靈泉煤礦10594工作面急傾斜煤層采煤工藝研究

紀(jì)鵬偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮煤礦，山西 大同 037016）

1 概況

靈泉煤礦10594工作面整體為單斜構(gòu)造，局部存在寬緩小褶曲，工作面直接頂為灰?guī)r；工作面標(biāo)高為881～934 m，奧灰靜水位標(biāo)高為845 m，全區(qū)不帶壓；工作面上部有采空區(qū)，已在+860高抽運(yùn)輸大巷對采空區(qū)積水進(jìn)行了探放，采空區(qū)積水基本放完，局部低洼處可能有少量積水，對掘進(jìn)沒有影響。靈泉煤礦10594工作面的地質(zhì)構(gòu)造為向南西陡傾斜的近直立單斜構(gòu)造，最大傾斜角為78°，采用綜合機(jī)械設(shè)備提升急傾斜煤層開采效率，為此需要將工作面傾角降低，由于急傾斜煤層段跨度不大，工作面傾角超過機(jī)械開采需要的最大角度，為此進(jìn)行該工況下采煤工藝研究。

2 工作面主要參數(shù)確定

在對最大傾角為78°的煤層開采時，為了降低工作面傾角，需要將工作面調(diào)斜處理，具體做法為在10594工作面的回風(fēng)平巷端相對運(yùn)輸巷道位置處超前設(shè)置一段距離，作為偽傾斜工作面，具體原理見圖1所示。

圖1 降低急傾斜工作面方法原理圖

平面ABEF為10594工作面，傾角α為該工作面的真實傾斜角，沿AB線和EF線分別做傾斜工作面的水平輔助面ABCD和垂直輔助面CDEF，直線HK則代表調(diào)斜后偽俯斜工作面，形成的ω則是工作面開采的偽斜角，β是工作面實際傾角即偽傾角、γ為層面角，對比可以看出偽傾角β相較于真實傾角α要小，說明工作面開采傾角降低。通過調(diào)整HK即可實現(xiàn)β和ω的大小，偽傾角β與真實傾角α的相互關(guān)系為：

2.1 工作面?zhèn)蝺A角度β的確定

對于最大傾角為78°的10594工作面，偽傾角β的確定是降低急傾斜工作面傾角開采工藝的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，根據(jù)10594工作面巖層地質(zhì)巖層狀態(tài)和應(yīng)力參數(shù)查閱，選擇了以下偽傾角確定方案：采用25°、30°和35°偽斜角條件下，對應(yīng)建立工作面?zhèn)蝺A角為54°、59°和65°3個不同角度的PFC2D二維采場傾向模型，除了設(shè)定的偽斜角有差異外，其他的所有模型條件完全形同，通過模型模擬，利用fish統(tǒng)計不同模型下同一時間間隔內(nèi)煤層的放出速度和采出率，通過2個參數(shù)的對比，來確定10594工作面實際采煤時的偽傾角，統(tǒng)計3個模型數(shù)據(jù)后，形成,3個模型煤炭放出速度和采出率對比圖，見圖2。

圖2 3個模型煤炭放出速度和采出率對比圖（timel代表時間步長）

通過圖2可以看出，3個模型條件下煤炭放出速度和采出率差異明顯，具體而言：在短時間內(nèi)不同偽傾角條件下的煤炭放出速度差異和變化趨勢基本相同，但隨著時間的增加，偽傾角越大的模型放出速度越快。偽傾角為54°的模型在45個時間步長后放出速度才趨于穩(wěn)定，在約48個步長時間后采出率達(dá)到89%左右，整體放出速度和采出率最差；偽傾角為59°的模型整體穩(wěn)定性最好，在約40個步長時間后采出率能達(dá)到98%左右，煤炭放出速度穩(wěn)定；偽傾角為65°的模型雖然放出速度和采出率數(shù)據(jù)較好，但模型發(fā)現(xiàn)工作面巷道成型后穩(wěn)定性差，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)問題后，對整體采出率和放出速度的影響大。基于模型分析，考慮到經(jīng)濟(jì)型和穩(wěn)定性，靈泉煤礦10594工作面選用偽斜角為30°即偽傾角度取59°的工作面參數(shù)進(jìn)行急傾斜煤層采煤工藝實施。

2.2 偽傾角工作面圍巖裂隙特點(diǎn)

靈泉煤礦10594工作面淺部煤層由于受到爆破影響，圍巖結(jié)構(gòu)弱化，巖層強(qiáng)度會大大低于待采區(qū)域巖層強(qiáng)度，因此在開采作業(yè)的時候，圍巖的裂隙特征會從斜工作面下部向上部迅速發(fā)展，這也是大傾角煤層開采的前提，隨著掘進(jìn)工作面推進(jìn)，裂隙特征也會向待采區(qū)域發(fā)育，對待采區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，隨掘進(jìn)面推進(jìn)圍巖裂隙特征示意圖見圖3所示。

圖3 隨掘進(jìn)面推進(jìn)圍巖裂隙特征圖

10594工作面采用的是柔性掩護(hù)支架，為了保證掘進(jìn)巖層的穩(wěn)定，需要不斷調(diào)整柔性掩護(hù)支架位置，即向待采區(qū)域推進(jìn)，支架前腳會直接作用在待采區(qū)域巖層上，巖層能否提供穩(wěn)定的支撐是柔性掩護(hù)支架發(fā)揮作用的關(guān)鍵。采用54°偽傾角時，模擬工作面隨掘進(jìn)開采待采區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性最高，這是由于該傾角角度下重力沿工作面傾向分量最小，圍巖裂隙向待采區(qū)域發(fā)育的速度最慢，但由于工作面?zhèn)蝺A角較小，傾角下部煤層承重范圍也變小，下部區(qū)域穩(wěn)定性差，會隨著掘進(jìn)作業(yè)使得工作面待采區(qū)域下部與運(yùn)輸平巷相近的拐角處產(chǎn)生裂縫，并出現(xiàn)煤壁淺部剝離或者底部煤層塌落的問題。當(dāng)采用65°偽傾角時，相較于其他2個角度，該傾角角度下重力沿工作面傾向分量最大，待采區(qū)域受到應(yīng)力大，圍巖裂隙向待采區(qū)域發(fā)育的同時還會向待采區(qū)域媒體發(fā)育，且裂隙的發(fā)育深度和范圍都最大，柔性掩護(hù)支架前腿受力不穩(wěn)，而由于待采區(qū)域未經(jīng)過爆破處理，僅在應(yīng)力作用下破碎，因此破碎塊大，且裂隙發(fā)育速度也快，進(jìn)一步加劇圍巖失穩(wěn)，因工作面?zhèn)蝺A角較大，傾角下部煤層承重范圍也變大，下部區(qū)域穩(wěn)定性相對穩(wěn)定，出現(xiàn)煤壁淺部剝離的現(xiàn)象概率不大。相對而言，工作面傾角為59°時，工作面圍巖狀態(tài)較穩(wěn)定，工作面開始開采后裂隙迅速在開采區(qū)域發(fā)育，可以為柔性掩護(hù)支架支護(hù)工藝提供較好的支護(hù)基礎(chǔ)，雖待采區(qū)域下端頭也有少量裂隙的產(chǎn)生，但待采區(qū)域總體依然保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，并未出現(xiàn)煤壁剝落現(xiàn)象，即該偽傾角下工作面和待采區(qū)域的相對穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2.3 工作面長度確定

根據(jù)開采經(jīng)驗，急傾斜煤層工作面長度的計算公式為：

式中：L為工作面傾斜長度，單位為m；h為傾斜工作面的垂直高度，單位為m；α為工作面真實傾角；β為偽傾角。

XX78°工作面垂直高度為47 m，工作面真實傾角為78°，偽傾角選擇30°，通過公式計算出10594工作面傾斜長度約為96 m。

3 工作面急傾斜煤層采煤工藝

3.1 巷道支護(hù)形式與參數(shù)確定

10594工作面區(qū)段回風(fēng)巷布置在+1 567 m處，巷道沿著煤層頂板布置，與通風(fēng)井相連，期間設(shè)置了一道回風(fēng)石門，形成的通風(fēng)系統(tǒng)供井下作業(yè)和設(shè)備用?；仫L(fēng)巷道長截面為梯形結(jié)構(gòu)，上窄下寬，巷道頂部截面寬1.8 m，巷道底板截面寬2.5 m，巷道高度為2.1 m，總長度為300 m左右，采用工字鋼沿邊支護(hù)方式。工作面區(qū)段的運(yùn)輸巷道則布置在+1 510 m處，方向與回風(fēng)巷道相同，與井下設(shè)置的中部場車相連，期間設(shè)置了一道運(yùn)輸石門，形成了井下運(yùn)輸系統(tǒng)。運(yùn)輸巷道與回風(fēng)巷道結(jié)構(gòu)相似。工作面開采區(qū)段在回風(fēng)巷道與運(yùn)輸巷道之間，初期采用工字鋼梯形沿邊支護(hù)，后期采用柔性掩護(hù)支架。

3.2 工作面支護(hù)形式與參數(shù)確定

結(jié)合10594工作面78°急傾斜煤層工作面?zhèn)蝺A角度β和工作面長度參數(shù)，工作面支護(hù)采用DW14-400/150型單體液壓支架配合32 mm鋼絲繩柔性掩護(hù)支架的方式進(jìn)行，作為關(guān)鍵參數(shù)的柔性掩護(hù)支架的寬度，通過式（2）計算：

式中：b為柔性掩護(hù)支架的寬度，單位為m；m為10594工作面的煤層厚度，單位為m；K1為厚度系數(shù)，取值為0.75～0.85；K2為傾角系數(shù)，取值為0.80～0.95。

經(jīng)查閱《采礦工程設(shè)計手冊》，針對10594工作面78°急傾斜煤層特點(diǎn)，計算出柔性掩護(hù)支架的寬度為2.15 m，實際選擇多邊型柔性掩護(hù)支架進(jìn)行工作面支護(hù)工藝的實施，實際支護(hù)寬度為2.3 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)示意見圖4所示。

3.3 工作面支架布置

根據(jù)10594工作面巷道巖層特點(diǎn)，支架鋼梁排距選定為0.15 m，安裝順序為先下后上，將鋼梁安裝完成后，及時使用單體液壓支架進(jìn)行打點(diǎn)柱，點(diǎn)柱間隔2.5 m，單體支架在安裝時首先要進(jìn)行防水布鋪設(shè)，然后采用鋼絲托繩安裝支架，支架座須穩(wěn)定固定在巷道底部，且第一根鋼梁要緊貼迎頭安裝，鋼梁與撐木要緊密排列。隨著掘進(jìn)施工，需要將前期的支架拆卸以交替支護(hù)，結(jié)合工作面巷道巖層特點(diǎn)規(guī)定將距離工作面45 m以外的支架拆除，在拆卸支架前要對拆除支架所在巷道區(qū)段的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，同時對該區(qū)段巷道頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)定性情況進(jìn)行檢查，對存在松動或塌落的頂?shù)装鍘r層進(jìn)行清理，并間隔1.5～2.0 m間距裝設(shè)頂板護(hù)頂，降低冒頂風(fēng)險，移架前要清理支架下方的煤炭，盡可能使移架通道平整。支架拆除嚴(yán)格執(zhí)行逐一拆除原則，過樓眼口拆架時必須先用木料將上口檔牢拼實后方可拆卸支架。

圖4 XX78°工作面多邊型柔性掩護(hù)支架結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 回采工藝及主要參數(shù)確定

基于偽傾角度β和工作面長度參數(shù)以及支護(hù)參數(shù)的確定，靈泉煤礦10594工作面急傾斜煤層采用偽傾斜走向長壁后退式采煤工藝。采用放炮落煤工藝，爆破參數(shù)見表1，炮眼深度1.1 m，沿著偽斜工作面方向排布。

表1 10594工作面急傾斜煤層放炮落煤工藝參數(shù)表

3.5 回采工藝

柔性掩護(hù)支架的安裝是關(guān)鍵工序，在偽斜面頂?shù)装宸謩e打切眼，在垂直方向安裝支撐支架后，沿斜面在鋼梁背側(cè)將配合安裝32 mm鋼絲繩，通過固件的使用完成柔性支架安裝，隨后調(diào)斜支架25°～30°的傾角，使支架對斜工作面巷道進(jìn)行支護(hù)，然后開始回采作業(yè)。

靈泉煤礦10594工作面采用全部垮落法進(jìn)行頂板管理。

4 實施效果

靈泉煤礦78°急傾斜工作面采煤作業(yè)按照工藝參數(shù)進(jìn)行實施試驗，示意圖見圖5所示。該煤礦在2020年對傾斜角度為65°的煤層開采時，統(tǒng)計產(chǎn)量為255 t/d，且出現(xiàn)過2次回采巷道冒頂事故；在使用急傾斜工作面采煤工藝對10594工作面開采的3個月，平均產(chǎn)量為412 t/d，且無安全事故發(fā)生。

圖5 急傾斜采煤工藝實施示意圖

5 結(jié)語

靈泉煤礦10594工作面最大傾斜角為78°，因急傾斜煤層段跨度不大導(dǎo)致的機(jī)械開采難的問題進(jìn)行研究，形成以下結(jié)論：

1）為了降低工作面傾角，將10594工作面調(diào)斜處理，在回風(fēng)平巷端相對運(yùn)輸巷道位置處超前設(shè)置一段距離，作為偽傾斜工作面，分別采用25°、30°和35°偽斜角條件下，對應(yīng)建立工作面?zhèn)蝺A角為54°、59°和65°3個不同角度的PFC2D二維采場傾向模型，確定華宮煤礦10594工作面選用偽斜角為30°即偽傾角度取59°的工作面參數(shù)進(jìn)行急傾斜煤層采煤工藝實施。

2）分析偽傾角為54°、59°和65°3個不同角度工作面和待采區(qū)域圍巖穩(wěn)定性，采用54°偽傾角時，待采區(qū)域圍巖穩(wěn)定性最高，但會出現(xiàn)煤壁淺部剝離或者底部煤層塌落問題；采用65°偽傾角時，待采區(qū)域裂隙發(fā)育深度和范圍都大；傾角為59°的工作面圍巖狀態(tài)較穩(wěn)定，待采區(qū)域相對穩(wěn)定。

3）通過計算確定工藝參數(shù)，包括10594工作面傾斜長度約為96 m，支護(hù)寬度為2.3 m的柔性掩護(hù)支架支護(hù)方式，炮眼深度為1.1 m的放炮落煤工藝和25°～30°斜角的斜支護(hù)工藝。

4）通過設(shè)定偽傾角采煤參數(shù)，靈泉煤礦78°急傾斜工作面采用機(jī)械化采煤工藝，經(jīng)過3個月工藝實施，產(chǎn)量提升約61%，且無安全事故發(fā)生。