短壁機械化開采技術的研究及應用

牛志成

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團燕家河煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

引言

短壁機械化開采技術為當前應用于綜采工作面的主要采煤機技術之一，其實施主體為連續(xù)采煤機，具有機械化水平高、適用范圍廣、靈活性高等特點。隨著采煤機技術的發(fā)展，以連續(xù)采煤機為主體的最佳開采工藝為短壁式機械化開采工藝，雖然該工藝已被成功應用于煤礦的生產中[1]，但是，針對該采煤工藝下圍巖控制存在一定的缺陷，在實際生產中存在巷道變形嚴重、頂板垮落特征不明確以及通風方式還有待優(yōu)化等問題。為此，文本將分析短壁機械化采煤工藝對工作面巷道圍巖的影響，為進一步優(yōu)化采煤工藝提供理論指導。

1 工程概況

燕家河煤礦位于山西省，該煤礦南北走向距離為2.5 km，東西走向距離為2.7 km。經(jīng)探測可知，該煤礦可開采的煤炭儲量約為2 億t。該煤礦屬于低瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量小于0.3 m3/t。該煤礦采用一井一面的布置方式，主要設備為連續(xù)采煤機，并配置有高阻力液壓支架，目前工作面已實現(xiàn)了運輸系統(tǒng)、支護錨噴化以及輔助運輸膠輪化的全自動生產，并實現(xiàn)對工作面生產運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測和控制功能[2]。

本文著重對連續(xù)塊段式開采工藝下工作面圍巖控制問題進行研究，故需掌握工作面的頂?shù)装迩闆r。該工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。經(jīng)分析探測結果及實測數(shù)據(jù)可知：12120 工作面的正常涌水量為12.5 m3/h，最大涌水為31 m3/h。目前，為工作面所配置排水系統(tǒng)的最大排水能力為45 m3/h。

2 短壁機械化采煤工藝的研究

目前，連續(xù)塊段式開采工藝包括有房式開采工藝和行走支架護頂式開采工藝。但是，房式開采工藝存在支護設備配套難、回采率低、通風效果差的問題。因此，在房式開采工藝的基礎上提出了行走支架護頂式開采工藝，該開采工藝采用履帶式行走支架對綜采工作面煤層交叉點的位置提供支護，從而可以有效對交叉點位置處煤層進行開采。經(jīng)統(tǒng)計可知：基于行走支架護頂式開采工藝的回采率相對基于房式開采工藝的回采率可提升60%[3]。

表1 12120 工作面頂?shù)装迩闆r

雖然行走支架護頂式開采工藝有效提升了工作面的回采率，但是，基于行走支架護頂式開采工藝開采會存在較多數(shù)量留設煤柱，從而導致綜采工作面頂板支護困難，進而導致頂板存在極大的冒落風險。目前，針對燕家河煤礦的頂?shù)装迩闆r及煤質條件，設計如圖1 所示的行走支架護頂式開采工藝。

圖1 行走支架護頂式開采工藝示意圖

如圖1 所示，12120 工作面采用連續(xù)采煤機采煤與錨桿鉆車支護交替循環(huán)作業(yè)的開采模式。將工作面分成多個塊段（其中，每個塊段的長度約為100 m，寬度約為5.5 m，煤柱寬度為10 m），并為每個塊段配置4 組支架，其中兩組用于對工作面巷道頂板進行支護，另外兩組用于對兩條相鄰巷道的交叉位置進行支護。綜采工作面采用左右各一刀、先左后右的回采順序進行開采。

3 短壁機械化采煤工藝的應用

為保證所設計的行走支架護頂式開采工藝下的參數(shù)能夠確保綜采工作面頂板圍巖控制效果達到最佳，本節(jié)基于FLAC3D 三維建模及仿真手段對不同參數(shù)下采煤工藝對12120 工作面頂板的圍巖控制效果進行仿真分析，以得到最佳的行走支架護頂式采煤工藝參數(shù)。

根據(jù)上頁圖1 中所設計的行走支架護頂式開采工藝示意圖，將每個塊段的寬度值設為5.4 m，回采寬度設為3.3 m，連續(xù)式采煤機的采高位為4.2 m，采煤機進刀角度設置為90°。根據(jù)上述設計建立仿真模型，并對刀間煤柱尺寸、區(qū)段保護煤柱尺寸、聯(lián)巷殘留煤柱寬度、大巷煤柱寬度等參數(shù)對工作面巷道頂板圍巖控制效果進行對比分析，最終得出最佳開采工藝參數(shù)。

3.1 刀間煤柱尺寸參數(shù)的確定

以所搭建的仿真模型為基礎，分別對刀間煤柱尺寸為0.5 m、1 m、1.5 m 以及2 m 時對工作面煤柱的破壞情況進行分析。經(jīng)仿真分析可得：當?shù)堕g煤柱寬度為0.5 m 和1 m 時，工作面煤柱盡管發(fā)生了拉伸剪切復合破壞，但是煤柱仍具備支撐頂板的能力；但是，當?shù)堕g煤柱寬度為1.5 m 和2 m 時，工作面煤柱被嚴重破壞[4]。

因此，結合塊段式采煤工藝的要求及行走支架護頂式開采工藝的特點，將刀間煤柱寬度設定為0.5～1 m 之間為最佳，在此范圍內可保證煤柱的破碎僅為拉伸破壞，不會影響其支護能力。

3.2 區(qū)段保護煤柱尺寸參數(shù)的確定

以所搭建的仿真模型為基礎，分別對區(qū)段保護煤柱尺寸為8 m、10 m、12 m 以及15 m 時煤柱應力集中及塑性區(qū)的分布進行分析。經(jīng)仿真分析可知：

1）當區(qū)段保護煤柱尺寸為8 m 時，煤柱中段存在應力集中狀態(tài)，但此時煤柱上端和下端的變形為彈性變形，即煤柱此時的承載能力已達到極限，屬于極其不安全狀態(tài)；

2）當區(qū)段保護煤柱尺寸為10 m 時，雖然煤柱中段依然處于應力集中狀態(tài)，但未與煤柱中段貫通。即，此時對應煤柱中段的大部分處于彈性變形，具有較強的支護能力；

3）當區(qū)段保護煤柱尺寸為12 m、15 m 時，此時煤柱存在兩段應力集中狀態(tài)，且對應的應力集中系數(shù)明顯減小，對應煤柱彈性變形的區(qū)域面積增加，即此時煤柱擁有更強的支護能力。

3.3 聯(lián)巷殘留煤柱寬度參數(shù)的確定

在實際生產中，聯(lián)巷殘留煤柱為必需的，其主要功能是實現(xiàn)對巷道頂板的臨時支護，為連續(xù)采煤機從采空區(qū)移出提供足夠的空間。在仿真模型的基礎上，分別對聯(lián)巷殘留煤柱寬度為1 m 和1.5 m 時對工作面煤柱的破壞程度及破壞規(guī)律進行分析。

經(jīng)仿真分析可得：聯(lián)巷殘留煤柱的寬度值僅為1 m 時，當綜采工作面完全開采后，煤柱主要變形為拉伸剪切破壞，且破壞程度貫穿于整個煤柱[5]。也就是說，此時工作面煤柱拉伸剪切破壞達到極限，其支護能力非常低。而聯(lián)巷殘留煤柱的寬度為1.5 m 時，煤柱僅有部分位置發(fā)生拉伸剪切破壞，其可為工作面頂板提供塑性支撐效果，即能夠達到對工作面頂板臨時支護的效果。

4 結論

連續(xù)采煤機為綜采工作面常用的采煤機，根據(jù)燕家河煤礦的工作面地質、水文以及頂?shù)装迩闆r，提出將短壁機械化采煤工藝應用其中，并根據(jù)不同采煤工藝參數(shù)對工作面圍巖控制效果確定最佳開采工藝，具體總結如下：

1）將12120 工作面劃分為多個塊段，并對不同塊段配置4 套行走支架進行支護，對應連續(xù)式采煤機的采高位為4.2 m，采煤機進刀角度設置為90°；

2）針對燕家河煤礦的特征，其對應的行走支護護頂式采煤工藝的最佳參數(shù)為，刀間煤柱寬度控制在0.5～1 m 之間、區(qū)段保護煤柱寬度15 m、聯(lián)巷殘留煤柱寬度1.5 m。