近距离三软煤层(17#煤层)开采关键技术研究

创造单位：贵州盘江精煤股份有限公司火烧铺矿

主创人：吴学武

创造人：周金恋 孙昌辉 易明军

一、公司简介

火烧铺煤矿位于贵州省盘州市火铺镇境内，始建于1966年，1971年正式投产，为平硐、斜井联合开拓，煤矿井田面积26.47km²，已探明煤炭储量50781.36万吨，可动用煤炭储量7330.04万吨，现年生产能力达到285万吨，是贵州盘江精煤股份有限公司主产煤矿之一。

近年来，随着开采深度的不断增加，地质复杂、断层多等问题给煤矿安全高效生产带来了极大挑战。对此，火烧铺煤矿坚持创新发展，坚定不移走机械化、自动化、信息化、智能化的高质量发展道路，通过引进智能设备、优化系统，加快推进生产模式由原来的“傻、大、黑”向“高、新、尖”转变。

2022年，煤矿成功引进应用了大功率采煤机、重型掘进机、大功率钻机、单轨吊、巷修机、清仓机、永磁电动滚筒、泥煤深度分选等一系列新技术、新装备、新工艺，大大提高了生产效率和安全保障能力。2022年全年生产原煤230.96万吨，同比增长10%，有力支持了地方经济高质量发展。

二、实施背景

一直以来，三软煤层（软的顶板岩层、软的主采煤层和软的煤层底板岩层）开采都是制约煤矿安全生产、高质量发展的重大难题。目前，火烧铺矿主采的17#煤层就是典型的三软煤层，具有煤层松软破碎，结构复杂，夹矸及煤层厚度变化大、煤层倾角大的特点，且还属于突出煤层。

17#煤层储量丰富，现有地质储量为4644万吨，占全矿井现有地质储量（41732.75万吨）的11.1%。同时，17#煤层的煤质好，采出的原煤内在灰份15%～19%，挥发份为28%，含硫量低（0.28%），高位发热量为20.3MJ/kg，低位发热量为25.2MJ/kg，只需将灰份降低，就能达到用户要求。

然而，正是由于三软煤层特性，使得火烧铺矿17#煤层开采进展受到了严重影响。火烧铺矿17#煤层13174工作面采用的是ZY3800/15/33型支架，回采过程中容易出现支架压架、咬架、支架移架困难等情况，导致工作面月平均推进度仅40m左右，不仅严重降低了工作面的回采速度，还存在巨大的安全隐患。

特别是在17#煤层回采巷道掘进过程中，由于要采用手镐掘进，导致工人劳动量大增，掘进速度缓慢。同时，回采巷道在服务年限内围岩变形量大，在掘进期间平均卧底1-2次，回采期间需要卧底2-3次，这不仅增加了巷道维修工程量和费用，也影响了综采工作面的正常高效回采。

基于上述情况，火烧铺矿抽调技术骨干组成研究团队，对17#煤层开采关键工艺技术进行攻关，以彻底解决这些制约煤矿安全、高效开采的一系列难题。

三、主要工艺技术研究

（一）综采工作面井巷施工工艺及支护技术研究

为了减小围岩变形量，提高工作面回采效率，研究团队对231704工作面巷道表面收敛、深部位移、支架滑移量以及支架压力等进行数据监测，分析掌握原支护条件下巷道围岩活动规律及变形过程。（如图1所示）

图1 231704风巷掘进工作面顶板压力监测

图2 231704风巷金属支架卡缆拧紧力矩对巷道围岩变形影响现场

图3 231704风巷采用U29可缩性支架+喷注浆联合支护

图4 231704风巷综掘施工现场

巷道围岩活动规律分别是：巷道顶底变化速度与支架搭接长度变化速度有较为相似的变化规律；初期变形大，来压快，巷道整体收敛变形，呈显著大变形特征；巷道的变形具有较强的时效性。

巷道变形主要经历初期高速变形、减速变形与常速变形三个阶段，随着时间的延长势必导致巷道失稳，围岩变形移动范围大。231704回采巷道围岩在距巷道壁4m深部基点处，位移仍较大，且两帮的围岩稳定不动基点在大于4m的更深部。

另外，U型棚支护属于被动支护。在支护初期，U型棚与围岩间存在大量不均匀空隙，支架没有提供足够的强度和刚度控制围岩松动圈的发展，支护体无法形成结构。这也是231704工作面巷道在原有支护下巷道围岩破坏的原因。

17#煤层围岩松动圈发育范围较广，碎胀变形力较大，给支护带来较大的困难。扭矩扳手检测发现搭接处滑移量较大的支架其卡缆螺栓的拧紧力矩普遍较小，支架搭接处预紧力矩不够。（如图2所示）

对此，火烧铺矿研究团队在原有支护结构基础上，创新提出了“U29型钢支架+喷注浆”联合支护设计方案。该方案充分考虑了U型棚与围岩间存在的大量空隙，在铺设的金属网上每隔一定间排距打设一组锚杆和注浆锚索（或注浆管），并对围岩进行喷注浆，使U型棚与围岩形成一个支护整体，对围岩进行主动及被动支护。通过在231704回风巷、231704运输巷进行工业性试验，该方案支护效果提升明显，在巷道掘进后的16天中仍处于稳定状态，至观测结束，巷道两帮累计移近量为136mm，顶底移近量为206mm。（如图3所示）

巷道掘进速度缓慢的主要原因是掘进与支护的不平衡，为了减少这种冲突，每个快速开挖项目在屋顶条件允许时，研究团队通过增加空顶的距离，使开挖和支撑的工作空间不互相干扰，真正实现了并行操作。

同时，研究团队针对掘进任务“破、落、装、运”四个环节，综合现场情况和掘进效率，设计了新的回采巷道综掘工艺流程：掘锚机沿着中边线破岩后，采用锚杆钻机及时对巷道顶板和两帮进行支护，所破下的岩石经刮板输送机-连运车-装载胶带机及各个环节的胶带运输机运送至大巷，最后运输至地面。

该项工艺流程，充分考虑到掘支平衡和掘进工艺优化，并利用层次分析法对传统掘进工艺和新设计的综掘方案进行了比较。

经过对比，新设计的综掘方案优于传统方案。231704工作面实施综掘快速掘进工艺后，月平均进尺达到了126.7m，较之前月均进尺75m左右有了较大提高，达到了预期要求。（如图4所示）

（二）综采工作面“三机”配套及安全高效回采工艺研究

综采工作面主要装备是采煤机、刮板输送机和放顶煤液压支架，俗称“三机”。“三机”配套的合理性决定着回采的成败和生产效益的好坏。研究团队通过对21170工作面液压支架进行适应性及力学分析，发现存在支架初撑力、工作阻力偏小，工作面支架偏载现象严重、稳定性差，且支架移架时间长等问题，这直接导致工作面正常推进度仅有40m左右。

以问题为导向，研究团队进一步研究了支架-围岩关系，建立起数学模型，对支护阻力、支护角度以及端面距对顶板的控制效果进行深入分析和计算。

经过科学理论分析和计算，研究团队确定了17#煤层“三机”型号：工作面液压支架型号为ZY6000/15/33、采煤机型号为MG-320/710-WD，配备SGZ-764/2×315型刮板输送机。同时，确定了工作面长度为120m，设计了单向采煤，上行割煤，下行清理浮煤采煤工艺，进刀方式采用留三角煤端部斜切进刀，在采煤机下行清浮煤时跟机推溜，并提出提高工作面开机率的方法，以及优化工作面回采工艺。

图5 21170综采工作面液压支柱支撑阻力监测设备

通过现场支架阻力的监测，对ZY6000/15/33型液压支架在21170工作面的使用情况进行综合评判：初撑力达到要求；整面支架的末阻力在各个区间呈正态分布，支架末阻力分布合理；支架额定工作阻力有一定的富余量，能够确保工作面顶板安全；支架稳定性好，较大的节省了支架的移架时间。最终，工作面实现日推进度3.2m，月推进度达80～90m，月产量达7万吨左右，产量、推进度均达到目标要求。（如图5所示）

研究团队还研发了合理控制工作面采高、提高工作阻力等相应的防止煤壁片帮技术，进一步提升了掘进能效。

（三）工作面及两巷围岩控制技术研究

随着工作面向前推移，一系列严重影响安全生产和生产效率的问题日益凸显，给工作面的支护和采煤机、刮板输送机、液压支架的使用造成了极大困难。问题主要集中在两个方面：

一方面，暴露出来的顶板极易冒落，在构造应力作用下发生流变；另一方面，底板软且大部分含有膨胀性粘土矿物，在受矿井水的影响下发生底鼓，而且煤壁易片帮、冒顶严重。

对此，研究团队通过建立UDEC数值计算模型，对21170工作面连续推进6m、24m、36m、48m、60m、72m时的垂直应力场、水平应力场及垂直位移场分布特征进行了分析；研究了21170工作面上覆岩层垮落特征，得到了顶板初次跨落步距为36m左右、周期跨落步距为10m左右的一手数据；采用YHY60型矿用本安型数字压力计，配合1台FCH32/0.2矿用数据采集器，对21170工作面上、中、下三部分的支架压力进行了实施监测，得到工作面周平均周期来压步距为10.42m、影响的范围为1.53m、平均动态动载系数为1.36的精确数据。

同时，通过对21170工作面两巷的表面收敛数据进行实时观测分析，得到两巷变形与工作面超前支承压力分布特征：顶底板变形以底鼓为主；由于煤柱侧为采空区，两帮变形以实体煤帮为主；距工作面110m左右处超前支承压力有显现特征，在90～110m范围内，变化相对较为平缓；40～90m范围内，巷道受超前支承压力影响明显；40m以内，巷道受采动影响剧烈，顶底板及两帮变形剧烈增加。

基于上述的科学监测与分析，研究团队对21170工作面超前支护距离进行了调整：回风巷距工作面10～25m范围内采用一梁两柱，排距500mm，铰接顶梁配合单体柱双排进行加强支护；距工作面25～42m范围内采用一梁两柱，排距500mm，铰接顶梁配合单体柱单排进行加强支护。运输巷超距工作面10～25m范围内采用一梁两柱，排距500mm，铰接顶梁配合单体柱双排进行加强支护；距工作面25～49m范围内采用一梁两柱，排距500mm，铰接顶梁配合单体柱单排进行加强支护。

四、主要创新点

该项目研究成果达到国内领先水平，有助于进一步推动我国三软煤层开采工艺技术的革新，真正实现三软煤层巷道掘进、工作面回采的安全、高效、快速掘进。主要创新点如下：

一是形成了一套三软煤层井巷施工工艺、优化了三软井巷支护方式与支护参数；

二是形成了一套完整的火铺（17#）三软煤层开采工艺；

三是实现了三软煤层综采（放顶煤）安全快速掘进，达到工作面高产高效。

五、取得的成效

通过对三软煤层近距离开采关键技术研究与应用，火烧铺矿实现了17#煤层安全高效开采，并降低了生产成本，经济效益显著提升。

通过在21170综采工作面应用三机配套及安全高效回采工艺技术，工作面月平均进尺达80～90m，原煤产量9.79万吨，产值达11749.18万元。与应用前相比，原煤产量增加了5.18万吨，新增产值6220.15万元。

通过在231704工作面应用回采巷道综掘工艺流程和实施综掘快速掘进工艺技术，工作面月平均进尺达到了126.7m，相比之前每月75m的掘进速度，大大减少了人工劳务费和燃料动力费。其中，在长850m的231704风巷掘进中，分别节约人工劳务费110482元，燃料动力费114114元。

除此之外，通过此次项目研究，火烧铺矿还进一步锻炼了技术人才队伍，培养了采矿、机电等工程类高工3名、工程师8名，为煤矿实现高质量发展夯实了人才基础。