王 勃

（華陽集團總調度室，山西 陽泉 045000）

引言

目前，我國煤炭已經初步實現(xiàn)自動化綜采階段，下一步主要研究方向為提升工作面煤炭回采率，減少開采過程煤炭資源的浪費。一直以來，礦區(qū)邊角塊是導致煤炭浪費的主要因素。為此，在實際開采過程中引入房柱式開采工藝[1]。然而，房柱式開采工作在實際應用中存在產量低、頂板管理困難、煤炭生產成本高等問題。為解決房柱式機械化開采工藝回收率低和頂板管理困難的問題，本文將研究連續(xù)采煤機房柱式機械化開采工藝的應用。

1 煤柱尺寸設計

房柱式采煤的核心結構為煤柱，煤柱對保證房柱式采煤工作面圍巖可高效控制[2]。因此，煤柱尺寸的確定需綜合對比不同煤柱的應力值、強度值以及應用的適用性得出結論。本文所研究綜采工作面煤層為某礦1號煤層，煤層平均傾角為3°，煤層厚度為6.88~7.99 m，煤層的平均厚度為7 m，煤層中矸石的總厚度約為0.29 m，矸石的主要成分為泥巖、粉砂巖和砂質泥巖。經測量可知，砂質泥巖和粉砂巖的抗壓強度值為40 MPa，屬于不穩(wěn)定頂板；老頂?shù)闹饕煞譃樯皫r，其抗壓平均強度值為43.7 MPa，屬于較穩(wěn)定圍巖；底板的主要成分為粉砂巖，穩(wěn)定性較好。

房柱可視為綜采工作面的“梁”，基于巖梁載荷計算的結論和“梁”的相關理論結合工作面巖層條件的各項參數(shù)。當將工作面頂板巖梁簡化為簡支梁時得出該工作面房柱頂梁的最大跨度值為9.53 m。當將工作面頂板巖梁轉化為固定梁時得出工作面房柱頂梁的最大跨度值為11.67 m。

綜合上述兩種情況得出，采用連續(xù)采煤機房柱式機械化開采工藝時頂板的極限跨度值為9.53 m，即針對該綜采工作面的煤柱寬度小于9.53 m即可。根據(jù)實際生產經驗，一般將房柱式開采工藝下對應下的煤房跨度值控制在5~-6 m之間。

除此之外，根據(jù)工作面實際情況設計煤柱的高度值為7 m，煤房的高度分為5 m和5.5 m。

2 房柱式機械化開采的支護設計

在實際開采過程中，實現(xiàn)對綜采工作面圍巖的高效、穩(wěn)定控制是保證安全、高效生產的前提。目前，針對綜采工作面圍巖控制主要以錨桿、錨索支護方式為主，并且通過工程類比法和現(xiàn)場觀測法相結合的方式綜合確定錨桿支護參數(shù)[3]。結合該煤礦1號煤層所屬工作面的支護經驗，確定本文所研究工作面的錨桿支護參數(shù)。

2.1 1號煤層所屬工作面支護實例

所選用的巷道錨桿的直徑為16 mm，錨桿長度為1 800 mm，同時錨桿采用矩形布置，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿排錨桿的數(shù)量為4根；此外，針對煤房所采用錨桿的直徑為16 mm，錨桿長度為1 800 mm，同時錨桿采用矩形布置，錨桿間距為1 600 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿排錨桿的數(shù)量為3根。

上述支護方案對應支護效果如表1所示。

表1 1號煤層所屬工作面支護效果監(jiān)測

經現(xiàn)場觀測，采用上述支護方案1號煤層所屬工作面在房柱式機械化采煤工藝下整個巷道的礦壓現(xiàn)象不明顯，圍巖變形量較小。說明，本支護方案可有效對工作面圍巖進行穩(wěn)定控制，保證工作面礦壓不受周圍開采的影響。

2.2 工作面支護參數(shù)設計

基于1號煤層所屬工作面的支護實例，并結合本文所研究工作面的實際情況，確定其支護參數(shù)如下：所選用巷道錨桿的直徑為16 mm，錨桿長度為1 600 mm，同時錨桿采用矩形布置，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿排錨桿的數(shù)量為4根；鑒于該工作面頂板的巖層屬于4類，在上述支護的基礎上加一項鋼筋鋼帶支護，對應鋼帶的規(guī)格為4 500 mm×150 mm×12 mm。此外，針對煤房所采用錨桿的直徑為16 mm，錨桿長度為1 600 mm，同時錨桿采用矩形布置，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿排錨桿的數(shù)量為4根；在上述支護的基礎上采用木托板進行強化支護，對應規(guī)格為400 mm×120 mm×50 mm?；谏鲜鲋ёo方案對應的支護效果如表2所示。

表2 工作面支護效果監(jiān)測

3 連續(xù)采煤機房柱式機械化開采工藝的應用

3.1 房柱式采煤工藝的選擇

所謂采煤工藝指的是結合工作面煤層、巖層的實際條件，為其配套不同裝備實現(xiàn)對工作面煤炭的落煤、裝煤、運煤、支護以及采空區(qū)處理等工序[4]。采煤工藝的選擇需遵循如下原則：所選工藝的高度可靠性；所選工藝與煤層、巖層等條件相匹配，能夠實現(xiàn)煤層的高效開采；可適當提高工作面的回采率和生產的安全性。針對工作面的實際條件，為其配置如表3所示的設備實現(xiàn)對煤炭的高效開采。

表3 工作面房柱式采煤工藝設備統(tǒng)計

3.2 房柱式機械化開采工藝的應用效果

工作面共有五條平巷，具體如圖1所示。

圖1 工作面采煤生產工藝系統(tǒng)

在實際生產中，錨桿機首先在5號平巷內對巷道進行支護錨桿；與此同時，連續(xù)采煤機在1號平巷內開采，當采煤機完成一個截割循環(huán)后轉至2號平巷內對煤層進行開采。1號煤巷開采完成后，錨桿機轉入1號煤巷進行支護。

經實踐生產表明，采用上述開采工藝整個工作面的回采損失率僅為3.4%。其中，巷道掘進回收率為47%，煤柱回收率為49.6%。

4 結論

煤炭作為不可再生能源，在生產和使用過程中均需避免煤炭資源的浪費。尤其采用傳統(tǒng)采煤工藝時，由于對工作面邊角塊煤炭資源的浪費是導致煤炭回收率低的主要原因[5]。為此，將房柱式開采工藝系統(tǒng)應用于實際生產中，并根據(jù)實踐經驗完成對煤房和巷道的支護設計，為其配置可高效、安全生產的采煤機、錨桿機、鏟車和行走液壓支架，最后根據(jù)工作面實際情況完成具體開采工藝的設計。實踐表明，采用連續(xù)采煤機房柱式開采工藝整個工作面的回采損失率為3.4%。