近距離三軟煤層(17#煤層)開采關(guān)鍵技術(shù)研究

創(chuàng)造單位：貴州盤江精煤股份有限公司火燒鋪礦

主創(chuàng)人：吳學武

創(chuàng)造人：周金戀 孫昌輝 易明軍

一、公司簡介

火燒鋪煤礦位于貴州省盤州市火鋪鎮(zhèn)境內(nèi)，始建于1966年，1971年正式投產(chǎn)，為平硐、斜井聯(lián)合開拓，煤礦井田面積26.47km2，已探明煤炭儲量50781.36萬噸，可動用煤炭儲量7330.04萬噸，現(xiàn)年生產(chǎn)能力達到285萬噸，是貴州盤江精煤股份有限公司主產(chǎn)煤礦之一。

近年來，隨著開采深度的不斷增加，地質(zhì)復雜、斷層多等問題給煤礦安全高效生產(chǎn)帶來了極大挑戰(zhàn)。對此，火燒鋪煤礦堅持創(chuàng)新發(fā)展，堅定不移走機械化、自動化、信息化、智能化的高質(zhì)量發(fā)展道路，通過引進智能設(shè)備、優(yōu)化系統(tǒng)，加快推進生產(chǎn)模式由原來的“傻、大、黑”向“高、新、尖”轉(zhuǎn)變。

2022年，煤礦成功引進應用了大功率采煤機、重型掘進機、大功率鉆機、單軌吊、巷修機、清倉機、永磁電動滾筒、泥煤深度分選等一系列新技術(shù)、新裝備、新工藝，大大提高了生產(chǎn)效率和安全保障能力。2022年全年生產(chǎn)原煤230.96萬噸，同比增長10%，有力支持了地方經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。

二、實施背景

一直以來，三軟煤層（軟的頂板巖層、軟的主采煤層和軟的煤層底板巖層）開采都是制約煤礦安全生產(chǎn)、高質(zhì)量發(fā)展的重大難題。目前，火燒鋪礦主采的17#煤層就是典型的三軟煤層，具有煤層松軟破碎，結(jié)構(gòu)復雜，夾矸及煤層厚度變化大、煤層傾角大的特點，且還屬于突出煤層。

17#煤層儲量豐富，現(xiàn)有地質(zhì)儲量為4644萬噸，占全礦井現(xiàn)有地質(zhì)儲量（41732.75萬噸）的11.1%。同時，17#煤層的煤質(zhì)好，采出的原煤內(nèi)在灰份15%～19%，揮發(fā)份為28%，含硫量低（0.28%），高位發(fā)熱量為20.3MJ/kg，低位發(fā)熱量為25.2MJ/kg，只需將灰份降低，就能達到用戶要求。

然而，正是由于三軟煤層特性，使得火燒鋪礦17#煤層開采進展受到了嚴重影響?；馃伒V17#煤層13174工作面采用的是ZY3800/15/33型支架，回采過程中容易出現(xiàn)支架壓架、咬架、支架移架困難等情況，導致工作面月平均推進度僅40m左右，不僅嚴重降低了工作面的回采速度，還存在巨大的安全隱患。

特別是在17#煤層回采巷道掘進過程中，由于要采用手鎬掘進，導致工人勞動量大增，掘進速度緩慢。同時，回采巷道在服務(wù)年限內(nèi)圍巖變形量大，在掘進期間平均臥底1-2次，回采期間需要臥底2-3次，這不僅增加了巷道維修工程量和費用，也影響了綜采工作面的正常高效回采。

基于上述情況，火燒鋪礦抽調(diào)技術(shù)骨干組成研究團隊，對17#煤層開采關(guān)鍵工藝技術(shù)進行攻關(guān)，以徹底解決這些制約煤礦安全、高效開采的一系列難題。

三、主要工藝技術(shù)研究

（一）綜采工作面井巷施工工藝及支護技術(shù)研究

為了減小圍巖變形量，提高工作面回采效率，研究團隊對231704工作面巷道表面收斂、深部位移、支架滑移量以及支架壓力等進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析掌握原支護條件下巷道圍巖活動規(guī)律及變形過程。（如圖1所示）

圖1 231704風巷掘進工作面頂板壓力監(jiān)測

圖2 231704風巷金屬支架卡纜擰緊力矩對巷道圍巖變形影響現(xiàn)場

圖3 231704風巷采用U29可縮性支架+噴注漿聯(lián)合支護

圖4 231704風巷綜掘施工現(xiàn)場

巷道圍巖活動規(guī)律分別是：巷道頂?shù)鬃兓俣扰c支架搭接長度變化速度有較為相似的變化規(guī)律；初期變形大，來壓快，巷道整體收斂變形，呈顯著大變形特征；巷道的變形具有較強的時效性。

巷道變形主要經(jīng)歷初期高速變形、減速變形與常速變形三個階段，隨著時間的延長勢必導致巷道失穩(wěn)，圍巖變形移動范圍大。231704回采巷道圍巖在距巷道壁4m深部基點處，位移仍較大，且兩幫的圍巖穩(wěn)定不動基點在大于4m的更深部。

另外，U型棚支護屬于被動支護。在支護初期，U型棚與圍巖間存在大量不均勻空隙，支架沒有提供足夠的強度和剛度控制圍巖松動圈的發(fā)展，支護體無法形成結(jié)構(gòu)。這也是231704工作面巷道在原有支護下巷道圍巖破壞的原因。

17#煤層圍巖松動圈發(fā)育范圍較廣，碎脹變形力較大，給支護帶來較大的困難。扭矩扳手檢測發(fā)現(xiàn)搭接處滑移量較大的支架其卡纜螺栓的擰緊力矩普遍較小，支架搭接處預緊力矩不夠。（如圖2所示）

對此，火燒鋪礦研究團隊在原有支護結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了“U29型鋼支架+噴注漿”聯(lián)合支護設(shè)計方案。該方案充分考慮了U型棚與圍巖間存在的大量空隙，在鋪設(shè)的金屬網(wǎng)上每隔一定間排距打設(shè)一組錨桿和注漿錨索（或注漿管），并對圍巖進行噴注漿，使U型棚與圍巖形成一個支護整體，對圍巖進行主動及被動支護。通過在231704回風巷、231704運輸巷進行工業(yè)性試驗，該方案支護效果提升明顯，在巷道掘進后的16天中仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，至觀測結(jié)束，巷道兩幫累計移近量為136mm，頂?shù)滓平繛?06mm。（如圖3所示）

巷道掘進速度緩慢的主要原因是掘進與支護的不平衡，為了減少這種沖突，每個快速開挖項目在屋頂條件允許時，研究團隊通過增加空頂?shù)木嚯x，使開挖和支撐的工作空間不互相干擾，真正實現(xiàn)了并行操作。

同時，研究團隊針對掘進任務(wù)“破、落、裝、運”四個環(huán)節(jié)，綜合現(xiàn)場情況和掘進效率，設(shè)計了新的回采巷道綜掘工藝流程：掘錨機沿著中邊線破巖后，采用錨桿鉆機及時對巷道頂板和兩幫進行支護，所破下的巖石經(jīng)刮板輸送機-連運車-裝載膠帶機及各個環(huán)節(jié)的膠帶運輸機運送至大巷，最后運輸至地面。

該項工藝流程，充分考慮到掘支平衡和掘進工藝優(yōu)化，并利用層次分析法對傳統(tǒng)掘進工藝和新設(shè)計的綜掘方案進行了比較。

經(jīng)過對比，新設(shè)計的綜掘方案優(yōu)于傳統(tǒng)方案。231704工作面實施綜掘快速掘進工藝后，月平均進尺達到了126.7m，較之前月均進尺75m左右有了較大提高，達到了預期要求。（如圖4所示）

（二）綜采工作面“三機”配套及安全高效回采工藝研究

綜采工作面主要裝備是采煤機、刮板輸送機和放頂煤液壓支架，俗稱“三機”?！叭龣C”配套的合理性決定著回采的成敗和生產(chǎn)效益的好壞。研究團隊通過對21170工作面液壓支架進行適應性及力學分析，發(fā)現(xiàn)存在支架初撐力、工作阻力偏小，工作面支架偏載現(xiàn)象嚴重、穩(wěn)定性差，且支架移架時間長等問題，這直接導致工作面正常推進度僅有40m左右。

以問題為導向，研究團隊進一步研究了支架-圍巖關(guān)系，建立起數(shù)學模型，對支護阻力、支護角度以及端面距對頂板的控制效果進行深入分析和計算。

經(jīng)過科學理論分析和計算，研究團隊確定了17#煤層“三機”型號：工作面液壓支架型號為ZY6000/15/33、采煤機型號為MG-320/710-WD，配備SGZ-764/2×315型刮板輸送機。同時，確定了工作面長度為120m，設(shè)計了單向采煤，上行割煤，下行清理浮煤采煤工藝，進刀方式采用留三角煤端部斜切進刀，在采煤機下行清浮煤時跟機推溜，并提出提高工作面開機率的方法，以及優(yōu)化工作面回采工藝。

圖5 21170綜采工作面液壓支柱支撐阻力監(jiān)測設(shè)備

通過現(xiàn)場支架阻力的監(jiān)測，對ZY6000/15/33型液壓支架在21170工作面的使用情況進行綜合評判：初撐力達到要求；整面支架的末阻力在各個區(qū)間呈正態(tài)分布，支架末阻力分布合理；支架額定工作阻力有一定的富余量，能夠確保工作面頂板安全；支架穩(wěn)定性好，較大的節(jié)省了支架的移架時間。最終，工作面實現(xiàn)日推進度3.2m，月推進度達80～90m，月產(chǎn)量達7萬噸左右，產(chǎn)量、推進度均達到目標要求。（如圖5所示）

研究團隊還研發(fā)了合理控制工作面采高、提高工作阻力等相應的防止煤壁片幫技術(shù)，進一步提升了掘進能效。

（三）工作面及兩巷圍巖控制技術(shù)研究

隨著工作面向前推移，一系列嚴重影響安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率的問題日益凸顯，給工作面的支護和采煤機、刮板輸送機、液壓支架的使用造成了極大困難。問題主要集中在兩個方面：

一方面，暴露出來的頂板極易冒落，在構(gòu)造應力作用下發(fā)生流變；另一方面，底板軟且大部分含有膨脹性粘土礦物，在受礦井水的影響下發(fā)生底鼓，而且煤壁易片幫、冒頂嚴重。

對此，研究團隊通過建立UDEC數(shù)值計算模型，對21170工作面連續(xù)推進6m、24m、36m、48m、60m、72m時的垂直應力場、水平應力場及垂直位移場分布特征進行了分析；研究了21170工作面上覆巖層垮落特征，得到了頂板初次跨落步距為36m左右、周期跨落步距為10m左右的一手數(shù)據(jù)；采用YHY60型礦用本安型數(shù)字壓力計，配合1臺FCH32/0.2礦用數(shù)據(jù)采集器，對21170工作面上、中、下三部分的支架壓力進行了實施監(jiān)測，得到工作面周平均周期來壓步距為10.42m、影響的范圍為1.53m、平均動態(tài)動載系數(shù)為1.36的精確數(shù)據(jù)。

同時，通過對21170工作面兩巷的表面收斂數(shù)據(jù)進行實時觀測分析，得到兩巷變形與工作面超前支承壓力分布特征：頂?shù)装遄冃我缘坠臑橹?；由于煤柱?cè)為采空區(qū)，兩幫變形以實體煤幫為主；距工作面110m左右處超前支承壓力有顯現(xiàn)特征，在90～110m范圍內(nèi)，變化相對較為平緩；40～90m范圍內(nèi)，巷道受超前支承壓力影響明顯；40m以內(nèi)，巷道受采動影響劇烈，頂?shù)装寮皟蓭妥冃蝿×以黾印?/p>

基于上述的科學監(jiān)測與分析，研究團隊對21170工作面超前支護距離進行了調(diào)整：回風巷距工作面10～25m范圍內(nèi)采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱雙排進行加強支護；距工作面25～42m范圍內(nèi)采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱單排進行加強支護。運輸巷超距工作面10～25m范圍內(nèi)采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱雙排進行加強支護；距工作面25～49m范圍內(nèi)采用一梁兩柱，排距500mm，鉸接頂梁配合單體柱單排進行加強支護。

四、主要創(chuàng)新點

該項目研究成果達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，有助于進一步推動我國三軟煤層開采工藝技術(shù)的革新，真正實現(xiàn)三軟煤層巷道掘進、工作面回采的安全、高效、快速掘進。主要創(chuàng)新點如下：

一是形成了一套三軟煤層井巷施工工藝、優(yōu)化了三軟井巷支護方式與支護參數(shù)；

二是形成了一套完整的火鋪（17#）三軟煤層開采工藝；

三是實現(xiàn)了三軟煤層綜采（放頂煤）安全快速掘進，達到工作面高產(chǎn)高效。

五、取得的成效

通過對三軟煤層近距離開采關(guān)鍵技術(shù)研究與應用，火燒鋪礦實現(xiàn)了17#煤層安全高效開采，并降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益顯著提升。

通過在21170綜采工作面應用三機配套及安全高效回采工藝技術(shù)，工作面月平均進尺達80～90m，原煤產(chǎn)量9.79萬噸，產(chǎn)值達11749.18萬元。與應用前相比，原煤產(chǎn)量增加了5.18萬噸，新增產(chǎn)值6220.15萬元。

通過在231704工作面應用回采巷道綜掘工藝流程和實施綜掘快速掘進工藝技術(shù)，工作面月平均進尺達到了126.7m，相比之前每月75m的掘進速度，大大減少了人工勞務(wù)費和燃料動力費。其中，在長850m的231704風巷掘進中，分別節(jié)約人工勞務(wù)費110482元，燃料動力費114114元。

除此之外，通過此次項目研究，火燒鋪礦還進一步鍛煉了技術(shù)人才隊伍，培養(yǎng)了采礦、機電等工程類高工3名、工程師8名，為煤礦實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展夯實了人才基礎(chǔ)。