卓慶奉，楊 波，趙 力，馮澤康

(1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院資源工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

不規(guī)則邊角煤連續(xù)開(kāi)采設(shè)計(jì)及回采實(shí)踐

卓慶奉1，楊 波2，趙 力2，馮澤康2

(1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院資源工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

以顯德汪礦1223工作面為工程背景，針對(duì)工作面實(shí)際情況，分析邊角煤地質(zhì)條件，提出“倒L”形工作面連續(xù)開(kāi)采設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行回采實(shí)踐。實(shí)踐中進(jìn)行一次工作面對(duì)接，三次旋轉(zhuǎn)開(kāi)采和連續(xù)穿越兩條老巷，并且通過(guò)采取多種有效措施，實(shí)現(xiàn)該工作面的安全回采?；夭蓪?shí)踐表明，“倒L”形工作面連續(xù)開(kāi)采設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了1223工作面正?；夭桑瑴p少工作面搬家次數(shù)，保證工作面連續(xù)推進(jìn)，節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益；工作面回采時(shí)采取保障措施，及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)并延長(zhǎng)超前支護(hù)距離，有效控制煤壁片幫和頂板冒頂以及巷道圍巖變形；1223工作面的正?；夭?，擴(kuò)大了綜采的應(yīng)用范圍和適應(yīng)性，為不規(guī)則邊角煤資源的回收提供參考。

不規(guī)則邊角煤；對(duì)接技術(shù)；旋轉(zhuǎn)開(kāi)采；頂板管理

在我國(guó)中東部地區(qū)，隨著開(kāi)采年限的延長(zhǎng)和開(kāi)采強(qiáng)度的加大，許多礦井進(jìn)入開(kāi)采末期，在采區(qū)邊界遺留了大量的邊角煤資源。隨著煤炭資源的逐漸減少，對(duì)資源利用的節(jié)約意識(shí)不斷增強(qiáng)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新采用非常規(guī)面布置，回采不規(guī)則邊角煤柱也是礦井資源有效利用的體現(xiàn)。安全高效的回收邊角煤資源，提高煤炭資源的采出率，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-6]。許多學(xué)者對(duì)此作出大量研究，并取得一定的研究成果。劉日成等[7]針對(duì)不規(guī)則邊角煤開(kāi)采存在的問(wèn)題，在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)開(kāi)采技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)不規(guī)則邊角煤工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高了煤炭采出率。李佃平等[8]針對(duì)回采邊角煤柱易發(fā)生沖擊礦壓的問(wèn)題，采用理論分析和數(shù)值模擬，分析了覆巖結(jié)構(gòu)特征，得出誘發(fā)沖擊礦壓的主要原因，提出采用非對(duì)稱控制對(duì)策，控制沖擊危險(xiǎn)。姜福領(lǐng)等[9]對(duì)不規(guī)則綜采工作面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)計(jì)算了回采過(guò)程中工作面的長(zhǎng)度值，確定支架的預(yù)放位置，提高了工作面回采的可靠性；馮國(guó)春等[10]研究了綜采工作面對(duì)接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面延面對(duì)接，提高了煤炭采出率。

根據(jù)現(xiàn)階段的研究可知，不規(guī)則邊角煤的連續(xù)回采設(shè)計(jì)主要使用工作面對(duì)接、旋轉(zhuǎn)開(kāi)采等技術(shù)。受開(kāi)采條件和地質(zhì)條件等因素的影響，邊角煤的形狀不規(guī)則，邊角煤回采設(shè)計(jì)也因形狀尺寸的變化而不同。本文以顯德汪礦1223工作面為工程背景，對(duì)“倒L”形邊角煤工作面進(jìn)行連續(xù)回采設(shè)計(jì)以及回采實(shí)踐，對(duì)不規(guī)則邊角煤的合理高效開(kāi)采進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)踐探索。

1 工程概況

顯德汪礦1223工作面位于二采區(qū)，所采煤層為2號(hào)煤。由附近工作面揭露情況可知，該煤層賦存不穩(wěn)定，厚度變化較大，兩極厚度為0.4～4.0 m，均厚1.96 m，平均傾角為16°。直接頂為炭質(zhì)泥巖與粉砂巖(中夾煤線)復(fù)合頂，平均厚度1.5 m，基本頂為細(xì)砂巖，厚度18 m，煤層底板為砂質(zhì)泥巖，層理節(jié)理發(fā)育，含有大量的植物化石，夾有炭質(zhì)薄層，質(zhì)軟破碎，平均厚度為2.1 m。根據(jù)煤巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果，煤層頂板炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度為18.3 MPa，底板抗壓強(qiáng)度為3.7 MPa，2號(hào)煤的f值為0.15，該煤層具有頂板破碎，煤層及底板松軟的三軟特性。

1223工作面設(shè)計(jì)布置如圖1所示，整個(gè)工作面呈“倒L”形，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度933 m，傾斜長(zhǎng)度141 m。

圖1 1223工作面巷道布置示意圖(單位：m)

2 不規(guī)則邊角煤開(kāi)采可行性分析

不規(guī)則邊角煤的開(kāi)采主要受地質(zhì)因素、技術(shù)因素等影響。地質(zhì)因素主要影響邊角煤的可采性，是評(píng)價(jià)邊角煤是否可采的主要指標(biāo)；技術(shù)因素主要影響工作面的回采工藝以及保證回采安全高效所采用的措施等。

2.1 邊角煤連續(xù)開(kāi)采地質(zhì)因素分析

影響邊角煤開(kāi)采的關(guān)鍵地質(zhì)因素包括：角煤塊度、老巷分布、規(guī)則度、頂?shù)装濉⒚簩淤x存、地質(zhì)構(gòu)造等。

由于影響因素較多，在開(kāi)采前采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法[11]對(duì)1223工作面能否回采進(jìn)行了評(píng)價(jià)并結(jié)合煤礦地質(zhì)資料進(jìn)行了綜合分析。采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法的步驟主要包括：首先，基于模糊數(shù)學(xué)理論，建立評(píng)價(jià)模型；其次，選取影響邊角煤開(kāi)采的關(guān)鍵地質(zhì)因素，采用層次分析法確定評(píng)價(jià)因素；再次，通過(guò)構(gòu)造隸屬函數(shù)將評(píng)價(jià)因素量化。地質(zhì)因素隸屬函數(shù)是關(guān)于地質(zhì)因素的改變對(duì)開(kāi)采影響模糊關(guān)系的定量描述，構(gòu)造隸屬函數(shù)可采用待定系數(shù)和統(tǒng)計(jì)分析等方法[12]；然后，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)以及專業(yè)人員的分析，采用層次分析法來(lái)確定各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，使評(píng)價(jià)因素的重要性得以量化。層次分析法的主要步驟包括：分析系統(tǒng)各因素間關(guān)系，構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣。通過(guò)判斷矩陣計(jì)算各因素的權(quán)重，并進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)[13]。計(jì)算各層次對(duì)于系統(tǒng)的總排序權(quán)重，并進(jìn)行排序；最后，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值來(lái)判定可采性[12-13]。根據(jù)煤礦地質(zhì)資料以及評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，1223工作面地質(zhì)開(kāi)采條件良好，建議開(kāi)采工藝為綜采。工作面采用一次采全厚、走向長(zhǎng)壁采煤法，在回采過(guò)程中需要采取安全保障措施。

2.2 邊角煤連續(xù)開(kāi)采技術(shù)因素分析

由于1223整個(gè)工作面呈“倒L”形，需要結(jié)合礦井具體生產(chǎn)實(shí)踐，要保證工作面連續(xù)回采，在開(kāi)采過(guò)程中需要進(jìn)行一次工作面對(duì)接，連續(xù)穿越兩條老巷，進(jìn)行三次工作面調(diào)采。

工作面的成功對(duì)接要求對(duì)接巷支架的初始安裝位置準(zhǔn)確無(wú)誤，保證工作面對(duì)接時(shí)兩個(gè)對(duì)接支架間的距離為200±100 mm。同時(shí)，要避免對(duì)接時(shí)出現(xiàn)頂梁臺(tái)階和工作面運(yùn)輸機(jī)起伏等情況。

工作面推進(jìn)過(guò)程中，需要連續(xù)穿越二采二煤運(yùn)輸和軌道上山。由于兩條巷道已廢棄多年，回采過(guò)程中需要采取加強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)通風(fēng)管理等措施。

由于工作面整體呈“倒L”形，工作面推進(jìn)時(shí)需要經(jīng)歷三次調(diào)采。工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)，工作面輸送機(jī)控制、支架位態(tài)控制、煤壁和頂板管理，以及巷道圍巖控制是影響工作面正?；夭傻年P(guān)鍵因素。

3 不規(guī)則邊角煤連續(xù)開(kāi)采設(shè)計(jì)

3.1 工作面對(duì)接設(shè)計(jì)

工作面對(duì)接過(guò)程中，利用掘進(jìn)過(guò)程中的導(dǎo)向點(diǎn)確定對(duì)接巷支架的初始安裝位置。

工作面開(kāi)切眼斜長(zhǎng)76.5 m，安裝支架51架，支架安裝完成之后，機(jī)尾最后一架距離導(dǎo)70點(diǎn)0.26 m。由地測(cè)科提供的導(dǎo)向點(diǎn)坐標(biāo)可知，在工作面傾向上導(dǎo)70點(diǎn)和導(dǎo)72點(diǎn)之間的距離為0.46 m。一般要求工作面對(duì)接時(shí)兩個(gè)對(duì)接支架間的距離為200±100 mm，由此確定對(duì)接巷起始支架及52號(hào)支架的位置。為了便于控制，在該線兩側(cè)200 mm處再畫(huà)兩條平行線作為支架方位控制線，對(duì)接巷支架位置的確定，如圖2所示。在此后的推進(jìn)過(guò)程中，要通過(guò)及時(shí)調(diào)整運(yùn)輸機(jī)偽傾斜角度來(lái)保證支架位于兩條控制線之間，確保順利對(duì)接。

圖2 對(duì)接巷支架定位示意圖

工作面推至距離對(duì)接巷20 m時(shí)，為了避免對(duì)接時(shí)出現(xiàn)頂梁臺(tái)階以及工作面運(yùn)輸機(jī)起伏，由地測(cè)科劃定巷道的腰線。區(qū)隊(duì)以腰線為準(zhǔn)進(jìn)行推進(jìn)，保持支架與輸送機(jī)垂直，并調(diào)整好對(duì)接點(diǎn)的回采層位，保證工作面與對(duì)接巷出的溜槽平直無(wú)卡阻。

當(dāng)51號(hào)支架到達(dá)既定位置時(shí)，確保其外沿與52號(hào)支架之間的距離為150 mm，高差為120 mm。

3.2 工作面過(guò)老巷設(shè)計(jì)

1223工作面回采過(guò)程中需要連續(xù)穿越兩條巷道。巷道間距為20 m，已廢棄多年，回采過(guò)程中需要采取加強(qiáng)支護(hù)以及加強(qiáng)通風(fēng)管理等措施。

工作面開(kāi)切眼貫通之后，首先由通風(fēng)區(qū)和礦救護(hù)隊(duì)進(jìn)入老巷。確保安全的前提下，由區(qū)隊(duì)將老巷內(nèi)廢舊設(shè)備回撤，同時(shí)在巷道中心線兩側(cè)支設(shè)兩排圓木木垛支撐頂板。圓木排距為800 mm，木垛5 m一個(gè)，圓木柱規(guī)格為Φ180 mm×2 700 mm，用木楔加緊，并拴繩防倒。局部冒頂?shù)囟慰蛇m當(dāng)采用單體支柱加強(qiáng)支護(hù)，然后將巷道內(nèi)的U型鋼及兩幫的錨桿支護(hù)去除，最后回撤單體支柱。在回撤原巷道內(nèi)的支護(hù)材料時(shí)，必須進(jìn)行“敲幫問(wèn)頂”，嚴(yán)格按照“自上而下，由里到外”的順序進(jìn)行。

3.3 工作面調(diào)采設(shè)計(jì)

由于2號(hào)煤是三軟煤層，并且1223工作面呈“倒L”形。因此，在回采過(guò)程中需要連續(xù)多次調(diào)采，以保證工作面連續(xù)安全推進(jìn)。

3.3.1 旋轉(zhuǎn)方式的確定

工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采主要有兩種旋轉(zhuǎn)方式：實(shí)心旋轉(zhuǎn)和虛心旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采方式示意圖

實(shí)心旋轉(zhuǎn)工藝較簡(jiǎn)單，工作量較小，但是旋轉(zhuǎn)中心位于工作面的端部。由于支架的反復(fù)支撐，旋轉(zhuǎn)中心附近的頂板破碎難以管維護(hù)，工作面設(shè)備難以管理。虛心旋轉(zhuǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，但是旋轉(zhuǎn)中心位于工作面以外。整個(gè)工作面都能保持向前推進(jìn)，減少了反復(fù)支撐頂板的次數(shù)，有利于頂板的管理。1223工作面的地質(zhì)條件較差，煤層具有頂板破碎，煤層及底板松軟的三軟特性，為保證工作面回采的順利進(jìn)行，本設(shè)計(jì)采用虛心旋轉(zhuǎn)方式調(diào)采。

3.3.2 旋轉(zhuǎn)開(kāi)采參數(shù)的確定

工作面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)，需要確定工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采參數(shù)，主要包括：旋轉(zhuǎn)角度、每循環(huán)割煤進(jìn)刀數(shù)、完成旋轉(zhuǎn)共需循環(huán)數(shù)、調(diào)斜提前距離等。各參數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)～(5)。

1)旋轉(zhuǎn)角α。

α=arcos (L3/L4)

(1)

式中:L3為開(kāi)始旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)工作面長(zhǎng)，m；L4為旋轉(zhuǎn)開(kāi)采后的工作面長(zhǎng)，m。

2)完成旋轉(zhuǎn)割煤總刀數(shù)n。

n=m+(L-L1-L2-2Lm)/ω

(2)

式中:m為每循環(huán)割煤進(jìn)刀數(shù)；L為工作面長(zhǎng)度，m；L1為工作面輸送機(jī)頭長(zhǎng)度，m；L2為工作面輸送機(jī)尾長(zhǎng)度，m；Lm為采煤機(jī)長(zhǎng)度，m；ω為輸送機(jī)可彎曲長(zhǎng)度，m。

3)每循環(huán)旋轉(zhuǎn)角度α′。

a′=arcos [(n-m)B/L]

(3)

式中B為采煤機(jī)截深，m。

4)完成α角旋轉(zhuǎn)共需循環(huán)數(shù)f。

f=α/α′

(4)

5)調(diào)斜提前距離T。

T=n·m·B

(5)

3.3.3 旋轉(zhuǎn)開(kāi)采施工

1223工作面進(jìn)行三次旋轉(zhuǎn)開(kāi)采，第一次旋轉(zhuǎn)25°，第二次旋轉(zhuǎn)90°，第三次旋轉(zhuǎn)35°。工作面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)，采煤機(jī)采用長(zhǎng)短刀相結(jié)合的采煤方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)割煤循環(huán)時(shí)采用1組長(zhǎng)刀和5組短刀配合割煤，能有效利用采煤機(jī)截深，可滿足工作面兩端不同推進(jìn)度的要求，保證機(jī)頭和機(jī)尾按比例推進(jìn)。工作面調(diào)斜提前距離為30 m，即工作面推進(jìn)到距旋轉(zhuǎn)折點(diǎn)處30 m時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開(kāi)采。

旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)使用采煤機(jī)單向割煤、刮板輸送機(jī)單向推進(jìn)方式進(jìn)行。

4 回采保障措施

4.1 工作面刮板輸送機(jī)控制

工作面每10個(gè)支架安裝一組防滑千斤頂。將其兩端分別固定在支架底座和刮板輸送機(jī)連接點(diǎn)上，利用支架穩(wěn)定刮板輸送機(jī)。上竄下滑嚴(yán)重時(shí)，可采用每隔5架采用DW32型單體支柱輔助固定的方法。當(dāng)輸送機(jī)上竄時(shí)，將單體斜向下支設(shè)；當(dāng)輸送機(jī)下滑時(shí)，將單體斜向上支設(shè)，并在機(jī)頭用DW25型單體支柱打好壓車柱。

4.2 支架位態(tài)控制

工作面在旋轉(zhuǎn)回采過(guò)程中，需要頻繁調(diào)整支架推進(jìn)方向。必須保證工作面內(nèi)支架始終垂直輸送機(jī)，推溜移架時(shí)嚴(yán)格遵循“上行推溜、分段下行移架、支架每移必調(diào)、勤調(diào)微調(diào)”的原則。若出現(xiàn)擠咬現(xiàn)象，在移架過(guò)程中及時(shí)利用支架側(cè)護(hù)板或單體液壓支柱調(diào)整。

4.3 煤壁及頂板管理

在工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)，煤壁片幫嚴(yán)重，且煤壁前方頂板出現(xiàn)一定程度的冒頂。尤其在最后一次調(diào)采時(shí)，工作面是仰斜開(kāi)采。除了采取常規(guī)的加強(qiáng)支護(hù)、保證支架初撐力、提高移架速度、及時(shí)帶壓移架等措施之外，需對(duì)片幫嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行注漿加固，以防止工作面冒頂。

注漿孔采用三花眼布置的方式，如圖4所示。兩排孔分別距頂板0.3 m和1.3 m，孔距均為3 m，終孔深度為8.0 m，設(shè)計(jì)注漿孔的終壓為10 MPa。上排孔向上傾斜15°以進(jìn)入頂板，下排孔水平布置。

4.4 巷道圍巖控制

工作面調(diào)采過(guò)程中，工作面兩巷變形劇烈，表現(xiàn)為變形速度快、變形量大。為此將超前支護(hù)距離由20 m延長(zhǎng)到30 m，并且設(shè)三排單體柱加強(qiáng)支護(hù)，如圖5所示。單體支柱接π型鋼的布置方式，如圖6所示。靠近回采巷幫側(cè)的單體支柱通過(guò)十字鉸接頂梁和切頂柱相連，形成一個(gè)整體，增加穩(wěn)定性。

圖4 注漿孔布置示意圖

圖5 工作面調(diào)采段超前支護(hù)示意圖(單位：mm)

圖6 單體柱接π型鋼布置示意圖(單位：mm)

通過(guò)采取以上措施，實(shí)現(xiàn)了1223邊角煤回采工作面的正常回采，保證計(jì)劃順利完成，取得了理想的效果。

5 結(jié)論

1)針對(duì)1223工作面的形狀尺寸，提出采用“倒L”形工作面連續(xù)開(kāi)采設(shè)計(jì)，減少了工作面搬家次數(shù)，保證了不規(guī)則工作面的連續(xù)推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)邊角煤工作面正?；夭?，保證計(jì)劃順利實(shí)施，取得了理想效果。

2)1223工作面回采時(shí)采取了有效的保障措施，保證了工作面成功對(duì)接、旋轉(zhuǎn)開(kāi)采順利進(jìn)行。及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)，有效控制煤壁片幫和頂板冒頂；通過(guò)延長(zhǎng)超前支護(hù)距離，有效控制巷道圍巖變形。

3)以1223工作面開(kāi)采為例，研究了工作面對(duì)接、過(guò)老巷和旋轉(zhuǎn)開(kāi)采等典型不規(guī)則邊角煤塊段綜合機(jī)械化開(kāi)采方法與技術(shù)，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，擴(kuò)大在綜采的應(yīng)用范圍和適應(yīng)性，為不規(guī)則邊角煤資源的回收提供了參考。

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Continuous mining design and actual mining practice for irregular boundary coal

ZHUO Qingfeng1，YANG Bo2，ZHAO Li2，F(xiàn)ENG Zekang2

(1.Mining Department, Ordos Vocational College, Ordos 017000, China; 2.College of >Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Based on the 1223 working face of Xiandewang Mine, the geological conditions of corner coal are analyzed according to the actual conditions of working face, and the design scheme of "inverted L" face mining is put forward and the mining practice is carried out. In practice, a working surface docking, three rotary mining and continuous crossing through the two lanes are carried out, and multiple effective measures are applied to achieve the safe recovery of the working surface. Mining practice results show, the continuous mining design program of the "inverted L"-shaped work face achieved the normal mining of 1223work face, and reduced the moving frequency of the work face so as to ensure the continuous face mining, saving the costs and improving the economic benefits; protection measures were taken during the face mining to strengthen the support and extend the distance of the fore support in time for effective control of rib fall of coal wall, roof caving and roadway surrounding rock deformation; the normal mining of 1223 work face expanded the scope of application and adaptability of fully mechanized coal and provided a reference for the recycling of the irregular boundary coal resources.

irregular corner coal；docking technology；rotary mining；roof management

2016-10-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51234005；51504259)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(編號(hào)：2010QZ06)

卓慶奉(1981-)，講師，碩士，主要從事礦山工程技術(shù)的教學(xué)和研究工作，E-mail：myxinye@163.com。

TD823.89

A

1004-4051(2017)02-0117-05