底板起伏條件下綜采工作面回采工藝

王俊虎

(山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030200)

引 言

綜采工作面回采率一直以來都是考核煤礦的關鍵指標，即實現煤礦綜采工作面的高效安全開采。實踐表明，影響工作面高效安全生產的主要因素包括工作面煤層的傾角范圍、煤層埋藏深度、工作面地質相關的褶皺及斷層條件等。本文將針對工作面褶皺和斷層條件下對煤礦開采的影響。理論研究表明，工作面底板的起伏變化不僅會影響割巖量的增加，而且在煤巖交叉位置容易出現煤壁片幫、頂板等圍巖控制效果不佳等問題，從而在影響煤礦安全開采的同時，還會造成頂煤的浪費[1]。因此，本文將著重對底板起伏條件下綜采工作面的回采工藝和注漿加固進行研究。

1 工程概況

新景煤礦設計生產能力為600萬t/a，80117工作面可供開采的煤層包括3#、8#、9#以及15#煤層。本文以新景煤礦80117工作面目前開采的15#煤層為例展開研究。80117工作面的走向長度為1 423 m，其中工作面的傾斜長度為220 m，15#煤層的埋藏深度為430 m～585 m。經探測，15#煤層的厚度范圍為4.7 m～6.9 m，平均煤層厚度為5.94 m；煤層傾角范圍為2°～18°，平均傾角范圍為10°；15#煤層工作面的頂底板情況如表1所示。

表1 15#煤層工作面頂底板情況

實際探查發現，15#煤層底板存在局部不規則起伏變化，且最大傾角可達16°，最小為5°。實踐表明，15#煤層底板起伏較大在煤層和巖層的交叉界面存在支護困難影響其生產安全性；同時，由于底板起伏較大為了保證生產安全性煤層上方的頂板不進行放煤操作，從而導致頂煤被浪費。此外，由于工作面底板起伏較大，導致工作面搬遷效率低，進而影響工作面的煤炭開采效率。

2 底板起伏條件下回采工藝研究

為了解決底板起伏條件下安全隱患、開采率低等問題，保證底板起伏條件下對應工作面的煤炭的回收率和高效益化，需根據底板實際情況設計最佳工藝回采路線[2]。鑒于15#煤層工作面走向長度中包括有傾斜方向和走向方向的工作面，本節將對上述兩個方向的回采路線進行研究。

2.1 底板起伏條件下傾斜方向工作面回采路線分析

工作面底板起伏存在溝谷區域和背斜構造帶兩種形式，針對溝谷區域為保證刮板輸送機可安全、穩定通過該區域，采用留底煤的開采方式，其對應的回采路線如圖1所示。

圖1 溝谷區域回采路線

針對背斜構造帶煤層開采，可通過截割底板巖石或預留底板煤層的兩種方式，其對應的回采路線分別如圖2a)、b)所示。

圖2 背斜構造帶煤層對應兩種回采路線

圖2a)中為當前80117工作面15#煤層的開采方式，該開采方式下采煤機和刮板輸送機可平穩推進，但需截割一部分巖層；圖2b)中采煤機到達背斜構造帶位置存在一定的爬坡現象，不許對底板巖層進行截割，但底板會預留一定的煤量。結合工作面底板情況，圖2b)中對應開采方式下采煤機的最大傾斜角度可達20°，最小傾斜角度為12°。

不同傾斜角度下開采時截割巖層的量如圖3所示。

圖3 截割巖層量與傾斜角度的變化關系

如圖3所示，隨著傾斜角度的增加所截割巖層的量不斷減少。但是，當傾斜角度較大時液壓支架的穩定性較差，當在實際移架過程中由于傾角較大導致摩擦力較小，存在咬架的現象，也就是說需適當降低傾斜角度[3]。如圖3所示，綜合考慮巖層截割量和液壓支架的穩定性，當傾斜角度為12° 時雖然液壓支架穩定性能較好但是其對應巖層截割量為195 m3；而傾斜角度為16° 時巖層截割量明顯降低至45 m3。因此，綜合分析將傾斜角度設定為16°。

綜上所述，考慮到避免預留底煤浪費較大的問題，針對80117工作面15#煤層傾斜工作面的背斜構造帶和溝谷位置采用截割適量巖層的回采方式，且對應的傾斜角度為16°。

2.2 底板起伏條件下走向方向工作面回采路線分析

針對工作面底板起伏條件下走向方向工作面回采，本節分為工作面過背斜構造區域、工作面過背斜拱頂。

2.2.1 過背斜構造區域開采

當工作面過背斜構造區域時，由于工作面底板的起伏變化較大，因此需適當調整液壓支架的角度以適應煤層的變化，與此同時采煤機也需采用仰采的方式進行，以避免截割到底板下方的巖層。針對過背斜構造區域的開采，為確保采煤機盡快找到煤層[4]。經仿真分析可知，當采煤機仰角為16°時需推進210 m才能找到煤層；當采煤機仰角為20°時需推進43 m即可找到煤層。因此，針對底板起伏條件下采煤機過背斜構造區域時需將采煤機仰角調整為20°。

2.2.2 過背斜拱頂區域開采

針對采煤機過背斜拱頂區域開采，可設計如圖4所示的開采方式。

圖4 過背斜拱頂區域開采

如圖4所示，針對工作面過背斜拱頂區域時同樣可采用沿著煤層開采和截割底部巖層的兩種開采方式[5]。當沿著煤層開采時，采煤機最大傾斜角度可達30°，此時傾斜角度過大容易對應液壓支架的穩定性極差，此工藝不予采用；當采用截割底部巖層的開采方式時，對應采煤機的傾斜角度可為16°和10°兩種。其中，當傾斜角度為16° 時，截割工作面離頂板的距離較小，容易發生片幫、冒頂等事故；當傾斜角度為10° 時，截割工作面距離頂板的距離較對應采煤機等設備可穩定通過，但煤炭浪費較多。

因此，綜上所述當頂板圍巖穩定性較好時可將傾斜角度調整為16°，避免過多的頂板煤炭浪費；當頂板圍巖穩定性較差時可將傾斜角度調整為10°，避免片幫、冒頂事故的發生。結合80117工作面的頂底板以及巖層情況其頂板圍巖穩定性較好，針對其過背斜拱頂區域的開采將采煤機傾斜角度調整為16°。

3 結論

煤礦綜采工作面回采工藝設計的合理性對其生產安全性和高效性具有重要意義。對于底板起伏較大的工作面煤層的開采，存在煤巖與巖層交界區域位置支護困難，導致頂板冒頂及片幫事故的發生；此外，頂板煤不放煤的操作也造成煤層極大的浪費，工作面搬遷效率也低。因此，本文以80117工作面15#煤層開采為例對其走向方向和傾斜方向工作面的回采工藝進行研究，具體總結如下：

1)針對傾斜方向工作面回采其中的背斜構造帶和溝谷位置，采用截割適量巖層的回采方式，且對應的傾斜角度為16°。

2)針對走向方向工作面回采的過背斜構造區域回采需將采煤機的傾斜角度調整為20°，對于背斜構造拱頂區域鑒于工作面頂板圍巖條件較好將采煤機傾斜角度調整為16°。