基于礦壓規律分析對采煤工藝及參數優化

楊書明

（山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

近年來，隨著煤礦開采效率的提升，加之我國煤炭賦存情況相對復雜，淺部煤層的大量開采，剩下未來開采煤層的埋藏深度均較大，而且煤層條件更為復雜。針對深部煤層、大傾角煤層在實際開采中主要面臨著采出率低、含矸率高、礦井壓力增大等問題，整體歸結為開采效率低。本文主要結合實際生產，本著提高生產效率和開采安全性的原則在對礦壓進行監測的基礎上，對采煤參數及采煤工藝進行優化。

1 工程概況

某礦120210 綜采工作面整體走向長度為211 m，其中傾斜工作面的長度為183.7 m。經探測，120210綜采工作面的煤層厚度為6.8～9.8 m 之間，煤層平均厚度為8.15 m，煤層最大傾角為45°，平均傾角為34.5°。總體來講，120210 綜采工作面屬于厚且大傾角煤層。120210 綜采工作面的頂底板條件，如表1 所示。

表1 120210 綜采工作面頂底板條件

總的來講，12021 綜采工作面的巖層處于裂隙發育狀態。同時，該工作面的最大涌出量可達120 m3/h，瓦斯絕對涌出量為0.566 m3/min。目前，工作面所配套的液壓支架為掩護式液壓支架，具體型號為ZF8600/18/35，該液壓支架的最大支護高度可達3.5 m。

2 工作面礦壓監測

真實掌握120210 綜采工作面在實際生產中的礦壓和巷道變形情況，為后續采煤參數及采煤工藝的優化提供支撐。

2.1 監測方案設計

針對礦壓監測在傾斜工作面液壓支架的傾角變化量和液壓支架的伸縮量等數據進行直接測量[1]，同時采用先進的液壓支架監測系統對其載荷進行記錄。將傾斜工作面的液壓支架劃分為上部、中部和下部三個區域，總共液壓支架數量為109 個。其中，上部區域液壓支架編號為73#-109#，中部區域液壓支架編號為37#-72#，下部區域液壓支架編號為1-36#。

針對工作面巷道圍巖變形的監測需求，重點對工作面的回風巷道和運輸巷道進行監測。其中，在運輸巷道內布置4 個監測點，分別距離停采線為0、80、110、150 m；在回風順槽巷道內布置3 個監測點，分別距離停采線為310、240、195 m。巷道變形監測點在工作面布置情況，如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖變形監測點

其中，巷道圍巖頂部變形的采用DL-2.5 型沉降指示器進行監測；巷道兩幫的移近量采用C-Ⅱ型自動記錄器進行監測。

2.2 監測結果分析

綜合對上述監測方案所獲取的數據進行分析，在礦壓規律和巷道變形方面得出如下結論：

1）隨著綜采工作面的不斷推進，傾斜工作面的傾角處于不斷變化的狀態；其中，上部傾斜工作面的平均角度為25.7°，中部傾斜工作面的平均角度為27.9°，下部傾斜工作面的平均角度為28.6°。

2）液壓支架在移架過程中，由于其支護高度降低，導致其無法與工作面頂板充分接觸，進而導致R-S-F 系統出現失穩的情況；同時，普遍液壓支架前柱和后柱的載荷差異明顯，導致液壓支架出現了滑移的現象，不僅對液壓支架設備尤其是油缸的損害嚴重，而且對現場工作面人員的生命安全也造成極大的威脅[2]。

3）運輸順槽巷頂板下沉量最大為100 mm，兩幫移近量最大為14 m；回風巷頂板的最大下沉量為57 mm，兩幫移近量最大為10 mm。而且，在距離工作面35 m 的位置處工作面巷道的圍巖變形劇烈；從距離工作面35 m 到80 m 的位置處工作面巷道的變形逐漸減緩；從距離工作面80 m 的位置開始巷道的變形已經非常小，即巷道圍巖處于相對穩定的狀態。

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3 工作面采煤參數及采煤工藝的優化

3.1 工作面采煤參數的優化

目前，120210 綜采工作面傾斜工作面的長度為183.7 m。但是，在對其礦壓規律監測中發現，由于傾斜工作面的長度過長導致R-S-F 系統出現失穩的情況。因此，為解決R-S-F 系統失穩的情況，結合國內其他大傾角工作面煤層的開采經驗，將120210 綜采工作面中大傾角工作面的走向長度優化為90～120 m之間。

工作面的傾角對于液壓支架工作的穩定工作具有關鍵作用，針對本工程中液壓支架的出現滑移的情況，將綜采工作面改進為“偽仰斜”狀態，并將其控制在0°～3°為最佳。

同時，結合120210 綜采工作面勘探的地質條件參數，尤其是對底板地質條件的分析，為了保證綜采工作面的正常高效開采，留設0.4 m 的底煤進行開采。

3.2 采煤工藝的優化

3.2.1 采煤工藝優化原則

采煤工藝的優化需要遵循如下原則：

1）基于設備生產能力的基礎上，應盡可能的增加采煤機的采煤高度，從而提升工作面煤炭的采出率[3]；

2）確保在一個班組中采煤機循環工作的數量最大；

3.2.2 采煤工藝參數的優化

根據開采經驗可知，適用于我國煤層相對合理的采煤高度范圍在2.7～3.7 m 之間，而且對應的在3～3.5 m 之間的高度為最佳。結合120210 綜采工作面的地質條件以及現場設備的生產能力，得出該工作面對應的最佳采高范圍應在2.6～3.1 m 之間。

同時，根據120210 工作面現場工作空間的合理布置原則，對應采煤機的最佳采高范圍在2.8～3 m之間。

因此，綜合考慮不同采高對應的工作面的產量、通風能力以及現場設備布置情況等條件，最終將120210 綜采工作面的采高確定為3 m。

3.3 優化效果

對上述采煤參數和采煤工藝進行優化設計，具體的優化效果，如表2 所示。

表2 采煤工藝及采煤參數的優化效果

4 結語

一直以來，工作面煤層的開采效率是企業關注的核心指標。在實際生產中，受工作面地質條件以及煤層埋藏深度的影響，在回采期間的礦壓規律表現不同，為保證高效安全生產需要對采煤參數和采煤工藝進行優化。本文以120210 工作面為例重點對其采煤參數和工藝進行優化，具體總結如下：

1）當前采煤參數和工藝下，出現了R-S-F 系統失穩的情況并導致液壓支架出現了滑移的情況，嚴重威脅設備和人員的安全性。

2）重點將工作面傾斜長度從183.7 m 優化為90～120 m 之間為最佳，為保證綜采工作面的正常高效開采，留設0.4 m 的底煤進行開采，將采煤高度優化為3 m 等。

3）實踐表明，對采煤參數和工藝進行優化后，120210 綜采工作面的回采率較之前提升了11.22%，直接創造的經濟效益較之前提升了18 360 萬元。