綜采工作面穿層回采技術(shù)研究與實(shí)踐

李海燕

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

宜興煤業(yè)1206綜采工作面開采2#煤層，由于煤層結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，夾矸變化較大，加之?dāng)鄬訕?gòu)造的影響，材運(yùn)兩巷出現(xiàn)了錯(cuò)層段，該范圍內(nèi)材巷位于2#煤層上、中分層，運(yùn)巷位于2#煤層中、下分層，工作面推進(jìn)至錯(cuò)層段將面臨穿層回采，本文結(jié)合國內(nèi)類似條件工作面及本礦的開采經(jīng)驗(yàn)，開展了綜采工作面穿層回采技術(shù)的研究與實(shí)踐，以期實(shí)現(xiàn)該工作面過錯(cuò)層段的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

1206工作面位于一采區(qū)，北部為1205工作面采空區(qū)，南部為2#實(shí)體煤，西部為一采區(qū)回風(fēng)巷，東臨井田邊界保安煤柱。1206工作面所采煤層為二疊系山西組2#煤層，本工作面范圍內(nèi)2#煤層結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，夾矸較多，最多時(shí)達(dá)到4層，厚度變化較大。煤類以1/3焦煤、肥煤為主，局部為焦煤；煤層傾角0～8°，平均5°，煤層總厚度1.05～2.36m，平均厚度1.8m，容重 1.35t/m3，普氏硬度f=1.0～1.5。1206工作面沿走向推進(jìn)，傾斜長222.6m，采高2.9m，采用ZY6400/15/35型（中間架，144架）和ZZG8000/17/35型（端頭架，機(jī)頭5架、機(jī)尾4架）液壓支架支護(hù)頂板。1206工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 1206工作面巷道布置示意圖

1.1 煤層頂?shù)装鍘r性

1206工作面老頂為中砂巖，厚1.45m，呈深灰色，巨厚層狀，中粒砂巖結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)條帶構(gòu)造，以石英、長石為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，棱角斷口；直接頂為泥巖，厚2.55m，呈灰黑色，鈣質(zhì)膠結(jié)，棱角斷口；偽頂為炭質(zhì)頁巖，厚0.62m，呈暗黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構(gòu)，水平層理，性脆易碎；直接底為泥頁巖，厚0.85m，呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構(gòu)，性脆易碎；老底為中砂巖，厚4.0m，呈深灰色，以石英、長石為主，中粒砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

工作面頂板節(jié)理、裂隙較發(fā)育，經(jīng)鉆孔取樣力學(xué)實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度2.72-98.6MPa，平均為30.83MPa，抗拉強(qiáng)度0.21-5.00MPa，平均為 1.75MPa，抗剪強(qiáng)度0.24-10.92MPa，平均為4.24MPa，巖石堅(jiān)硬程度屬于半堅(jiān)硬。屬于中等冒落性的頂板，較易管理。底板節(jié)理、裂隙不發(fā)育，經(jīng)鉆孔取樣力學(xué)實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度11.7-65.5MPa，平均為29.97MPa，抗拉強(qiáng)度0.21-1.87MPa，平均為1.41MPa，抗剪強(qiáng)度 1.50-9.32MPa，平均為 3.83MPa，巖石堅(jiān)硬程度屬于軟弱巖。

圖2 1206工作面柱狀圖

1.2 工作面錯(cuò)層段概況

1206工作面材、運(yùn)兩巷設(shè)計(jì)均為沿2#煤層頂板掘進(jìn)，由于運(yùn)巷在掘進(jìn)過程中，當(dāng)掘進(jìn)1050m-1348m處時(shí)，此范圍內(nèi)3#夾矸迅速從0.13m增厚至1.6m，導(dǎo)致2#煤層中分層進(jìn)入巷道底，掘進(jìn)至1348m處時(shí)遇見YF3斷層（此斷層為走向10°、傾向280°、傾角60°、落差2.7m的正斷層），巷道過此斷層后把2#煤層上分層及1#、2#、3#夾矸留在巷道頂板上部，開始沿2#煤層中分層和下分層掘進(jìn)。材巷掘進(jìn)至1348m處時(shí)，為了和運(yùn)巷煤層層位保持一致，巷道開始沿著2#煤層中分層和下分層掘進(jìn)，但是由于此段3#夾矸厚度較小，離層現(xiàn)象較為嚴(yán)重，未完全將3#夾矸留在巷道頂部（局部3#夾矸留住），當(dāng)掘進(jìn)至1691m處時(shí)，3#夾矸才完全留在巷道頂部，之后直至切眼兩巷層位一致。

因此，當(dāng)1206工作面推進(jìn)至1348～1691m段時(shí)，存在材、運(yùn)兩巷層位不一致的問題（此段材巷頂板為2#煤層頂板，運(yùn)巷頂板為2#煤層的3#夾矸），在工作面推進(jìn)過程中，會(huì)出現(xiàn)局部段穿層現(xiàn)象（在工作面剖面圖上表現(xiàn)為類似斷層的構(gòu)造）。由于穿層段可能出現(xiàn)局部地點(diǎn)頂板破碎、煤壁片幫嚴(yán)重、空頂距大、嚴(yán)重處甚至?xí)霈F(xiàn)拉槽漏頂?shù)默F(xiàn)象，因此必須制定合理的方案保障工作面安全順利地通過該錯(cuò)層段。1206工作面錯(cuò)層段層位情況如圖3所示。

圖3 1206工作面錯(cuò)層段平剖面示意圖

2 方案對(duì)比

根據(jù)1206工作面錯(cuò)層段的開采地質(zhì)條件，主要有繞巷法和硬過法兩種通過方式。其中繞巷法為施工繞巷繞過該區(qū)域，該方法存在多個(gè)弊端：地質(zhì)因素方面，該段走向長度達(dá)343m，很難準(zhǔn)確預(yù)測此范圍內(nèi)工作面內(nèi)部煤巖層賦存情況，因此難以確定合理的開掘繞巷位置；施工因素方面，若從運(yùn)巷開口施工繞巷（沿2#煤層掘進(jìn)，與材巷層位相同），工作面推進(jìn)過程中存在割巖石較多及轉(zhuǎn)載機(jī)拐彎等運(yùn)輸系統(tǒng)問題，若從材巷開口施工繞巷（沿2#煤層3#夾矸掘進(jìn)，與運(yùn)巷層位相同），根據(jù)材巷施工時(shí)的情況，該處2#煤上分層及3#夾矸厚度較小，容易發(fā)生離層，很難完全留到巷頂，難以保證繞巷與運(yùn)巷處于統(tǒng)一層位，若從材巷開口，在工作面中部施工繞巷，則存在甩掉的工作面較長，丟煤較多的問題；在經(jīng)濟(jì)效益方面，施工繞巷以最小值40m計(jì)算，需掘進(jìn)40m（6.5m×2.9m斷面）+371m（3m×2.9m斷面），掘進(jìn)費(fèi)用以每平米平均350元估算，共計(jì)約132萬元，末采、搬家費(fèi)用以70萬元計(jì)。

相對(duì)于繞巷法，硬過法在實(shí)際施工中更加簡單易行，可減少巷道掘進(jìn)費(fèi)用、提高工作面回采率、節(jié)約大量煤炭資源，經(jīng)濟(jì)效益顯著。工作面采用硬過方案，可多回收原煤約3.2萬t，折算成精煤為2.3萬t，每噸精煤純利潤按300元計(jì)算，共計(jì)約690萬元，維護(hù)穿層段需要的錨索、鋼梁、棚板等支護(hù)材料及采煤機(jī)截尺、齒座等材料費(fèi)用以70萬元計(jì)。兩種方案經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見表1。

3 工作面過錯(cuò)層段施工方案

表1 施工繞巷與硬過方案經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

工作面材運(yùn)兩巷錯(cuò)層段沿順槽走向長度約343m，根據(jù)兩巷煤層柱狀圖分析，3#夾矸厚度在工作面從機(jī)尾至機(jī)頭方向逐漸增大（0.1m-5m），并沿工作面推進(jìn)方向逐漸變薄，因此預(yù)測隨著工作面向前推進(jìn)，穿層段影響范圍在工作面由機(jī)尾至機(jī)頭逐步移動(dòng)，直至工作面推進(jìn)至運(yùn)巷YF3斷層處時(shí)消滅。根據(jù)掘進(jìn)時(shí)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)3#夾矸厚度在0.8m左右，便可留在支架頂板。據(jù)此推測當(dāng)工作面過錯(cuò)層段初期，在工作面115#-135#支架處穿層，穿層影響范圍約30米左右。

3.1 穿層初期工作面調(diào)整

工作面從機(jī)頭往機(jī)尾方向調(diào)整，沿2#煤中分層和下分層割煤逐步過渡到2#煤上分層和中分層。由2#煤中分層穿至上分層過程中，3#夾矸硬度較小，因此采取采煤機(jī)直接截割的方式通過。在整個(gè)穿層過程中，盡可能縮小穿層影響范圍，控制好穿層段采高。

3.2 推進(jìn)過程中工作面調(diào)整

工作面往前推進(jìn)過程中，3#夾矸逐步變薄，穿層段影響范圍逐步向工作面機(jī)頭方向前移，直至工作面推進(jìn)運(yùn)巷YF3斷層處時(shí)消滅。工作面推進(jìn)時(shí)，穿層段位置應(yīng)及時(shí)根據(jù)3#夾矸厚度進(jìn)行調(diào)整。穿層過程中，要切實(shí)把握好穿層段的采高不超過2.5m（支架最大支撐高度3.5m），工作面從2#煤中分層和下分層逐步過渡到2#煤上分層和中分層時(shí)，挑頂、留底幅度每支架不超過100mm（穿層過程中可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況留設(shè)底煤）。整個(gè)穿層段要平穩(wěn)過渡，不得出現(xiàn)臺(tái)階狀。

3.3 工作面穿層工藝要求

1）根據(jù)工作面現(xiàn)場實(shí)際情況認(rèn)真分析后選擇合適的穿層位置，工作面穿層段層位調(diào)整應(yīng)平穩(wěn)過渡，盡量做到多割煤少割巖石，減少設(shè)備損耗，加快推進(jìn)速度。

2）過穿層段時(shí)，煤機(jī)司機(jī)要嚴(yán)格掌握好采高（2.5m），確保采高在支架有效支護(hù)范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)支架超高或支架壓死、采煤機(jī)無法通過現(xiàn)象。嚴(yán)格控制采煤機(jī)過穿層段的速度（不超過2m/min），煤機(jī)通過后及時(shí)伸出前探梁，移架工追機(jī)移架，距離采煤機(jī)后滾筒不超過3架，煤壁片幫嚴(yán)重、端面距超過規(guī)定時(shí)必須帶壓超前移架。采煤機(jī)司機(jī)必須同移架工密切配合，移架速度跟不上采煤機(jī)速度時(shí)，要及時(shí)降低采煤機(jī)速度，必要時(shí)停機(jī)移架。

3）加強(qiáng)工作面工程質(zhì)量管理，確保支架和刮板輸送機(jī)平直，支架不擠架、不咬架。移架過程中要及時(shí)調(diào)整支架狀況，如發(fā)生倒架、咬架和歪架現(xiàn)象，在移架過程中及時(shí)調(diào)整。

3.4 頂板破碎情況下應(yīng)對(duì)措施

1）工作面推進(jìn)過程中若出現(xiàn)局部地點(diǎn)頂板破碎、煤壁片幫嚴(yán)重、空頂距大的情況，必須及時(shí)提前帶壓移架，并保證支架接頂嚴(yán)實(shí)，防止出現(xiàn)拉槽漏頂。若提前移架后端面距仍過大時(shí)要及時(shí)用棚板做超前支護(hù)挑頂，必要時(shí)應(yīng)掏超前梁窩進(jìn)行超前護(hù)頂。

2）工作面穿層段頂板3#夾矸留頂困難時(shí)，可在支架頂梁梁頭處架間，斜向上與3#夾矸呈75°角打一排超前錨索進(jìn)行支護(hù)，采用300×300mm×14mm鋼板配合Φ17.8×3500mm鋼絞線，每根錨索配套MSK2355錨固劑一支、MSZ2355錨固劑一支（使用時(shí)快速藥卷在上），間距1.5m，預(yù)緊力不得低于140kN，外漏長度嚴(yán)格控制在150～250mm。工作面穿層段及超前錨索施工見圖4。

圖4 1206工作面穿層段及超前錨索示意圖

3）當(dāng)穿層段頂板破碎嚴(yán)重、控制困難時(shí)，可根據(jù)具體情況考慮使用固安特對(duì)穿層段頂煤巖體進(jìn)行注漿加固。

4 結(jié) 語

根據(jù)1206工作面材運(yùn)兩巷錯(cuò)層的地質(zhì)條件和開采條件，經(jīng)過方案對(duì)比后，采用穿層開采、直接推過的方式，通過采取科學(xué)合理的技術(shù)措施和現(xiàn)場管理辦法，實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)層段的安全回采，相比施工繞巷方案，節(jié)約工期約2個(gè)月，多回收原煤約3.2萬t，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。