不規則邊角煤連續開采設計及回采實踐

卓慶奉，楊 波，趙 力，馮澤康

(1.鄂爾多斯職業學院資源工程系，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

不規則邊角煤連續開采設計及回采實踐

卓慶奉1，楊 波2，趙 力2，馮澤康2

(1.鄂爾多斯職業學院資源工程系，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

以顯德汪礦1223工作面為工程背景，針對工作面實際情況，分析邊角煤地質條件，提出“倒L”形工作面連續開采設計方案并進行回采實踐。實踐中進行一次工作面對接，三次旋轉開采和連續穿越兩條老巷，并且通過采取多種有效措施，實現該工作面的安全回采。回采實踐表明，“倒L”形工作面連續開采設計方案實現了1223工作面正常回采，減少工作面搬家次數，保證工作面連續推進，節約了成本，提高了經濟效益；工作面回采時采取保障措施，及時加強支護并延長超前支護距離，有效控制煤壁片幫和頂板冒頂以及巷道圍巖變形；1223工作面的正常回采，擴大了綜采的應用范圍和適應性，為不規則邊角煤資源的回收提供參考。

不規則邊角煤；對接技術；旋轉開采；頂板管理

在我國中東部地區，隨著開采年限的延長和開采強度的加大，許多礦井進入開采末期，在采區邊界遺留了大量的邊角煤資源。隨著煤炭資源的逐漸減少，對資源利用的節約意識不斷增強，通過技術創新采用非常規面布置，回采不規則邊角煤柱也是礦井資源有效利用的體現。安全高效的回收邊角煤資源，提高煤炭資源的采出率，對實現礦井可持續發展具有重要意義[1-6]。許多學者對此作出大量研究，并取得一定的研究成果。劉日成等[7]針對不規則邊角煤開采存在的問題，在現有旋轉開采技術基礎上，對不規則邊角煤工作面旋轉開采設計進行優化，提高了煤炭采出率。李佃平等[8]針對回采邊角煤柱易發生沖擊礦壓的問題，采用理論分析和數值模擬，分析了覆巖結構特征，得出誘發沖擊礦壓的主要原因，提出采用非對稱控制對策，控制沖擊危險。姜福領等[9]對不規則綜采工作面進行優化設計，詳細計算了回采過程中工作面的長度值，確定支架的預放位置，提高了工作面回采的可靠性；馮國春等[10]研究了綜采工作面對接技術，實現綜采工作面延面對接，提高了煤炭采出率。

根據現階段的研究可知，不規則邊角煤的連續回采設計主要使用工作面對接、旋轉開采等技術。受開采條件和地質條件等因素的影響，邊角煤的形狀不規則，邊角煤回采設計也因形狀尺寸的變化而不同。本文以顯德汪礦1223工作面為工程背景，對“倒L”形邊角煤工作面進行連續回采設計以及回采實踐，對不規則邊角煤的合理高效開采進行進一步實踐探索。

1 工程概況

顯德汪礦1223工作面位于二采區，所采煤層為2號煤。由附近工作面揭露情況可知，該煤層賦存不穩定，厚度變化較大，兩極厚度為0.4～4.0 m，均厚1.96 m，平均傾角為16°。直接頂為炭質泥巖與粉砂巖(中夾煤線)復合頂，平均厚度1.5 m，基本頂為細砂巖，厚度18 m，煤層底板為砂質泥巖，層理節理發育，含有大量的植物化石，夾有炭質薄層，質軟破碎，平均厚度為2.1 m。根據煤巖石力學參數測定結果，煤層頂板炭質泥巖的抗壓強度為18.3 MPa，底板抗壓強度為3.7 MPa，2號煤的f值為0.15，該煤層具有頂板破碎，煤層及底板松軟的三軟特性。

1223工作面設計布置如圖1所示，整個工作面呈“倒L”形，工作面推進長度933 m，傾斜長度141 m。

圖1 1223工作面巷道布置示意圖(單位：m)

2 不規則邊角煤開采可行性分析

不規則邊角煤的開采主要受地質因素、技術因素等影響。地質因素主要影響邊角煤的可采性，是評價邊角煤是否可采的主要指標；技術因素主要影響工作面的回采工藝以及保證回采安全高效所采用的措施等。

2.1 邊角煤連續開采地質因素分析

影響邊角煤開采的關鍵地質因素包括：角煤塊度、老巷分布、規則度、頂底板、煤層賦存、地質構造等。

由于影響因素較多，在開采前采用模糊綜合評價方法[11]對1223工作面能否回采進行了評價并結合煤礦地質資料進行了綜合分析。采用模糊綜合評價方法的步驟主要包括：首先，基于模糊數學理論，建立評價模型；其次，選取影響邊角煤開采的關鍵地質因素，采用層次分析法確定評價因素；再次，通過構造隸屬函數將評價因素量化。地質因素隸屬函數是關于地質因素的改變對開采影響模糊關系的定量描述，構造隸屬函數可采用待定系數和統計分析等方法[12]；然后，通過對相關數據的統計以及專業人員的分析，采用層次分析法來確定各評價因素的權重，使評價因素的重要性得以量化。層次分析法的主要步驟包括：分析系統各因素間關系，構造兩兩比較的判斷矩陣。通過判斷矩陣計算各因素的權重，并進行判斷矩陣的一致性檢驗[13]。計算各層次對于系統的總排序權重，并進行排序；最后，根據綜合評價值來判定可采性[12-13]。根據煤礦地質資料以及評價結果顯示，1223工作面地質開采條件良好，建議開采工藝為綜采。工作面采用一次采全厚、走向長壁采煤法，在回采過程中需要采取安全保障措施。

2.2 邊角煤連續開采技術因素分析

由于1223整個工作面呈“倒L”形，需要結合礦井具體生產實踐，要保證工作面連續回采，在開采過程中需要進行一次工作面對接，連續穿越兩條老巷，進行三次工作面調采。

工作面的成功對接要求對接巷支架的初始安裝位置準確無誤，保證工作面對接時兩個對接支架間的距離為200±100 mm。同時，要避免對接時出現頂梁臺階和工作面運輸機起伏等情況。

工作面推進過程中，需要連續穿越二采二煤運輸和軌道上山。由于兩條巷道已廢棄多年，回采過程中需要采取加強支護、加強通風管理等措施。

由于工作面整體呈“倒L”形，工作面推進時需要經歷三次調采。工作面旋轉開采時，工作面輸送機控制、支架位態控制、煤壁和頂板管理，以及巷道圍巖控制是影響工作面正常回采的關鍵因素。

3 不規則邊角煤連續開采設計

3.1 工作面對接設計

工作面對接過程中，利用掘進過程中的導向點確定對接巷支架的初始安裝位置。

工作面開切眼斜長76.5 m，安裝支架51架，支架安裝完成之后，機尾最后一架距離導70點0.26 m。由地測科提供的導向點坐標可知，在工作面傾向上導70點和導72點之間的距離為0.46 m。一般要求工作面對接時兩個對接支架間的距離為200±100 mm，由此確定對接巷起始支架及52號支架的位置。為了便于控制，在該線兩側200 mm處再畫兩條平行線作為支架方位控制線，對接巷支架位置的確定，如圖2所示。在此后的推進過程中，要通過及時調整運輸機偽傾斜角度來保證支架位于兩條控制線之間，確保順利對接。

圖2 對接巷支架定位示意圖

工作面推至距離對接巷20 m時，為了避免對接時出現頂梁臺階以及工作面運輸機起伏，由地測科劃定巷道的腰線。區隊以腰線為準進行推進，保持支架與輸送機垂直，并調整好對接點的回采層位，保證工作面與對接巷出的溜槽平直無卡阻。

當51號支架到達既定位置時，確保其外沿與52號支架之間的距離為150 mm，高差為120 mm。

3.2 工作面過老巷設計

1223工作面回采過程中需要連續穿越兩條巷道。巷道間距為20 m，已廢棄多年，回采過程中需要采取加強支護以及加強通風管理等措施。

工作面開切眼貫通之后，首先由通風區和礦救護隊進入老巷。確保安全的前提下，由區隊將老巷內廢舊設備回撤，同時在巷道中心線兩側支設兩排圓木木垛支撐頂板。圓木排距為800 mm，木垛5 m一個，圓木柱規格為Φ180 mm×2 700 mm，用木楔加緊，并拴繩防倒。局部冒頂地段可適當采用單體支柱加強支護，然后將巷道內的U型鋼及兩幫的錨桿支護去除，最后回撤單體支柱。在回撤原巷道內的支護材料時，必須進行“敲幫問頂”，嚴格按照“自上而下，由里到外”的順序進行。

3.3 工作面調采設計

由于2號煤是三軟煤層，并且1223工作面呈“倒L”形。因此，在回采過程中需要連續多次調采，以保證工作面連續安全推進。

3.3.1 旋轉方式的確定

工作面旋轉開采主要有兩種旋轉方式：實心旋轉和虛心旋轉，如圖3所示。

圖3 工作面旋轉開采方式示意圖

實心旋轉工藝較簡單，工作量較小，但是旋轉中心位于工作面的端部。由于支架的反復支撐，旋轉中心附近的頂板破碎難以管維護，工作面設備難以管理。虛心旋轉工藝相對復雜，但是旋轉中心位于工作面以外。整個工作面都能保持向前推進，減少了反復支撐頂板的次數，有利于頂板的管理。1223工作面的地質條件較差，煤層具有頂板破碎，煤層及底板松軟的三軟特性，為保證工作面回采的順利進行，本設計采用虛心旋轉方式調采。

3.3.2 旋轉開采參數的確定

工作面進行旋轉開采時，需要確定工作面旋轉開采參數，主要包括：旋轉角度、每循環割煤進刀數、完成旋轉共需循環數、調斜提前距離等。各參數的計算公式見式(1)～(5)。

1)旋轉角α。

α=arcos (L3/L4)

(1)

式中:L3為開始旋轉開采時工作面長，m；L4為旋轉開采后的工作面長，m。

2)完成旋轉割煤總刀數n。

n=m+(L-L1-L2-2Lm)/ω

(2)

式中:m為每循環割煤進刀數；L為工作面長度，m；L1為工作面輸送機頭長度，m；L2為工作面輸送機尾長度，m；Lm為采煤機長度，m；ω為輸送機可彎曲長度，m。

3)每循環旋轉角度α′。

a′=arcos [(n-m)B/L]

(3)

式中B為采煤機截深，m。

4)完成α角旋轉共需循環數f。

f=α/α′

(4)

5)調斜提前距離T。

T=n·m·B

(5)

3.3.3 旋轉開采施工

1223工作面進行三次旋轉開采，第一次旋轉25°，第二次旋轉90°，第三次旋轉35°。工作面進行旋轉開采時，采煤機采用長短刀相結合的采煤方式，實現一個割煤循環時采用1組長刀和5組短刀配合割煤，能有效利用采煤機截深，可滿足工作面兩端不同推進度的要求，保證機頭和機尾按比例推進。工作面調斜提前距離為30 m，即工作面推進到距旋轉折點處30 m時，開始進行旋轉開采。

旋轉開采時使用采煤機單向割煤、刮板輸送機單向推進方式進行。

4 回采保障措施

4.1 工作面刮板輸送機控制

工作面每10個支架安裝一組防滑千斤頂。將其兩端分別固定在支架底座和刮板輸送機連接點上，利用支架穩定刮板輸送機。上竄下滑嚴重時，可采用每隔5架采用DW32型單體支柱輔助固定的方法。當輸送機上竄時，將單體斜向下支設；當輸送機下滑時，將單體斜向上支設，并在機頭用DW25型單體支柱打好壓車柱。

4.2 支架位態控制

工作面在旋轉回采過程中，需要頻繁調整支架推進方向。必須保證工作面內支架始終垂直輸送機，推溜移架時嚴格遵循“上行推溜、分段下行移架、支架每移必調、勤調微調”的原則。若出現擠咬現象，在移架過程中及時利用支架側護板或單體液壓支柱調整。

4.3 煤壁及頂板管理

在工作面旋轉開采時，煤壁片幫嚴重，且煤壁前方頂板出現一定程度的冒頂。尤其在最后一次調采時，工作面是仰斜開采。除了采取常規的加強支護、保證支架初撐力、提高移架速度、及時帶壓移架等措施之外，需對片幫嚴重的區域進行注漿加固，以防止工作面冒頂。

注漿孔采用三花眼布置的方式，如圖4所示。兩排孔分別距頂板0.3 m和1.3 m，孔距均為3 m，終孔深度為8.0 m，設計注漿孔的終壓為10 MPa。上排孔向上傾斜15°以進入頂板，下排孔水平布置。

4.4 巷道圍巖控制

工作面調采過程中，工作面兩巷變形劇烈，表現為變形速度快、變形量大。為此將超前支護距離由20 m延長到30 m，并且設三排單體柱加強支護，如圖5所示。單體支柱接π型鋼的布置方式，如圖6所示。靠近回采巷幫側的單體支柱通過十字鉸接頂梁和切頂柱相連，形成一個整體，增加穩定性。

圖4 注漿孔布置示意圖

圖5 工作面調采段超前支護示意圖(單位：mm)

圖6 單體柱接π型鋼布置示意圖(單位：mm)

通過采取以上措施，實現了1223邊角煤回采工作面的正常回采，保證計劃順利完成，取得了理想的效果。

5 結論

1)針對1223工作面的形狀尺寸，提出采用“倒L”形工作面連續開采設計，減少了工作面搬家次數，保證了不規則工作面的連續推進，實現邊角煤工作面正常回采，保證計劃順利實施，取得了理想效果。

2)1223工作面回采時采取了有效的保障措施，保證了工作面成功對接、旋轉開采順利進行。及時采取加強支護，有效控制煤壁片幫和頂板冒頂；通過延長超前支護距離，有效控制巷道圍巖變形。

3)以1223工作面開采為例，研究了工作面對接、過老巷和旋轉開采等典型不規則邊角煤塊段綜合機械化開采方法與技術，取得了顯著的技術經濟效益，擴大在綜采的應用范圍和適應性，為不規則邊角煤資源的回收提供了參考。

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Continuous mining design and actual mining practice for irregular boundary coal

ZHUO Qingfeng1，YANG Bo2，ZHAO Li2，FENG Zekang2

(1.Mining Department, Ordos Vocational College, Ordos 017000, China; 2.College of >Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Based on the 1223 working face of Xiandewang Mine, the geological conditions of corner coal are analyzed according to the actual conditions of working face, and the design scheme of "inverted L" face mining is put forward and the mining practice is carried out. In practice, a working surface docking, three rotary mining and continuous crossing through the two lanes are carried out, and multiple effective measures are applied to achieve the safe recovery of the working surface. Mining practice results show, the continuous mining design program of the "inverted L"-shaped work face achieved the normal mining of 1223work face, and reduced the moving frequency of the work face so as to ensure the continuous face mining, saving the costs and improving the economic benefits; protection measures were taken during the face mining to strengthen the support and extend the distance of the fore support in time for effective control of rib fall of coal wall, roof caving and roadway surrounding rock deformation; the normal mining of 1223 work face expanded the scope of application and adaptability of fully mechanized coal and provided a reference for the recycling of the irregular boundary coal resources.

irregular corner coal；docking technology；rotary mining；roof management

2016-10-22

國家自然科學基金項目資助(編號：51234005；51504259)；中央高校基本科研業務費專項資金項目資助(編號：2010QZ06)

卓慶奉(1981-)，講師，碩士，主要從事礦山工程技術的教學和研究工作，E-mail：myxinye@163.com。

TD823.89

A

1004-4051(2017)02-0117-05