大傾角大采高“三軟”煤層綜采面安全高效開采技術(shù)

（淮南礦業(yè)集團(tuán)新莊孜煤礦，安徽 淮南 232072）

大傾角大采高“三軟”煤層綜采面安全高效開采技術(shù)

邵洪杰

（淮南礦業(yè)集團(tuán)新莊孜煤礦，安徽 淮南 232072）

新莊孜礦66207綜采面屬大傾角大采高“三軟”煤層，地質(zhì)條件復(fù)雜，頂板圍巖破碎。通過采用優(yōu)化風(fēng)巷設(shè)計(jì)、實(shí)施強(qiáng)制放頂技術(shù)加強(qiáng)頂板管理；優(yōu)化設(shè)備選型；強(qiáng)化煤層注水；推廣鋪網(wǎng)工藝；調(diào)整回采面長等綜合技術(shù)管理手段，工作面得以安全高效回采，為類似條件下的綜采工作面開采提供了技術(shù)支撐，具有重要的指導(dǎo)意義。

支架選型；“三機(jī)”配套；煤層注水；鋪網(wǎng)回采

66207綜采工作面是新莊孜礦建礦以來六采區(qū)首個B7a煤層的綜采工作面，與上覆的66208工作面層間距8～15m，平均10m，回采間隔時間9個月，被淮南礦業(yè)集團(tuán)列入《大傾角大采高“三軟”突出煤層綜采面圍巖（煤）控制技術(shù)研究》的重要科研項(xiàng)目之一。該工作面回采的成功與否，對新莊孜礦生產(chǎn)格局、采場布置的優(yōu)化及礦井的安全高效開采均有較為深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

1.1 工作面布置

66207工作面“刀把”布置，短面斜長85m，可采走向長度130m，長面斜長133m，可采走向長度390m；B7a頂 煤 厚2.2～4.8/2.7m，B7a底 煤 厚0.7～1.7/1.0m， 夾 矸 厚 0～1.7/1.3m； 傾角26～32°/28°；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚2.3～8.2/6.5m；直接底為粉砂巖，厚3～10/6m。工作面頂?shù)装鍘r性及與上覆煤層的層位關(guān)系如圖1所示。

1.2 鄰近采動關(guān)系

66207工作面位于66208采空區(qū)下部，位于未穩(wěn)定采空區(qū)下方。66207工作面上階段66107工作面于2012年3月收作，上覆66208工作面、下伏B6煤層一階段（-600～700m）66106工作面已采畢。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

該工作面南北分別靠近F6、F5-3斷層，構(gòu)造應(yīng)力較集中，受其影響局部煤巖層產(chǎn)狀變化較大，小構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)周邊資料分析，在回采過程中將過Fe、Fj斷層。

1.4 水文地質(zhì)

工作面采掘期間主要充水因素為：頂板砂巖裂隙水、上階段66107采空區(qū)積水、上覆66208采空區(qū)積水及鉆孔水，預(yù)計(jì)正常涌水量為2m3/h，最大涌水量為5m3/h。

1.5 其它情況

B7a煤層為突出煤層，該塊段處于突出危險區(qū)，但施工段全部處在B8煤層開采保護(hù)范圍內(nèi)。B7a煤層有爆炸性和自燃發(fā)火危險，煤層自燃發(fā)火期3～6個月。煤塵具有爆炸危險性；原始巖溫在23℃左右。如圖1所示。

2安全高效開采技術(shù)

2.1 開采設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1.1 風(fēng)巷設(shè)計(jì)

66207工作面風(fēng)巷內(nèi)錯10米布置在66208工作面卸壓區(qū)內(nèi)，面長控制在130米左右，避開8槽階段煤柱形成的應(yīng)力集中區(qū)。已回采的上階段66107炮采工作面兩巷均采用U型棚支護(hù)，回采期間壓力大，巷道變形十分嚴(yán)重，尤其是風(fēng)巷回采過程中由修護(hù)區(qū)重新刷架管理。因此，66207工作面兩巷掘進(jìn)頂板采用錨網(wǎng)索支護(hù)（5-5-5布置），其中普通錨索和中空注漿錨索按排間隔布置；高幫采用2道走向錨索梁，錨索采用中空注漿錨索。

通過頂?shù)装逦灰票O(jiān)測，風(fēng)巷掘出3～11天內(nèi)，頂?shù)装暹€尚處于變形劇烈期的尾段，變形速度平均高達(dá)10mm/d左右，其中頂板下沉比底鼓量更為厲害；在掘出11～16天內(nèi)，變形速度漸漸放緩，從第16天至觀測結(jié)束，平均速度更是降到了2mm/d以下；巷道掘出23天后，巷道頂?shù)装逦灰七_(dá)到穩(wěn)定（如圖2所示）?；夭善陂g，兩巷變形量不大，能滿足兩巷通風(fēng)、行人、運(yùn)料、出煤等要求。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2.1.2 面長調(diào)整

66207工作面受傾角、地質(zhì)構(gòu)造等條件影響，導(dǎo)致斜長不等，為了避免工作面不等長導(dǎo)致人工刷幫輔助作業(yè)而制約綜采工作面安全高效生產(chǎn)的缺陷，風(fēng)巷在設(shè)計(jì)過程中，施工方位先由原來的318.5°優(yōu)化調(diào)整為316.5°，后根據(jù)地質(zhì)情況的變化進(jìn)一步優(yōu)化，方位又調(diào)整為318.5°，經(jīng)過兩次優(yōu)化調(diào)整后，工作面傾斜基本等長，杜絕了人工刷幫，為工作面充分發(fā)揮高產(chǎn)高效提供了有力保障。

表1 液壓支架技術(shù)參數(shù)表

表2 采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)表

表3 第一組爆破參數(shù)表

圖2 風(fēng)巷頂?shù)装逡平孔兓€

2.2 設(shè)備選型配套

2.2.1 液壓支架優(yōu)化選型

66207工作面使用的ZZ7200/22/45型液壓支架是由集團(tuán)公司專項(xiàng)設(shè)計(jì)的適應(yīng)于大傾角破碎頂板松軟煤層開采的新型支架，該支架主要特點(diǎn)是選用了加長整體頂梁、高強(qiáng)側(cè)護(hù)板和兩級護(hù)幫，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

相比我礦以往大采高工作面所選ZZ6400/22/45型及ZZ6400/21/42型等液壓支架，ZZ7200/22/45型液壓支架主要優(yōu)點(diǎn)突出在以下幾個方面：

①立柱缸徑加粗，改為φ280mm，工作阻力提高至7200kN，實(shí)際工作阻力達(dá)8800kN；且支架支撐重心前移，改變了頂板應(yīng)力分布，更有利于支護(hù)煤幫頂板。

②采用兩級護(hù)幫板結(jié)構(gòu)，一級護(hù)幫長度1100mm，二級護(hù)幫長度為700mm，兩級都是液壓控制，增加了護(hù)幫面積。

③伸縮梁千斤頂行程由800mm變?yōu)?000mm，相應(yīng)的頂梁前端加長200mm，加大了控頂距；而且伸縮梁和頂梁前端倒圓角設(shè)計(jì)便于過頂網(wǎng)。

④調(diào)架千斤頂液壓管路中設(shè)計(jì)液壓鎖，并與推移聯(lián)鎖，拉架時自動收回；延長底座后部邊主筋，使移架一個步距時，調(diào)底千斤頂與臨架底座仍能有效支撐。

⑤利用整體長推桿結(jié)構(gòu)，并通過加大側(cè)護(hù)板千斤頂缸徑、加大調(diào)底座千斤頂缸徑，有效解決大傾角綜采工作面支架和刮板輸送機(jī)防倒防滑問題。

⑥采用整體長推桿結(jié)構(gòu)，推溜力/移架力由713/396kN增加到802/445kN，確保推桿的可靠性，充分發(fā)揮了推移千斤頂?shù)哪芰?，提高了帶壓擦頂移架能力?/p>

⑦中間架采用整體頂梁帶內(nèi)伸縮梁，增加整體頂梁前部寬度，減小側(cè)護(hù)板伸出時相鄰支架頂梁前部的間隙，增加頂梁對頂板的覆蓋率，減少架間漏矸。過渡支架為鉸接頂梁，頂梁適當(dāng)加長，滿足機(jī)頭、機(jī)尾及時支護(hù)的需要。

⑧支架液壓系統(tǒng)的控制采用聯(lián)鎖控制，前立柱與抬底座千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制、推移千斤頂與調(diào)底座千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制、推移千斤頂與伸縮梁千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制、推移千斤頂與頂梁（掩護(hù)梁）側(cè)推千斤頂?shù)穆?lián)鎖控制，有效避免了誤操作對支架等設(shè)備損壞和人身安全事故的發(fā)生。

2.2.2 采煤機(jī)優(yōu)化選型

工作面配套MG500/1130-WD型采煤機(jī)和SGZ800/1050型鏈板機(jī)，跟B7a直接頂回采，全部垮落法管理頂板。采煤機(jī)截深0.6m，減少開幫距可減輕割煤對煤壁的破壞程度，有利于防止片幫抽頂，達(dá)到淺截深多循環(huán)的目的；并配合液壓支架1m伸縮梁步距和鏈板機(jī)0.8m推移步距，可有效避免鋪頂網(wǎng)時煤機(jī)滾筒割煤期間攪網(wǎng)的現(xiàn)象。采煤機(jī)參數(shù)如表2所示。

2.3 頂板管控技術(shù)

2.3.1 強(qiáng)制放頂技術(shù)的實(shí)施

2.3.1.1 厚層堅(jiān)硬頂板的影響

從巖性綜合柱狀圖可以看出，B8煤層上方11.3m存在一層厚度11m的中粗砂巖，巖體含有石英，具有強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育，且整體性好、自穩(wěn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對上方巖層活動起著主要控制作用，判定為66208工作面開采的關(guān)鍵層。

66208工作面回采過程中，直接頂冒落充分，冒落的高度可充滿采空區(qū)，但對工作面來壓步距以及大小起著決定作用的是關(guān)鍵層破斷規(guī)律，如果關(guān)鍵層大面積不斷裂，將會給工作面安全生產(chǎn)帶來隱患。同時，由于B7a煤與B8煤間距僅9m左右，與11m厚度的中粗砂巖間距20m，從頂板巖性及層厚來看，該層也是66207工作面開采的關(guān)鍵層。因此，對該層進(jìn)行強(qiáng)制放頂措施不僅可以避免66208工作面回采期間大面積來壓，同時也可以減緩66207工作面開采時的礦壓顯現(xiàn)。

表4 第二～十組爆破參數(shù)表

圖3 第一組炮眼布置圖

圖4 第二～十組炮眼布置圖

2.3.1.2 強(qiáng)制放頂方案的確定

經(jīng)科研院校和集團(tuán)公司組成的學(xué)科研小組理論分析，比較多個工作面強(qiáng)制放頂深孔預(yù)裂爆破方案，確定爆破參數(shù)。第一組爆破在風(fēng)巷和順槽同步進(jìn)行，風(fēng)巷強(qiáng)制放頂孔距離上提切眼14m，與短面切眼平距145m，順槽強(qiáng)制放頂孔距離短面切眼平距138m，切頂爆破參數(shù)和炮眼布置分別見表3和圖3所示。

第二組到第十組僅在順槽進(jìn)行，相距30～50m，各組爆破參數(shù)相同，見表4，炮眼布置如圖4所示。

2.3.1.3 強(qiáng)制放頂效果評價

66208工作面采取預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施后，周期來壓步距縮小，礦壓顯現(xiàn)減弱，同時對66207工作面來壓顯現(xiàn)也有著一定的影響。根據(jù)66207工作面回采過程中礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，周期來壓步距在18～21m左右，同66107綜采面相比，周期來壓步距增大10m左右，礦壓顯現(xiàn)減弱，回采至今沒有發(fā)生過大面積來壓等異?，F(xiàn)象。

3月15日～21日工作面（此段回采范圍為第四組至第六組深孔預(yù)裂爆破范圍）壓力監(jiān)測結(jié)果來看，支架受力基本在26～28MPa之間，3月19日夜班工作面整體周期來壓，來壓最大強(qiáng)度為32.5MPa，來壓時間較短，支架工作阻力能夠適應(yīng)來壓期間的支撐需要，且具有一定的富余系數(shù)。

2.3.2 強(qiáng)化煤層注水

類土質(zhì)煤通過煤層注水使煤體得到濕潤，可以改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，使其延性增加，脆性降低并向塑性轉(zhuǎn)化，增加了粘結(jié)性和抗剪切力，起到固結(jié)煤壁，減少片幫的作用。我礦在總結(jié)以往回采的其他采煤工作面注水成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對66207工作面煤層賦存特點(diǎn)，改進(jìn)完善注水工藝，采取兩巷深孔低壓結(jié)合工作面淺孔低壓方式提高注水效果。

（1）兩巷利用鉆機(jī)每隔5～6m施工1個順層鉆孔，孔深80～90m，全程下套管，超前工作面煤壁不少于30m根據(jù)煤體出水情況實(shí)行24小時循環(huán)注水，三班落實(shí)責(zé)任人嚴(yán)格執(zhí)行交接班，注水壓力控制在3～5MPa，工作面采距鉆孔2m時停止注水。

（2）工作面上出口向下5m至下出口向上5m范圍內(nèi)，使用ZQ5—65型氣動手持式鉆機(jī)打眼，鉆孔垂直于工作面煤壁施工（或略帶2°～4°水平角），開孔位置距頂板0.5～1.0m處的軟分層中，孔深6～8m，注水孔間距3m（每3個孔為1組同時注水），采用FKSS—71/5型水力膨脹封孔器，自動實(shí)現(xiàn)封孔，注水壓力控制在1～3MPa之間。工作面淺孔注水主要利用檢修時間分5個茬同時注水，單孔注水時間原則上不得少于45分鐘，或者發(fā)現(xiàn)水由煤壁或相鄰注水孔中流出及注水期間煤壁片幫嚴(yán)重時即可停止注水，中班割完煤后根據(jù)現(xiàn)場煤壁情況適當(dāng)補(bǔ)孔注水。煤壁淺孔注水采用錯茬式布置，每天注水眼沿傾斜方向錯開1～2m，煤壁片幫處先架棚背幫維護(hù)后再進(jìn)行注水。

2.3.3 推廣鋪網(wǎng)工藝，控制頂幫抽冒

66207工作面回采期間采取全工作面超前鋪設(shè)金屬網(wǎng)的施工工藝，同時引進(jìn)手搖絞盤配合鋪網(wǎng)作業(yè)，彌補(bǔ)了以前采用手拉葫蘆效率低、勞動強(qiáng)度大等諸多缺點(diǎn)；并根據(jù)每班回采進(jìn)尺情況優(yōu)化改進(jìn)金屬網(wǎng)尺寸，確定了較為合理的尺寸，實(shí)現(xiàn)了一班只需聯(lián)一次網(wǎng)的目的，大大提高了鋪網(wǎng)的效率。并通過進(jìn)一步優(yōu)化鋪網(wǎng)施工工序，安排早班檢修期間為中班超前把金屬網(wǎng)聯(lián)齊，中班割煤結(jié)束后為夜班超前聯(lián)網(wǎng)提前準(zhǔn)備生產(chǎn)條件，夜班割煤不占用檢修時間，給綜機(jī)設(shè)備的檢維修和早班注水創(chuàng)造條件，實(shí)現(xiàn)了班與班互相準(zhǔn)備條件的良性循環(huán)，為工作面的高產(chǎn)高效發(fā)揮了積極作用。

鋪金屬網(wǎng)回采的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）有利于頂板管理。采取全工作面鋪設(shè)金屬網(wǎng)回采，使工作面頂板形成較好的整體性，即使頂板破碎，也能有效避免因頂板漏矸造成抽冒事故；

（2）有效預(yù)防片幫和架間漏矸。采取全工作面鋪設(shè)金屬網(wǎng)配合支架護(hù)幫板，能實(shí)現(xiàn)工作面全封閉式管理，尤其是對煤壁能有效控制，局部有片幫預(yù)兆時，采取鋪設(shè)金屬網(wǎng)配合架頭夾料這一有效措施，能有效控制割煤、移架期間煤壁的片幫及架間漏矸。

（3）有效的防止飛矸飛炭及片幫傷人。采取全工作面超前鋪設(shè)金屬網(wǎng)回采，金屬網(wǎng)始終超前聯(lián)至運(yùn)輸機(jī)老塘側(cè)，金屬網(wǎng)由于自重原因始終覆蓋在運(yùn)輸機(jī)上，形不成飛矸飛炭的空間，同時人員站在支架立柱與運(yùn)輸機(jī)之間聯(lián)網(wǎng)，夾料在煤壁的網(wǎng)外作業(yè)，從根本上杜絕了大傾角綜采工作面飛矸飛炭及片幫傷人的發(fā)生。

結(jié)語

截止4月30日， 66207綜采工作面共回采365m。工作面先后過2個地質(zhì)異常區(qū)和2個底空石門，并進(jìn)行了大小面對接和出煤系統(tǒng)改造，回采期間未出現(xiàn)大面積片幫和嚴(yán)重掉頂現(xiàn)象，局部有片幫預(yù)兆時立即采取鋪雙層網(wǎng)和對煤壁超前夾料的措施，就能控制片幫掉頂，從而消除了人員進(jìn)入煤壁接頂這一重大安全隱患，并實(shí)現(xiàn)平均日退尺4.35m，平均月產(chǎn)83353t，最高日退尺7.2m，最高月退尺120m、最高月產(chǎn)100530t，做到了大傾角大采高三軟煤層復(fù)雜難采工作面相對的安全高效開采。對我礦乃至兩淮礦區(qū)今后類似地質(zhì)條件下的綜采面安全高效開采均有著深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

[1]袁亮著，深井巷道圍巖控制理論及淮南礦區(qū)工程實(shí)踐[M]．煤炭工業(yè)出版社，2006．9．

[2]宋振騏著，實(shí)用礦山壓力控制[M]．中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988．

[3]錢鳴高，石平五編，礦山壓力與巖層控制[M]．中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．11．

[4]何滿潮、袁和生、靖洪文、王方榮、景海河等著，中國煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐[M]．科學(xué)出版社，2004．4．

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