磁窯溝煤礦不規(guī)則邊角煤采面合理布置研究與實(shí)踐

陳 航

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

1 礦井概況

1.1 井田概況

磁窯溝煤礦位于山西省河曲縣城東南方向，井田面積10.622 7 km2，核定生產(chǎn)能力為240萬t/a，共有4層可采煤層，分別為10-1號、10-2號、11號和13號煤層，井田地層總體產(chǎn)狀平緩呈單斜構(gòu)造，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，水文地質(zhì)類型為中等類型，自燃發(fā)火等級為Ⅱ級，低瓦斯礦井。。礦井開拓方式為綜合開拓，分2個(gè)水平開采，第一水平標(biāo)高+923.894 m，開采10-2號、11號煤層，第二水平標(biāo)高+890.0 m，開采13號煤層。截止2020年，10-2號煤層已進(jìn)入末采期，僅遺留不規(guī)則邊角煤塊段[3]可進(jìn)行回采，現(xiàn)開采11號煤最后一個(gè)工作面，同時(shí)對13號煤延深開拓建設(shè)。為保證向下水平過渡[4]期間礦井煤量供應(yīng)，現(xiàn)需對10-2號煤不規(guī)則邊角煤塊段進(jìn)行合理化采面布置，滿足礦井生產(chǎn)接續(xù)要求。

1.2 邊角煤遺留概況

（1）磁窯溝煤業(yè)10-2號煤層可布置正規(guī)長壁綜采工作面的采區(qū)均已回采完畢，三盤區(qū)工作面回采結(jié)束后，北輔運(yùn)大巷至回撤通道段遺留煤柱達(dá)94 m，邊角煤塊狀整齊，煤層厚度4.0～5.0 m，頂?shù)装鍘r性均為泥巖，屬穩(wěn)定可采煤層。現(xiàn)利用原10-2號煤層北輔運(yùn)大巷、原采面回撤通道，可將三盤區(qū)遺留邊角煤圈定為一個(gè)小型的長壁綜采工作面進(jìn)行開采，可采儲(chǔ)量約為86.42萬t。

（2）11號煤層上距10-2號煤層間距平均5.5 m，煤層厚度4.0 m，為不穩(wěn)定的局部可采煤層，僅在井田西部布置有3個(gè)綜采工作面，遺留邊角煤可采儲(chǔ)量約為25.23萬t，邊角煤塊段不規(guī)則，難以布置正規(guī)采面進(jìn)行開采。11號煤層邊角煤遺煤區(qū)如圖1所示。

圖1 1 1號煤層邊角煤遺煤區(qū)Fig.1 Corner coal of No.11 coal seam

2 工作面設(shè)計(jì)

2.1 巷道布置

10306綜采工作面長度94 m，推進(jìn)長度1 362 m。10306工作面與10-2號煤層10301、10302、10303、10304采面垂直布置，位于井田東北部。10306膠運(yùn)順槽利用原10-2號煤層遺留的輔運(yùn)大巷北部一段，作為該工作面生產(chǎn)時(shí)運(yùn)煤、進(jìn)風(fēng)、安全出口巷道；10306回風(fēng)順槽利用三盤區(qū)原10301、10302、10303、10304工作面回采結(jié)束后留置的輔回撤通道，作為生產(chǎn)時(shí)回風(fēng)、安全出口巷道；距井田北部區(qū)保安煤柱68 m位置開設(shè)10306切眼，切眼長度94 m，距切眼1 362 m處開設(shè)10306主回撤通道，為后期設(shè)備回撤提供運(yùn)輸巷道。10306綜采工作面巷道布置如圖2所示。

圖2 1 0306綜采工作面巷道布置Fig.2 roadway layout of No.10306 Face

2.2 巷道支護(hù)

（1）10306膠運(yùn)順槽（原10-2號煤層北輔運(yùn)大巷）巷寬5.6 m，巷高3.7 m。頂部采用錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+混凝土支護(hù)，頂錨桿φ18 mm×2 000 mm圓鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，每排6根，每孔1根CK2360型樹脂；錨索φ15.24 mm×8 000 mm鋼絞線，間排距2 500 mm×3 000 mm，每排2根，每孔2根CK2360型樹脂；幫錨桿φ16 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 600 mm，每排3根，每孔1根CK2360樹脂。

（2）10306回風(fēng)順槽（原10-2號煤層10301、10302、10303、10304輔回撤通道）巷寬5.0 m，巷高3.7 m。頂部采用錨桿+錨索+鐵絲網(wǎng)支護(hù)，頂錨桿φ18×2 000 mm圓鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，每排6根，每孔1根CK2360型樹脂；錨索φ15.24 mm×8 000 mm鋼絞線，間排距2 500 mm×3 000 mm，每排2根，每孔2根CK2360型樹脂；幫錨桿φ16 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 600 mm，每排3根，每孔1根CK2360樹脂。

2.3 設(shè)備配備

（1）采煤機(jī)選用MG650/1620-3.3WD型采煤機(jī)1部，供電電壓3 300 V，滾筒直徑2 500 mm，滾筒截深800 mm，截割功率2×650 kW，總裝機(jī)功率1 620 kW。

（2）液壓支架選用ZY8000/24/50D型掩護(hù)式液壓支架，支架支撐高度2 400～5 000 mm，支架中心距1 750 mm，工作阻力8 000 kN。

（3）刮板輸送機(jī)型號SGZ1000/1400，寬度1 000 mm，電機(jī)功率2×700 kW；轉(zhuǎn)載機(jī)型號SZZ1000/400，電機(jī)功率400 kW，自移機(jī)尾搭接；破碎機(jī)型號PCM400，裝機(jī)功率400 kW。

（4）乳化液泵型號BRW400/31.5X，3泵2箱，公稱流量400 L/min，額定工作壓力31.5 MPa；噴霧泵型號BPW(5S)500/16Q，2泵1箱，公稱流量500 L/min，公稱壓力16 MPa。

（5）天津華寧電氣有限公司生產(chǎn)的KTC101-Z通訊控制系統(tǒng)1套。

3 生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化

（1）運(yùn)煤系統(tǒng)。采煤機(jī)割煤后，落煤通過刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、順槽膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至北膠運(yùn)大巷膠帶輸送機(jī)，通過主斜井膠帶輸送機(jī)運(yùn)至地面選矸樓，破碎后進(jìn)入地面煤倉。運(yùn)煤路線：工作面采煤機(jī)—刮板輸送機(jī)—轉(zhuǎn)載機(jī)—破碎機(jī)—10306膠運(yùn)順槽膠帶輸送機(jī)（原10-2號煤層北輔運(yùn)大巷）—機(jī)頭破碎機(jī)—北膠運(yùn)大巷皮帶機(jī)—主斜井皮帶—選矸樓破碎—上倉皮帶—地面煤倉。

（2）輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。材料/人員—副平硐—北輔運(yùn)大巷—北回風(fēng)大巷—10306回風(fēng)順槽—10306工作面。

（3）通風(fēng)系統(tǒng)。礦井通風(fēng)方式為抽出式，通風(fēng)方法為中央并列式，工作面采用一進(jìn)一回“U”型全風(fēng)壓通風(fēng)。新鮮風(fēng)流：地面—副平硐/主斜井—北輔運(yùn)/北膠運(yùn)大巷—10306膠運(yùn)順槽（原10-2號煤層北輔運(yùn)大巷）—10306工作面；乏風(fēng)風(fēng)流：10306工作面—10306回風(fēng)順槽—10306回風(fēng)繞道—北回風(fēng)大巷—回風(fēng)斜井—地面。

（4）供電系統(tǒng)。礦井供電采用雙回路供電，工作面供電來自中央變電所GY-5高壓開關(guān)、10306膠運(yùn)順槽至工作面移動(dòng)變電站，供電給采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面通訊系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、泵站、控制臺(tái)。

（5）供排水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)：深水井的水經(jīng)深井泵、輸水管線到高位水池，高位水池水在靜壓作用下，通過回風(fēng)井供水管進(jìn)入北膠/輔/回大巷供水管路，經(jīng)工作面順槽管路直接供至工作面。排水系統(tǒng)：10306膠運(yùn)順槽配備1趟4寸排水管，10306回風(fēng)順槽配備1趟6寸排水管。排水線路：工作面順槽水泵—順槽內(nèi)排水管路—井下中央水泵房—地面污水處理車間。

（6）防滅火系統(tǒng)。10-2號煤層自燃傾向性為自燃煤層，自燃等級為Ⅱ級。井下防滅火措施主要包括噴灑阻化劑、注氮、束管監(jiān)測。噴灑阻化劑：在10306綜采工作面膠運(yùn)順槽列車上安設(shè)阻化液泵站，將阻化劑（MAP-高分子，濃度按3.6%比例配置）放入儲(chǔ)液罐進(jìn)行攪拌，向機(jī)頭、機(jī)尾、架間采空區(qū)進(jìn)行噴注，在煤體表面生成保護(hù)膜，與氧氣隔絕，達(dá)到防滅火目的。注氮：采用碳分子篩制氮工藝技術(shù)制取氮?dú)猓ㄟ^單管向采空區(qū)注入氮?dú)狻Ｊ鼙O(jiān)測：地面布置束管采樣設(shè)備及氣體分析設(shè)備，將多芯束管管纜鋪設(shè)到工作面，在采空區(qū)每隔一定距離安設(shè)1個(gè)束管采樣器，采樣器與單芯束管連接。系統(tǒng)工作時(shí)，先根據(jù)預(yù)埋束管采樣地點(diǎn)氣體的編號打開氣體采樣控制柜相應(yīng)的進(jìn)口控制開關(guān)，啟動(dòng)采樣抽氣泵使束管內(nèi)形成負(fù)壓，讓井下被測地點(diǎn)的氣體進(jìn)入束管，經(jīng)氣水分離器后進(jìn)入氣相色譜儀進(jìn)行化驗(yàn)分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行煤自燃發(fā)火的早期預(yù)測預(yù)報(bào)。

4 空巷頂板管理

4.1 原采面風(fēng)橋處理

10306工作面內(nèi)（原采面膠輔順槽與原北回風(fēng)大巷交叉段）含風(fēng)橋8座，為保證10306綜采工作面在回采過程中支架正常推進(jìn)、接頂牢靠，需提前對風(fēng)橋進(jìn)行拆除并施工人工假頂。風(fēng)橋段設(shè)計(jì)施工錨索+工字鋼+鋼筋網(wǎng)+道木假頂，假頂施工平均高度為3 m，假頂施工后巷道平均高度為3.7 m；假頂施工前對空巷施工補(bǔ)強(qiáng)錨索、預(yù)注馬麗散進(jìn)行頂板加固，10306工作面風(fēng)橋假頂施工如圖3所示。

圖3 1 0306工作面風(fēng)橋假頂施工Fig.3 False roof construction of wind bridge in No.10306 Face

（1）對原采面風(fēng)橋拆除段提前進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)并預(yù)注馬麗散加固，補(bǔ)強(qiáng)錨索采用φ17.8 mm×10 000 mm型錨索，間排距1 500 mm×3 000 mm，1排3根，每套消耗2根CK2360樹脂，補(bǔ)強(qiáng)錨索與原錨索間隔均勻分布；馬麗散孔5 m/處，單孔注漿量預(yù)計(jì)為1.5 t。

（2）假頂采用工字鋼棚上架設(shè)木垛支護(hù)，11號工字鋼與順槽平行布置，4根/排，施工3排，每排長度分別為4.5、5.5、4.5 m，工字鋼間距為1 000 mm，排距為500 mm，每座風(fēng)橋施工木垛24垛，道木尺寸為150 mm×150 mm×1 200 mm，木垛每層2根道木，橫豎交錯(cuò)成垛，為保證木垛與頂嚴(yán)密接實(shí)、平穩(wěn)可靠、應(yīng)適時(shí)添加木楔子，并用扒釘固定，保證嚴(yán)實(shí)接頂。

（3）為防止道木掉落傷人，先在鋼棚上鋪上一層鋼筋網(wǎng)，然后架設(shè)木垛，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1.1 m×3.6 m；鋼筋網(wǎng)下方施工錨索+工字鋼，每條工字鋼上施工2根吊掛錨索，錨索間排距分別為1.0 m×3.0 m/4.0 m/3.0 m，采用φ17.8mm×8 000 mm型錨索，每套消耗2根CK2360樹脂，利用工字鋼將木垛托住，待鋼筋網(wǎng)和道木碼放好后，進(jìn)行張緊牢固。

4.2 原采面空巷處理

10306工作面內(nèi)原采面遺留的膠輔運(yùn)順槽、聯(lián)巷、回風(fēng)繞道、北回風(fēng)大巷在正常回采過程中懸頂面積大、應(yīng)力集中、發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性高，為保證10306綜采工作面順利推進(jìn)，需對空巷施工補(bǔ)強(qiáng)錨索+馬麗散加固處理。空巷加固如圖4所示。

圖4 空巷加固Fig.4 Reinforce of abandoned roadway

（1）對10306工作面內(nèi)巷道交叉點(diǎn)前后15 m范圍、與工作面平行、垂直、斜交巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)并預(yù)注馬麗散加固，錨索間排距1 500 mm×3 000 mm，1排3根，補(bǔ)強(qiáng)錨索與原錨索間隔均勻分布，每套消耗2根CK2360樹脂，鋼帶型號0.23 m×3.6 m；馬麗散孔5 m/處，單孔注漿量預(yù)計(jì)為1.5 t。

（2）提前對10306工作面內(nèi)原采面10301、10302、10303、10304膠輔順槽、聯(lián)巷、斜巷回風(fēng)繞道幫部網(wǎng)片進(jìn)行拆剪，防止網(wǎng)片進(jìn)入系統(tǒng)。

（3）定期對巷道頂板離層情況進(jìn)行觀測分析，對于頂板離層明顯區(qū)域，應(yīng)盡早施工木垛或補(bǔ)打單體支柱進(jìn)行支護(hù)。

5 10306工作面安全施工措施

（1）設(shè)計(jì)方案前需認(rèn)真考察現(xiàn)場作業(yè)施工條件，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。施工前由技術(shù)人員按設(shè)計(jì)要求編制安全施工措施，審批后嚴(yán)格貫徹執(zhí)行。

（2）施工過程中，施工管理人員按照設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)場安全管理制度，嚴(yán)格管控現(xiàn)場施工，方案執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)與工程設(shè)計(jì)人員溝通，不斷完善支護(hù)方案。

（3）工作面正常回采過程中，加強(qiáng)頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)制定相應(yīng)措施進(jìn)行處理，為最大限度降低通過空巷時(shí)懸頂面積，需調(diào)斜工作面快速通過，保證現(xiàn)場作業(yè)人員安全。

6 結(jié) 論

（1）10306綜采工作面利用礦井不規(guī)則邊角煤局部成型整齊的特點(diǎn)，在充分論證研究的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化工作面設(shè)計(jì)、完善生產(chǎn)系統(tǒng)、預(yù)先加固空巷頂板、對超高區(qū)域施工假頂?shù)却胧乖摴ぷ髅婢邆湔ｉL壁綜采面回采條件，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件下邊角煤機(jī)械化開采的目的。

（2）長壁綜合機(jī)械化開采邊角煤，在技術(shù)管控、機(jī)械化程度、安全生產(chǎn)、生產(chǎn)效益等方面具有顯著優(yōu)勢，能夠適應(yīng)復(fù)雜煤層賦存條件，高回收率回收煤炭資源。為礦井水平延深期間煤量供應(yīng)提供了保障，對其他有類似條件礦井回采邊角煤提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。