工作面遇端頭陷落柱高效開采技術

常海雷，蔣春林

(山西天地王坡煤業有限公司，山西晉城048021)

1 工作面概況

王坡煤礦3205工作面總體為簡單向斜構造，煤層底板起伏較大，整體東高西低。工作面設計長度180m，工作面走向長度2000m，工作面自北向南推進。1號陷落柱位于切眼處，走向長約64m，傾向長約35m，工作面布置避開陷落柱，布置大小2個切眼，主切眼長99m，輔切眼長78m。工作面采用U+I型布置，進風巷設計凈寬5m，凈高3.1m;回風巷設計凈寬4.5m，凈高3.4m;瓦斯尾巷設計凈寬3m，凈高2.8m;工作面切眼設計凈寬7.5m，凈高3.1m。工作面布置如圖1所示。

圖1 3205工作面布置

2 3205端頭陷落柱突水危險性分析

3205工作面所在3號煤層位于二疊系下統山西組下部，煤層平均埋深為595m，平均厚度為5.97m，以黑色亮煤為主，局部煤質松軟破碎，局部含有2層夾矸，煤層傾角2～10°，平均為6°，煤層單軸抗壓強度平均為15.5MPa。基本頂為中砂巖，厚度平均8.89m，單軸抗壓強度平均為74.1MPa;直接頂為砂質泥巖，平均厚度4.00m，單軸抗壓強度為41.6MPa;偽頂為炭質泥巖，平均厚度0.3m，單軸抗壓強度平均為11.0MPa;直接底為泥巖或細粉砂巖，平均厚度2.10m，單軸抗壓強度平均為36.7MPa;老底為中砂巖，平均厚度為2.10m，單軸抗壓強度平均為74.1MPa。

國內對陷落柱的形成機理［1－4］主要由康彥仁重力學說、錢學博膏溶學說、王銳循環說、徐為國真空吸蝕說等。陷落柱的突水機理［5－7］主要有尹尚先“厚壁筒”力學機理、許進鵬推導導水機理力學判據、楊為民和司海寶導突水陷落柱力學模型。

由于3205工作面1號陷落柱穿過煤層，保安煤柱留設15m，厚度寬度比＞1/5～1/7，符合厚壁筒突水子模式［8－9］。則1號陷落柱突破煤柱臨界水壓為

式中，h為關鍵層寬度;M為煤層平均厚度;γd為頂板巖體容重;γg為隔水層巖體容重;θ為內摩擦角;c為黏結力;H0為工作面頂板垂深;Q為礦山壓力。

將本工作面參數h=12.8m，M=5.97m，H0=120m，γd=27 ×10－3kN/m3，γg=14.2 ×10－3kN/m3，θ=23°，c=2MPa，Q=26MPa帶入公式 (1)中計算得PC=2.03MPa。

3205工作面底板標高535～580m，奧灰水靜水位標高580～595m，3號煤層底板距峰峰組頂板厚度103.73m，計算工作面底板隔水層的實際水壓P=(595－535+103.73) ×9.8×10－3=1.6MPa(2)

小于1號陷落柱突破煤柱臨界水壓力PC，端頭1號陷落柱無突水危險性。

3 3205工作面主輔切眼對接前回采

3.1 3205工作面設備安裝

輔助切眼安設1號～3號 ZFG6400/18/32型過渡放頂煤支架，4號～52號 ZF6000/17/32H型放頂煤支架，53號、54號 ZF6000/17/32H型放頂煤支架放置在出煤聯巷內后期對接，主切眼安設55號～117號 ZF6000/17/32H型放頂煤支架，118號、119號ZFG6400/18/32型過渡放頂煤支架，前后輸送機均為SGZ764/630型刮板輸送機，采煤機為MG300/700－WD型雙滾筒采煤機。

通過井上井下同時工作，工作面三機定位，45d完成工作面設備的安裝，比原計劃提前15d。

工作面安裝進度如表1所示。

表1 工作面安裝進度

2.2 工作面初采初放

初采前首先布置好出煤運輸系統，根據現場實際情況，提出2套出煤方案。

方案1 主切眼前部/后部刮板輸送機→1號探巷內75溜→出煤聯巷內刮板輸送機→轉載機→巷道膠帶機→集中主運行膠帶機→主井煤倉。

方案2 主切眼前部/后部刮板輸送機→1號探巷內75溜→輔助切眼→轉載機→巷道膠帶機→集中主運行膠帶機→主井煤倉。

經分析比較認為方案1合理可靠，出煤系統增加了出煤聯巷后可以保證后期主輔切眼的順利對接，若出煤運輸系統經由輔助切眼運輸，當主切眼工作面持續推進到距離對接位置3m處，主切眼輸送機機頭無法通過探巷內過渡槽和機頭，從而導致主切眼內回采煤炭不能正常運輸。

初采前按照“三直兩平兩暢通”對工作面刮板機直線度、支架直線度進行調整，使用木板梁或枕木對局部底板不平處進行鋪墊。前三刀采煤機最小控頂距割煤，刮板輸送機調至低速狀態運轉，逐步調整采高至2.8～2.9m，初采第1刀對煤壁進行刷幫，刷幫深度不大于300mm。

主切眼回采期間，采煤機每割透2個機頭拆除1節75溜，工作面端頭超前支護單體液壓支柱的初撐力不小于90kN，接近基本頂可能來壓范圍時，帶班人員密切觀察工作面支架受力、安全閥泄壓、立柱支撐、超前棚π型梁受力情況等，同時在回風巷準備單體支柱和木板梁等支護材料。

4 主輔切眼兩步快速對接法

(1)距離對接位置20m時開始調整主切眼內支架的位置［10－11］，保證52號支架外延與55號支架的外延空出3.1m的距離。在距對接位置20m時，及時調整刮板輸送機的上竄下滑量，保證支架沿直線移動。為保證支護可靠，53號至55號支架間架設“一梁兩柱”走向抬棚，出煤聯巷內架設“一梁三柱”傾向抬棚。

(2)主切眼推到對接位置后，割透機頭采煤機空刀牽引至前溜機尾附近，工作面輔助切眼推移千斤頂完全收回，并把主切眼前溜拉回，保證足夠的空間方便對接。將前后輸送機機頭、減速機、底座、偏轉槽、過渡槽拆開，利用絞車經出煤聯巷運至進風巷。

利用出煤聯巷內安裝的絞車及方向滑輪將53號、54號支架拖到位，緊靠52號支架，接好支架的液壓系統。將正常槽、刮板鏈按要求對接并張緊鏈條，微調調整支架、正常槽縫隙。對接之后支架間距100mm，輸送機對接間距50mm，符合對接標準，實現主輔切眼快速對接。對接示意如圖2。

5 工作面過空巷

出煤聯巷與工作面斜交，垂直段全長15m，傾斜段全長90m，巷道屬于煤巷，平均高度3m，寬度4.5m，矩形斷面，巷幫采用錨網支護。

(1)在空巷內段架設“一梁三柱”π型梁抬棚，π型鋼梁長4m，“一梁三柱”一次支護整條空巷，排距1m，空巷支護單體柱穿鐵鞋。

圖2 切眼對接示意

(2)過空巷時，因垂直于工作面的空巷斷面較小，調整工作面與空巷的角度。工作面與運輸巷調成70～75°的夾角進行推進。機尾一側加快推進速度，機頭一側適當減慢推進速度，從而使工作面與空巷割通，形成逐段暴露，逐段插入實體煤中。

6 結論

(1)依據“厚壁筒”突水機理對陷落柱突水危險性進行分析，確認陷落柱無突水危險性，保安煤柱留設合理，為復雜地質條件下工作面設計和回采工藝提供了技術依據。

(2)通過井上井下聯合作業，工作面三機定位，優選出煤運輸路線，縮短了工作面設備安裝時間。設備安裝時間由60d縮短為45d，效率提高25%。

(3)通過綜采工作面對接工藝的研究與對接實踐，掌握并控制運輸機上竄下滑量，實現運輸機對接間距50mm，支架對接間距100mm，較傳統的對接方法節約了大量時間，確保了生產的連續性。

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