水采在極復雜條件下提高回采率的研究與實踐

李東明,劉 龍,崔文朋

(大屯煤電公司安全監察部,江蘇 徐州 221611)

1 概述

孔莊礦I5西采區共有兩層可采煤，煤層傾角約為25°， 7號煤厚約5m，8號煤厚約3m，其中有3條偽斜正斷層，左部F21∠70°,落差10～30m，中部Fe4∠70°落差12m，右部Fe3∠55°落差13 m。Fe21至Fe4斷層最寬走向長215m，Fe4至Fe3最寬走向長157m，已知在左塊段有兩條偽斜正斷層為Fe5∠70°落差6m和Fe6∠70°落差2.8m，伴隨落差小于2m的小斷層將非常發育，造成頂板裂隙發育，破碎，易冒落，較難維護。

2 回采方式選擇及優化設計

2.1 回采方式選擇

I5采區西部被較發育的斷層自然沿走向偽斜斷分為較短小的區塊，因此以3條斷層分為自然的兩個傾向塊段，煤層傾角在25°以上，每個區段中落差在6m以下的小斷層非常發育，無法沿傾向布置機采面；沿走向布置炮采，在斷層邊界還要留設保安煤柱，走向區段內在過2m以上斷層時，溜子要保持一定的直線度，勢必造成斷層區域破頂底巖石，使斷層帶丟失斷層帶三角煤。因此，為最大限度的回收斷層帶煤及邊角煤，I5采區選擇水采[1-3]。

2.2 工作面優化設計

I5采區7號、8號煤層間距6.5m左右，同時Fe4斷層將左上部8號煤抬升至與右部7號煤接近同層的水平，從煤層地質賦存情況看，走向短，傾向長。因此將該工作面按傾向劃分為幾個區段，區段斜長一般在120～150m之間，根據回采眼的維護狀況可適當加長或縮短，若維護困難可縮到60～80m，為了運料方便及從安全出口考慮，將該工作面傾向以三甩、二甩為自然分界，將該面分為三個區段，由于該工作面為偽斜條帶狀，上部區段傾長達200多m，考慮在上段中部再考慮打一條輔助中間巷。因此，本工作面采用走向短壁小階段布置方式，由上往下4～9個小階段聯合推進，依次相錯兩個移槍步距，采用高壓水射流落煤，一次采全高，全部垮落法管理頂板[4]。

回采巷間距及水采區的傾斜長度。回采巷之間的煤體(煤垛)穩定與否直接影響到巷道的維護狀態，若受采動影響后煤垛仍能保持穩定狀態，則巷道容易維護，且有利于在頂板垮落前采凈煤垛，保證回采率的提高，反之則難維護，大量丟失煤炭資源。由水采巷道礦壓顯現特征知，巷道與采場間距變化，其變形速度與維護狀態將發生明顯變化。一般巷道間距愈小，回采巷受到相鄰工作面和本工作面采動影響的程度也愈大。適當加大巷道間距可以縮小煤體的壓裂范圍，增加煤垛的穩定性，改善頂板及巷道的維護狀態，減少掘進率，提高水采區的技術經濟效益。因此通過對水采巷道礦壓顯現規律進行觀察研究(表1)，使采動應力盡量少出現疊加，以便有更多的時間在頂板未跨落前，沖采更多的煤垛。

煤垛最終沖采角。合理的最終沖采角既要保證垛內煤水能通暢外流，又要減少三角煤呆滯煤量提高回采率，最終沖采角過大時，易造成煤水外流不暢，過小時會造成三角煤呆滯煤量的增加，根據孔莊礦多年的實踐及煤體中硬、頂板易碎的特點，較適宜的最大沖采角取65°～75°。

為防止槍前從回采巷道采空區竄入的矸石壓埋水槍，最小移槍步距應大于采空區矸石的竄下距離，其最小移槍步距為：

X=h[cot(β-ω)-tanω]

=2.2[cot(45-25)-tan25]=5.02

式中：h為巷道高度，m；β為冒落矸石自然安息角45°；ω為煤層傾角。

故理論最小移槍步距為5.02。

煤垛的最大允許長度一般以最小移槍步距和最終沖采角為基礎，按最大沖采距離等于或略小于水槍有效射程以及煤垛面積應略小于頂板允許暴露面積的原則確定。最大沖采距離理論計算為：

=21.09

式中：Y為移槍步距8m；X為最大沖采寬度15m；θ為最大沖采角70°；m為煤層厚度5.14m；b為槍高0.5m；a為噴嘴到煤墻的距離0.2m。

在多個工作面保持一定錯距依次沖采時，巷道勢必受到多個工作面采動的綜合影響。由上分析知，巷道受到的影響主要來自相鄰及本工作面的采動影響，且相鄰上方工作面采動影響以滯后采面15～20m時為最大。顯然上、下相鄰工作面保持15～20m錯距依次推進，則巷道圍巖變形勢必達最大。若增大工作面錯距，相鄰面之間雖然避開采動影響劇烈區的疊加，但巷道受上方采動影響時間增大，同時沒有避開相鄰采面采動影響劇烈區的擾動，因此增大工作面錯距對巷道維護并不利。若縮小工作面之間錯距，不僅能避開相鄰采面之間采動影響劇烈區的疊加，同時減少了相鄰采面之間采動影響的時間，使巷道圍巖變形趨于緩和，移近量大為降低，有利于改善巷道的維護狀態。因此，在生產實踐中應嚴格控制各采垛的開采順序，準確確定沖采位置，避免工作面之間的錯距加大。

3 工作性試驗

3.1 工業性實驗統計表

工業性實驗統計數據如表1所示。

表1 工業性實驗統計數據

3.2 工業性實驗分析

從理論計算與工業實驗數據對比[5-6]，理論最大沖采距離21.09m小于實際水槍的最大有效沖采距離25m，而根據薄板理論礦山壓力實測，孔莊礦最佳空頂面積為80～90m2。由表1可知，因此巷道之間凈煤垛定為8m，下部兩巷道之間凈煤垛寬度12m，采垛面積為98m2。根據經多年實踐工作面錯距為8m，煤垛寬12m，掐槍距8m(此情況正好避開周期來壓峰值點，回采率最高)最為合理。

4 工作面邊角煤及斷帶煤的采取

4.1 邊角煤的處理

Fe21斷層與F20斷層間的邊角煤，首先在中部打3#探煤巷，探到F20斷層全為7號煤，直到F21斷層遇全巖，全長46m，隨后在下部及上部打了三條探煤巷，遇到F21斷層為止，如果第一探巷遇斷層距離小于15m，其余地點就不用再探，采煤時直接沖采至斷層巖石為止。

4.2 斷層帶煤的處理

斷層帶由于斷層破壞了工作面頂板的完整性，所以必將引起頂板壓力的變化和重新分布，使工作面的頂板維護較難，甚至導致冒頂事故的發生。對遇到的走向斷層、偽傾向斷層、傾向斷層、交叉斷層，在設計上進行優化，首先，對于區塊分界斷層的處理，對于8193面西部在距F21斷層巖石面東9m為中，對于7193面距F4斷層東9m為中分別掘進回風上山，距斷層面的實際距離在8m左右，有利于巷道的維護，退采時正好是一個煤垛。其次對于塊段中偽傾向斷層F5，其落差在6m，大于8號煤的高度，采取硬過斷層，不但使煤炭質量下降，而且要過10余米的巖巷，斷層帶的煤不能安全回收，為解決這一難題，我們在斷層帶下盤距斷層面15 m處打一斷層下下山，水槍正好能沖至斷層面，在斷層上盤，沿斷層面向上打一條斷層上山，支護上除采用錨網索聯合支護，還采取在巷道中部提前打一梁一柱超前單體，使沿斷層面巷道在回采時保持正常的行人高度。第三，對于Fe4兩工作面分界F4斷層，落差12m，使7號、8號煤在斷層帶有互層現象，此點也在三甩、二甩主溜煤道掘進過程中證實，因此進行同層連采。三甩道上部7193西回風巷在向8193方向掘進過程中遇到全斷面巖石，說明上部斷層還受如圖Fe5斷層交匯牽拉，斷層帶出現巖石，不能同層連采，從8193溜煤下山已掘出巷道驗證這一推論。第四，在斷層下回采，裂隙發育、頂板破碎、因此在退采時均采用了閉式沖采法。

5 結論

I5西采區處于淺部，回風系統靠近總回風巷，工作面回漏風能力較強，由于優化了退采參數且采取了科學合理的技術手段對邊角煤及斷層帶煤進行了有效回收，使開采的老塘遺煤量大為降低，減少了導致采空區內部遺煤自燃的關鍵因素，減少了掘進率，保證了安全高效回采，多回采煤量4萬余t。為礦區同類條件下煤層的回采提高了經驗和依據，取得了較大的經濟效益和社會效益。

[1]劉新坤,李德軍.采區化水采工藝系統在通化礦業集團六道江井的實踐[J].同煤科技,2012(1):4-7.

[2]宋光武,劉尚海.區域化水采工藝及設備的研究[J].水力采煤與管道運輸,1999(1):3-8.

[3]張世凱,劉尚海.新世紀我國水采技術發展趨勢及今后攻關重點[J].水力采煤與管道運輸,2001(3):3-6.

[4]孔恒,張世凱,李剛，等.煤層的水采工藝評價及其優化決策研究[J].煤炭學報,2000,12(s1):83-87.

[5]陳鳳軍.淺析厚煤層水采工作面如何提高單產[J].水力采煤與管道運輸,2000(1):16-19.

[6]秦洪武,楊凌.水采技術是難采煤層增產提效的一種有效途徑[J].水力采煤與管道運輸,1998(2):25-29.