厚夾矸煤層分采分運(yùn)矸石充填采空區(qū)技術(shù)研究

宋桂軍

（神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省神木縣，719300）

1 引言

煤矸分采分運(yùn)是指在采煤工作面遇到如煤層厚夾矸、薄煤帶、斷層等嚴(yán)重影響原煤質(zhì)量的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，采取的一種保證煤炭質(zhì)量的技術(shù)措施。對(duì)于長(zhǎng)壁后退式全部垮落法采煤工作面，當(dāng)出現(xiàn)較大的地質(zhì)構(gòu)造而工作面又難以停產(chǎn)改造時(shí)，為保證煤質(zhì)，一般可采取的措施有老塘翻矸、刮板輸送機(jī)揀矸等，這些措施存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、技術(shù)難度大、分矸效果差、煤質(zhì)管理困難、效率低、成本高等問題。對(duì)于神東礦區(qū)厚夾矸加長(zhǎng)工作面而言，要保證煤矸分采分運(yùn)、高效回填采空區(qū)的效果，同時(shí)不影響高產(chǎn)高效工作面的生產(chǎn)效率。為了解決以上問題，特開展厚夾矸煤層分采分運(yùn)矸石充填采空區(qū)開采技術(shù)研究工作，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作面同時(shí)使用3種開采方式，為煤矸分采分運(yùn)開創(chuàng)一條新的技術(shù)途徑，這不但對(duì)神東公司一些礦井解決即將面臨的開采難題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)神東礦區(qū)乃至全國(guó)類似條件的礦井都具有很好的指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件

2.1 煤層頂?shù)装寮皧A矸情況

布爾臺(tái)煤礦厚夾矸分采分運(yùn)回填采空區(qū)試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槎P區(qū)22203～22215工作面，主采2-2煤層，中間有一層夾矸。夾矸最小厚度為0.2m，最大厚度為7.2m，絕大部分夾矸厚度在2 m 以內(nèi)。2-2上煤層平均厚度為2.2 m，夾矸平均厚度為1.1 m；2-2下煤層平均厚度為1.2m?，F(xiàn)選取22203綜采工作面開展研究工作，其煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 布爾臺(tái)煤礦22203綜采工作面煤層頂、底板特征

2.2 其他地質(zhì)因素

（1）瓦斯

2-2煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為2.52 m3／min，相對(duì)瓦斯涌出量為0.27m3／t。瓦斯分帶為二氧化碳～氮?dú)鈳Ъ暗獨(dú)狻託鈳?，屬瓦斯風(fēng)化帶。

（2）煤塵

煤塵爆炸性指數(shù)為30%～35%，具有爆炸危險(xiǎn)性。

（3）煤的自燃

2-2煤層為易自燃煤層，自燃發(fā)火期為30～90d。

（4）地溫

區(qū)域地溫梯度一般小于3℃／100m，無地溫異常，屬地溫正常區(qū)，對(duì)礦井無地?zé)嵛：Α?/p>

2.3 試驗(yàn)區(qū)域夾矸物理力學(xué)特性

由夾矸抗拉試驗(yàn)可知，夾矸的抗拉強(qiáng)度為1.70 MPa，屬于抗拉強(qiáng)度較低的巖石，即夾矸受拉狀態(tài)下非常容易發(fā)生破壞。

由夾矸單軸抗壓試驗(yàn)可知，夾矸的抗壓強(qiáng)度為24.58 MPa。夾矸的堅(jiān)固性系數(shù) （普氏系數(shù)）f=2.458，根據(jù)巖石堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)表可知，夾矸屬于Va～VI級(jí)，屬于軟弱～半堅(jiān)硬巖石。22203綜采工作面配備的采煤機(jī)型號(hào)為JOY SL900A，可切割堅(jiān)固性系數(shù)f 在4以下的煤層，試驗(yàn)區(qū)域夾矸物理力學(xué)特征完全可以滿足煤矸分采分運(yùn)的要求。

3 煤矸分采分運(yùn)工作面充填開采方案設(shè)計(jì)及設(shè)備布置

3.1 工作面充填開采方案設(shè)計(jì)

煤矸分采分運(yùn)工作面充填開采方案分為局部充填和全部充填。根據(jù)布爾臺(tái)煤礦的地質(zhì)條件，同時(shí)結(jié)合設(shè)備選型、礦壓顯現(xiàn)、投入成本等多方面因素綜合考慮，最終確定采用局部充填開采方案。

3.2 工作面充填段與非充填段長(zhǎng)度確定

因22203綜采工作面布置兩種液壓支架，所以需要確定不同架型在同一工作面的數(shù)量，并進(jìn)行科學(xué)合理的工作面三機(jī)配套?；诿簩訆A矸厚度變化情況及采煤工藝的特點(diǎn)，確定工作面不同架型的數(shù)量。

矸石破碎后會(huì)出現(xiàn)膨脹，較硬的巖石破碎后碎脹系數(shù)較大。研究區(qū)域夾矸屬于軟弱～半堅(jiān)硬巖石，碎脹系數(shù)選擇較大值，即Kρ=1.5。巖石的碎脹系數(shù)對(duì)礦壓控制，尤其對(duì)采煤工作面的頂板管理有非常重要的意義。為此，需要將夾矸破碎后的體積與充填空間做一個(gè)測(cè)算。

煤矸分采分運(yùn)回填工作面示意如圖1所示。已知22203綜采工作面長(zhǎng)度為240m，上、下分層煤層總平均厚度為3.4m，充填刮板輸送機(jī)下平面距離支架后頂梁的高度為800mm。設(shè)夾矸的厚度為X，滿足充填要求空間的設(shè)備長(zhǎng)度為C，矸石破碎后的碎脹系數(shù)為1.5。

當(dāng)工作面采用分采分運(yùn)開采時(shí)，煤層及夾矸的總厚度為 （3.4+X）m，后部可充填的高度為（3.4+X）-0.8= （2.6+X）m。由以上設(shè)定可知，充填工作面長(zhǎng)度C 為

夾矸與充填長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖1 煤矸分采分運(yùn)回填工作面示意圖

圖2 夾矸-充填長(zhǎng)度關(guān)系曲線

表2 工作面主要三機(jī)設(shè)備

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)夾矸厚度為1.1m 時(shí)，充填工作面長(zhǎng)度為95m?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益的最大化及對(duì)該模型分析的保守性，確定充填刮板輸送機(jī)的長(zhǎng)度為110m。另外，矸石充填刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需布置在煤層底板上，因刮板輸送機(jī)需要一定的爬坡段且無法進(jìn)行矸石回填，該長(zhǎng)度約為5～10 m。最終確定充填段長(zhǎng)度為115 m，非充填段為125m。

3.3 工作面設(shè)備布置

根據(jù)目前的設(shè)備條件及工作面的礦壓情況及空間特點(diǎn)等，對(duì)回填工作面主要三機(jī)設(shè)備進(jìn)行布置，布置方案見表2。

4 煤矸分采分運(yùn)采煤方法及工作面生產(chǎn)能力的確定

4.1 煤矸分采分運(yùn)采煤方法

4.1.1 不同夾矸厚度條件下的開采方式

為適應(yīng)不同夾矸厚度條件下的開采方式，確定采用3種開采方式，即一次性采全高、分采分運(yùn)回填矸石、降低采高開采。具體開采方式示意如圖3所示。

（1）當(dāng)夾矸厚度小于0.5 m 時(shí)，采用一次采全高的開采方式。

（2）當(dāng)夾矸厚度在0.5～2.0m 之間時(shí)，采用分采分運(yùn)的開采方式。

（3）當(dāng)夾矸厚度大于2.0 m 時(shí)，采用降低采高，只采較厚的2-2煤層的開采方式。

圖3 不同夾矸厚度條件下回采方式示意圖

4.1.2 采煤機(jī)進(jìn)刀方式

夾矸工作面采煤機(jī)進(jìn)刀采用對(duì)上煤層端部斜切進(jìn)刀割三角煤的方式，對(duì)工作面進(jìn)行分三層切割開采，開采的順序?yàn)樽陨舷蛳乱来伍_采。當(dāng)一個(gè)步距采完，下一個(gè)步距從上分層端頭斜切進(jìn)刀，如圖4所示。

匹多莫德作為免疫調(diào)節(jié)劑在過敏性紫癜患兒中使用頻率較高，王晉妮等[11]在小兒過敏性紫癜60例患兒治療中提到，匹多莫德治療小兒過敏性紫癜的有效率達(dá)82.34%，患兒免疫功能明顯改善，本文研究結(jié)果中，應(yīng)用匹多莫德聯(lián)合葛根素聯(lián)合治療小兒過敏性紫癜，其有效率為87.50%結(jié)果一致，相互印證。

4.1.3 液壓支架的移架方式

工作面采用回填式液壓支架進(jìn)行支護(hù)，采煤機(jī)截割2-2煤層時(shí)，液壓支架滯后采煤機(jī)前滾筒3～5架的距離，依次跟機(jī)拉架。當(dāng)2-2煤層完全截割后，采煤機(jī)截割?yuàn)A矸和2-2下煤層時(shí)，采煤機(jī)位于支架頂梁下方截割。采煤機(jī)截割2-2下煤層時(shí)，滯后采煤機(jī)一定距離及時(shí)推溜。

4.2 工作面生產(chǎn)能力的確定

工作面分采分運(yùn)時(shí)由于煤層較薄，采煤機(jī)截割速度比一次采全高有一定提高。采煤機(jī)割2-2上煤層速度為12m／min，截割2-2下煤層為15m／min，截割矸石的速度為4 m／min。采煤機(jī)開機(jī)率為70%，一天工作時(shí)間為14h。分采分運(yùn)工作面推進(jìn)一個(gè)步距需要的時(shí)間為： （180+2×30）／12+（180+2×30）／4+ （180+2×30）／15=96 min?？紤]一定的富余系數(shù)，推進(jìn)一個(gè)步距的時(shí)間約為2 h，一天可推進(jìn)7刀，則日產(chǎn)量為7×0.865×3.4×240×1.4=6917t，最高年產(chǎn)量為6917×330=2.28×106t。

圖4 夾矸工作面采煤機(jī)進(jìn)刀方式示意圖

5 煤矸分采分運(yùn)工作面巖層移動(dòng)特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

5.1 數(shù)值模擬模型的建立

為了研究神東布爾臺(tái)煤礦煤矸分采分運(yùn)工作面巖層移動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)特征，利用UDEC二維數(shù)值模擬軟件，根據(jù)開采區(qū)域的鉆孔資料，建立3種數(shù)值模擬模型，即垂直工作面方向建立充填區(qū)域的數(shù)值模型，垂直工作面方向建立未充填區(qū)域的數(shù)值模型，平行工作面方向建立數(shù)值模型。

5.2 煤矸分采分運(yùn)充填工作面礦壓強(qiáng)度分析

利用UDEC對(duì)工作面推進(jìn)方向充填與非充填區(qū)域推進(jìn)至30、80 （60）、150、300 m 時(shí)，以及工作面傾向方向推進(jìn)150 m 時(shí)的巖層移動(dòng)，進(jìn)行數(shù)值模擬。布爾臺(tái)煤礦各巖層力學(xué)參數(shù)見表3。

（1）工作面向充填與非充填區(qū)域推進(jìn)至30、80 （60）、150m 時(shí)，沿工作面垂直方向巖層移動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5a～圖5c可以得出，充填區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)，基本頂主要以彎曲下沉為主，局部產(chǎn)生裂隙，工作面所需支護(hù)強(qiáng)度為1.22 MPa。工作面支承壓力峰值超前13m，影響范圍35m，最大20 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)1.6。覆巖移動(dòng)的水平位移較小，最大112mm。相對(duì)傳統(tǒng)采煤方法而言，充填采煤巖層移動(dòng)緩慢，沒有出現(xiàn)初次來壓與周期來壓顯現(xiàn)，有效控制了上覆巖層的移動(dòng)破壞與工作面礦壓顯現(xiàn)。

表3 布爾臺(tái)煤礦力學(xué)參數(shù)

由圖5d～圖5f可以得出，非充填區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)，直接頂首先出現(xiàn)垮落，推進(jìn)到60m，基本頂垮落。工作面前方的支承壓力超前13 m，峰值14 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，分布范圍為30m。覆巖移動(dòng)的水平位移較大，最大1710mm，工作面支護(hù)強(qiáng)度為1.4MPa。與充填采煤相比，礦壓顯現(xiàn)較劇烈。

（2）工作面推進(jìn)至150 m 時(shí)，由沿工作面方向巖層移動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果可知，上覆巖層沿工作面移動(dòng)劇烈，并且不均衡，充填區(qū)域位移較小，未充填區(qū)域垮落下沉較大。在充填區(qū)域和未充填區(qū)域之間，有巖塊形成的鉸接結(jié)構(gòu)。

在煤層頂板設(shè)置測(cè)線，得到工作面支護(hù)強(qiáng)度曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，充填段所需支護(hù)強(qiáng)度峰值為1.2MPa，過渡段支護(hù)強(qiáng)度最大為1.5 MPa，非充填段支護(hù)強(qiáng)度為1.4 MPa。

5.3 煤矸分采分運(yùn)工作面巖層移動(dòng)特征及礦壓顯現(xiàn)結(jié)果分析

從以上模擬分析可知，隨著工作面的推進(jìn)，煤矸分采分運(yùn)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度不均衡，充填段礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較小，其超前支承壓力影響區(qū)域平均為20m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，充填液壓支架平均支護(hù)強(qiáng)度為1.2MPa，頂板以彎曲下沉為主，基本未出現(xiàn)明顯的初次來壓與周期來壓顯現(xiàn)現(xiàn)象；非充填段礦壓顯現(xiàn)較大，其超前支承壓力影響區(qū)域平均為35m，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，非充填段液壓支架平均支護(hù)強(qiáng)度為1.4 MPa，初次來壓步距為60 m，平均周期來壓步距為12m。

圖5 沿工作面重點(diǎn)方向巖層移動(dòng)數(shù)值模擬

圖6 工作面支護(hù)強(qiáng)度曲線

6 結(jié)論

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，煤炭用戶對(duì)煤炭質(zhì)量的要求越來越高，煤質(zhì)成了直接關(guān)系煤炭企業(yè)生存與發(fā)展的關(guān)鍵因素。厚夾矸煤層分采分運(yùn)矸石回填采空區(qū)開采技術(shù)，既可以有效提高煤質(zhì)，又可以控制地表沉陷，同時(shí)減少矸石的洗選、運(yùn)輸及外排費(fèi)用，減輕矸石對(duì)地表環(huán)境的影響，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

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