大傾角煤礦井下綜采面采煤工藝安全改進研究

邊龍龍

（山西焦煤西山煤電礦山救護大隊，山西 太原 030200）

0 引言

某礦所開采煤層屬于大傾角煤層，開采煤層的厚度處于6.4～9.4 m 之間，平均煤層厚度約為8.05 m，在日常的開采中極易出現安全事故[1-4]。根據現場所出現的安全問題，分別對工作面的長度、工作面傾角、采高以及采煤工藝進行了安全優化。然后，通過試驗使用方法，證明了改進工藝能夠提高開采的安全性能，提高了開采效率，大幅度提升了經濟效益。

1 工程背景

某礦目前所開采的煤層的工作面的總體長度達到了2.15 km，其中含有213 m 傾斜工作面。根據現場的勘探可知，其開采的煤層傾角在33.6°～45.7°之間，平均傾角約為39.2°，在我國屬于大傾角煤層；在日常的開采中，開采面的瓦斯流出速率為0.62 m3/min，工作面的平均涌水量為82 m3/h，最高的涌出量能夠超過122 m3/h?，F場周圍巖層的分布情況如表1 所示[5-6]。

表1 工作面周圍巖層分布情況

采用FLAC3D 軟件對當前開采工作面進行仿真計算，通過計算得到的煤層周圍巖石的應力并結合現場礦壓監測信息可知：由于所開采的為大傾角煤層，開設備難以支護穩定，目前所使用的采煤工藝經常出現放頂難以充分的現象，這就會導致液壓支架的倒落，這就會對開采工人的安全造成危險，且現場巷道底部與兩側也時常出現鼓包現象如圖1 所示，這也影響設備運行與工人的操作。因此，需要結合現場的實際情況，對采煤工藝及參數進行安全優化。

圖1 底板底鼓現場情況

2 采煤參數的安全優化

2.1 工作面長度優化

工作面的長度是影響礦區煤層開采量及回采效率的主要因素，且對日常的開采與生產安全具有重要的意義。根據該礦區目前所開采煤層的總體走向進行勘測的數據，并結合有限元的仿真計算結果可知：目前工作面的長度超過160 m 時，頂板會承受嚴重的沖擊性壓力，存在安全隱患[7-9]。因此，為保證開采安全，應使工作面的總體長度保持在160 m 以內。

對于目前國內的大傾角煤層的開采規劃，其工作面的長度要求設置為90～120 m 之間。但是，所研究煤層的工作面傾角沿長度方向變化較大，因此可以在保證安全的情況可在常規大傾角煤層標準的基礎上增加其工作面長度，故決定其長度在110～160 m 之間。

除上述優化之外，跟據煤層的分布、圍巖情況以及開采條件，決定將工作面的底板留出約500 mm 的安全層，以實現底層的安全開采。

2.2 工作面傾角的優化

工作面的傾角是影響開采安全的主要因素，傾角的合理與高效的設計能夠改善開才現場設備運行固定不穩定的問題，對采煤機等開采與運輸設備的安全運行與具有重要的影響作用。根據現場工作面情況，由于傾角較大，因此決定采用使用液壓千斤頂將工作面修改為“偽傾斜”的方式，相關示意圖如圖2 所示。

圖2 工作面偽傾斜改進示意圖

對于一般工作面而言，其在更改為偽傾斜工作面時，工作面的傾角保持在5°以內，但是，考慮到該工作面的實際情況，其在開采是應避免巷道兩側煤層出現片幫問題，因此，決定將偽傾斜的角度保持在3°以內。

2.3 工作面采高參數的優化

根據我國煤礦開采資料的統計數據可知，為了保證開采的安全性，煤礦開采時的采高應該保持在2.7～3.7 m 之間，且最合理的開采高度范圍為3～3.5 m。對于采高參數，一般通過礦井的通風情況決定，其相互關系如式（1）所示：

式中：H 為煤層開采的采高，m；Q 表示了目前工作面內通風系統所提供的通風量，取20 m3/s；B 則是工作面內的液壓支架所能夠伸出的最小長度，取4.5 m；V表示了開采面內的風速，通常在2.5～3.5 m/s 之間；φ則是考慮現場的設備運行環境及開采情況所選取的過風斷面系數，取0.6。

根據上述參數計算可得，所研究工作的最合理的采高應在2.5～3.2 m 之間，而我國煤礦常用液壓支架的支護范圍一般處于2.8～3.2 m 之前，另根據該工作面的安全性、通風量、設備的運行、開采量、液壓支架支護高度等參數，最終選取其最合理的采高為3 m，其所對應的放煤高度是5.2 m。

3 采煤工藝參數的優化

根據采煤參數的安優化，擬定對應的采煤工藝參數的安全優化原則為：應首先保證開采的安全性；盡可能實現煤層的開采潛能，最大化采出率；保證工作面內的各設備的平衡運行；保證開采設備與運輸設備的能力匹配；保證各任務工作的協調進行；綜合考慮經濟成本，盡量實現收益最大化[10-11]。

根據安全優化原則，考慮現場的運行情況，因此注重對采煤工藝參數中的頂煤放煤工藝進行安全優化設計。在現場的開采中，采煤機的截割部以斜進刀的方式進行煤礦截割任務。所開采的煤礦會落入下端的刮板輸送機內，然后被轉運輸至帶式輸送機后運出礦井，現場工況如圖3 所示。當一步分區域的采煤工作完成后，需要進行工作面內液壓支架的移架操作，并對工作面內的不同地區的頂板進行放煤。由于所研究的煤層為大傾角，為了開采的安全，減少坍塌等事故，現將其放煤區域劃分為三個部分。其中，第一部分為工作面區域的上部，繼續使用“兩采一放”的工藝，其放煤的距離為截割部深度的2 倍；第二部分為工作面的中間段，采煤工藝的與第一部分相同；第三部分為工作面區域的下部，其采用“一采一用”的方式，放煤的距離與截割部深度相同。

圖3 工作面采煤過程圖

4 應用效果分析

為驗證上述采煤參數與采煤工藝的可行性，對該礦區的大傾角煤層進行試驗實施改進方案，并進行為期三個月的數據統計。根據統計數據可知，在安全優化后該煤層的安全事故發生率大幅度降級，沒有出現底板底鼓與坍塌等事故，大幅度提高了開采的安全性。煤層月均開采量由原始的250 kt 增加至340 kt，相對增加36%；回采率由75.36%增加至86.35%，相對增加10.99%；回采功效由12.5 t/d 增加至16.6 t/d，相對增加32.8%。根據經濟數據估算可得，安全優化方案能夠使礦區的年產值提升1 800 萬元，并降低了開采成本，大幅度提高公司的經濟效益。

5 結論

以某礦業公司的大傾角開采工作面為研究對象，提出了關于采煤參數與采煤工藝的安全優化方案，得出如下結論：

1）該工作平面由于傾斜角度較大，容易引發放頂難以充分的現象，這就會導致液壓支架的倒落，嚴重影響著日常開采的安全進行，需要進行安全改進。

2）根據現場情況，安全開采優化方案的采煤參數為：工作面長度保持在110～160 m 之前，工作面的傾斜角度設置在3°以內，最佳的開采高度為3 m。

3）對采煤工藝的改進為將工作面的放煤區域劃分為三個部分，每一部分均具有對應的采煤工藝。經過現場使用，證明優化方案的安全性，其能夠減小事故的發生率，提高開采效率，降低工程成本，大幅度提升經濟效益。