大傾角三軟不穩(wěn)定煤層工作面優(yōu)化設計

張帆舸，陳玉存，張留玉

（1.中鐵十五局集團有限公司 技術中心，上海200070；2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海200092；3.河南地方煤業(yè)有限公司，河南 鄭州450016；4.平頂山煤礦設計研究院，河南 平頂山467000）

隨著我國煤炭資源的持續(xù)開采和開采強度的不斷增大，煤炭資源開采逐步進入地質(zhì)條件更加復雜的區(qū)域，一些大傾角（平均35°）、三軟（頂板軟、煤層軟和底板軟）煤層的開采越來越被重視[1-3]。目前大傾角煤層的開采技術水平遠低于緩傾斜煤層，而三軟條件更增加了開采的技術難度，在該復雜地質(zhì)條件下，經(jīng)常出現(xiàn)工作面支護、落煤和運輸?shù)仍O備與地質(zhì)條件不匹配，近水平-緩傾斜煤層開采礦壓理論與大傾角、三軟煤層自然變化規(guī)律不符合，現(xiàn)有工藝流程和管理經(jīng)驗不適用等諸多問題[4]?，F(xiàn)有關于大傾角三軟煤層的研究主要包括3 個方面：一是對地質(zhì)作用機理的分析，包括礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、覆巖破壞特征、煤壁穩(wěn)定性等[5-12]；二是關于該特殊地質(zhì)條件下采煤工作面支架的研究，包括支架穩(wěn)定性、支架防滑倒技術、傾斜支架放頂煤等[13-22]，三是對開采技術的探討，包括倒臺階采煤法、旋轉(zhuǎn)開采、放頂煤開采等[4,9,17,23]。這些研究大多側(cè)重于單一問題的分析和解決，但是在實際生產(chǎn)中，工作面情況往往更為復雜[24]，不僅存在地質(zhì)環(huán)境、機械設備的相關問題，也涉及了管理技術、工藝流程等組織方法，各種情況相互關聯(lián)并直接影響生產(chǎn)安全和效率，因此，基于大傾角三軟煤層工作面具體情況提出的綜合應對措施對煤礦的生產(chǎn)更具實用性。以河南地方永安煤業(yè)有限公司煤礦大傾角三軟煤層工作面為依托，主要進行了3 個方面的研究分析：一是利用壓力計、壓力表觀測工作面和工作面上下兩巷動壓變化頻率，找到合適的推進速度，使采場支架避開壓力峰值；二是通過調(diào)整工作面推進方式和支柱迎山角，確定符合現(xiàn)場實際、能夠增強支架穩(wěn)定性的支護參數(shù)；三是細化工藝流程，提高勞動效率。通過這些綜合應對措施，以期解決工作面在推采期間經(jīng)常出現(xiàn)的支架下滑、擠架咬架、煤壁片幫嚴重，安全出口和采場空間高度收縮快、放頂煤難以控制等問題，實現(xiàn)生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定高效。研究結(jié)果也能為該煤礦今后的工作面設計、采面作業(yè)規(guī)程編制、采面管理等提供經(jīng)驗和參考。

1 工作面地質(zhì)條件

河南地方永安煤礦位于河南禹州礦區(qū)西部官山砦正斷層下盤，基本構(gòu)造形態(tài)為地層走向NE，傾向SE，傾角21°～38°的單斜構(gòu)造。批準開采二疊系下統(tǒng)山西組二1 煤層，生產(chǎn)規(guī)模21 萬t/a。地質(zhì)類型復雜，水文地質(zhì)類型中等。

2017 年5 月，該煤礦按照批準的技術改造方案，新建副井工程，老副井及其工業(yè)廣場報廢。為提高資源回收率，在老副井及其工業(yè)廣場煤柱上布置1 個采煤工作面（即“煤柱工作面”）。煤柱工作面位于已經(jīng)結(jié)束的11 采區(qū)采空區(qū)下部，原副井（報廢）工業(yè)廣場保護煤柱內(nèi)，煤層屬單斜構(gòu)造，西高東低。工作面西鄰（傾斜上部）剛回采結(jié)束的二1—11030 采面采空區(qū)，北部為老窯巷采區(qū)，東部（傾斜下部）為早期小煤窯使用巷采法留下的巷采區(qū)，南部為新工業(yè)廣場保護煤柱，工作面布置示意圖如圖1。

煤柱工作面內(nèi)煤層傾角25°～38°，平均35°，屬傾斜煤層；煤層厚度2.0～3.3 m，平均2.5 m，屬中厚煤層；二1 煤層呈黑色，條痕灰黑色，強玻璃光澤，粉狀煤為主，煤層堅固性系數(shù)f＜1.0，屬軟煤。煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖2，煤層直接頂板為薄層狀砂質(zhì)泥巖，厚度5.0 m，基本頂為中厚層狀細粒砂巖，厚度13 m，直接底板主要為泥巖，次為砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，厚度4.75 m，基本底為砂質(zhì)泥巖，厚度6 m。在采面30～40 m 處揭露落差1～3 m 正斷層，斷層兩側(cè)構(gòu)造破碎帶內(nèi)，巖石裂隙發(fā)育改變了巖體固有性質(zhì)，使得煤層及頂、底板軟弱?？傮w評價采面工程地質(zhì)屬極軟-松軟類型。

圖1 煤柱工作面布置示意圖Fig.1 The sketch of coal face

圖2 巖層柱狀圖Fig.2 The geologic column

綜上，該煤柱工作面開采技術條件屬于有斷層、老巷影響的大傾角三軟煤層采煤工作面。

2 工程設計情況

煤柱工作面平均走向長度450 m，傾斜長度160～172 m，回采面積76 500 m2，可采儲量25 萬t。工作面共有4 條回采巷道（圖1），均沿煤層底板布置，使用拱形斷面25U 型鋼支架支護。4 條回采巷道分別是運輸巷、軌道巷、中間巷、切眼。運輸巷兼工作面進風，長度468 m；軌道巷兼回風，長度432 m；中間巷是利用報廢副井底大巷（煤）做工作面運料和輔助進風，長度462 m；工作面切眼傾斜平均長度166 m，以中巷為界形成上下2 段（上段90 m，下段82 m）。

工作面使用ZH2000/16/24Z 型整體組合頂梁懸移液壓支架支護（簡稱“懸移支架”），上段安裝懸移支架86 架，下段安裝懸移支架74 架；設計安裝2 部SGB-620/40T 型刮板輸送機，實際上下段各安裝1部SGB-320/40 型刮板輸送機，首尾對接。工作面上下端頭采用3.3 m 型鋼梁、配合單體柱成對支護。

設計工作面為走向長壁式布置、后退式開采。工作面上下段同時整體推進、1 次采全高回采工藝，“三八”式作業(yè)，“二采一準”（二班采煤，一班準備），日推進2 個循環(huán)，循環(huán)進度0.8 m，日產(chǎn)量Q=830 t。

3 生產(chǎn)期間存在的主要問題

煤柱工作面于2018 年4 月8 日投產(chǎn)，到7 月31日（項目研究統(tǒng)計時間）共運轉(zhuǎn)114 d，受各種內(nèi)、外部因素影響停產(chǎn)36 d，實際生產(chǎn)78 d，推進26 m，完成32 個循環(huán)，平均推進速度為0.33 m/d，生產(chǎn)原煤13 480 t。生產(chǎn)期間，工作面不能實現(xiàn)正規(guī)循環(huán)，沒有達到設計工效和產(chǎn)量，礦井形成“全員工效低→經(jīng)濟效益差→安全條件惡化→員工不穩(wěn)定→工效更低→效益更差”的惡性循環(huán)局面。工作面存在的問題包括以下幾個方面。

1）支架穩(wěn)定性差。受大坡度影響，工作面支架穩(wěn)定性差。支架受力示意圖如圖3。工作面下段切眼沿煤層底板形成3 個坡度分段：上部17 m傾角25°，中部35 m 傾角32°，下部30 m 傾角達38°。大坡度采面存在2 個問題：一是支架在自身重力G、上覆松動巖體自重G1以及頂板對支架的反作用力F 的共同作用下會產(chǎn)生傾倒變形甚至整體位移，造成擠架、咬架，刮板運輸機等設備在自重作用下同樣會產(chǎn)生下滑；二是煤層松軟且采面內(nèi)存在多條已經(jīng)垮塌的小煤窯巷道，采面為松散煤體推采，煤壁沒有支撐強度，若閉幫遲緩，煤墻片幫嚴重，自由面片幫深度可達0.8～1.5 m。

圖3 支架受力示意圖Fig.3 The force diagram of support

2）礦壓顯現(xiàn)。工業(yè)廣場煤柱三面相鄰采空區(qū)，屬于應力集中區(qū)域，礦山壓力顯現(xiàn)明顯。采面支架推移后8 h 內(nèi)頂?shù)装逡平孔畲笾?16 mm（7 月16 日觀測），采面上下端頭安全出口初始高度2.40 m，48 h壓縮至1.58 m（7 月18 日觀測）。運輸巷、軌道巷和中間巷20 m 動壓區(qū)斷面變化快、收縮量大。工作面礦山壓力觀測顯示，三軟煤層采面控頂區(qū)應力在移架后18～24 h 達到峰值，采面推進速度平均0.33 m/d（完成1 個循環(huán)需要58.2 h），由于采面推進速度慢，支架承壓時間也較長，在58.2 h 內(nèi)承受壓力由低壓到峰值的動壓變化過程。這就造成采場頂?shù)装逡平看?，煤體和頂板松裂，煤壁片幫嚴重、移架困難等問題。

3）設備不配套。工作面運輸設備與切眼長度不配套。采面切眼長度172 m，上、下段分別安裝1 部SGB-320/40 型刮板運輸機，首尾相接，刮板運輸機額定運輸能力85 t/h。工作面多分段同時采煤落煤量大，頻繁出現(xiàn)刮板運輸機超負荷被壓死現(xiàn)象，7 月因強行啟動刮板運輸機，曾造成3 次燒壞電機，采面運輸能力明顯不足。

4）巷道與設備維護工作量大。工作面兩巷受動壓作用時間長變形破壞嚴重。上下端頭和安全出口收縮變形量大、損壞嚴重，采面巷道擴寬落底、扭曲變形維修，工作面安全出口清理工程量大。在工作面上段91～143 m 之間揭露1 條落差2 m 正斷層，煤層未完全斷開，底板形成小臺階，采面風鎬破底硬過斷層，推進緩慢。另外，工作面支護和設備管理困難，出現(xiàn)刮板輸送機下滑時需要采取刮板輸送機機頭拆節(jié)、機尾加節(jié)措施；出現(xiàn)支架下滑、錯茬和擠架、咬架時，需要采取拆架和補架措施處理，設備維修維護時間長，工人勞動強度大、隊伍思想不穩(wěn)定、工作情緒消極，導致生產(chǎn)效率低、工程質(zhì)量難以保障。

4 工作面優(yōu)化設計方案

針對以上問題，提出了對采煤工作面調(diào)整推進方式、改進支護參數(shù)、細化工藝流程等綜合技術措施提高工作面推進速度，以期達到解決生產(chǎn)被動局面的目的。具體調(diào)整措施包括以下4 個方面。

1）工作面分段推采。減短工作面長度，提高采面推進速度，使支架受壓避開壓力峰值時段。采煤工作面實行分段、分期開采，即工作面以中巷為界分為上、下2 段，形成2 個小采面，分別推采，工作面分段布置示意圖如圖4。采面推進速度提高到1.6 m/日，支架承受壓力8 h，避開了18～24 h 峰值壓力，頂?shù)装逡平考s70 mm。

圖4 煤柱工作面分段布置示意圖Fig.4 The sketch of segmented coal face

2）減小傾角。工作面調(diào)整為偽傾斜，減小工作面傾角，相應減小引起設備下滑的分力。工作面切眼方向由垂直于煤層走向，調(diào)整為與煤層走向成60°夾角，工作面成俯斜開采。調(diào)整前，采面傾角29°～38°，平均35°；調(diào)整后，工作面傾角為24.8°～32.2°，平均29.7°。減少了支架和上覆松動巖體的2 個重力在傾斜方向的分力，降低了采面支架和刮板運輸機等設備下滑條件。同時，增加采面加強柱數(shù)量和迎山角，工作面支架中間加強柱調(diào)整前每10 m 1 柱，調(diào)整改變?yōu)槊? m 1 柱；加強柱迎山角由固定的4°～5°調(diào)整為由跟班技術員根據(jù)支柱位置的底板傾角確定不同的迎山角，一般為6°～8°，增加支架抵抗下滑和擠架、咬架強度，另外，及時對支架補液增壓，合理控制組合支架支撐強度。特別是增大支架下側(cè)支柱初撐壓力，減少采面頂?shù)装逡平俊?/p>

3）調(diào)整通風。調(diào)整工作面通風系統(tǒng)。下段推進時，中間巷由原來輔助進風改為下段工作面回風巷，新鮮風流仍由運輸巷進入，經(jīng)采場后，污風由中間巷再經(jīng)聯(lián)絡巷進入礦井北翼回風，通風路線為：運輸斜巷→運輸巷→下段切眼→中間巷→聯(lián)絡巷→北翼回風；上段推進時，新鮮風流仍由運輸巷進入，經(jīng)下段工作面和中間巷進入上段采場，污風經(jīng)工作面回風巷進入礦井北翼回風，通風路線為：運輸斜巷→運輸巷→下段切眼→中巷（輔助運輸巷）→上段切眼→軌道巷→北翼回風巷。

4）細化作業(yè)流程。對作業(yè)流程進一步細化，分節(jié)作業(yè)。工作面調(diào)整前工作方法是：工作面分成10～15 m 小段，直接工2 人1 組分包1 小段，相互配合整段作業(yè)，調(diào)整后工作方法改為：工作面仍分成10～15 m小段，直接工2 人1 組分包1 小段，相互配合“分節(jié)”作業(yè)，在分包的小段內(nèi)再按1.2 m 小節(jié)，逐節(jié)作業(yè)，每小節(jié)落煤后及時延伸伸縮梁和立柱前移，同時利用廢舊輸送帶截割成600 mm×1 000 mm 規(guī)格塊段，做閉幫材料并重復利用，對煤壁及時閉幫，應對軟煤層片幫問題，改善采面安全生產(chǎn)環(huán)境。

5 應用效果

1）大工作面分為小工作面推進后，采長相對減短，推進度增大。調(diào)整前，工作面平均推進速度0.33 m/d，最大推進度0.4 m/d，采面單產(chǎn)120～330 t/d；調(diào)整后，工作面平均推進速度1.6 m/日，實現(xiàn)“兩采一準”正規(guī)循環(huán)作業(yè)，同時也保證了工作面維護和設備檢修時間，生產(chǎn)環(huán)境和安全條件改善，單產(chǎn)提高到800～1 040 t/d，達到采面設計生產(chǎn)能力，提高了采面生產(chǎn)效率。

2）工作面推進速度的增大，同時也解決了因工作面推進慢造成不利條件。支架每日邁步2 次，移動1.26 m，減少了動壓增高區(qū)段影響時間，工作面頂?shù)装逡平啃∮?.25 mm，煤墻護幫柱鉆入底板量不大于100 mm，單架移架平均時間一般8 min，全采面移架時間45～80 min，降低了工作面直接工移架、推溜的勞動強度，兩巷和安全出口維修量明顯減少。工作面調(diào)整成俯斜形式后，采面移架邁步時利用支架后方垮落巖體重力推動，移架更容易。

3）增加中間加強柱密度、增大加強柱迎山角，及時注液增壓等措施的實施，保證了加強柱支撐強度，支架下滑量減少，不再出現(xiàn)嚴重的擠架、咬架和相鄰支架錯差現(xiàn)象，采面基本保持“三直一平”。

4）分解和細化生產(chǎn)工藝后，采煤直接工職責明確，嚴格按流程操作，實現(xiàn)正規(guī)管理。煤墻及時閉幫，片幫冒頂隱患基本消除，縮短了分段工藝時間，提高了生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量，為正規(guī)循環(huán)提供保證。

6 結(jié) 語

1）大傾角三軟煤層動壓變化快，選取與工作面周期來壓及動壓相適應的采面推進度，能夠減少煤壁和支架承受采面峰值動壓時間，可以有效降低礦壓影響，從而達到控制工作面及安全出口頂?shù)装逡平俣?，減輕片幫漏煤，提高采場作業(yè)環(huán)境和安全條件的目的。

2）偽傾斜布置，降坡增阻，防止設備下滑。將工作面設計為偽傾斜布置，采場設備及上覆巖石的重力在傾斜方向產(chǎn)生的下滑分力減少，在垂直底板方向產(chǎn)生的摩擦力增大，是應對設備下滑和支架擠架、咬架的直接有效措施。

3）增加中間加強柱密度、增大加強柱迎山角等輔助措施對支架防滑、防咬架有良好的效果。

4）細化作業(yè)流程，實行分節(jié)作業(yè)有助于工作面管理、提高工作效率、及時消除安全隱患。