大采高綜采工作面端部底板煤適宜留采技術(shù)研究

張英杰

（華陽集團(tuán)開元公司，晉中 壽陽 045400）

隨著采煤技術(shù)水平的提高，大采高綜采技術(shù)已成為3.5～6 m厚煤層的主要開采方法，開采高度逐年增加[1-3]。為了方便巷道的施工和維護(hù)，巷道沿煤層頂板布置，同時保留底板煤。工作面端部底板煤分為“C”“S”和復(fù)合型三種類型[4]。巷道下底板煤層厚度和工作面末端底板煤層厚度會隨煤層厚度的增加而增加，因此會造成煤層損失，并對工作面機(jī)械設(shè)備特別是液壓支架的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。減少巷道下底板煤量和保留合適類型的底板煤將有利于機(jī)械設(shè)備的安全高效工作，也有利于底板煤的回收。

1 工作面端部底板煤的適當(dāng)滯留方法和尺寸

開元公司9714綜采工作面巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，因此，工作面末端底板煤的存在并無法避免。在工作面端部保留適量底板煤，將支架從工作面端部轉(zhuǎn)移到采高，保證刮板輸送機(jī)處于合適的狀態(tài)，是安全高效采煤的前提條件。當(dāng)巷道下底板煤層較厚時，如果采用小的工作面傾角，則會使底板煤損失總量過高；如果采用較大的傾角，支架則可能會失去穩(wěn)定性，受到嚴(yán)重擠壓。回風(fēng)巷設(shè)置在上工作面，運(yùn)輸巷道設(shè)置在下工作面，對上、下工作面端部底板煤的留存情況如圖1、圖2所示。

對于“C”型底板煤（見圖1-1），由對應(yīng)的幾何關(guān)系可得：

式中：b為一個支座的支承寬度，m；βc為端面彎曲段支座與底板之間的最小夾角，（°）；hc為“C”型外緣下底板煤的厚度，m；nc為工作面彎曲段支架個數(shù)；α為煤層傾角，（°）；支架的傾斜角γ應(yīng)滿足條件：α+ncβc≤γ[5]。

當(dāng)有nc個支架在彎曲段時，則第i個支架外緣到地板的距離為：

單位走向長度彎曲段支撐的總面積為：

式中：B為進(jìn)給口寬度，m。

對于扁平煤層（α≤8°）、傾角較大的煤層，采用“S”型底板煤，如圖1-2所示。對于“S”型底板煤，由對應(yīng)的幾何關(guān)系可得如下公式：

式中：hs是“S”型外側(cè)邊緣地板煤層厚度，m；ns為端面彎曲段支撐物數(shù)量；其他參數(shù)與式（2）相似；支架傾角γ應(yīng)滿足條件：

彎曲截面單位長度下的總支承面積：

Ss=bcos（iβs）hscosα+Bhs-hs2sinαcos.（6）

綜采工作面下端刮板輸送機(jī)與裝載機(jī)的合適高度重疊應(yīng)不小于0.5 m[6]。工作面末端底板煤比運(yùn)輸巷道底板高0.5 m左右。“C”型底板煤可在工作面下端保留為大傾角煤層，如圖2-1所示。最佳支架數(shù)量如下式所示：

式中：各參數(shù)的意義與式（2）相似。

支架下底板煤面積為彎曲段底板煤面積與水平段底板煤面積之和，總面積的計算參照式（4）。

“S”型底板煤的尺寸如圖2-2所示。

圖2 下工作面端底板煤的保留類型

在靠近上工作面末端的內(nèi)底煤是“C”型和“S”型的混合型煤炭，彎曲截面的支撐物數(shù)為“C”和“S”截面的支撐物數(shù)之和。對于傾角為8°左右的煤層，底板煤應(yīng)保留“C”型或復(fù)合型。支座之間的間隙為t1，側(cè)護(hù)板的最大側(cè)向位移為t2。當(dāng)?shù)酌姘枷輹r，頂梁應(yīng)相互靠近，但頂梁橫向移動的幅度不應(yīng)超過t1。支架應(yīng)適應(yīng)凹凸地板，變化角度（Φ，Φ′）應(yīng)滿足：

同時，β應(yīng)小于θ（θ為刮板輸送機(jī)線盤的垂直旋轉(zhuǎn)角度），因此，β≤min{Φ,Φ′,θ}。

2 工作面端部底板煤的回收方法

2.1 回風(fēng)巷底板凹進(jìn)的底板采煤方法

以“C”型底板煤為例，回風(fēng)巷底板凹進(jìn)后底板煤的尺寸如圖3所示。

圖3 底板凹陷后上端面底板煤的尺寸

圖3中，陰影部分表示采煤機(jī)底板采煤量；刮板輸送機(jī)尾部到室外的距離應(yīng)不小于0.7 m。同時l和h′應(yīng)滿足：

式中，B為進(jìn)給口寬度，m；l為刮板輸送機(jī)尾部到外側(cè)的距離，m；m為煤層厚度，m；h′為刮板輸送機(jī)尾部下底板凹痕后的煤層厚度，m；Hd為工作面端部維護(hù)設(shè)備最大支撐高度，m。

2.2 運(yùn)輸巷道底板超前掘進(jìn)底板采煤方法

如圖4所示，底板凹陷后，通道口整體高度增加。在超前支承壓力的作用下，巷道內(nèi)部變形嚴(yán)重，不利于巷道的維護(hù)。底板凹面高度應(yīng)保證巷道穩(wěn)定，并滿足端面支撐高度：

圖4 運(yùn)輸巷道底板凹度參數(shù)

式中：hw為底板支撐高度，m；H為入口高度，m；Hw為底板凹進(jìn)后巷道穩(wěn)定的最大高度，m。

總樓板壓痕長度為超前支護(hù)長度與日樓板壓痕長度之和：

式中：Lw運(yùn)輸?shù)揽诳偟装鍍A度長度，m；Lz巷道超前支護(hù)距離，m；Ld為每日底板壓痕長度，m。

為保證巷道在底板凹陷后的穩(wěn)定性，需采用臨時支護(hù)方法進(jìn)行支護(hù)，通過增加支架的強(qiáng)度和密度來加強(qiáng)頂板支架穩(wěn)定性，以減小巷道的變形。

3 實例

3.1 工作面生產(chǎn)條件

開元公司9714綜采工作面煤層平均厚度為5.5m，平均傾角為7°，最大為15°，工作面長度為240 m，每天向前推進(jìn)約4～5m。橫截面的長×寬分別為4.6m×3.5 m和4.4 m×3.5 m。工作面設(shè)備參數(shù)如下頁表1所示。

表1 工作面設(shè)備參數(shù)

3.2 巷道底板掘進(jìn)前后的煤損比較

根據(jù)工作面條件，支架的底板變化角度為1.1°。刮板輸送機(jī)尾部到外部的距離l=1.0 m，刮板輸送機(jī)尾部下的煤厚度h′=1.1 m，運(yùn)輸巷道底板凹陷深度hw=1.0m，梯級寬度dm=0.8m，總樓板凹面長度Lw=25m（地面每天凹陷Ld=5 m）。

在回風(fēng)巷底板凹陷并允許上端面最后一個外支架保持在最大傾角（γ=15°）之前，回風(fēng)巷最后一個外支架以外的底板煤厚度為2.1 m。根據(jù)回采工作面條件，可得：β=0.5°（來自公式（2）），折彎段支架數(shù)量nc=16，底板煤面積（含回風(fēng)巷下底板煤面積）為27.77 m2。在運(yùn)輸巷道底板凹陷前，工作面端底板煤厚為2.5 m，支架和地面最大角度為7°，β=0.4°，折彎段支架數(shù)量nc=18，底板煤截面積為38.30 m2。

為了確保底板凹陷后的彎曲段有適當(dāng)數(shù)量的支架支撐，并使支撐與頂板相適應(yīng)，上端面彎曲段包括9個β=0.7°的支架。同時，水平段需要2個液壓支架，下端彎曲段需要9個，其中靠近下端的第一個彎曲段保持水平。底板凹陷后，上、下工作面端底板飽和煤截面積分別為7.68 m2和13.7 m2，底板凹進(jìn)前后底板煤的損失情況見表2。

表2 底板支護(hù)前后失煤量的比較

從表2分析可知，巷道底板煤越厚，過渡段需要的支架越多，保留的底板煤越多，減小巷道下部煤層厚度是減少底板煤損失的最佳途徑；下端面支撐2個或3個支架，端面煤損失較大,底板凹陷后，底板煤面積大幅減小，過渡段支架數(shù)量減少。

4 結(jié)論

1）在工作面端部保留適量底板煤，將支架從工作面端部轉(zhuǎn)移到采高，保證刮板輸送機(jī)處于合適的狀態(tài)，是安全高效采煤的前提條件。

2）在工作面端部底煤參數(shù)適當(dāng)?shù)那闆r下，工作面兩端的回收方法如下：上底板煤可用帶底板支護(hù)的采煤機(jī)直接回收，下層煤先推進(jìn)底板支護(hù)留臺階后，用采煤機(jī)進(jìn)行底板支護(hù)后回收運(yùn)輸通道中一側(cè)的煤。

3）根據(jù)大采高工作面的地質(zhì)條件和設(shè)備參數(shù)，采出工作面兩端的底板煤可使采收率提高3.5%，底板凹陷后，過渡段所需支架較少，保證了工作面設(shè)備的安全高效運(yùn)行。