工作面沿空留巷切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)及主要設(shè)備選型

王正達(dá)

（山西省能源發(fā)展中心， 山西 太原 030006）

引言

我國煤炭儲(chǔ)量豐富，包括有極厚、厚、薄煤層。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國薄煤層的儲(chǔ)量也十分豐富，但是由于其開采難度較大、工藝復(fù)雜，導(dǎo)致經(jīng)常被忽視。煤炭作為不可再生資源隨著資源不斷枯竭，提升薄煤層的開采率也十分重要。對(duì)于薄煤層開采而言，主要基于沿空留巷技術(shù)完成，針對(duì)薄煤層開采的巷內(nèi)支護(hù)而言，需對(duì)其沿空留巷進(jìn)行切頂卸壓操作，以保證巷內(nèi)的支護(hù)效果[1]。本文重點(diǎn)針對(duì)薄煤層工作面，對(duì)其切頂卸壓工作參數(shù)及主要生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行選型。

1 工程概況

本文以神木煤礦為例開展研究，該煤礦設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為8 Mt/年。但是在多年開采中整個(gè)煤礦的生產(chǎn)能力僅達(dá)到6 Mt/年，導(dǎo)致生產(chǎn)能力不滿足設(shè)計(jì)初期的主要原因是該煤礦的薄煤層工作面開采工作尚未開展。本文以神木煤礦的431301 工作面為例開展研究，該工作面屬于薄煤層，工作面煤層傾角范圍為1°～3°，煤層厚度范圍為0.8～1.5 m，該煤層的埋藏深度為126～188 m。431301 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 431301 工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)探測(cè)，431301 工作面的瓦斯含量均為零，該工作面屬于零瓦斯工作面。同時(shí)，為避免透水事故的發(fā)生，工作面開采期間在采用正常排水措施的同時(shí)，還在開采前采用鉆孔疏放方式對(duì)采空區(qū)的積水進(jìn)行排放。

2 沿空留巷切頂卸壓參數(shù)確定

沿空留巷切頂卸壓包括有沿空留巷和切頂卸壓兩個(gè)環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)中，首先需完成工作面沿空留巷的操作，其次完成切頂卸壓操作，保證工作面生產(chǎn)的安全性[2]。本小節(jié)將分別對(duì)沿空留巷和切頂卸壓兩個(gè)操作的參數(shù)進(jìn)行確定。

2.1 沿空留巷參數(shù)的確定

所謂沿空留巷指的是，在工作面回采過程中采用合適的充填材料在巷道內(nèi)構(gòu)筑一定體積的充填體，并在此基礎(chǔ)上對(duì)巷道進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。從理論上講，沿空留巷的穩(wěn)定性和可靠性在很大程度上決定充填體的寬度和充填體所采用高水材料的水灰比[3]。因此，本小節(jié)從理論分析和數(shù)值模擬層面主要對(duì)充填體的寬度和高水材料的水灰比進(jìn)行確定。

2.1.1 充填體寬度

根據(jù)431301 工作面的地質(zhì)條件，基于FLAC3D軟件建立數(shù)值模擬模型，在保證高水材料水灰比的基礎(chǔ)上對(duì)充填體巷道寬度分別為0.8 m、1.2 m、1.6 m、1.8 m 和2 m 下沿空巷道的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同充填體寬度沿空巷道的變形規(guī)律

結(jié)合如圖1 所示的仿真結(jié)果和應(yīng)力仿真結(jié)果（鑒于篇幅，不一一列舉）可知：當(dāng)充填體寬度小于1.6 m 時(shí)，工作面頂板的彎曲下沉量及其對(duì)應(yīng)承載能力較??；當(dāng)充填體大于1.6 m 時(shí)充填體的承載能力提升。同時(shí)，隨著充填體寬度的增加對(duì)應(yīng)頂板下沉量和充填體幫的移近量減??；而且，當(dāng)充填體寬度大于1.6 m 繼續(xù)增大時(shí)，巷道變形量減小。因此，綜合確定充填體的巷道寬度為1.6 m。

2.1.2 高水材料水灰比的確定

同樣，在充填體寬度一定的基礎(chǔ)上，分別對(duì)高水材料水灰質(zhì)量比為1.5∶1、1∶1、1.8∶1 和2∶1 下工作面巷道的應(yīng)力及應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同高水材料水灰比下沿空巷道的變形規(guī)律

分析圖2 可知，在充填體寬度一定的基礎(chǔ)上，隨著高水材料水灰比例的增加，充填體對(duì)巷道的支護(hù)能力越差，對(duì)應(yīng)的巷道穩(wěn)定性越低[4]。考慮到后期切頂卸壓操作的方便性，最終確定高水材料的水灰比為1.5∶1。

在上述沿空留巷充填體寬度和高水材料水灰比參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合如表2 所示431301 工作面的關(guān)鍵參數(shù)確定充填體的切頂阻力為12.5 MN/m。

表2 431301 工作面關(guān)鍵參數(shù)

2.2 切頂卸壓參數(shù)的確定

為保證431301 工作面回采工作面的安全性，在回采前對(duì)其頂板進(jìn)行切頂卸壓操作。一般情況，常在工作面相鄰的順槽內(nèi)布置預(yù)裂爆破鉆孔最終達(dá)到卸壓的目的。采用爆破方式對(duì)工作面頂板進(jìn)行切頂卸壓時(shí)，影響預(yù)裂爆破效果的參數(shù)包括有裝藥量、封孔長度和爆破孔的間距。本小節(jié)將具體對(duì)切頂卸壓操作的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確定。

1）目前，可采用的炸藥包括有乳化炸藥和膨化硝銨炸藥。結(jié)合431301 工作面的地質(zhì)條件，本工作面擬采用炸藥的類型為許用乳化炸藥，炸藥的直徑為35 mm，炸藥的長度為200 mm。

2）431301 工作面?zhèn)雾敽屠享數(shù)目偤穸葹?0.73m。為保證充分的爆破效果，確定鉆孔的深度為11 m，對(duì)應(yīng)爆破鉆孔的傾角為70°；根據(jù)炸藥的直徑為35 mm，確定鉆孔的直徑為38 mm；根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算確定封孔長度為4 m；結(jié)合神木煤礦其他工作面不同鉆孔間距的爆破效果，最終確定爆破孔的間距為600 mm[5]。

3）采用當(dāng)前較為成熟的正向爆破+串聯(lián)的方式對(duì)炸藥進(jìn)行起爆。

3 主要設(shè)備選型

對(duì)于綜采工作面而言，主要設(shè)備包括有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架，也稱為綜采工作面的“三機(jī)”。本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的型號(hào)進(jìn)行選型確定。

結(jié)合431301 工作面的煤層高度及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，最佳液壓支架高度為900～1 600 mm。為保證液壓支架的移動(dòng)速度和穩(wěn)定性，對(duì)應(yīng)支架的中心距離為1.75 m?；诮?jīng)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算得出液壓支架的工作阻力應(yīng)為9 000 kN。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的需求，工作面需配置掩護(hù)式液壓支架、端頭液壓支架、超前液壓支架。其中，掩護(hù)式液壓支架型號(hào)為ZY9000/09/16D，數(shù)量為102 臺(tái)；端頭液壓支架型號(hào)為ZYT9000/17/30D，數(shù)量為4 臺(tái)；超前液壓支架分為運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的液壓支架，其中運(yùn)輸巷的超前液壓支架型號(hào)為ZQ15000/18/30A，回風(fēng)巷超前液壓支架的型號(hào)為ZQ15000/18/30B。

在上述液壓支架選型的基礎(chǔ)上確定采煤機(jī)的型號(hào)為MG200/500-WD，對(duì)應(yīng)的刮板輸送機(jī)的型號(hào)為SGZ800/3×400。

4 結(jié)論

由于薄煤層開采難度較大、工藝相對(duì)復(fù)雜且空間減小，導(dǎo)致對(duì)薄煤層的開采效率較低。為提升薄煤層巷道的開采效率和安全性，常以沿空留巷切頂卸壓的方式保證。其中，沿空留巷及切頂卸壓參數(shù)的確定尤為重要。本文以431301 工作面為例，對(duì)沿空留巷和切頂卸壓的參數(shù)進(jìn)行確定。

1）確定的沿空留巷充填體的寬度為1.6 m，所采用的高水材料水灰質(zhì)量比為1.5∶1；

2）采用爆破方式對(duì)工作面頂板進(jìn)行切頂卸壓，采用炸藥為需用乳化炸藥，封孔長度為4 m，鉆孔間距為600 mm。