郭二斗

（華陽集團(tuán)一礦，山西 陽泉 045000）

引言

一直以來，我國煤礦煤層大部分采用粗放性開采，主要以長壁綜合機(jī)械化開采為主，該種開采方式實(shí)施后會(huì)在工作面殘留下部分煤柱和呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)的塊段煤等。為了避免上述殘留煤的浪費(fèi)，需發(fā)明適用于塊段式煤炭的開采工藝。連續(xù)采煤工藝可應(yīng)用于對塊段式煤炭的開采其回采率大于60%[1]；但是該種采煤工藝在實(shí)踐應(yīng)用中存在頂板管理困難，由于還需留設(shè)較多的煤柱，存在煤炭資源回收率仍很低的問題。因此，針對塊段式煤層的連續(xù)開采還需對其巷道布置、頂板管理等方面進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)安全、高效的開采。

1 工程概況

本文所研究煤礦設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為12 Mt/a，所研究工作面的水平走向長度為98 m，傾斜工作面的走向長度為12 m，整個(gè)工作面的走向長度為110 m；以該工作面1#煤層的開采為例，該煤層所屬工作面含水層的滲透系數(shù)為0.044 m/d，屬于積弱富水含水層。經(jīng)探測，該工作面的最大涌水量為30 m3/h，正常涌水量為15 m3/h，為其所配套的排水系統(tǒng)的最大排水能力為50 m3/h，即在排水方面滿足要求。1# 煤層所屬工作面的頂?shù)装宓刭|(zhì)條件，如表1 所示。

表1 1#煤層工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

此外，該工作面瓦斯的絕對涌出量為0.19 m3/min，瓦斯的相對涌出量為0.293 m3/t；該煤礦工作面屬于低瓦斯工作面。

2 連續(xù)采煤的巷道布置及設(shè)備配套

2.1 連續(xù)采煤的巷道布置

針對走向長壁綜合機(jī)械化開采后所形成的塊段式煤層，本文提出采用連續(xù)采煤機(jī)對其進(jìn)行開采，根據(jù)煤礦1#煤層工作面的特點(diǎn)，對其合理布置巷道的參數(shù)，如表2 所示。

表2 塊段式煤層工作面所布置巷道的參數(shù)

2.2 連續(xù)采煤的設(shè)備配套

對于連續(xù)采煤工藝而言，可采用連續(xù)運(yùn)輸和間斷運(yùn)輸兩種方式對其綜采設(shè)備進(jìn)行配套。其中，基于連續(xù)運(yùn)輸方式配套采煤設(shè)備要求對巷道的斷面面積較大對后期巷道的支護(hù)難度增大，不僅影響支護(hù)效果，而且還會(huì)影響開采的安全性[2]。基于間斷運(yùn)輸方式配套并布置綜采設(shè)備，其在實(shí)際生產(chǎn)中操作簡答且方便，而且對巷道的適應(yīng)能力強(qiáng)；同時(shí)，該種布置方式還有利于對頂板的管理和對片幫圍巖的控制。

因此，本工程采用間斷運(yùn)輸方式對綜采設(shè)備進(jìn)行布置，其對應(yīng)的布置方式，如下頁圖1 所示。

圖1 連續(xù)綜采設(shè)備的布置示意圖

3 連續(xù)采煤工藝參數(shù)的初選與優(yōu)化

根據(jù)工作面實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的采煤工藝。鑒于連續(xù)采煤機(jī)塊段式開采時(shí)對頂板管理的要求較高，因此，需要特別注意連續(xù)塊段式采煤工藝的頂板控制設(shè)計(jì)。

3.1 連續(xù)采煤工藝參數(shù)的初選

3.1.1 支巷長度的確定

支巷的主要功能：作為綜采設(shè)備運(yùn)輸?shù)南锏?，便于對其他巷道的維修等。支巷的長度主要與主巷的掘進(jìn)長度相關(guān)，其與工作面掘進(jìn)費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)以及維護(hù)費(fèi)的系數(shù)相關(guān)[3]。綜合該煤礦的實(shí)際情況，初步將支巷的長度設(shè)計(jì)為80～120 m。

3.1.2 煤房極限跨度的確定

煤房極限跨度主要與工作面巖層、煤層的特性參數(shù)相關(guān)，保證一定寬度的煤房具有適用于工作面頂板的抗拉強(qiáng)度。煤房極限跨度計(jì)算公式，如式（1）所示。

將該煤礦工作面的相關(guān)參數(shù)代入式（1）中得出，適用于塊段式煤層開采煤房的極限跨度為9.53 m。即，煤房的跨度不能大于9.53 m；綜合1#煤層工作面的特點(diǎn)，確定煤房的跨度為5～6 m。

同理，采用理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的方式，確定隔離煤柱的留設(shè)尺寸為10 m，支巷的煤柱寬度設(shè)計(jì)為15～20 m 之間，采硐巷道所設(shè)計(jì)的刀間煤柱寬度為0.3～1.5m 之間即可。

3.2 連續(xù)塊段式開采工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述所設(shè)計(jì)的連續(xù)塊段式開采工藝參數(shù)是否能夠適用于塊段式煤層的開采，并對設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]，本節(jié)將通過數(shù)值模擬分析進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬模型建立

結(jié)合“2”中所設(shè)計(jì)各個(gè)巷道的參數(shù)建立數(shù)值模擬仿真模型，所依據(jù)的參數(shù)如下：支巷寬度按照5.4 m計(jì)算，采硐巷道的回采寬度按照3.3 m 計(jì)算，工作面煤層的采高按照4.2 m 計(jì)算。所建立的模型及巷道布置，如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬仿真模型

3.2.2 煤柱寬度參數(shù)的優(yōu)化確定

煤柱寬度參數(shù)不僅影響煤層開采的安全性，而且對煤炭回采率的影響較大。因此，合理確定煤柱寬度尤為重要[5]。以刀間煤柱寬度為例，對0.5 m、1 m、1.5 m和2 m的刀間煤柱在實(shí)際開采中的破壞程度，是否能夠保證對頂板的有效支撐進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而得出最佳刀間煤柱寬度。鑒于篇幅有限，此處僅列出刀間煤柱寬度為2 m時(shí)的應(yīng)力變化，如圖3 所示。

圖3 刀間煤柱寬度為2 m 時(shí)的應(yīng)力變化

分析仿真結(jié)果可知：當(dāng)?shù)堕g煤柱寬度為1.5 m 和2.0 m 時(shí)，煤柱受到開采動(dòng)壓的影響導(dǎo)致其被破壞，但并沒有出現(xiàn)較為嚴(yán)重的拉伸破壞現(xiàn)象，其完整性保證工作面的安全生產(chǎn)。當(dāng)?shù)堕g煤柱寬度為0.5 m 和1 m時(shí)，雖然煤柱發(fā)生了拉伸剪切破壞，但是煤柱還可處于塑性支撐的狀態(tài)，可對頂板進(jìn)行有效支護(hù)。

綜上所述，為了兼顧工作面支護(hù)要求和資源回收率，最終確定刀間煤柱參數(shù)為0.5 m。同理，對應(yīng)的保護(hù)煤柱寬度為10 m，聯(lián)巷殘留煤柱的寬度為1.5 m，大巷保護(hù)煤柱寬度為8～10 m 之間即可滿足要求。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)采用走向長壁式開采方式會(huì)留下邊角塊煤柱，從而造成煤炭資源的浪費(fèi)。為解決上述問題，本文提出基于連續(xù)采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)對塊段式煤層的開采，該開采工藝主要存在的問題為其頂板管理困難。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中重點(diǎn)針對其安全開采完成了塊段式煤層開采的巷道布置設(shè)計(jì)，并對關(guān)鍵煤柱參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化?？偨Y(jié)如下：

1）根據(jù)工作面情況，將巷道劃分為支巷、聯(lián)巷、采硐巷以及膠運(yùn)輸槽巷道等，并確定了巷道的相關(guān)尺寸；并采用間斷運(yùn)輸方式完成其綜采設(shè)備的布置，以保證生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2）結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬仿真手段尤其對煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中刀間煤柱參數(shù)為0.5 m，保護(hù)煤柱寬度為10 m，聯(lián)巷殘留煤柱的寬度為1.5 m，大巷保護(hù)煤柱寬度為8～10 m。