袁店一井煤礦81、82 近距離煤層合并綜放工藝技術(shù)研究

文/許 崇(淮北礦業(yè)〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司技術(shù)中心)

袁店一井煤礦位于安徽省濉溪縣袁店集附近，東距宿州市約40km, 北距淮北市約42km。礦井于2007 年6月16 日開(kāi)工建設(shè)，2011 年12 月23 日正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180 萬(wàn)噸/年。全井田共有地質(zhì)儲(chǔ)量3.5 億噸，可采儲(chǔ)量1.4 億噸，服務(wù)年限51.6 年，主要煤種為肥煤、1/3焦煤和焦煤。

一、工作面概況

822 工作面為82 采區(qū)首采工作面（開(kāi)采81、82 兩層煤），南至DF14 斷層保護(hù)煤柱線，北至F25 斷層保護(hù)煤柱線，西至-295m 防水煤柱線，東至82 采區(qū)三條大巷。工作面可采走向長(zhǎng)962m，傾斜長(zhǎng)155m，工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 822 工作面巷道布置平面圖

822 工作面煤層賦存較穩(wěn)定。81 煤層厚度1.9～3.5m，平均2.57m；82 煤層厚度0.8～4.9m，平均2.66m；81與82 煤層間夾矸厚度0.5～4.0m，平均1.98m，巖性以泥巖為主。煤層傾角3～8°，平均傾角6°。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

二、回采工藝選擇及支架選型

1.回采工藝選擇

81、82 煤分層開(kāi)采存在巷道布置復(fù)雜、修復(fù)量大、掘進(jìn)率高、生產(chǎn)成本高及壓茬時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，影響礦井單產(chǎn)單進(jìn)的提高，制約著礦井安全。該礦委托科研院校進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣和煤巖體物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定，獲得了822 工作面煤層及夾矸基本的力學(xué)參數(shù)：煤層單軸抗壓強(qiáng)度6.488 MPa，夾矸單軸抗壓強(qiáng)度10.883 MPa。結(jié)合822 工作面具體地質(zhì)條件，分析了夾矸層層位、厚度和強(qiáng)度對(duì)頂煤冒放性的影響得出如下結(jié)論：822 工作面跟82 煤層頂板進(jìn)行回采，支架上方直接為夾矸，受支架反復(fù)支撐作用，易于破碎冒落，有利于頂煤冒放；822 工作面夾矸厚度大，平均達(dá)1.98m，但夾矸單軸抗壓強(qiáng)度為10.883MPa，強(qiáng)度較小，和煤層抗壓強(qiáng)度（6.488MPa）相當(dāng)，對(duì)頂煤冒放性的影響較小。

經(jīng)論證，認(rèn)為822 工作面具備實(shí)施合并綜放開(kāi)采的條件，決定采用走向長(zhǎng)壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化放頂采煤法。

2.支架選型

822 工作面采用ZFH9600/17.4/28 放頂煤液壓支架，該支架結(jié)合了各類(lèi)放頂煤支架使用經(jīng)驗(yàn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是架型合理，穩(wěn)定性好，抗載能力強(qiáng)；二是支架結(jié)構(gòu)合理，采用整體頂梁結(jié)構(gòu)，頂梁前端支撐能力強(qiáng)，有利于控制支架前部頂煤離層；三是可降低煤壁壓力，減少煤壁片幫現(xiàn)象。

三、含厚層夾矸頂煤破碎機(jī)理分析

為了實(shí)現(xiàn)含厚層夾矸頂煤的有效破碎和順利放出，提高合并綜放開(kāi)采頂煤放出率，分析含厚層夾矸頂煤破碎機(jī)理就顯得十分必要。

隨著工作面的推進(jìn)，頂煤從最初的彈性狀態(tài)，逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)。根據(jù)頂煤受力變化特點(diǎn)，模擬出綜放開(kāi)采中頂煤連續(xù)損傷破壞的演化過(guò)程，以此將原巖應(yīng)力區(qū)后的頂煤按其受力狀態(tài)的不同劃分為四個(gè)區(qū)域，如圖2 所示。

圖2 綜放面頂煤自然破壞過(guò)程分區(qū)圖

其中Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)支承壓力的作用尤為關(guān)鍵，其分布與大小是頂煤最終破壞程度與垮冒形態(tài)的主導(dǎo)因素。煤體原生節(jié)理裂隙與Ⅰ、Ⅱ區(qū)域產(chǎn)生的各種微觀、宏觀裂隙是誘使頂煤冒落的直接原因，決定著頂煤的最終垮冒形態(tài)和破碎程度。Ⅲ區(qū)域頂煤受支架反復(fù)支撐作用較明顯，靠近支架處的頂煤受影響更大。

822 工作面采用81、82 兩層煤合并綜放開(kāi)采，隨著工作面的推進(jìn)，夾矸層在支承壓力、頂板活動(dòng)和支架支撐的共同作用下首先破碎并被放出，待夾矸層有效破碎放出后，81 煤即隨夾矸下落，且在較短時(shí)間內(nèi)放出。工作面放煤機(jī)理如圖3 所示。

圖3 工作面放煤機(jī)理示意圖

四、工作面綜放開(kāi)采工藝參數(shù)分析優(yōu)化

1.采放比

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，適當(dāng)增加機(jī)采高度，可使超前支承應(yīng)力峰值點(diǎn)逐漸前移且峰值增大，頂煤塑性破壞區(qū)域也隨之?dāng)U寬，更有利于頂煤的超前破壞，使頂煤到達(dá)放煤口時(shí)破碎更充分。

822 工 作 面 開(kāi) 采81、82 煤 層，81 煤 層 平 均 厚 度2.57m，82 煤層平均厚度2.66m，煤層中部有一層平均厚度為1.98m 的夾矸，綜放回采總厚度平均7.21m。使用的中部支架型號(hào)為ZFH9600/17.4/28、過(guò)渡支架型號(hào)為ZFG9600/20/28、煤機(jī)型號(hào)為MG500/1180-AWD1，綜合考慮支架支護(hù)性能和穩(wěn)定性、煤機(jī)高度、袁店一礦技術(shù)及管理水平等因素，確定822 工作面跟82 煤層頂板進(jìn)行回采，機(jī)采高度為2.6m，放煤高度4.61m（包括夾矸厚度1.98m），采放比1∶1.77。

2.放煤步距

根據(jù)我國(guó)綜放工作面開(kāi)采的經(jīng)驗(yàn)，選取放煤步距時(shí)，可以應(yīng)用以下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：L為放煤步距，h為放煤高度，可近似取頂煤高度，單位都是m。

袁店一礦選用MG500/1180-AWD1 采煤機(jī)，采煤機(jī)截深0.6m。822 工作面合理的機(jī)采高度為2.6m，放煤高度4.61m，故合理的放煤步距為0.92～1.84m。在實(shí)際綜放開(kāi)采過(guò)程中，放煤步距只能與采煤機(jī)截深成倍數(shù)關(guān)系，所以822 工作面合理的放煤步距為兩采一放，循環(huán)放煤步距為1.2m，放煤一次最多只可打開(kāi)3 個(gè)放煤口，放煤時(shí)見(jiàn)到大量的碎矸石時(shí)，要立即用插板關(guān)閉放煤口，停止放煤?？紤]到兩巷壓力大，兩端頭各留6 架不放頂煤。

3.放煤方式

放煤方式是放煤順序、次數(shù)以及放煤量的配合形式。依據(jù)放煤橢球理論，放煤時(shí)兩臨近放煤口上方的放煤橢球體、放出過(guò)程中漏斗移動(dòng)曲線將互相影響，導(dǎo)致選用放煤方式不同，影響程度也不同，頂煤放出率和含矸率也有所區(qū)別。

822 工作面夾矸普氏系數(shù)1～2，機(jī)采高度2.6m，放煤高度4.61m，故采用單輪放煤方式。單輪順序放煤方式每次只打開(kāi)一個(gè)放煤口放煤，沒(méi)有發(fā)揮放頂煤開(kāi)采的優(yōu)勢(shì)，在后部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力足夠的情況下，單輪間隔放煤可以同時(shí)安排兩個(gè)及以上放煤口同時(shí)放煤，大大縮短了放煤時(shí)間，提高了放煤效率，實(shí)現(xiàn)了綜放面的高產(chǎn)高效。因此，822 工作面采用單輪間隔的放煤方式。

如圖4 所示,先放1、3、5……號(hào)支架，一次放完頂煤后關(guān)閉，再放2、4、6……支架，見(jiàn)矸關(guān)門(mén)。這種放煤方式操作簡(jiǎn)便，煤巖界面擾動(dòng)較小，混矸少，頂煤放出率高。當(dāng)單號(hào)架上部的頂煤擠壓成拱時(shí)，雙號(hào)架放煤時(shí)可以破壞拱腳，頂煤重新冒落放出，提高了頂煤放出率。

圖4 單輪間隔放煤煤巖分界面變化

4.822 工作面回采工藝參數(shù)及放煤管理

正常生產(chǎn)工藝流程：割煤→伸縮前梁→推前部輸送機(jī)→移架→割煤（第二刀）→伸縮前梁→推前部輸送機(jī)→移架→放頂煤→拉后部輸送機(jī)。

割煤方式：雙向割煤，往返一次進(jìn)兩刀。

進(jìn)刀方式：端頭割三角煤斜切進(jìn)刀，進(jìn)刀距離不小于24m。

移架方式：依次順序移架，滯后采煤機(jī)后滾筒3～5架依次跟機(jī)移架，跟機(jī)移架速度趕不上煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須停機(jī)移架或拉超前架。移架步距0.6m。

支護(hù)方式：采用超前支護(hù)，帶壓擦頂移架。煤機(jī)割煤后，及時(shí)伸出伸縮前梁護(hù)頂，端面距≤300 mm。

移溜方式：逐架順序移溜。推前部輸送機(jī)滯后煤機(jī)10 架左右，拉后部輸送機(jī)時(shí)，彎曲段長(zhǎng)度不小于20m。移溜步距保持在600 mm，移溜要做到2～3 次移到位。

層位控制：嚴(yán)格沿82 煤層頂板回采，合理控制工作面層位。

放煤管理：初次放煤時(shí)，出切眼20m 后進(jìn)行放煤，防止將切眼支護(hù)材料放入后部輸送機(jī)中；放煤時(shí)要注意過(guò)程控制，遇到矸石大量增多時(shí)要及時(shí)停止；放煤時(shí)如遇大煤塊不能放出，可反復(fù)伸縮插板，并上下擺動(dòng)尾梁使其破碎、冒落；放煤時(shí)，要加強(qiáng)煤質(zhì)管理，見(jiàn)矸即停止放煤，保證含矸率及灰分不超標(biāo)；嚴(yán)禁漏架不放、隨意丟頂煤；嚴(yán)格控制煤機(jī)割煤速度和放煤速度，保證煤量運(yùn)輸均衡；工作面機(jī)頭留6 架支架、機(jī)尾留6 架支架不放煤，以確保上下出口頂板的安全。

采用正規(guī)循環(huán)作業(yè)方式：即割煤、移架、推前部輸送機(jī)、放煤、拉后部輸送機(jī)為全過(guò)程，端頭斜切進(jìn)刀，雙向割煤的循環(huán)方式，每日按2 個(gè)循環(huán)（割4 刀，放兩輪）組織生產(chǎn)，日進(jìn)4 刀，截深0.6m，日進(jìn)2.4m。

五、工作面及回風(fēng)巷礦壓觀測(cè)

1.工作面支架礦壓觀測(cè)

根據(jù)工作面礦壓在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，工作面周期來(lái)壓現(xiàn)象較為明顯，支架有明顯增阻現(xiàn)象。工作面初次來(lái)壓步距為25～40m，周期來(lái)壓步距平均15～23 m。工作面不同地段周期來(lái)壓程度不一，存在“中間大、兩邊小”的特點(diǎn)，中上部和中下部阻力較大。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上看，支架工作阻力已充分發(fā)揮。

2.回風(fēng)巷變形量觀測(cè)

為研究回采期間巷道圍巖變化規(guī)律，在工作面回風(fēng)巷煤壁前方100m 布置巷道變形觀測(cè)點(diǎn)，采用“十字交叉法”，觀測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 表面位移曲線圖

針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：隨著工作面向前推進(jìn)，巷道圍巖變化較為劇烈，且兩幫移近量總體大于頂板下沉量；在距工作面煤壁前方約70m 以外巷道圍巖基本不受采動(dòng)影響，而30～70m 距離內(nèi)受到采動(dòng)影響但不劇烈，30m 以?xún)?nèi)受采動(dòng)影響較為劇烈，巷道變形量最大；通過(guò)增加超前管理長(zhǎng)度，提高支護(hù)強(qiáng)度，能夠保證工作面安全回采。

六、結(jié)語(yǔ)

袁店一井煤礦81、82 近距離煤層合并綜放開(kāi)采工藝的成功實(shí)施表明，合并綜放開(kāi)采工藝適合于極軟近距離特點(diǎn)的煤層，與分層開(kāi)采相比，節(jié)約掘進(jìn)工程量2276m；綜放工作面安裝、拆除工程各減少一次，節(jié)約安拆費(fèi)用400 余萬(wàn)元；節(jié)約電耗約2.5×105kW·h。該技術(shù)的成功應(yīng)用，為該礦82 采區(qū)待采綜放面開(kāi)采提供了可靠支撐，同時(shí)為推廣含夾矸煤層安全高效開(kāi)采提供了理論依據(jù)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類(lèi)似條件煤層的開(kāi)采具有一定的借鑒意義。