礦物，在受礦井水的影響下發生底鼓，而且煤壁易片幫、冒頂嚴重。

對此，研究團隊通過建立UDEC數值計算模型，對21170工作面連續推進6m、24m、36m、48m、60m、72m時的垂直應力場、水平應力場及垂直位移場分布特征進行了分析；研究了21170工作面上覆巖層垮落特征，得到了頂板初次跨落步距為36m左右、周期跨落步距為10m左右的一手數據；采用YHY60型礦用本安型數字壓力計，配合1臺FCH32/0.2礦用數據采集器，對21170工作面上、中、下三部分的支架壓力進行了實施監測，得到工作面周平均周期來壓步距為10.42m、影響的范圍為1.53m、平均動態動載系數為1.36的精確數據。

同時，通過對21170工作面兩巷的表面收斂數據進行實時觀測分析，得到兩巷變形與工作面超前支承壓力分布特征：頂底板變形以底鼓為主；由于煤柱側為采空區，兩幫變形以實體煤幫為主；距工作面110m左右處超前支承壓力有顯現特征，在90～110m范圍內，變化相對較為平緩；40～90m范圍內，巷道受超前支承壓力影響明顯；40m以內，巷道受采動影響劇烈，頂底板及兩幫變形劇烈增加。

基于上述的科學監測與分析，研究團隊對21170工作面超前支護距離進行了調整：回風巷距工作面10～25m范圍內采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱雙排進行加強支護；距工作面25～42m范圍內采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱單排進行加強支護。運輸巷超距工作面10～25m范圍內采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱雙排進行加強支護；距工作面25～49m范圍內采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱單排進行加強支護。

四、主要創新點

該項目研究成果達到國內領先水平，有助于進一步推動我國三軟煤層開采工藝技術的革新，真正實現三軟煤層巷道掘進、工作面回采的安全、高效、快速掘進。主要創新點如下：

一是形成了一套三軟煤層井巷施工工藝、優化了三軟井巷支護方式與支護參數；

二是形成了一套完整的火鋪（17#）三軟煤層開采工藝；

三是實現了三軟煤層綜采（放頂煤）安全快速掘進，達到工作面高產高效。

五、取得的成效

通過對三軟煤層近距離開采關鍵技術研究與應用，火燒鋪礦實現了17#煤層安全高效開采，并降低了生產成本，經濟效益顯著提升。

通過在21170綜采工作面應用三機配套及安全高效回采工藝技術，工作面月平均進尺達80～90m，原煤產量9.79萬噸，產值達11749.18萬元。與應用前相比，原煤產量增加了5.18萬噸，新增產值6220.15萬元。

通過在231704工作面應用回采巷道綜掘工藝流程和實施綜掘快速掘進工藝技術，工作面月平均進尺達到了126.7m，相比之前每月75m的掘進速度，大大減少了人工勞務費和燃料動力費。其中，在長850m的231704風巷掘進中，分別節約人工勞務費110482元，燃料動力費114114元。

除此之外，通過此次項目研究，火燒鋪礦還進一步鍛煉了技術人才隊伍，培養了采礦、機電等工程類高工3名、工程師8名，為煤礦實現高質量發展夯實了人才基礎。