水采在极复杂条件下提高回采率的研究与实践

李东明,刘 龙,崔文朋

(大屯煤电公司安全监察部,江苏 徐州 221611)

1 概述

孔庄矿I5西采区共有两层可采煤，煤层倾角约为25°， 7号煤厚约5m，8号煤厚约3m，其中有3条伪斜正断层，左部F21∠70°,落差10～30m，中部Fe4∠70°落差12m，右部Fe3∠55°落差13 m。Fe21至Fe4断层最宽走向长215m，Fe4至Fe3最宽走向长157m，已知在左块段有两条伪斜正断层为Fe5∠70°落差6m和Fe6∠70°落差2.8m，伴随落差小于2m的小断层将非常发育，造成顶板裂隙发育，破碎，易冒落，较难维护。

2 回采方式选择及优化设计

2.1 回采方式选择

I5采区西部被较发育的断层自然沿走向伪斜断分为较短小的区块，因此以3条断层分为自然的两个倾向块段，煤层倾角在25°以上，每个区段中落差在6m以下的小断层非常发育，无法沿倾向布置机采面；沿走向布置炮采，在断层边界还要留设保安煤柱，走向区段内在过2m以上断层时，溜子要保持一定的直线度，势必造成断层区域破顶底岩石，使断层带丢失断层带三角煤。因此，为最大限度的回收断层带煤及边角煤，I5采区选择水采[1-3]。

2.2 工作面优化设计

I5采区7号、8号煤层间距6.5m左右，同时Fe4断层将左上部8号煤抬升至与右部7号煤接近同层的水平，从煤层地质赋存情况看，走向短，倾向长。因此将该工作面按倾向划分为几个区段，区段斜长一般在120～150m之间，根据回采眼的维护状况可适当加长或缩短，若维护困难可缩到60～80m，为了运料方便及从安全出口考虑，将该工作面倾向以三甩、二甩为自然分界，将该面分为三个区段，由于该工作面为伪斜条带状，上部区段倾长达200多m，考虑在上段中部再考虑打一条辅助中间巷。因此，本工作面采用走向短壁小阶段布置方式，由上往下4～9个小阶段联合推进，依次相错两个移枪步距，采用高压水射流落煤，一次采全高，全部垮落法管理顶板[4]。

回采巷间距及水采区的倾斜长度。回采巷之间的煤体(煤垛)稳定与否直接影响到巷道的维护状态，若受采动影响后煤垛仍能保持稳定状态，则巷道容易维护，且有利于在顶板垮落前采净煤垛，保证回采率的提高，反之则难维护，大量丢失煤炭资源。由水采巷道矿压显现特征知，巷道与采场间距变化，其变形速度与维护状态将发生明显变化。一般巷道间距愈小，回采巷受到相邻工作面和本工作面采动影响的程度也愈大。适当加大巷道间距可以缩小煤体的压裂范围，增加煤垛的稳定性，改善顶板及巷道的维护状态，减少掘进率，提高水采区的技术经济效益。因此通过对水采巷道矿压显现规律进行观察研究(表1)，使采动应力尽量少出现叠加，以便有更多的时间在顶板未跨落前，冲采更多的煤垛。

煤垛最终冲采角。合理的最终冲采角既要保证垛内煤水能通畅外流，又要减少三角煤呆滞煤量提高回采率，最终冲采角过大时，易造成煤水外流不畅，过小时会造成三角煤呆滞煤量的增加，根据孔庄矿多年的实践及煤体中硬、顶板易碎的特点，较适宜的最大冲采角取65°～75°。

为防止枪前从回采巷道采空区窜入的矸石压埋水枪，最小移枪步距应大于采空区矸石的窜下距离，其最小移枪步距为：

X=h[cot(β-ω)-tanω]

=2.2[cot(45-25)-tan25]=5.02

式中：h为巷道高度，m；β为冒落矸石自然安息角45°；ω为煤层倾角。

故理论最小移枪步距为5.02。

煤垛的最大允许长度一般以最小移枪步距和最终冲采角为基础，按最大冲采距离等于或略小于水枪有效射程以及煤垛面积应略小于顶板允许暴露面积的原则确定。最大冲采距离理论计算为：

=21.09

式中：Y为移枪步距8m；X为最大冲采宽度15m；θ为最大冲采角70°；m为煤层厚度5.14m；b为枪高0.5m；a为喷嘴到煤墙的距离0.2m。

在多个工作面保持一定错距依次冲采时，巷道势必受到多个工作面采动的综合影响。由上分析知，巷道受到的影响主要来自相邻及本工作面的采动影响，且相邻上方工作面采动影响以滞后采面15～20m时为最大。显然上、下相邻工作面保持15～20m错距依次推进，则巷道围岩变形势必达最大。若增大工作面错距，相邻面之间虽然避开采动影响剧烈区的叠加，但巷道受上方采动影响时间增大，同时没有避开相邻采面采动影响剧烈区的扰动，因此增大工作面错距对巷道维护并不利。若缩小工作面之间错距，不仅能避开相邻采面之间采动影响剧烈区的叠加，同时减少了相邻采面之间采动影响的时间，使巷道围岩变形趋于缓和，移近量大为降低，有利于改善巷道的维护状态。因此，在生产实践中应严格控制各采垛的开采顺序，准确确定冲采位置，避免工作面之间的错距加大。

3 工作性试验

3.1 工业性实验统计表

工业性实验统计数据如表1所示。

表1 工业性实验统计数据

3.2 工业性实验分析

从理论计算与工业实验数据对比[5-6]，理论最大冲采距离21.09m小于实际水枪的最大有效冲采距离25m，而根据薄板理论矿山压力实测，孔庄矿最佳空顶面积为80～90m2。由表1可知，因此巷道之间净煤垛定为8m，下部两巷道之间净煤垛宽度12m，采垛面积为98m2。根据经多年实践工作面错距为8m，煤垛宽12m，掐枪距8m(此情况正好避开周期来压峰值点，回采率最高)最为合理。

4 工作面边角煤及断带煤的采取

4.1 边角煤的处理

Fe21断层与F20断层间的边角煤，首先在中部打3#探煤巷，探到F20断层全为7号煤，直到F21断层遇全岩，全长46m，随后在下部及上部打了三条探煤巷，遇到F21断层为止，如果第一探巷遇断层距离小于15m，其余地点就不用再探，采煤时直接冲采至断层岩石为止。

4.2 断层带煤的处理

断层带由于断层破坏了工作面顶板的完整性，所以必将引起顶板压力的变化和重新分布，使工作面的顶板维护较难，甚至导致冒顶事故的发生。对遇到的走向断层、伪倾向断层、倾向断层、交叉断层，在设计上进行优化，首先，对于区块分界断层的处理，对于8193面西部在距F21断层岩石面东9m为中，对于7193面距F4断层东9m为中分别掘进回风上山，距断层面的实际距离在8m左右，有利于巷道的维护，退采时正好是一个煤垛。其次对于块段中伪倾向断层F5，其落差在6m，大于8号煤的高度，采取硬过断层，不但使煤炭质量下降，而且要过10余米的岩巷，断层带的煤不能安全回收，为解决这一难题，我们在断层带下盘距断层面15 m处打一断层下下山，水枪正好能冲至断层面，在断层上盘，沿断层面向上打一条断层上山，支护上除采用锚网索联合支护，还采取在巷道中部提前打一梁一柱超前单体，使沿断层面巷道在回采时保持正常的行人高度。第三，对于Fe4两工作面分界F4断层，落差12m，使7号、8号煤在断层带有互层现象，此点也在三甩、二甩主溜煤道掘进过程中证实，因此进行同层连采。三甩道上部7193西回风巷在向8193方向掘进过程中遇到全断面岩石，说明上部断层还受如图Fe5断层交汇牵拉，断层带出现岩石，不能同层连采，从8193溜煤下山已掘出巷道验证这一推论。第四，在断层下回采，裂隙发育、顶板破碎、因此在退采时均采用了闭式冲采法。

5 结论

I5西采区处于浅部，回风系统靠近总回风巷，工作面回漏风能力较强，由于优化了退采参数且采取了科学合理的技术手段对边角煤及断层带煤进行了有效回收，使开采的老塘遗煤量大为降低，减少了导致采空区内部遗煤自燃的关键因素，减少了掘进率，保证了安全高效回采，多回采煤量4万余t。为矿区同类条件下煤层的回采提高了经验和依据，取得了较大的经济效益和社会效益。

[1]刘新坤,李德军.采区化水采工艺系统在通化矿业集团六道江井的实践[J].同煤科技,2012(1):4-7.

[2]宋光武,刘尚海.区域化水采工艺及设备的研究[J].水力采煤与管道运输,1999(1):3-8.

[3]张世凯,刘尚海.新世纪我国水采技术发展趋势及今后攻关重点[J].水力采煤与管道运输,2001(3):3-6.

[4]孔恒,张世凯,李刚，等.煤层的水采工艺评价及其优化决策研究[J].煤炭学报,2000,12(s1):83-87.

[5]陈凤军.浅析厚煤层水采工作面如何提高单产[J].水力采煤与管道运输,2000(1):16-19.

[6]秦洪武,杨凌.水采技术是难采煤层增产提效的一种有效途径[J].水力采煤与管道运输,1998(2):25-29.