連續(xù)塊段式工作面安全開采技術(shù)研究

李成剛

（潞安化工集團(tuán)寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 昔陽 045300）

引言

煤礦眾多開采方法可歸納為長臂式開采和短臂式開采兩個(gè)體系。我國60%的煤炭資源使用長臂式開采，美洲及非洲各產(chǎn)煤國較多使用短臂式開采。上世紀(jì)以來，由于大規(guī)模粗放開采，長臂式開采所導(dǎo)致的煤柱、不規(guī)則煤塊殘留愈為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因使用長臂式開采造成的煤資源浪費(fèi)占開采量的四分之一[1]。而作為短臂式開采體系中最為先進(jìn)的連續(xù)采煤機(jī)塊段式開采工藝，能針對遺留煤柱實(shí)現(xiàn)有效開采，減少煤資源浪費(fèi)，從而提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益。本文將對連續(xù)塊段式工作面安全開采技術(shù)結(jié)合山西省太行山地區(qū)某煤礦應(yīng)用實(shí)際進(jìn)行分析研究。

1 連續(xù)塊段式開采工藝研究

隨著近些年我國各煤礦單位對連續(xù)開采巷道排布、殘留煤柱開采、頂板控制、工作面通風(fēng)系統(tǒng)等不斷深入研究，形成了連續(xù)塊段式開采技術(shù)[2-3]。連續(xù)塊段式開采工藝主流為房柱式開采和旺格維利式開采兩種開采技術(shù)。

1.1 房柱式開采工藝

房柱式采煤是指在開采作業(yè)中，按照一定計(jì)劃留下部分煤柱，這些煤柱形狀不同，暫時(shí)用作支撐頂板，待開采結(jié)束后統(tǒng)一有序回收所有煤柱。在使用房柱式開采時(shí)，一般將至少4 個(gè)煤房編為一組共同掘進(jìn)，各個(gè)煤房中心點(diǎn)相距25 m 左右，單個(gè)煤房寬度約為5 m，按照一定的距離使用聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行聯(lián)通，產(chǎn)生煤柱，形狀通常為矩形。在開采結(jié)束后，統(tǒng)一回收煤柱，回收的方式通常有袋翼式、外進(jìn)式、劈柱式三種，在不同的地質(zhì)環(huán)境、開采條件下，使用不同的回收方式。

房柱式開采設(shè)備成本低，價(jià)格僅為長臂式開采機(jī)械化設(shè)備價(jià)格的25%，且搬運(yùn)設(shè)備較為靈活便捷，同時(shí)具有容易支護(hù)、巷道維護(hù)成本低、開采效率高等優(yōu)勢。但是，房柱式開采采出率較低，即使回收煤柱后，采出率仍不足80%；通風(fēng)情況較差，不便于除塵。

1.2 旺格維利式開采工藝

房柱式開采雖優(yōu)勢眾多，但也存在上述缺陷。針對這些缺陷，澳大利亞在房柱式開采上不斷研究改進(jìn)，最終形成了旺格維利式開采工藝[4]。該技術(shù)適用于間距大、強(qiáng)度大、頂板較穩(wěn)定、瓦斯?jié)舛鹊偷慕咏矫簩?。旺格維利式開采技術(shù)采硐間煤柱寬度，由以前的0.9 m 降低為0.3 m，邊角煤炭資源利用效率達(dá)到70%，在我國多個(gè)礦區(qū)得到成功應(yīng)用，例如神東礦區(qū)，在產(chǎn)煤量、產(chǎn)煤率等多方面突破世界采煤記錄。雖然與房柱式開采工藝相比較為完善，但旺格維利式開采技術(shù)仍存在不足：通風(fēng)較差、不適用于高瓦斯環(huán)境、防火能力薄弱、設(shè)備價(jià)格高、成本高等。

2 連續(xù)塊段式開采技術(shù)研究

以山西省某煤礦為例，該煤礦位于太行山南麓，礦井存在基巖薄、平均埋深?。?40 m 左右）等情況，煤層數(shù)量多且煤層間差異較大。其工作面頂部及其采空區(qū)懸頂覆蓋面均相當(dāng)較大，較易造成大規(guī)模的冒頂事故。首先根據(jù)噸煤費(fèi)用最低原則計(jì)算支巷道長度[見式（1）]：

其中：l 代表支巷道長度，a 代表掘進(jìn)費(fèi)系數(shù)，b 代表運(yùn)輸費(fèi)系數(shù)，c 代表維護(hù)費(fèi)系數(shù)，Δ 代表輔助費(fèi)。根據(jù)上述公式可得支巷道長度計(jì)算公式為式（2）：

根據(jù)該煤礦實(shí)際開采條件，由上述公式計(jì)算可得到支巷道長度為90 m～110 m。

煤房極限跨距公式見式（3）：

其中：[σ]為巖梁許用正應(yīng)力，在該煤礦中為0.675 MPa，h 為頂板巖層厚度，帶入相關(guān)巖性參數(shù)，得到煤房極限跨度為9.46 m。考慮到工藝設(shè)計(jì)情況，一般取5 m左右。

綜合該煤層情況，包括邊角煤賦存條件，通過巷道布設(shè)及其頂板控制等繼續(xù)予以優(yōu)化與改進(jìn)，建立了連續(xù)采煤機(jī)塊段式采礦工藝技術(shù)，開采工作面布局如圖1 所示。

圖1 邊角煤開采

針對開采過程中遺留的煤塊，設(shè)有一個(gè)主運(yùn)送巷、兩個(gè)輔運(yùn)輸巷，在掘進(jìn)作業(yè)過程中使用雙巷挖掘的方式，即連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)，錨桿鉆機(jī)進(jìn)行支護(hù)，來實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)同步作業(yè)、快速掘進(jìn)。在進(jìn)行支巷掘進(jìn)時(shí)，同樣也是這樣。煤房回收時(shí)，一般需要布置四臺行走液壓支架設(shè)備，編為1～4 號。對四臺液壓支架設(shè)備進(jìn)行分組，1、3 號為一組，2、4 號為一組，共兩組。1、3號組的作用是在支巷中進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，2、4 號組的作用則是在對應(yīng)的聯(lián)絡(luò)巷道內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。在對某一煤房回收結(jié)束后，兩組支架設(shè)備交換角色，1、3 號組在聯(lián)絡(luò)巷中進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，2、4 號組在支巷中進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。在煤房開采作業(yè)中，一套支架在連接巷道中只進(jìn)退兩次，隨著工作面的撤回，將前進(jìn)到下一待開采煤房的相應(yīng)支巷。煤柱回收作業(yè)是在旁邊的煤房挖掘到達(dá)之前所設(shè)定的位置后才進(jìn)行的。末端的煤柱分別從左、中、右三個(gè)方向進(jìn)行回收。對于煤房采煤，采煤機(jī)一般使用后向采煤法，采用雙邊斜切進(jìn)給方式進(jìn)行開采。而對于那些孤立在每個(gè)區(qū)段中的小煤柱而言，一般分別進(jìn)行左右切割來完成煤柱的回收。在兩側(cè)位置進(jìn)刀大約深12 m 左右，中間位置進(jìn)刀大約深10 m 左右，在巷道的設(shè)置過程中通常采硐和支巷之間所呈角度為45°進(jìn)刀，采硐結(jié)構(gòu)寬3.5 m，高3.8 m，各刀之間需要留置0.5 m 的小煤柱。如果回采范圍內(nèi)頂板結(jié)構(gòu)整體性較差，需要根據(jù)實(shí)際適當(dāng)減少回采推進(jìn)距離。若是有履帶行走支架的情形下，采掘機(jī)械設(shè)備每收回一刀則履帶行走支架也隨即往前移動位置，對空頂部位實(shí)施高效保護(hù)，支架構(gòu)造中的頂梁構(gòu)造和采掘機(jī)械設(shè)備凸出部分中間一段距離維持在0.5 m以內(nèi)。同時(shí)，行走式液壓支架的移動方式如圖2 所示。

圖2 行走式液壓支架

3 連續(xù)塊段式開采安全性研究

3.1 頂板控制技術(shù)研究

為保障該煤礦連續(xù)塊段式工作面開采安全有序進(jìn)行，在開采分區(qū)段之前，還需進(jìn)行很多的準(zhǔn)備工作。第一步就是要布置好支巷結(jié)構(gòu)，在對每個(gè)支巷完成挖掘后，再從上到下依次進(jìn)行開采，并將支巷兩邊遺漏的煤收集起來，后采煤機(jī)使用斜切刀式進(jìn)行割煤。對于露天直接頂板，將煤柱置于采煤巷道之間，就可以起到良好的臨時(shí)支撐作用。持續(xù)進(jìn)行開采直到相鄰煤房后，由于采空區(qū)不斷的拉伸破壞，保留的煤柱大多會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。在對煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行多次分析后，可以發(fā)現(xiàn)煤柱的穩(wěn)定性與寬度有很大的相關(guān)性。一般而言，煤柱寬度范圍大約為0.5 cm～1 cm。如果超出1 cm，起不到良好的支撐作用，而如果寬度不足0.5 cm 就容易造成相鄰采煤巷道的失穩(wěn)現(xiàn)象，從而給頂板結(jié)構(gòu)帶來很大的隱患。

3.2 開采工作面通風(fēng)系統(tǒng)

在該煤礦實(shí)際連續(xù)塊段式工作面開采初期，通風(fēng)較差帶來極大的安全隱患，威脅人員安全與設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。區(qū)塊開采的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了工作面漏風(fēng)量的多少以及風(fēng)量是否穩(wěn)定，采礦巷道的布局決定了通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通常塊采通風(fēng)具有低風(fēng)速、低負(fù)壓、大配風(fēng)量等特點(diǎn)。為防止工作面風(fēng)量被巷道所耗，提高工作環(huán)境質(zhì)量，經(jīng)過對巷道布置、進(jìn)回風(fēng)方式、工作面通風(fēng)方式進(jìn)行分析之后，在回采區(qū)建設(shè)回風(fēng)通道，使用分支界定法選取通風(fēng)巷道網(wǎng)絡(luò)模型，并結(jié)合工作面具體實(shí)際對連接巷道進(jìn)行合理設(shè)置，降低采空區(qū)頂板坍塌所造成的危險(xiǎn)，保證回風(fēng)通道暢通無阻，便于工作面設(shè)備進(jìn)行操作；另外，工作面通風(fēng)設(shè)備數(shù)量多、漏風(fēng)量大、系統(tǒng)操作不穩(wěn)定、抗災(zāi)能力差，通過使用局部風(fēng)機(jī)來加強(qiáng)工作面送風(fēng)。同時(shí)更換主通風(fēng)機(jī)，使用BD-II 系列、FBCDZ 系列主通風(fēng)機(jī)，根據(jù)該煤礦實(shí)際通風(fēng)情況調(diào)節(jié)葉片角度，并采取一主一備兩套通風(fēng)設(shè)備管理，當(dāng)主通風(fēng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，備用設(shè)備及時(shí)啟用，確保通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保障連續(xù)塊段式工作面開采安全有序。

4 結(jié)語

連續(xù)塊段式工作面開采分為房柱式和旺格維利式兩種工藝。山西省太行山地區(qū)某煤礦在房柱式基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)塊段式工作面開采的改進(jìn)，更適用于長臂式開采殘留的煤柱、不規(guī)則煤塊回收，提高了煤炭開采率與留置煤回收率。同時(shí)，通過完善留置保護(hù)煤柱頂板控制技術(shù)與開采工作面通風(fēng)系統(tǒng)，杜絕開采過程中存在的安全隱患。通過該煤礦實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，連續(xù)塊段式工作面安全開采在薄煤層與傾角較小的煤層更為適用，對充分利用煤炭資源、提高煤礦效益、安全開采具有重要意義。