晉華宮礦小煤柱短壁機械化采煤技術(shù)探討

羅浩華

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

晉華宮礦12 號煤層在回采小煤柱期間，在采動壓力的作用下，回風(fēng)順槽側(cè)小煤柱幫出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象[1-4]，隨著工作面的不斷推進，作用在小煤柱側(cè)的壓力逐漸增大，在回采到距工作面80 m時，小煤柱與頂板之間的三角煤柱出現(xiàn)局部垮落，煤柱的支撐保護作用降低，頂板出現(xiàn)下沉，下沉量達(dá)到0.35 m，且在采空區(qū)有瓦斯涌出。 另外，在采動壓力作用下，小煤柱的維護難度也增加，小煤柱受壓破壞后支撐作用降低，很容易出現(xiàn)與采空區(qū)貫通現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅井下安全生產(chǎn)。

1 煤層概況

晉華宮礦目前開采的12 號煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角為5°，煤質(zhì)是低灰、低磷，變質(zhì)程度由上到下逐漸加深。 煤層的直接頂是厚度為2.9 m的深灰色泥巖，上層是厚度為8.9 m 的深灰色粉砂巖，基本頂是厚度為10.0 m 的中粒砂巖，直接底是厚度為1.2 m 的粉砂巖，底板是厚度為9.7 m的中粒砂巖。 在回采過程中，受回采壓力和采空區(qū)壓力影響，煤柱會出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，垮落后的破碎巖石穩(wěn)定，但強度較低，煤柱總煤量約0.27 Mt。

2 短壁采煤技術(shù)

12 號煤層在開采中存在諸多問題： 一是留設(shè)煤柱過多，有巷道保護煤柱、支巷隔離煤柱、采區(qū)隔離煤柱、各相鄰采硐間煤皮。 二是煤炭的回采率較低，一般為45%～55%。 三是頂板易垮落難控制，在初采期間，頂板出現(xiàn)大面積懸頂，工作面壓力急劇增加，造成頂板大規(guī)模垮落，給生產(chǎn)帶來較大安全威脅。四是運輸距離長、效率低、產(chǎn)量低。在運輸巷中布置膠帶輸送機，通過鎖車進行支巷間運輸，平均運輸距離大于70 m。 五是設(shè)備利用率低，受運輸能力的限制，連采機不能完全發(fā)揮其生產(chǎn)能力，加上煤柱留設(shè)較多，在開采過程中頂板不能隨采隨冒，如果頂板長期不垮，行走支架的支撐幾乎是無效的，當(dāng)頂板出現(xiàn)大面積來壓垮落時，單靠行走支架的支撐又是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 因此，行走支架沒有真正起到維護控制頂板垮落的作用。

鑒于存在上述諸多問題，采用短壁機械化采煤技術(shù)，集成現(xiàn)有開采技術(shù)和先進開采設(shè)備,降低頂板管理與維護的難度，提高煤炭采出率。

2.1 設(shè)備配置

根據(jù)12號煤層工作面地質(zhì)狀況，工作面采、落、裝、運、支生產(chǎn)工序選用連續(xù)采煤機成套短壁機械化開采裝備，具體設(shè)備配備情況如表1所示。

表1 短壁開采設(shè)備配備

2.2 回采工藝

針對12 號煤層小煤柱和三角煤柱賦存區(qū)域，在回采時擬采用短壁機械化采煤方法[5-6]，使用采煤機割煤，梭車運煤，液壓支架支護頂板，對小煤柱和三角煤進行回收，特點是機械化程度較高，適用性較強。

掘進完成后，將1#和2#兩臺液壓支架布置在巷道的迎頭處，采煤機從迎頭按照先左后右的方式開始進刀。對小煤柱回采時，采用雙翼進刀方式進行回采[7-8]，每刀回采的最大長度為11 m，采硐的寬度為3.3 m，高度是隨煤層高度的變化而變化。 采硐與巷道呈45°夾角，相鄰兩個采硐之間有11 m 的隔離煤墻，巷道口有6 m 的保護煤柱，用梭車進行運煤作業(yè)，具體的回采順序和設(shè)備布置如圖1 所示。

圖1 回采順序與設(shè)備布置

回采工藝如下：在巷道迎頭布置液壓支架，其中，在采硐前300 mm 處安裝1#液壓支架，在與1#采硐口平齊處安裝2#液壓支架。 采煤機以45°的傾斜角度進刀，在回采1#采硐時，按照每刀11 m的進刀深度進刀。 左幫的第1 個采硐回采完后，將采煤機退出，移動1#液壓支架至距離3#采硐口300 mm 處，對三角煤柱區(qū)的頂板進行支護。 1#液壓支架支撐好后，移動2#液壓支架至距離2#采硐300 mm 處，并對頂板進行支護。 采煤機在距離2#液壓支架300 mm 處開始進刀，對第2 個采硐進行回采。 在2#采硐回采完后，將采煤機退出，移動2#液壓支架至距離4#采硐500 mm 處，并對頂板進行支護。采煤機在距離1#液壓支架300 mm 處，以45°的傾斜角度進刀，開始回采3#采硐，每刀的進刀深度為11 m，以此類推，直到將所有的采硐回采完為止。

2.3 支護技術(shù)

采用“注漿+ 加長錨桿+L 型鋼棚”的聯(lián)合支護方式，具體工藝如下：首先采用注漿支護技術(shù)對小煤柱進行支護，注漿液是通過將馬麗散和催化劑混合后得到的，漿液比按照1:1[9-11]；注射漿液時，采用高壓注漿泵進行注射；共施工兩排注漿孔，每排注漿孔的間排距為3 000 mm×2 000 mm，第一排注漿孔與頂板之間的距離為500 mm，注漿孔的孔徑為42 mm，孔深為4 000 mm。 兩排注漿孔施工完畢后，埋設(shè)注漿管并在管口處安裝封口器；采用高壓膠管將注射槍和注漿泵連接。 注漿時，如果發(fā)現(xiàn)注漿管外部有漿液滲出，及時停止注漿并進行封孔作業(yè)。 注漿完成后，采用加長錨桿進行支護，加長錨桿的長度為3 500 mm，直徑為22 mm，間距為2 000 mm，排距為1 000 mm，采用MSK23/35 和MSKC23/80 兩種錨固劑對錨桿進行錨固，用W型鋼帶將錨桿和煤柱進行預(yù)緊。同時，為了充分發(fā)揮錨桿的支撐保護作用，在兩根固定錨桿之間安裝圓鋼托架。 加長錨桿施工完后，在靠近小煤柱一側(cè)布置一排L型鋼棚，目的是防止三角煤柱出現(xiàn)垮落或煤壁片幫現(xiàn)象。L型鋼棚主要包括頂梁、 棚腿和底座，用支撐架固定頂梁和棚腿；其中，頂梁的長度為1 500 mm，棚腿的長度為3 500 mm，每個鋼棚之間的距離為2 000 mm，用錨桿將頂梁和頂板、棚腿和煤柱分別固定，用地錨將底座固定。 在布置完鋼棚后，在棚腿和煤柱之間用長2 500 mm、 寬300 mm 的水泥背板填塞縫隙。 小煤柱聯(lián)合支護情況如圖2 所示。

圖2 小煤柱聯(lián)合支護（mm）

3 應(yīng)用效果

針對晉華宮礦12 號煤層小煤柱回收回采，采用十字測點法來觀測巷道的圍巖變形情況，并驗證巷道的加固效果。 通過對多組巷道變形監(jiān)測情況的分析，得到巷道圍巖兩幫及巷道頂板的變形情況分別如圖3、圖4 所示。

圖3 巷道圍巖兩幫變形量

圖4 巷道頂板變形量

從圖3、圖4 中可以看出，采用“注漿+ 加長錨桿+L 型鋼棚”的聯(lián)合支護方式后，在距離工作面80 m 時，巷道兩幫的變形量幾乎為0；隨著工作面不斷推進，在距離工作面3 m 時，巷道兩幫變形量達(dá)到最大，最大為378 mm；在距離工作面85 m時，巷道頂板的變形量幾乎為0，隨著工作面的不斷推進，在距離工作面3 m 時，巷道頂板變形量達(dá)到最大，最大為512 mm，巷道圍巖控制總體效果較好。

12 號煤層自回采以來，共回采原煤0.196Mt，按照原煤售價400 元/t 計算，則實現(xiàn)直接經(jīng)濟收入7 840 萬元，工作面噸煤生產(chǎn)成本約130 元，可實現(xiàn)利潤約5 292 萬元。

4 結(jié)語

針對晉華宮礦12 號煤層小煤柱回收回采，擬定采用短壁機械化采煤法。 通過重點分析、探討了短壁采煤技術(shù)特點，應(yīng)用“注漿+ 加長錨桿+L 型鋼棚”的聯(lián)合支護方式進行支護；運用注漿技術(shù)，提高了破碎煤體膠結(jié)的穩(wěn)定性；運用加長錨桿支護，提高了錨固質(zhì)量；運用L 型鋼棚，加強了小煤柱對頂板支撐作用。 現(xiàn)場使用經(jīng)礦壓觀測表明，隨著工作面不斷推進，在距離工作面3 m 時，巷道兩幫和頂板的變形量達(dá)到最大，分別為378 mm 和512 mm，巷道圍巖控制總體效果較好，為煤柱回收提供切實可行的支護技術(shù)途徑。