厚煤层不规则块段连续采煤机短壁开采技术

苗彦平，杜　涛，王碧清，石晓光

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安710054；2.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司 生产技术部，陕西 榆林 719300；

3.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西 太原 030006)



厚煤层不规则块段连续采煤机短壁开采技术

苗彦平1,2，杜涛3，王碧清2，石晓光3

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安710054；2.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司 生产技术部，陕西 榆林 719300；

3.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

[摘要]基于陕煤神木张家峁矿5-2煤北部残留不规则块段煤层厚、埋深浅、顶板稳定不易垮落的特点，从巷道布置、设备配置、回采工艺、工作面通风等几方面，详细介绍了连续采煤机短壁开采技术在厚煤层不规则块段回采中的应用。回采过程中，针对顶板不易垮落形成采空区大面积悬顶的安全隐患，通过分段爆破强制放顶的方法，有效避免了顶板大面积垮落；通过构建区段边界回风通道，改善工作面作业环境。现场实践表明，连续采煤机短壁开采技术适用于稳定顶板条件下厚煤层不规则块段的开采，安全、高效地完成了5-2煤北部残留不规则块段的回采。

[关键词]连续采煤机；短壁开采；厚煤层；强制放顶；边界回风通道

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.006

[引用格式]苗彦平，杜涛，王碧清，等.厚煤层不规则块段连续采煤机短壁开采技术[J].煤矿开采，2015，20(5)：23-26.

陕煤神木张家峁矿地处陕北神府矿区，矿井存在大量不规则边角煤块段，尤其是5-2煤范围内煤层厚度大，储量约3.33Mt。这些块段分布不规则，无法布置正规的综合机械化开采工作面。目前采用传统旺格维利开采工艺对该部分资源回收，但面临着工作面采用局部通风机供风、作业环境差，采空区顶板难以垮落容易形成大面积冒落隐患等问题[1]。针对上述问题，采用连续采煤机短壁开采工艺，通过构建边界回风通道、爆破强制放顶等方式，以期安全高效地对矿井不规则块段资源进行回收。

1工作面概况

5-2煤北连采工作面位于5-2煤3条大巷以北，N15203综采面以南，对应地表位于东伙盘之北，李家沟之南。煤层赋存稳定，呈黑色，块状，以暗煤为主，亮煤次之，沥青光泽。埋藏深度为57.4～156.5m，煤层倾角1～2°，厚度变化幅度较小，煤层的两极厚度为5.2～6.0m，平均厚度为5.5m。直接顶板为泥岩，上部浅灰色，底部深灰色，团块状，中夹薄层粉砂岩，厚13.08m；基本顶为浅灰色粉砂岩，厚20.27m。5-2煤层属自燃煤层，自然发火期35d。煤尘均具有爆炸危险性，爆炸性指数为33.35%。工作面范围内水文地质条件简单，已掘进巷道中涌水量最大为5～30m3/h，基本不影响生产，工作面地温及地压均属正常。

2连续采煤机短壁开采技术

2.1　巷道布置

依据高回采效率、高资源采出率、低巷道掘进率的原则，根据生产系统需求，在块段中部布置区段主辅运巷道，其北翼直接布置支巷进行回采，由于南翼区段面积较大，因此先在区段中部布置采区主辅运巷道，而后在主辅运巷道两侧分别布置支巷进行回采。块段划分为3个采区，支巷长度以不超过80m为准，回采按照一采区→二采区→三采区的顺序进行。采区边界布置回风通道并与块段主辅运巷道相接。工作面巷道布置如图1所示。

图1　工作面巷道布置

2.2　设备配套

根据工作面地质状况，依据“低投入高产出”的原则，结合工作面采、落、装、运、支生产工序需求，选用连续采煤机短壁机械化开采装备，具体设备配备情况如表1所示。

表1　回采工作面主要设备配备

2.3　巷道掘进

采用LC520连采机进行掘进，激光指向仪定向，二次切割成巷，无轨胶轮车、刮板输送机、胶带输送机联合运煤；液压锚杆钻机钻孔，安装锚杆完成掘进巷道的支护工作。

巷道掘进工艺流程为：交接班→开工前安全质量设备检查(敲帮问顶、瓦斯、工程质量、探头、设备等检查)→开机前准备→割煤→装煤→运煤→清理浮煤→支护。

掘进时循环进度为5.0m，最大空顶距为6.0m，最小空顶距为1.0m。

2.4　回采工艺

工作面采用双翼进刀后退式回采工艺对煤柱进行回收，由里向外依次进行，先采右煤房再采左煤房，回采进刀方向与支巷均成45°夹角[2-3]。每刀完成后，支架顺序迈步式交替前移至相应位置，进行下一个循环。连采机与履带式行走液压支架配合回采煤房工艺流程为：置液压支架于支巷末端→采右翼煤房→清理浮煤→移右翼支架→采左翼煤房→清理浮煤→移左翼支架，如此类推，将支巷内所有采硐回采完毕。

以二、三、四、五号支巷为例说明连采机与液压支架配合回采的施工顺序，如图2所示。

图2　工作面回采工序

(1)将编号为A，B的液压支架置于二号支巷末端，并将支撑强度升到7200kN；将编号为C，D的液压支架置于三号支巷末端，并将支撑强度升到7200kN。

(2)调整连采机在距二号支巷末端12.0m处作为右翼煤房的进刀点，深度为12.5m，然后清理浮煤，退机。遥控前移右翼A支架5.5m(以后每次前移6.0m)后将支撑强度升到7200kN。

(3)调整连采机距支巷末端14.5m处作为左翼煤房的进刀点，深度11.5m，然后清理浮煤，退机。遥控前移左翼B支架8.0m(以后每次前移6.0m)后将支撑强度升到7200kN。

(4)依次回采二号支巷煤房，直至二号支巷右翼煤房回收完，左翼煤房剩1个时，将A，B支架支撑强度升到设计要求，将连采机退出二号支巷。

(5)调整连采机进入三号支巷，以相同工艺回采三号支巷煤房，直至三号支巷左翼煤房回收完，右翼煤房剩1个时，调整C，D液压支架至胶运巷1，2号煤房西侧，并将支撑强度升到设计要求，按照顺序回采胶运巷1，2，3，4，5号煤房，最后将C，D液压支架置于五号支巷末端，并将支撑强度升到设计要求。

(6)调整A，B支架至辅运巷6，7号煤房西侧，并将支撑强度升到设计要求，调整连采机至6，7号煤房处，按照顺序回采6，7，8，9，10，11号煤房，最后将A，B液压支架置于四号支巷末端。

2.5　通风方式

工作面采用全风压结合局部通风机增强供风进行通风，工作面主运巷为进风巷，辅运巷为回风巷，新鲜风流经支巷、工作面，再经边界回风通道进入主运巷，最终汇入回风大巷[4-5]。工作面按最多作业人员数量、瓦斯涌出量、巷道要求最低风速确定配风量为616m3/min。选用一组型号为FBD№7.1/2×45型对旋轴流压入式局部通风机进行供风，防止边界回风通道垮塌时工作面风量不足，提高工作面供风可靠性。风筒采用直径1000mm的柔性胶质风筒，局部通风机技术特征见表2。

表2　风机技术特征

2.6　运输方式

工作面采用4台胶轮车与刮板输送机、胶带输送机联合运煤，装载机辅助装煤，胶轮车装煤后将煤卸载至刮板输送机上，经刮板机转载于胶带输送机最终进入主运输胶带，装载机辅助将工作面洒煤运至刮板输送机。胶轮车卸煤后沿块段主辅运巷道联巷调头返回工作面接煤。运输过程中重载车辆与空载车辆分别沿不同路线进出支巷，避免交叉运行干扰。

3顶板控制技术

根据工作面地质条件及连续采煤机开采工艺要求，工作面主辅运巷道、支巷及联巷通常采用“锚—网—带—索”联合支护技术进行支护，地质条件较好时支巷两帮不支护，条件较差及片帮严重时两帮采用树脂锚杆进行支护[6]。顶板条件较差时，巷道交叉区及采硐开口处应力集中区采用梯子梁或工字钢并补打锚索加强支护，如图3所示。

图3　支巷支护方式

连续采煤机回采过程中，采用行走式液压支架跟机支护实现采硐口三角区的支护，该支架能够有效支护三角区顶板，控制顶板垮落，隔离采空区，防止采空区冒落矸石对人员、设备的破坏[7]。由于5-2煤顶板完整性较好，回采过程中无法实现随采随冒，容易形成大面积悬顶，而采用留煤柱管理顶板时为保证顶板安全不得不留设大量煤柱，极大地影响了煤炭资源的回收。同时，留设的煤柱经顶板长时间作用后容易压酥失稳，失去支撑作用，从而造成采空区顶板大面积冒落形成飓风威胁邻近工作面安全[8]，另外，采空区内大量的压酥煤柱也为采空区发火提供了条件。

为此，采用局部爆破强制放顶技术实现分段完全垮落法控制顶板。

3.1　爆破位置的确定

根据前期回采顶板来压规律及离层监测数据，结合本煤层邻近工作面回采经验，工作面回采极限垮落面积为10000m2，为保证安全，工作面每回采4条支巷(采空区面积约8000m2)后如若顶板未垮落即进行爆破强制放顶。炮眼呈“Γ”型布置在支巷口、主辅运输巷道及联络巷内，炮眼中心线距巷道中心线1m(靠采空区侧)。支巷口及主辅运巷道内炮眼孔距为2m，联络巷内炮眼孔距为5m。支巷口炮眼钻孔呈扇形布置，夹角30°，联巷内炮眼钻孔平行于主辅运巷道中心线，如图4所示。

图4　爆破强制放顶

3.2　爆破参数设计

爆破后爆落矸石应能充满炮眼下方空区，根据工作面地质条件，结合施工队组现有施工技术设备，爆破参数设计如下[9]：

(1)炮眼参数本工作面平均采高h为5.5m，顶板垮落厚度为h1，顶板的岩石碎胀系数k为1.32，为保证冒落顶板能完全充填采空区，计算h1=h/(k-1)=17.2m，现场取炮眼垂深18m。炮眼仰角确定为30°，则炮眼长度为36m。张家峁煤矿现有钻机为MYZ-150型全液压坑道钻机，钻头采用φ94mm合金钢钻头，成孔直径100mm。

(2)炸药选择采用矿用水胶炸药，药包规格为φ70mm×500mm，每包重1.8kg，雷管采用矿用毫秒延期雷管，装药系数为0.6，炮眼装药量为3.6kg/m，炮泥填装系数为0.4，炮泥采用黄泥制作。

(3)装药炮眼采用连续耦合方式装药，并采用双雷管双导爆索引爆，其中1根导爆索延伸至炮眼底部，另一根导爆索与外侧第一个药包连接[10]，每一根导爆索均采用电雷管起爆，2个雷管在孔口采用并联连接。

爆破操作时，先引爆边界炮眼以改变原有顶板力学参数，中部炮眼延期引爆，增强对顶板的破坏。爆破后，爆破区爆落矸石将空区充满，空区剩余部分顶板整体性受到破坏，随着时间的推移逐步冒落，避免了大面积垮落对工作面的冲击影响。

4应用效果

张家峁矿5-2煤北连采工作面采用连续采煤机短壁开采技术以来，支巷日掘进量30～40m，日回采采硐8～10个，月均产量65kt，工作面采出率75%。采用边界回风通道后，工作面实测粉尘浓度低于3mg/m3，作业环境大大得到改善。局部爆破强制放顶后10～15d，采空区对应地表出现裂隙，裂隙落差最大100mm，宽10～30mm，验证了爆破对采空区悬顶的改善作用，同时，工作面回采期间未出现来压冲击，保证了工作面的安全生产。

5结论

(1)张家峁煤矿5-2煤层不规则块段采用连续采煤机短壁开采技术，结合构建边界回风通道和爆破强制放顶技术实现了安全高效回采，为矿井类似条件煤炭资源的回收提供了切实可行的解决途径。

(2)连续采煤机短壁回采时通过构建边界回风通道，利用矿井全风压结合局部通风机增强供风，不仅保证了生产需求，也有效地改善了作业环境，为生产人员的健康提供了保障。

(3)工作面达到极限悬顶面积之前进行局部爆破强制放顶，能够使顶板逐步垮落，有效避免采空区大面积悬顶突然冒落对工作面造成冲击，保证安全生产。

[参考文献]

[1]徐永圻，王悦汉.短壁开采技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1987.

[2]王天亮.旺格维利采煤法在上湾煤矿的应用[J].煤炭工程，2003(12)：35-37.

[3]伊茂森.短壁机械化开采工艺在神东矿区的实践与工艺研究[A].中国煤炭学会首届短壁机械化开采专业委员会学术研讨会[C].2003.

[4]杜涛，周茂普.连采机短壁开采工作面通风现状与优化[J].煤矿安全，2014，45(4)：166-168.

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[6]周爱平.旺格维力采煤法顶板控制技术[J].煤炭科学技术，2006，34(7)：46-49.

[7]李浩荡.液压支架护顶旺格维力采煤法在大柳塔矿的应用[J].煤炭科学技术，2008，36(8)：15-17.

[8]王世栋.短壁连采工作面顶板运动规律研究[J].煤炭科学技术，2014，42(3)：121-124.

[9]庄学安，臧传伟，庄威.短壁工作面采场坚硬顶板强制放顶技术[J].煤炭科学技术，2014，42(11)：14-16,4.

[10]李慧平.神东矿区厚基岩顶板强制放顶初探[J].陕西煤炭，2005(2)：33-34.

[责任编辑：邹正立]

Short-wall Mining Technology of Anomalous Section in Thick Coal-seam with Continuous Miner

MIAO Yan-ping1,2，DU Tao3，WANG Bi-qing2，SHI Xiao-guang3

(1.Architecture & Civil Engineering School，Xi'an University of Science & Technology，Xi'an 710054，China； 2.Mining Technology Department，Shenmu Zhangjiamao Mining Co.，Ltd.,Shanxi Coal Group，Yulin 719300，China； 3.Taiyuan Research Institute Co.，Ltd.,China Coal Technology Engineering Group，Taiyuan 030006，China)

Abstract：For the characteristic of thick coalseam，shallow buried depth，unstable roof，this paper introduced application of continuous miner in anomalous section of thick coalseam from roadway arrangement，equipment configuration，mining technique and ventilation.In mining，the method of subsection blasting for forced roof caving was applied to avoiding roof large-area caving.By constructing boundary air-return way，mining operation environment was improved.Filed practice showed that continuous miner was adaptable for anomalous section of thick coalseam under stable roof and residual 5-2 coal northern anomalous section was mined safely and high efficiently.

Keywords：continuous miner；short-wall mining；thick coalseam；forced roof caving；boundary air-return way

[作者简介]苗彦平(1984-)，男，陕西神木人，采矿工程师，硕士研究生，现任生产技术部主任工程师，主要从事浅埋煤层开采、多煤层配采等技术研究。

[基金项目]山西省青年科技研究基金项目(2012021022-2)；陕煤集团神木张家峁矿业有限公司自立科技项目(SMZJFH(2014)-015)

[收稿日期]2015-03-27

[中图分类号]TD823.5

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0023-04