靈泉煤礦10594工作面急傾斜煤層采煤工藝研究

紀鵬偉

（晉能控股煤業集團晉華宮煤礦，山西 大同 037016）

1 概況

靈泉煤礦10594工作面整體為單斜構造，局部存在寬緩小褶曲，工作面直接頂為灰巖；工作面標高為881～934 m，奧灰靜水位標高為845 m，全區不帶壓；工作面上部有采空區，已在+860高抽運輸大巷對采空區積水進行了探放，采空區積水基本放完，局部低洼處可能有少量積水，對掘進沒有影響。靈泉煤礦10594工作面的地質構造為向南西陡傾斜的近直立單斜構造，最大傾斜角為78°，采用綜合機械設備提升急傾斜煤層開采效率，為此需要將工作面傾角降低，由于急傾斜煤層段跨度不大，工作面傾角超過機械開采需要的最大角度，為此進行該工況下采煤工藝研究。

2 工作面主要參數確定

在對最大傾角為78°的煤層開采時，為了降低工作面傾角，需要將工作面調斜處理，具體做法為在10594工作面的回風平巷端相對運輸巷道位置處超前設置一段距離，作為偽傾斜工作面，具體原理見圖1所示。

圖1 降低急傾斜工作面方法原理圖

平面ABEF為10594工作面，傾角α為該工作面的真實傾斜角，沿AB線和EF線分別做傾斜工作面的水平輔助面ABCD和垂直輔助面CDEF，直線HK則代表調斜后偽俯斜工作面，形成的ω則是工作面開采的偽斜角，β是工作面實際傾角即偽傾角、γ為層面角，對比可以看出偽傾角β相較于真實傾角α要小，說明工作面開采傾角降低。通過調整HK即可實現β和ω的大小，偽傾角β與真實傾角α的相互關系為：

2.1 工作面偽傾角度β的確定

對于最大傾角為78°的10594工作面，偽傾角β的確定是降低急傾斜工作面傾角開采工藝的基礎和關鍵，根據10594工作面巖層地質巖層狀態和應力參數查閱，選擇了以下偽傾角確定方案：采用25°、30°和35°偽斜角條件下，對應建立工作面偽傾角為54°、59°和65°3個不同角度的PFC2D二維采場傾向模型，除了設定的偽斜角有差異外，其他的所有模型條件完全形同，通過模型模擬，利用fish統計不同模型下同一時間間隔內煤層的放出速度和采出率，通過2個參數的對比，來確定10594工作面實際采煤時的偽傾角，統計3個模型數據后，形成,3個模型煤炭放出速度和采出率對比圖，見圖2。

圖2 3個模型煤炭放出速度和采出率對比圖（timel代表時間步長）

通過圖2可以看出，3個模型條件下煤炭放出速度和采出率差異明顯，具體而言：在短時間內不同偽傾角條件下的煤炭放出速度差異和變化趨勢基本相同，但隨著時間的增加，偽傾角越大的模型放出速度越快。偽傾角為54°的模型在45個時間步長后放出速度才趨于穩定，在約48個步長時間后采出率達到89%左右，整體放出速度和采出率最差；偽傾角為59°的模型整體穩定性最好，在約40個步長時間后采出率能達到98%左右，煤炭放出速度穩定；偽傾角為65°的模型雖然放出速度和采出率數據較好，但模型發現工作面巷道成型后穩定性差，巷道頂底板出現問題后，對整體采出率和放出速度的影響大。基于模型分析，考慮到經濟型和穩定性，靈泉煤礦10594工作面選用偽斜角為30°即偽傾角度取59°的工作面參數進行急傾斜煤層采煤工藝實施。

2.2 偽傾角工作面圍巖裂隙特點

靈泉煤礦10594工作面淺部煤層由于受到爆破影響，圍巖結構弱化，巖層強度會大大低于待采區域巖層強度，因此在開采作業的時候，圍巖的裂隙特征會從斜工作面下部向上部迅速發展，這也是大傾角煤層開采的前提，隨著掘進工作面推進，裂隙特征也會向待采區域發育，對待采區域的圍巖穩定性產生影響，隨掘進面推進圍巖裂隙特征示意圖見圖3所示。

圖3 隨掘進面推進圍巖裂隙特征圖

10594工作面采用的是柔性掩護支架，為了保證掘進巖層的穩定，需要不斷調整柔性掩護支架位置，即向待采區域推進，支架前腳會直接作用在待采區域巖層上，巖層能否提供穩定的支撐是柔性掩護支架發揮作用的關鍵。采用54°偽傾角時，模擬工作面隨掘進開采待采區域的圍巖穩定性最高，這是由于該傾角角度下重力沿工作面傾向分量最小，圍巖裂隙向待采區域發育的速度最慢，但由于工作面偽傾角較小，傾角下部煤層承重范圍也變小，下部區域穩定性差，會隨著掘進作業使得工作面待采區域下部與運輸平巷相近的拐角處產生裂縫，并出現煤壁淺部剝離或者底部煤層塌落的問題。當采用65°偽傾角時，相較于其他2個角度，該傾角角度下重力沿工作面傾向分量最大，待采區域受到應力大，圍巖裂隙向待采區域發育的同時還會向待采區域媒體發育，且裂隙的發育深度和范圍都最大，柔性掩護支架前腿受力不穩，而由于待采區域未經過爆破處理，僅在應力作用下破碎，因此破碎塊大，且裂隙發育速度也快，進一步加劇圍巖失穩，因工作面偽傾角較大，傾角下部煤層承重范圍也變大，下部區域穩定性相對穩定，出現煤壁淺部剝離的現象概率不大。相對而言，工作面傾角為59°時，工作面圍巖狀態較穩定，工作面開始開采后裂隙迅速在開采區域發育，可以為柔性掩護支架支護工藝提供較好的支護基礎，雖待采區域下端頭也有少量裂隙的產生，但待采區域總體依然保持相對穩定的狀態，并未出現煤壁剝落現象，即該偽傾角下工作面和待采區域的相對穩定性較強。

2.3 工作面長度確定

根據開采經驗，急傾斜煤層工作面長度的計算公式為：

式中：L為工作面傾斜長度，單位為m；h為傾斜工作面的垂直高度，單位為m；α為工作面真實傾角；β為偽傾角。

XX78°工作面垂直高度為47 m，工作面真實傾角為78°，偽傾角選擇30°，通過公式計算出10594工作面傾斜長度約為96 m。

3 工作面急傾斜煤層采煤工藝

3.1 巷道支護形式與參數確定

10594工作面區段回風巷布置在+1 567 m處，巷道沿著煤層頂板布置，與通風井相連，期間設置了一道回風石門，形成的通風系統供井下作業和設備用。回風巷道長截面為梯形結構，上窄下寬，巷道頂部截面寬1.8 m，巷道底板截面寬2.5 m，巷道高度為2.1 m，總長度為300 m左右，采用工字鋼沿邊支護方式。工作面區段的運輸巷道則布置在+1 510 m處，方向與回風巷道相同，與井下設置的中部場車相連，期間設置了一道運輸石門，形成了井下運輸系統。運輸巷道與回風巷道結構相似。工作面開采區段在回風巷道與運輸巷道之間，初期采用工字鋼梯形沿邊支護，后期采用柔性掩護支架。

3.2 工作面支護形式與參數確定

結合10594工作面78°急傾斜煤層工作面偽傾角度β和工作面長度參數，工作面支護采用DW14-400/150型單體液壓支架配合32 mm鋼絲繩柔性掩護支架的方式進行，作為關鍵參數的柔性掩護支架的寬度，通過式（2）計算：

式中：b為柔性掩護支架的寬度，單位為m；m為10594工作面的煤層厚度，單位為m；K1為厚度系數，取值為0.75～0.85；K2為傾角系數，取值為0.80～0.95。

經查閱《采礦工程設計手冊》，針對10594工作面78°急傾斜煤層特點，計算出柔性掩護支架的寬度為2.15 m，實際選擇多邊型柔性掩護支架進行工作面支護工藝的實施，實際支護寬度為2.3 m，支護結構示意見圖4所示。

3.3 工作面支架布置

根據10594工作面巷道巖層特點，支架鋼梁排距選定為0.15 m，安裝順序為先下后上，將鋼梁安裝完成后，及時使用單體液壓支架進行打點柱，點柱間隔2.5 m，單體支架在安裝時首先要進行防水布鋪設，然后采用鋼絲托繩安裝支架，支架座須穩定固定在巷道底部，且第一根鋼梁要緊貼迎頭安裝，鋼梁與撐木要緊密排列。隨著掘進施工，需要將前期的支架拆卸以交替支護，結合工作面巷道巖層特點規定將距離工作面45 m以外的支架拆除，在拆卸支架前要對拆除支架所在巷道區段的瓦斯濃度進行檢測，同時對該區段巷道頂底板圍巖穩定性情況進行檢查，對存在松動或塌落的頂底板巖層進行清理，并間隔1.5～2.0 m間距裝設頂板護頂，降低冒頂風險，移架前要清理支架下方的煤炭，盡可能使移架通道平整。支架拆除嚴格執行逐一拆除原則，過樓眼口拆架時必須先用木料將上口檔牢拼實后方可拆卸支架。

圖4 XX78°工作面多邊型柔性掩護支架結構示意圖

3.4 回采工藝及主要參數確定

基于偽傾角度β和工作面長度參數以及支護參數的確定，靈泉煤礦10594工作面急傾斜煤層采用偽傾斜走向長壁后退式采煤工藝。采用放炮落煤工藝，爆破參數見表1，炮眼深度1.1 m，沿著偽斜工作面方向排布。

表1 10594工作面急傾斜煤層放炮落煤工藝參數表

3.5 回采工藝

柔性掩護支架的安裝是關鍵工序，在偽斜面頂底板分別打切眼，在垂直方向安裝支撐支架后，沿斜面在鋼梁背側將配合安裝32 mm鋼絲繩，通過固件的使用完成柔性支架安裝，隨后調斜支架25°～30°的傾角，使支架對斜工作面巷道進行支護，然后開始回采作業。

靈泉煤礦10594工作面采用全部垮落法進行頂板管理。

4 實施效果

靈泉煤礦78°急傾斜工作面采煤作業按照工藝參數進行實施試驗，示意圖見圖5所示。該煤礦在2020年對傾斜角度為65°的煤層開采時，統計產量為255 t/d，且出現過2次回采巷道冒頂事故；在使用急傾斜工作面采煤工藝對10594工作面開采的3個月，平均產量為412 t/d，且無安全事故發生。

圖5 急傾斜采煤工藝實施示意圖

5 結語

靈泉煤礦10594工作面最大傾斜角為78°，因急傾斜煤層段跨度不大導致的機械開采難的問題進行研究，形成以下結論：

1）為了降低工作面傾角，將10594工作面調斜處理，在回風平巷端相對運輸巷道位置處超前設置一段距離，作為偽傾斜工作面，分別采用25°、30°和35°偽斜角條件下，對應建立工作面偽傾角為54°、59°和65°3個不同角度的PFC2D二維采場傾向模型，確定華宮煤礦10594工作面選用偽斜角為30°即偽傾角度取59°的工作面參數進行急傾斜煤層采煤工藝實施。

2）分析偽傾角為54°、59°和65°3個不同角度工作面和待采區域圍巖穩定性，采用54°偽傾角時，待采區域圍巖穩定性最高，但會出現煤壁淺部剝離或者底部煤層塌落問題；采用65°偽傾角時，待采區域裂隙發育深度和范圍都大；傾角為59°的工作面圍巖狀態較穩定，待采區域相對穩定。

3）通過計算確定工藝參數，包括10594工作面傾斜長度約為96 m，支護寬度為2.3 m的柔性掩護支架支護方式，炮眼深度為1.1 m的放炮落煤工藝和25°～30°斜角的斜支護工藝。

4）通過設定偽傾角采煤參數，靈泉煤礦78°急傾斜工作面采用機械化采煤工藝，經過3個月工藝實施，產量提升約61%，且無安全事故發生。