智能矮采工作面收尾方案設計及應用

◎崔天龍

一、自然情況簡介

1.礦井概況。

鐵法能源有限責任公司曉南礦于1971年10月1日開工建設，1980年9月28日建成投產，原設計生產能力為90萬噸/年，經改擴建后，現核定生產能力為210萬噸/年。曉南礦位于鐵法煤田的東南部，地處遼寧省北部調兵山市區境內遼河北畔，東距鐵嶺市35 公里，南距沈陽市110 公里。曉南煤礦南北走向長5.47 公里，東西寬4.2 公里，面積為23 平方公里，是鐵法能源有限責任公司所屬的大型現代化礦井之一。

2.工作面概況。

N1-1406 工作面位于北一采區南部，西部為N1-1405 老空區，東側為工業廣場保護煤柱，北部為北一14 層軌道中巷、回風中巷，南部為SW1406、SW1407 老空區。采區內工作面沿煤層的傾向布置，采區內布置一條材料道與二水平北翼運輸大巷相通，運順與北一14 層皮帶中巷相通，回順與北一14 層軌道中巷相通。

N1-1406 工作面開采的煤層為下含煤段14#煤層。煤層總體為單斜構造，煤層傾角4°～7°之間。工作面長173m，運順長571m，回順長590m，回采長度480m，可采儲量25萬噸。煤層厚度 1.4m～2.1m 之間，平均 1.7m，發熱量（Qnet，ar）4147cal/g。

圖1 N1-1406 智能矮采工作面布置圖

二、工作面水文地質情況

1.地表水情況。

工作面地表采動影響范圍內有沉陷積水區VI 區，面積為68900m2，積水量為 206700m3。

N1-1406 工作面最大采高為1.70m，導水裂隙帶最大高度為36m。地表水標高為+62m，距N1-1406 老空區最小間距552m，保護層厚度為516m，地表水體對本工作面回采無影響。

2.含水層、隔水層。

工作面頂板為阜新組承壓含水層，富水性弱，采用相鄰431號孔抽水資料K=0.000179m/d，q=0.000434L/m·s。該含水層主要接受上部巖層垂直滲透補給，排泄條件差，徑流條件差。相鄰工作面生產實見主要以頂板滴淋水為主，對工作面生產影響小。

3.相鄰采空區情況。

工作面南側為 SW1406、SW1407、SW1401、SW1402 老空區，北一 15 層泄水道于 2019年 12月 3日～2020年 4月 1日對上述老空區內積水進行了探放，累計放出積水164281m3，剩余135669m3，積水標高為-530m，老空區積水線與N1-1406 工作面最近距離80m，老空區積水對N1-1406 工作面回采無影響。

4.鉆孔情況。

工作面采動影響范圍內經過417 號地質鉆孔警戒區域，施工地質鉆孔時按設計要求進行封孔，封孔質量合格。

三、設備布置情況

1.支護設備情況。

N1-1406 工作面共布置120 組液壓支架，其中端頭液壓支架 5 組 （ZYT6400/17/33D）， 過 渡 液 壓 支 架 4 組（ZYG5200/08/18D），中間液壓支架111 組（ZY5200/08/18D）。

N1-1406 工作面運順超前支護布置2 組替棚支架（加長改造）、回順超前支護布置3 組替棚支架，替棚支架型號為ZY9200-19/35。

該工作面液壓支架及替棚支架由鐵煤集團機械制造總公司設計、研發、制造，結合天瑪公司裝配的電液控制系統，使液壓支架實現了自動控制。

2.落煤、運煤設備情況。

N1-1406 工作面落煤采用的是天地科技股份有限公司上海分公司生產的MG450/1050-WD 型交流電牽引采煤機。運煤采用的是SGZ800/800 型刮板運輸機、SZZ800/315 型轉載機以及PLM2000 型破碎機，它們均來自寧夏天地奔牛實業集團有限公司。

四、智能矮采工作面收尾方案

1.工作面收尾工程存在的問題。

薄煤層工作面采高與兩順巷道高度通常存在差異。以曉南礦N1-1406 工作面為例，該工作面順槽巷道凈高為2.9m，工作面回采高度為1.7m，工作面拆除回撤設備的最低巷道高度為2.6m，該工作面所使用的MG450/1050-WD 型采煤機最大割煤高度為1.7m。由于采煤機的割煤高度無法達到回撤的巷道的高度，所以不能實現采煤機一次性成巷的目的。同時，由于采煤機在劈幫過程中采高較矮，打設支護錨桿、錨索也成為了難題。針對以上的問題，通過對工作面頂板狀態、工藝流程等分析，尋找到了適合薄煤層工作面的收尾方案。

2.解決方案。

（1）工作面劈幫頂板支護方案。

由于矮采工作面采煤機的劈幫高度有限，通常使用支護頂板的φ22mm×2200mm 全螺紋等強錨桿在施工過程中存在一定的難度。通過研究，決定采用φ21.8mm×2500mm 鋼絞線與φ21.8mm×5200mm 鋼絞線結合的方式對頂板進行支護。具體方案如下：頂板采用5 排Φ21.8mm×2500mm 錨索（以下簡稱為短錨索）、2 排Φ21.8mm×5200mm 錨索（以下簡稱為長錨索）及金屬網聯合支護。第1 排短錨索距支架頂梁前端0.1m；第5 排短錨索與水平方向成750 夾角，距煤壁0.3m；短錨索排距均為0.8m、間距均為1m；每孔錨固劑用量為CKZ23120 樹脂藥卷1 支。第1 排長錨索距支架頂梁前端1.2m，第2 排長錨索距煤壁1.1m，排距1.3m、間距2m；每孔錨固劑用量為CKZ2370 樹脂藥卷2 支。為減小施工難度錨桿鉆機采用短腿型號以方便錨索的打設。

圖2 工作面劈幫斷面圖

（2）面劈幫巷幫支護方案。

薄煤層工作面在收尾劈幫過程中通常以煤層頂板作為標志層，如此一來，拆除巷道在完全達到2.6m 后，其巷幫上部分為煤層、下部分為巖層。針對這個特點，制定了巷幫支護的方案。具體方案如下：煤壁采用3 排Φ22mm×2000mm 全螺紋等強錨桿及金屬網聯合支護。采煤機劈幫達到凈寬后，首先施工2排幫錨桿，錨桿左右間距為0.9m，上下排距為0.8m。第一排錨桿距頂板0.4m，在鐵托盤與煤壁間使用木托盤加強支護；每孔錨固劑用量為CKZ2370 樹脂藥卷1 支。工作面拉底凈高達到2.6m后，煤壁底部補打1 排幫錨桿，規格為Φ22mm×2000mm 全螺紋等強錨桿；左右間距為1.35m，距底板0.6m、距第2 排幫錨桿0.8m。

圖3 工作面劈幫剖面圖

（3）面鋪網方案。

為了確保工作面拆除期間兩順三角點及端頭支架處頂板的穩定，保證施工的安全，決定對工作面前后各6 架進行鋪網，引網采用2 寸（或4 寸）鐵管，首網與鐵管用12#鐵線捆綁，扣距不大于300mm。工作面前后金屬網各加掛3 排20kg/m 鐵道加強支護。第1 排鐵道距引網鐵管2.2m；3 排鐵道之間的排距為2m。支架頂梁上分布2 排，掩護梁上分布1 排。第3 排鐵道距頂梁前端1.2m。

圖4 工作面劈幫平面圖

（4）工作面劈幫方案。

由于采煤機的割煤高度有限，所以不能夠一次性完成全高度的劈幫，針對這個問題，決定將工作面的劈幫分為三個部分。

第一個部分為采煤機劈幫階段。該階段與以往的普采工作面劈幫方案相同，根據采煤機的采高及液壓支架的支撐高度對工作面進行劈幫，隨著工作面的不斷推進，按照頂板支護設計對頂板進行支護。當支架到達既定位置后不再前移，運輸機推移后，將工作面運輸機與支架相連的推拉連接裝置拆除，改用鉸接梁推移運輸機。當利用鉸接梁推移運輸機一遍后，將鉸接梁回收，改用單體液壓支柱推移運輸機。當工作面劈幫達到設計凈寬后，采用鏈環將運輸機回牽至指定位置，對煤壁的上兩排支護進行打設。

第二個部分為采煤機削底階段。當采煤機完成第一個部分的劈幫階段后，此時的劈幫高度最高為液壓支架的最大支撐高度，相比設計劈幫凈高來說，還存在很大的差距。為了減小剩余劈幫的底板高度，為下面使用側卸式裝巖機提供方便的施工條件，采煤機采取削底的方式來減小剩余的底板高度。即采煤機進行最大限度的拉底截割，當工作面進行一遍削底后，根據截深，將運輸機再一次向前推移，采煤機進行再一遍削底直至將運輸機推移至劈幫凈寬位置。當采煤機達到劈幫凈寬后，再將運輸機回牽至液壓支架停止位置，回牽過程中采煤機同樣進行遍遍削底作業。如此循環下去直至液壓支架無法繼續推移運輸機。

第三個部分為側卸式裝巖機劈幫階段。采煤機劈幫結束后，拆除巷道還未達到設計凈高，剩余的巷道底板采用側卸式裝巖機進行拉底，直到達到設計高度。遇到堅硬巖石底板時可采取松動爆破方式進行破巖處理。

五、應用效果及價值

1.采工作面收尾方案應用效果。

曉南礦N1-1406 工作面在應用該收尾方案后，達到了預期效果。在頂板支護方面，采取長、短錨索相互結合的方案施工后，頂板狀態穩定良好，直至該工作面拆除結束，頂板未出現明顯的壓力顯現，確保了拆除施工過程中的安全穩定。

施工錨索采用短腿錨桿機滿足了作業現場的條件，能夠使員工進行正常施工作業。若由于巷道施工高度限制釬桿不能正常使用時，可根據現場實際情況對釬桿長度進行縮短，以滿足各種高度的工作面。

2.經濟價值。

薄煤層工作面收尾方案的成功應用，使得今后在布置薄煤層工作面時，可以不再布置拆除準備道，因此減少了1 條巷道的掘進成本及后期維護成本，與此同時也縮短了工作面的接續時間。

其次，若采用綜掘機進行劈幫，還需要重新安設一整套綜掘機設備及配備相關施工隊伍。所以該收尾方案的成功實施，不僅在成本上節約了大量的成本，而且在時間成本上也節約了不少。

3.社會價值。

薄煤層工作面在曉南礦的首次成功收尾，給今后的薄煤層工作面收尾提供了寶貴的借鑒經驗。

4.安全價值。

由于減少了掘進巷道工程、綜掘機劈幫工程等一系列衍生的工程，在某種程度上大大提高了安全系數，減少了工程量。

5.推廣價值高。

智能化矮采工作面收尾方案在曉南礦N1-1406 采煤工作面的成功應用，證實了該方案的實用性，為薄煤層工作面的收尾方案提供了寶貴的實踐經驗，為薄煤層工作面收尾方案的創新提供了有力依據。

六、存在的問題

液壓支架在達到預定位置后與運輸機斷開連接，此后運輸機的推移要借助鉸接梁、單體液壓支柱等加長桿進行作業，該方法能夠滿足生產需要，但存在較大的工程量及安全風險。建議根據工作面所使用的液壓支架設計、制造出可與原推拉杠相連接的配套加長裝置。

七、結語

薄煤層儲量在眾多國有煤礦企業當中占有很高的比例，矮采工作面將成為許多老礦井今后的發展趨勢。針對薄煤層工作面的特點，制定合理的安全生產方案并得以成功應用，是推動薄煤層工作面在生產方面、安全方面、創新方面逐步提高的新鮮動力。