薄煤層極復(fù)雜地質(zhì)條件下長壁綜采工作面的關(guān)鍵技術(shù)研究

黃光平

【摘 要】當(dāng)前，我國復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層走向長壁綜采工作面長度不足200m，嚴重制約了綜采技術(shù)和效率的提高。無法選用更長工作面，是因為極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層長壁綜采工作面所面臨的難題難以解決。

【關(guān)鍵詞】極復(fù)雜地質(zhì)；薄煤層綜采；走向長壁工作面；W+通風(fēng)

中圖分類號： TD823.251 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0219-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.101

【Abstract】At present，under the complex geological conditions in China，the length of the long fully mechanized mining face in the direction of thin coal seam is less than 200m，which seriously restricts the improvement of fully mechanized mining technology and efficiency.The longer working face can not be chosen because of the difficult problems faced by the long fully mechanized mining face of thin coal seam under extremely complex geological conditions.

【Key words】Extremely complex geology；Thin coal seam synthesis；Towards the long wall work surface；W+ventilation

0 前言

川煤集團芙蓉公司敘永煤礦是一家以煤炭生產(chǎn)為主業(yè)的國有企業(yè)。公司所在礦井為煤與瓦斯突出礦井，目前開采所在1593綜采工作面為薄煤層，煤層厚度0.88～1.3m，平均厚度1.15m，面臨三軟、斷層、涌水、高突等極復(fù)雜地質(zhì)條件。選擇了特長長壁工作面為研究對象，對極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層長壁綜采工作面的多項關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。該套技術(shù)在極復(fù)雜地質(zhì)條件下，綜合了技術(shù)、裝備和人員、管理等經(jīng)驗，使安全、技術(shù)、生產(chǎn)、管理融為一體，實現(xiàn)了在極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層開采“一礦一面，一面達產(chǎn)”的高產(chǎn)高效目標(biāo)，為薄煤層開采提供了較好的技術(shù)和應(yīng)用參考。

1 走向長壁綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于開采煤層厚度小于1.3m，薄煤層走向長壁工作面綜采在技術(shù)層面主要面臨三大核心問題：（1）通風(fēng)方式優(yōu)化；（2）工藝參數(shù)優(yōu)化；（3）綜采采煤技術(shù)。

1.1 礦井通風(fēng)方式研究現(xiàn)狀

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負著向井下供給新鮮空氣、排出有毒有害氣體、保證礦井和作業(yè)人員生命安全的重要任務(wù)。隨著我國煤炭產(chǎn)量和開采深度的增加，煤礦井下瓦斯的涌出量逐年增加，其中80%的瓦斯需要通過井下通風(fēng)系統(tǒng)來排放。不同的通風(fēng)方式有不同的優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)各礦井開拓方式及生產(chǎn)布置的不同選用不同的通風(fēng)方式。采煤工作面的通風(fēng)方式根據(jù)開采技術(shù)條件、煤層賦存狀況的不同，以及采煤工藝的發(fā)展和瓦斯涌出量、煤塵發(fā)生量、自然發(fā)火情況的不同分為U型、Z型、Y型、W型以及排瓦斯專用尾巷的U+L型等多種形式。

1.2 工藝參數(shù)優(yōu)化研究現(xiàn)狀

綜采工藝參數(shù)優(yōu)化是以經(jīng)濟、效率、安全、合理為評價原則，考慮各種因素根據(jù)優(yōu)化原則確定工作面長度，同時對工作面內(nèi)工作面正規(guī)循環(huán)生產(chǎn)能力和服務(wù)年限計算，獲得工作面內(nèi)各參數(shù)如單循環(huán)生產(chǎn)能力、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量、月進度、服務(wù)年限等，從而優(yōu)化各設(shè)備之間的選型、各工序間的作業(yè)方式，減少因工藝造成的采煤機停機及空行時間，最大限度提高工作面單產(chǎn)、減低開采成本。

1.3 采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1 三機配置參數(shù)優(yōu)化

三機配置參數(shù)的確定，主要根據(jù)煤層地質(zhì)條件、現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，向大功率方向發(fā)展。

1.3.2 薄煤層長壁綜采工藝技術(shù)

對賦存穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造簡單的薄煤層，由于采高小，頂板壓力小，圍巖變形破壞程度也小，因此工作面支護強度小于中厚煤層工作面，可采用綜采長壁開采；頂板管理可采用冒落法、緩慢下沉法和局部充填法。如果回采工作面的直接頂（或偽頂）、直接底為炭質(zhì)泥巖或炭質(zhì)頁巖，為生產(chǎn)方便和提高效率，可人為地加大采高進行開采。

薄煤層走向長壁綜采工作面發(fā)展水平除與技術(shù)層面相關(guān)外，還與煤層、傾角、地質(zhì)特點息息相關(guān)。本項目所在芙蓉集團敘永煤礦1593工作面，應(yīng)用項目研究成果，在平均煤厚1.15m、煤層傾角平均14.5°、地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，實現(xiàn)了工作面長度244m的高效回采全國領(lǐng)先水平。

2 主要內(nèi)容、難點

2.1 開展薄煤層長壁綜采工作面通風(fēng)方式研究

敘永煤礦為煤與瓦斯突出礦井，采煤工作面回采必然會受到瓦斯的嚴重影響，采空區(qū)瓦斯也會對生產(chǎn)過程造成影響，現(xiàn)有的通風(fēng)方式難以滿足薄煤層長壁工作面開采的需求，因此必須研究敘永煤礦1593工作面通風(fēng)及瓦斯運移相關(guān)規(guī)律，開展薄煤層長壁工作面的通風(fēng)方式優(yōu)化（工作面巷道布置）研究，實現(xiàn)薄煤層綜采的安全高效推進。

2.2 開展成套瓦斯綜合抽采技術(shù)研究

為保障煤與瓦斯突出煤層的瓦斯預(yù)抽采率及瓦斯抽采濃度，在1593工作面機巷、中巷以及風(fēng)巷，研究C19煤層順層鉆孔+C20煤層穿層預(yù)抽鉆孔對煤體進行超前預(yù)抽技術(shù)，以及中巷、風(fēng)巷施工高位攔截鉆孔技術(shù)，設(shè)計高位鉆場巷道以及瓦斯抽采的配套工藝。

2.3 提出薄煤層三軟過斷層條件下的采煤技術(shù)

1593綜采工作面地質(zhì)條件極其復(fù)雜，頂?shù)装鍘r性均為砂質(zhì)泥巖，巖石硬度系數(shù)f為4～6，煤層硬度系數(shù)f為2～4，薄煤層采煤工作面揭露有7條斷層，其中正斷層6條、逆斷層1條，工作面回采初期頂板涌水量最大26.7m3/h，并且敘永煤礦被認定為煤與瓦斯高突礦井，復(fù)雜地質(zhì)條件給綜采工作面生產(chǎn)與管理帶來極大困難。需研究包括三機配置和采煤工藝在內(nèi)的復(fù)雜地質(zhì)條件下采煤技術(shù)。

2.4 提出薄煤層綜采現(xiàn)場組織管理方法

研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的生產(chǎn)組織與管理經(jīng)驗，針對人員、設(shè)備、地質(zhì)等提出相應(yīng)的管理方法，從培訓(xùn)、定崗、檢查、處突、預(yù)警、控制等方面為保障上述技術(shù)順利實現(xiàn)提供質(zhì)量控制手段。同時在保障綜采技術(shù)實現(xiàn)方面，還需研究三機控制等核心技術(shù)。

2.5 該套技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用和實踐

為實踐和驗證極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層綜采工作面長度244米的高效回采能力，在芙蓉公司敘永煤礦1593工作面進行應(yīng)用和實踐。該工作面為三軟、斷層、涌水、高突等極復(fù)雜地質(zhì)條件，可對本項目研究成果進行可行性驗證，同時對存在的技術(shù)問題進行改進和完善。此外，還需對該套技術(shù)產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會效益進行全面分析，驗證項目的先進性。

極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層長壁綜采工作面技術(shù)研究屬于多學(xué)科交叉問題，至今尚未完全解決，還有待人們不斷的探索與發(fā)展。本課題需解決的難題主要分為三個方面：（1）根據(jù)薄煤層長壁綜采工作面瓦斯運移規(guī)律確定通風(fēng)方式；（2）基于多屬性決策理論提出工作面參數(shù)優(yōu)化方法；（3）提出薄煤層三軟過斷層條件下的采煤技術(shù)。

3 1593工作面通風(fēng)優(yōu)化

敘永煤礦1593工作面通風(fēng)及瓦斯運移相關(guān)規(guī)律，提出薄煤層長壁工作面的通風(fēng)方式。本工作面屬于+930m水平15采區(qū)南翼上部回采工作面。經(jīng)中國礦大鑒定，該區(qū)域為煤與瓦斯突出區(qū)域。工作面下段瓦斯絕對涌出量為3.250m3/min，工作面上段瓦斯絕對涌出量為1.70m3/min（2016年瓦斯涌出量測定報告資料及相鄰采面回采期間瓦斯涌出量所得），工作面下段二氧化碳絕對涌出量為0.973m3/min，工作面上段二氧化碳絕對涌出量為0.50m3/min（2016年瓦斯涌出量測定報告資料及相鄰采面回采期間瓦斯涌出量所得）。

工作面共計長度約為244m，根據(jù)資料，機巷/中巷/風(fēng)巷斷面3.6*1.8m2，工作面斷面積約5.2*1.3m2。按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定及1593綜采工作面通風(fēng)量計算，工作面下段實際情況取值為750m3/min，中巷進風(fēng)取值為400m3/min，工作面上段實際取值為1150m3/min。根據(jù)工作面的幾何尺寸建立三維模型。模型采用多邊形網(wǎng)格化，包含164792個網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.5m，均勻劃分，能夠較好的反映出流場內(nèi)部流動參數(shù)，劃分較為合理。無下行通風(fēng)，最為適宜。因此采用上部巷道回風(fēng)，下部巷道和中巷進風(fēng)的“W+”型通風(fēng)方式較為合適。

4 采煤工藝

選用MG320/710-WD3型電牽引采煤機，工作方式為雙螺旋滾筒截割落煤，滾筒截深為0.6m，即循環(huán)落煤進度為0.6m；工作面機頭架設(shè)3架、機尾架設(shè)2架ZY2800/11/24掩護式液壓支架，然后架設(shè)150架ZY3200/08/18掩護式液壓支架支護工作面頂板。

5 工作面的綜合組織管理

極復(fù)雜薄煤層綜采多措施、眾目標(biāo)管理法分為：一培（人員培訓(xùn)），二定（定崗、定任務(wù)），三查（三機設(shè)備檢查、工作面觀測壓力表檢查、監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備檢查），四處（處理片幫大塊煤矸、處理頂?shù)装?、處理非正常液壓支架、處理非正?？蓮澢凸伟遢斔蜋C），五預(yù)警（工作面瓦斯?jié)舛冗_到0.8﹪、采面頂板來壓征兆、在斷層褶皺帶采煤和移架作業(yè)時、處理擠架咬架倒架時、有透水征兆時），六控制（頂板周期來壓時供液壓力不低于30MPa、液壓支架排列成直線、采面可彎曲型刮板輸送機成直線、采煤司機與滾筒安全距離、采面進風(fēng)量、工作面涌水）。

6 主要結(jié)論

6.1 提出薄煤層長壁綜采工作面采用“W+”型通風(fēng)方式

通過Fluent數(shù)值模擬了三種回風(fēng)方式下的1593工作面通風(fēng)狀況，揭示了工作面附近的瓦斯運移與富集規(guī)律。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與煤礦安全規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，采用了上部巷道回風(fēng)，下部巷道和中巷進風(fēng)的兩進一回的W+型通風(fēng)方式。實測的工作面瓦斯分布規(guī)律與數(shù)值模擬規(guī)律近似，實踐證明該種通風(fēng)優(yōu)化方式能夠較好的保障工作面的通風(fēng)安全。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了工作面的具體通風(fēng)路線、通風(fēng)設(shè)施以及通風(fēng)管理的相關(guān)措施，有效的保障了敘永煤礦的安全高效生產(chǎn)。

6.2 提出“本煤層順層抽采與上下煤層穿層預(yù)抽采相結(jié)合的立體綜合抽采技術(shù)”

本煤層順層抽采技術(shù)：在C19煤層所在1593工作面的機巷、中巷以及風(fēng)巷施工鉆孔，采用150mmPVC管抽采；在1593采面風(fēng)巷安設(shè)一條直徑108mmPVC管抽采，實現(xiàn)采空區(qū)和上隅角瓦斯治理。結(jié)合1593工作面煤層間距、層位關(guān)系，長傾斜工作面漏風(fēng)半徑、鄰近層泄壓瓦斯涌出特征，設(shè)計了高位鉆場巷道尺寸、層位、間距設(shè)計，鉆孔形式以及瓦斯抽采配套工藝，實現(xiàn)上下煤層穿層瓦斯預(yù)抽采。工作面割煤期間，絕對瓦斯涌出量20.25m3/min，抽采利用瓦斯量14.04m3/min，抽排瓦斯量1.21m3/min，風(fēng)排瓦斯量5m3/min，工作面抽采率達到69.33%，回風(fēng)瓦斯最大0.75%，上隅角瓦斯得到有效治理，回風(fēng)巷瓦斯得到有效控制。

6.3 提出“基于多屬性決策的工作面參數(shù)優(yōu)化方法”

針對如何實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件薄煤層安全高效開采問題，基于多屬性決策理論，利用TOPSIS方法，建立了工作面長度和影響工作面長度的經(jīng)濟效益、生產(chǎn)效率、安全效益和工程條件（工藝合理性）等多屬性之間的數(shù)學(xué)模型。利用該模型，結(jié)合敘永煤礦煤層具體條件，建立了30多個工作面長度方案和上述屬性之間的數(shù)學(xué)模型，確立了敘永煤礦1593工作面理論長度為244m。

6.4 提出“薄煤層三軟過斷層條件下大功率快進高產(chǎn)采煤技術(shù)”

1593綜采工作面地質(zhì)條件極其復(fù)雜，頂?shù)装鍘r性均為砂質(zhì)泥巖，巖石硬度系數(shù)f為4～6，薄煤層采煤工作面揭露有7條斷層，其中正斷層6條、逆斷層1條，工作面回采初期頂板涌水量最大26.7m3/h，并且敘永煤礦被認定為高突礦井，復(fù)雜地質(zhì)條件給綜采工作面生產(chǎn)與管理帶來極大困難。在傳統(tǒng)走向長壁工藝基礎(chǔ)上選用高一檔功率的三機設(shè)備，采用快進高產(chǎn)采煤技術(shù)，實現(xiàn)了日產(chǎn)量1363.28噸。

6.5 提出“極復(fù)雜薄煤層綜采多措施、眾目標(biāo)管理法”

研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的生產(chǎn)組織與管理經(jīng)驗，針對人員、設(shè)備、地質(zhì)等提出相應(yīng)的管理方法，從培訓(xùn)、定崗、檢查、處突、預(yù)警、控制方面為保障上述技術(shù)順利實現(xiàn)提供質(zhì)量控制手段。核心技術(shù)在于保證頂板周期來壓時支柱供液壓力不低于30MPa、液壓支架排列成直線、可彎曲型刮板輸送機成直線、在斷層褶皺帶帶壓移架等措施，達到了安全、經(jīng)濟與高效等眾目標(biāo)。

6.6 實現(xiàn)了極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層綜采工作面高效回采全國領(lǐng)先水平

為實踐和驗證極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層綜采工作面長度244米的高效回采能力，在芙蓉公司敘永煤礦1593工作面進行應(yīng)用和實踐。該工作面為三軟、斷層、涌水、高突等極復(fù)雜地質(zhì)條件，芙蓉公司敘永煤礦應(yīng)用“W+”通風(fēng)方式、工作面優(yōu)化、綜采技術(shù)和現(xiàn)場管理等措施，配合多形式治災(zāi)技術(shù)，實現(xiàn)了薄煤層走向長壁綜采工作面長度244米的安全高效回采。薄煤層走向長壁綜采工作面相比傳統(tǒng)工作面，新增總產(chǎn)值0.85億元，新增總利潤0.204億元。

7 創(chuàng)新點

本項目針對薄煤層走向長壁綜采工藝所遇到的多項難題，選擇了特長長壁工作面作為研究對象，研究了極復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層走向長壁綜采工作面的多項關(guān)鍵技術(shù)，其主要創(chuàng)新點：

7.1 提出“薄煤層走向長壁綜采工作面采用‘W+通風(fēng)方式”

在煤與瓦斯突出礦井中，采煤工作面采用下部和中部巷道進風(fēng)、上部巷道回風(fēng)的兩進一回通風(fēng)方式，滿足了薄煤層走向長壁工作面的通風(fēng)需求，實現(xiàn)了薄煤層綜采的安全高效推進。

7.2 提出“本煤層順層抽采與上下煤層穿層預(yù)抽采相結(jié)合的立體綜合抽采技術(shù)”

在1593綜采工作面機巷、中巷以及回風(fēng)巷，采取在C19煤層順層鉆孔+C20煤層穿層預(yù)抽鉆孔對煤體進行超前預(yù)抽，設(shè)計了瓦斯抽采配套工藝，工作面瓦斯抽采率達到69.33%，瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂啤?/p>

7.3 提出“薄煤層三軟過斷層條件下大功率快進高產(chǎn)采煤技術(shù)”

針對三軟工作面和7條斷層，在傳統(tǒng)走向長壁工藝基礎(chǔ)上選用大功率三機設(shè)備，采用快進高產(chǎn)采煤技術(shù)，實現(xiàn)了日產(chǎn)量1363.28噸。

7.4 提出極復(fù)雜薄煤層綜采多措施、眾目標(biāo)管理方法

提出“極復(fù)雜（存在三軟、斷層、涌水和高突現(xiàn)象）薄煤層綜采多措施、眾目標(biāo)管理方法”。即保證頂板周期來壓時支柱供液壓力不低于30MPa、液壓支架排列成直線、可彎曲型刮板輸送機成直線、在斷層褶皺帶帶壓移架等多措施，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟與高效等眾目標(biāo)。

8 展望

該技術(shù)可為各類薄煤層走向長壁工作面綜采提供可參考的技術(shù)措施。下一步工作還要研究：

（1）針對現(xiàn)有三機設(shè)備進行小體積大空間改進，使得在滿足高效開采的同時，工作面通風(fēng)能力和行人過人能力增強，實現(xiàn)更高效開采目標(biāo)和較人性化環(huán)境雙贏。

（2）該技術(shù)還需繼續(xù)擴大成果應(yīng)用，一是在各類薄煤層工作面運行，驗證技術(shù)的有效性，二是在更多薄煤層工作面應(yīng)用，提升技術(shù)的經(jīng)濟效益水平。

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