基于矿压规律分析对采煤工艺及参数优化

杨书明

（山西乡宁焦煤集团燕家河煤业有限公司，山西 临汾 042100）

近年来，随着煤矿开采效率的提升，加之我国煤炭赋存情况相对复杂，浅部煤层的大量开采，剩下未来开采煤层的埋藏深度均较大，而且煤层条件更为复杂。针对深部煤层、大倾角煤层在实际开采中主要面临着采出率低、含矸率高、矿井压力增大等问题，整体归结为开采效率低。本文主要结合实际生产，本着提高生产效率和开采安全性的原则在对矿压进行监测的基础上，对采煤参数及采煤工艺进行优化。

1 工程概况

某矿120210 综采工作面整体走向长度为211 m，其中倾斜工作面的长度为183.7 m。经探测，120210综采工作面的煤层厚度为6.8～9.8 m 之间，煤层平均厚度为8.15 m，煤层最大倾角为45°，平均倾角为34.5°。总体来讲，120210 综采工作面属于厚且大倾角煤层。120210 综采工作面的顶底板条件，如表1 所示。

表1 120210 综采工作面顶底板条件

总的来讲，12021 综采工作面的岩层处于裂隙发育状态。同时，该工作面的最大涌出量可达120 m3/h，瓦斯绝对涌出量为0.566 m3/min。目前，工作面所配套的液压支架为掩护式液压支架，具体型号为ZF8600/18/35，该液压支架的最大支护高度可达3.5 m。

2 工作面矿压监测

真实掌握120210 综采工作面在实际生产中的矿压和巷道变形情况，为后续采煤参数及采煤工艺的优化提供支撑。

2.1 监测方案设计

针对矿压监测在倾斜工作面液压支架的倾角变化量和液压支架的伸缩量等数据进行直接测量[1]，同时采用先进的液压支架监测系统对其载荷进行记录。将倾斜工作面的液压支架划分为上部、中部和下部三个区域，总共液压支架数量为109 个。其中，上部区域液压支架编号为73#-109#，中部区域液压支架编号为37#-72#，下部区域液压支架编号为1-36#。

针对工作面巷道围岩变形的监测需求，重点对工作面的回风巷道和运输巷道进行监测。其中，在运输巷道内布置4 个监测点，分别距离停采线为0、80、110、150 m；在回风顺槽巷道内布置3 个监测点，分别距离停采线为310、240、195 m。巷道变形监测点在工作面布置情况，如图1 所示。

图1 巷道围岩变形监测点

其中，巷道围岩顶部变形的采用DL-2.5 型沉降指示器进行监测；巷道两帮的移近量采用C-Ⅱ型自动记录器进行监测。

2.2 监测结果分析

综合对上述监测方案所获取的数据进行分析，在矿压规律和巷道变形方面得出如下结论：

1）随着综采工作面的不断推进，倾斜工作面的倾角处于不断变化的状态；其中，上部倾斜工作面的平均角度为25.7°，中部倾斜工作面的平均角度为27.9°，下部倾斜工作面的平均角度为28.6°。

2）液压支架在移架过程中，由于其支护高度降低，导致其无法与工作面顶板充分接触，进而导致R-S-F 系统出现失稳的情况；同时，普遍液压支架前柱和后柱的载荷差异明显，导致液压支架出现了滑移的现象，不仅对液压支架设备尤其是油缸的损害严重，而且对现场工作面人员的生命安全也造成极大的威胁[2]。

3）运输顺槽巷顶板下沉量最大为100 mm，两帮移近量最大为14 m；回风巷顶板的最大下沉量为57 mm，两帮移近量最大为10 mm。而且，在距离工作面35 m 的位置处工作面巷道的围岩变形剧烈；从距离工作面35 m 到80 m 的位置处工作面巷道的变形逐渐减缓；从距离工作面80 m 的位置开始巷道的变形已经非常小，即巷道围岩处于相对稳定的状态。

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3 工作面采煤参数及采煤工艺的优化

3.1 工作面采煤参数的优化

目前，120210 综采工作面倾斜工作面的长度为183.7 m。但是，在对其矿压规律监测中发现，由于倾斜工作面的长度过长导致R-S-F 系统出现失稳的情况。因此，为解决R-S-F 系统失稳的情况，结合国内其他大倾角工作面煤层的开采经验，将120210 综采工作面中大倾角工作面的走向长度优化为90～120 m之间。

工作面的倾角对于液压支架工作的稳定工作具有关键作用，针对本工程中液压支架的出现滑移的情况，将综采工作面改进为“伪仰斜”状态，并将其控制在0°～3°为最佳。

同时，结合120210 综采工作面勘探的地质条件参数，尤其是对底板地质条件的分析，为了保证综采工作面的正常高效开采，留设0.4 m 的底煤进行开采。

3.2 采煤工艺的优化

3.2.1 采煤工艺优化原则

采煤工艺的优化需要遵循如下原则：

1）基于设备生产能力的基础上，应尽可能的增加采煤机的采煤高度，从而提升工作面煤炭的采出率[3]；

2）确保在一个班组中采煤机循环工作的数量最大；

3.2.2 采煤工艺参数的优化

根据开采经验可知，适用于我国煤层相对合理的采煤高度范围在2.7～3.7 m 之间，而且对应的在3～3.5 m 之间的高度为最佳。结合120210 综采工作面的地质条件以及现场设备的生产能力，得出该工作面对应的最佳采高范围应在2.6～3.1 m 之间。

同时，根据120210 工作面现场工作空间的合理布置原则，对应采煤机的最佳采高范围在2.8～3 m之间。

因此，综合考虑不同采高对应的工作面的产量、通风能力以及现场设备布置情况等条件，最终将120210 综采工作面的采高确定为3 m。

3.3 优化效果

对上述采煤参数和采煤工艺进行优化设计，具体的优化效果，如表2 所示。

表2 采煤工艺及采煤参数的优化效果

4 结语

一直以来，工作面煤层的开采效率是企业关注的核心指标。在实际生产中，受工作面地质条件以及煤层埋藏深度的影响，在回采期间的矿压规律表现不同，为保证高效安全生产需要对采煤参数和采煤工艺进行优化。本文以120210 工作面为例重点对其采煤参数和工艺进行优化，具体总结如下：

1）当前采煤参数和工艺下，出现了R-S-F 系统失稳的情况并导致液压支架出现了滑移的情况，严重威胁设备和人员的安全性。

2）重点将工作面倾斜长度从183.7 m 优化为90～120 m 之间为最佳，为保证综采工作面的正常高效开采，留设0.4 m 的底煤进行开采，将采煤高度优化为3 m 等。

3）实践表明，对采煤参数和工艺进行优化后，120210 综采工作面的回采率较之前提升了11.22%，直接创造的经济效益较之前提升了18 360 万元。