小常煤矿厚煤层综放工作面扇形开采技术研究

宋宇鹏，王 涛

(晋能控股煤业集团长治公司，山西 长治 046000)

在井工煤矿开采过程中，部分工作面受开采条件的制约，如遇断层和陷落柱等地质构造、村庄和矿界的保护煤柱，为提高煤炭资源的回收率，常将工作面的始采线或停采线布置在地质构造带或保护煤柱附近。此类工作面在初采或收尾时，常出现三角煤或不规则区域煤的回采，需要对工作面进行旋转开采或调斜开采，尽量保证工作面等长布置。国内大量专家学者对不规则工作面的开采技术进行了研究，吴士良等[1]通过对三角煤旋转开采的长刀斜切和短刀斜切2种工艺进行对比分析，在杨村矿305工作面初采期间实施了1刀长刀和3刀短刀穿插割煤方式，并对调采工艺提出了要求；马旋[2]根据石台矿3118工作面开采条件，提出了“实中心旋转，弧形甩面法”的旋转回采工艺，解决了工作面旋转回采期间爬架、挤架、歪架等技术难题；叶宗宝等[3]结合三河口矿2326工作面生产实践，深入研究优化了弧形开采技术。以上研究对煤矿不规则工作面的回采提供了强有力的指导，但是对于扇形旋转开采过程中的关键技术以及矿压显现规律的研究则相对较少。本文基于小常煤矿30212工作面扇形区域的开采需求，对综放工作面扇形开采工艺和矿压显现规律进行了研究。

1 工作面概况

1.1 工作面开采条件

小常煤矿位于山西省长治市潞州区，生产能力210万t/a.矿井开采的3号煤层厚度为5.55～6.94 m，平均6.6 m，煤层倾角1～8°.煤层中部含夹矸0～3层，厚度0.10～1.25 m，岩性一般为泥岩和炭质泥岩。3号煤层老顶为中粒砂岩和粉砂岩，直接顶为砂质泥岩和细粒砂岩；直接底为泥岩和砂质泥岩，老底为中细粒砂岩。煤层和顶底板岩性如图1所示。

图1 矿井地质综合柱状图

30212工作面位于302采区西南部，东起302采区胶带上山，西至井田边界保安煤柱，北侧为30211工作面的采空区，南侧为实体煤。工作面地面标高+908 ～ +930 m，井下标高+493 ～ +583 m.工作面切眼及两巷均沿煤层底板掘进，运巷长1 558 m，风巷长1 570 m，切眼长277.5 m，矩形断面，锚网索支护。工作面的设计可采长度运巷侧577 m，风巷侧707 m，设计可采煤量139.8万t.30212工作面布置见图2.

图2 30212工作面布置(m)

1.2 工作面设备配置

30212工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法，采煤机截深0.8 m，工作面采高6.6 m，机采高度3.2 m，放煤高度3.4 m，回采率95%，循环产量1 912.8 t.工作面内布置有188组液压支架支护顶板，采空顶板采用全部垮落法。工作面设备配置见表1.

表1 工作面设备配置

2 扇形开采方案设计

30212工作面回采方向与井田边界线的夹角64°，如果沿用小常矿以往的开采经验，将工作面布置成两巷等长的正规工作面，则会在工作面切眼与矿界保护煤柱线之间留下一块三角煤区域，如图3所示。该区域面积约20 736 m2，储量约17.94万t，为尽可能多地回收煤炭资源，需要对工作面布置进行优化。结合国内其他煤矿的开采实践，本文对布置刀把面和扇形面两种开采方案进行比较，为了便于计算分析，比较中不考虑巷道上方和初采期间的顶煤损失。

图3 三角煤区域(m)

2.1 刀把面开采方案

如图4(a)所示，30212运输巷掘进到位后向右拐弯掘进切眼Ⅱ段139 m(全切眼长度的1/2)，切眼到位后向左拐弯掘进运输巷Ⅱ段72 m至矿界保护煤柱线处，再向右拐弯掘进切眼Ⅰ段144 m与回风巷贯通。规划的刀把面面积约10 368 m2，可采煤量8.97万t，三角煤回收率50%.

2.2 扇形面开采方案

如图4(b)所示，以30212运输巷的终点为圆心，切眼长度加两巷宽度为半径作一圆弧，回风巷沿圆弧掘进至井田边界保护煤柱线处，从运输巷终点沿矿界保护煤柱线倾斜布置切眼，并与回风巷圆弧段贯通。扇形面的切眼长度277.5 m，圆弧段巷长度130 m，面积约18 745 m2，可采煤量16.22万t，三角煤回收率90%.

图4 两种工作面布置规划图(m)

2.3 方案比较

对两种方案进行比较可以看出，通过布置扇形面能够大大提高三角煤的回收率，由刀把面的50%提高到90%，多回收煤炭资源7.25万t.刀把面掘进期间巷道需要两次拐弯，稳装期间需要对两条切眼进行设备安装，随工作面推进还要安排专门时间进行两段切眼的对接工作，巷道拐弯多，生产系统复杂，通风阻力大，而扇形面只需要整体安装一次切眼内的设备，系统相对简单。因此，采用扇形面开采三角煤区域，具有显著的技术和经济优势。

3 扇形开采关键技术

3.1 设备安装控制

1) 前后溜机头与转载机搭接要合理，搭接角度均为26°，前溜与转载机搭接控制在650 mm左右，后溜与转载机搭接控制在350 mm左右。

2) 端头三角区及前溜机尾的电缆和管路敷设要留出1.5 m的空间，防止采斜时前溜上窜下滑导致出现增、减溜槽情况。

3) 端尾过渡架与回风巷外帮之间要预留一定的空隙：巷道位于实体煤内，预留700～1 000 mm；巷道临近采空区，预留1 500～2 500 mm，并将巷道变形量考虑在内。

3.2 进刀方式控制

采煤机从工作面端尾进刀割煤向端头方向运行时，遵循“深入浅出”的方法，采煤机向煤壁侧斜切进刀，截深800 mm；从工作面端头方向进刀割煤向端尾方向运行时，遵循“浅入深出”的方法，采煤机运行至前部刮板输送机铲煤板与煤壁<800 mm处时，自然切入煤壁，待采煤机滚筒完全切入煤壁和在端尾出刀时，截深要达到800 mm.从端尾进刀时，进刀距离为30 m，正常进刀；从端头进刀时，采煤机由端尾运行至端头，割透端头煤壁后即完成进刀作业，然后反向牵引采煤机向端尾运行。

3.3 推溜方式控制

在采斜阶段，工作面设备本身处于向端尾方向运动的趋势，采用端尾向端头方向单向推溜的方法，可以有效抵消设备下滑的力，以保持设备基本稳定。因此，推前溜时，无论采煤机是向端头还是端尾运行，始终坚持由端尾向端头单向顺序推溜，防止前溜急速下滑。在临近采斜结束时，前溜有一个上窜临界值，一旦越过临界值，前溜将会急速上窜，造成调整困难，必须加强观测，提前采取多进机头、赶溜等措施进行控制。

3.4 支架移架控制

按照工作面回风巷侧的推进距离，移架作业分为三个阶段。

1) 回风巷侧推进0～25 m，此阶段正常移架作业。

2) 回风巷侧推进25～110 m.41号中间架向3号排尾架：移架时，使用小单体柱一头支设在支架左前立柱底座部位，另一头支设在其相邻机尾一侧支架右前立柱上，边移架边伸单体柱，强迫支架向工作面机头方向摆动，摆架操作跟随移架作业同步进行。1号排头架向40号中间架：使用单体柱支设在相邻支架尾部，利用单体柱的推力，强迫支架尾部向工作面机尾方向摆动，在停机状态下操作；待工作面支架随着工作面的回采进度逐步进行调整后，使用单体柱支设在端头外帮侧煤壁与端头架外帮副架之间，可利用单体柱的推力，强迫端头架向工作面机尾方向摆动。

3) 回风巷侧推进110～130 m.41号中间架向3号排尾架执行与上阶段相同的摆架操作。1号排头架向40号中间架：在摆动支架尾部的基础上，增加摆动支架前部的操作，使之与其它支架逐步呈现为平行状态；端头架向工作面机尾方向摆动后，最终要与工作面成平行状态。

4 工程应用

30212工作面斜切眼与工作面推进方向的夹角为64°，弧长位于回风巷一侧，整个扇形三角区设计可采长度130 m(风巷侧弧长)，可采面积17 934 m2，可采煤量约15.51万t.

在扇形面实际回采过程中，要保持端头侧为圆心完全不动的理想情况是比较困难的，为了便于采煤机进刀、支架调整和推拉前后溜，端头侧也要相应地以弧形推进。以端头侧为圆心，切眼长度为半径，端尾多进刀，端头少进刀，近似顺时针转动；初采结束，端头端尾推进距离趋于平行后，开始正规回采作业。工艺流程：采煤机割煤—装煤—移架—推前刮板输送机—放煤—拉后刮板输送机—采空区顶板自行垮落。30212工作面扇形区域2019年10月9日开始回采，2019年12月5日回采完毕，初期端头进1刀(0.8 m)，端尾进5刀(每刀0.8 m)；端头累计进7刀后，调整为只进端尾，不进端头；端尾推进至120 m时，达到前溜上窜临界值，开始推进端头进行调节。整个扇形区域端头侧推进18刀共14.4 m，端尾侧推进165刀共132 m，如图5所示。

图5 扇形开采区域示意(m)

工作面采用液压支架支护顶板，回风巷超前支护段长度50 m，单体柱配合π型梁组成“一梁四柱”支护，运输巷超前支护段长度20 m，单体柱配合π型梁组成“一梁两柱”支护，棚距均为0.8 m，工作面支护如图6所示。

图6 扇形工作面支护(mm)

5 实施效果

5.1 矿压显现分析

1) 顶板离层。在巷道顶板中部每隔50 m安装1个顶板离层仪，用于监测深浅基点离层情况。扇形面开采期间，30212回风巷超前工作面50 m内顶板最大离层量10 mm，回风巷其他区域和运输巷均未观测到顶板离层，说明顶板的整体性较好。

2) 巷道变形。巷道表面位移采用“十字布点法”安设测站，每旬观测1次并做好记录[4]。在回采期间，30212运输巷的断面基本无变化，由于回风巷侧与相邻的30211工作面采空区之间只留设7 m宽小煤柱护巷，受30211工作面采动压力和扇形面超前支承压力的双重影响，超前支护区内顶板下沉量最大300 mm，两帮移近量最大1 200 mm，底板未出现明显底鼓，说明巷道动压显现明显，变形量较大，但仍在可控范围。

3) 锚杆(索)受力。为监测顶板锚杆(索)的受力变化情况，巷道内每隔300 m安设1组锚杆(索)测力计。扇形开采期间，30212运输巷的顶锚杆和顶锚索受力情况变化不大，最大值分别为23 kN和47 kN；回风巷的顶锚杆和顶锚索压力最大值分别为156 kN和174 kN，是运输巷的6.8倍和3.7倍，需要加强回风巷内的支护[5]。

4) 工作面矿压显现。工作面端头端尾推进距离不等，为便于分析，现将工作面分成端头、中部、端尾三个区域。①端头区域：矿压显现不明显，推进12 m时直接顶才初次垮落。②中部区域：推进1.8 m时，顶煤垮落，上方顶板随即呈破碎型陆续垮落；推进60 m时有顶炮声，范围广且清脆，判断是直接顶初次垮落，支架压力无明显变化。③端尾区域：推进1.8 m时，顶煤垮落，上方顶板随即呈破碎型陆续垮落；推进40～50 m时能听到清脆的顶炮声响，判断是直接顶初次垮落；端尾开始出现帮鼓、顶板下沉，期间一直伴随有顶炮声，越来越显沉闷；回采至128 m时，端尾有乳白色水涌出，判断是老顶垮落。

在整个扇形开采期间，工作面未观测到明显的周期来压，顶板自端尾向端头逐渐垮落，至扇形开采结束时，端头、中部、端尾的顶煤及上方的顶板均已破碎垮落，垮落后的煤岩体将采空区封闭。

5.2 经济效益分析

30212工作面扇形区域初采时前3刀不放顶煤损失了部分煤炭资源，其余均按照预定计划完成了回采工作，共回收三角煤约16万t，按照小常煤矿3号煤当时的售价570元/t计算，多创造产值约9 120万元，经济效益十分显著。

6 结 语

1) 根据小常煤矿30212工作面的开采条件，设计了刀把面和扇形面两种开采方案，并进行了技术经济比较，相比布置刀把面，扇形面对三角煤的回收率由50%提高至90%，可多回收煤炭资源7.25万t，系统布置也更加简单。

2) 提出了工作面扇形开采的关键技术，包括对设备安装、进刀方式、推溜方式、移架方式的控制，并在30212工作面进行了成功的应用，整个扇形区域端头侧推进14.4 m，端尾侧共推进132 m，回收三角煤约16万t.

3) 对30212工作面扇形开采期间进行了矿压观测分析，完全能够满足现场安全生产要求，验证了扇形开采的可行性和适用性，同时也为今后相似条件下的三角煤回收提供参考借鉴。