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    连续块段式工作面安全开采技术研究

    时间：2023-01-12 13:45:34来源：百花范文网本文已影响人

    李成刚

    （潞安化工集团寺家庄煤业有限责任公司，山西 昔阳 045300）

    煤矿众多开采方法可归纳为长臂式开采和短臂式开采两个体系。我国60%的煤炭资源使用长臂式开采，美洲及非洲各产煤国较多使用短臂式开采。上世纪以来，由于大规模粗放开采，长臂式开采所导致的煤柱、不规则煤块残留愈为严重，据统计，因使用长臂式开采造成的煤资源浪费占开采量的四分之一[1]。而作为短臂式开采体系中最为先进的连续采煤机块段式开采工艺，能针对遗留煤柱实现有效开采，减少煤资源浪费，从而提高煤矿经济效益。本文将对连续块段式工作面安全开采技术结合山西省太行山地区某煤矿应用实际进行分析研究。

    随着近些年我国各煤矿单位对连续开采巷道排布、残留煤柱开采、顶板控制、工作面通风系统等不断深入研究，形成了连续块段式开采技术[2-3]。连续块段式开采工艺主流为房柱式开采和旺格维利式开采两种开采技术。

    1.1 房柱式开采工艺

    房柱式采煤是指在开采作业中，按照一定计划留下部分煤柱，这些煤柱形状不同，暂时用作支撑顶板，待开采结束后统一有序回收所有煤柱。在使用房柱式开采时，一般将至少4 个煤房编为一组共同掘进，各个煤房中心点相距25 m 左右，单个煤房宽度约为5 m，按照一定的距离使用联络巷进行联通，产生煤柱，形状通常为矩形。在开采结束后，统一回收煤柱，回收的方式通常有袋翼式、外进式、劈柱式三种，在不同的地质环境、开采条件下，使用不同的回收方式。

    房柱式开采设备成本低，价格仅为长臂式开采机械化设备价格的25%，且搬运设备较为灵活便捷，同时具有容易支护、巷道维护成本低、开采效率高等优势。但是，房柱式开采采出率较低，即使回收煤柱后，采出率仍不足80%；
    通风情况较差，不便于除尘。

    1.2 旺格维利式开采工艺

    房柱式开采虽优势众多，但也存在上述缺陷。针对这些缺陷，澳大利亚在房柱式开采上不断研究改进，最终形成了旺格维利式开采工艺[4]。该技术适用于间距大、强度大、顶板较稳定、瓦斯浓度低的接近水平煤层。旺格维利式开采技术采硐间煤柱宽度，由以前的0.9 m 降低为0.3 m，边角煤炭资源利用效率达到70%，在我国多个矿区得到成功应用，例如神东矿区，在产煤量、产煤率等多方面突破世界采煤记录。虽然与房柱式开采工艺相比较为完善，但旺格维利式开采技术仍存在不足：通风较差、不适用于高瓦斯环境、防火能力薄弱、设备价格高、成本高等。

    以山西省某煤矿为例，该煤矿位于太行山南麓，矿井存在基岩薄、平均埋深小（140 m 左右）等情况，煤层数量多且煤层间差异较大。其工作面顶部及其采空区悬顶覆盖面均相当较大，较易造成大规模的冒顶事故。首先根据吨煤费用最低原则计算支巷道长度[见式（1）]：

    其中：l 代表支巷道长度，a 代表掘进费系数，b 代表运输费系数，c 代表维护费系数，Δ 代表辅助费。根据上述公式可得支巷道长度计算公式为式（2）：

    根据该煤矿实际开采条件，由上述公式计算可得到支巷道长度为90 m～110 m。

    煤房极限跨距公式见式（3）：

    其中：[σ]为岩梁许用正应力，在该煤矿中为0.675 MPa，h 为顶板岩层厚度，带入相关岩性参数，得到煤房极限跨度为9.46 m。考虑到工艺设计情况，一般取5 m左右。

    综合该煤层情况，包括边角煤赋存条件，通过巷道布设及其顶板控制等继续予以优化与改进，建立了连续采煤机块段式采矿工艺技术，开采工作面布局如图1 所示。

    图1 边角煤开采

    针对开采过程中遗留的煤块，设有一个主运送巷、两个辅运输巷，在掘进作业过程中使用双巷挖掘的方式，即连续采煤机掘进，锚杆钻机进行支护，来实现掘进与支护同步作业、快速掘进。在进行支巷掘进时，同样也是这样。煤房回收时，一般需要布置四台行走液压支架设备，编为1～4 号。对四台液压支架设备进行分组，1、3 号为一组，2、4 号为一组，共两组。1、3号组的作用是在支巷中进行临时支护，2、4 号组的作用则是在对应的联络巷道内进行临时支护。在对某一煤房回收结束后，两组支架设备交换角色，1、3 号组在联络巷中进行临时支护，2、4 号组在支巷中进行临时支护。在煤房开采作业中，一套支架在连接巷道中只进退两次，随着工作面的撤回，将前进到下一待开采煤房的相应支巷。煤柱回收作业是在旁边的煤房挖掘到达之前所设定的位置后才进行的。末端的煤柱分别从左、中、右三个方向进行回收。对于煤房采煤，采煤机一般使用后向采煤法，采用双边斜切进给方式进行开采。而对于那些孤立在每个区段中的小煤柱而言，一般分别进行左右切割来完成煤柱的回收。在两侧位置进刀大约深12 m 左右，中间位置进刀大约深10 m 左右，在巷道的设置过程中通常采硐和支巷之间所呈角度为45°进刀，采硐结构宽3.5 m，高3.8 m，各刀之间需要留置0.5 m 的小煤柱。如果回采范围内顶板结构整体性较差，需要根据实际适当减少回采推进距离。若是有履带行走支架的情形下，采掘机械设备每收回一刀则履带行走支架也随即往前移动位置，对空顶部位实施高效保护，支架构造中的顶梁构造和采掘机械设备凸出部分中间一段距离维持在0.5 m以内。同时，行走式液压支架的移动方式如图2 所示。

    图2 行走式液压支架

    3.1 顶板控制技术研究

    为保障该煤矿连续块段式工作面开采安全有序进行，在开采分区段之前，还需进行很多的准备工作。第一步就是要布置好支巷结构，在对每个支巷完成挖掘后，再从上到下依次进行开采，并将支巷两边遗漏的煤收集起来，后采煤机使用斜切刀式进行割煤。对于露天直接顶板，将煤柱置于采煤巷道之间，就可以起到良好的临时支撑作用。持续进行开采直到相邻煤房后，由于采空区不断的拉伸破坏，保留的煤柱大多会出现失稳现象。在对煤柱的稳定性进行多次分析后，可以发现煤柱的稳定性与宽度有很大的相关性。一般而言，煤柱宽度范围大约为0.5 cm～1 cm。如果超出1 cm，起不到良好的支撑作用，而如果宽度不足0.5 cm 就容易造成相邻采煤巷道的失稳现象，从而给顶板结构带来很大的隐患。

    3.2 开采工作面通风系统

    在该煤矿实际连续块段式工作面开采初期，通风较差带来极大的安全隐患，威胁人员安全与设备正常运转。区块开采的通风系统结构决定了工作面漏风量的多少以及风量是否稳定，采矿巷道的布局决定了通风系统的复杂程度。通常块采通风具有低风速、低负压、大配风量等特点。为防止工作面风量被巷道所耗，提高工作环境质量，经过对巷道布置、进回风方式、工作面通风方式进行分析之后，在回采区建设回风通道，使用分支界定法选取通风巷道网络模型，并结合工作面具体实际对连接巷道进行合理设置，降低采空区顶板坍塌所造成的危险，保证回风通道畅通无阻，便于工作面设备进行操作；
    另外，工作面通风设备数量多、漏风量大、系统操作不稳定、抗灾能力差，通过使用局部风机来加强工作面送风。同时更换主通风机，使用BD-II 系列、FBCDZ 系列主通风机，根据该煤矿实际通风情况调节叶片角度，并采取一主一备两套通风设备管理，当主通风设备发生故障时，备用设备及时启用，确保通风系统正常运转，保障连续块段式工作面开采安全有序。

    连续块段式工作面开采分为房柱式和旺格维利式两种工艺。山西省太行山地区某煤矿在房柱式基础上，结合矿井实际，实现了对连续块段式工作面开采的改进，更适用于长臂式开采残留的煤柱、不规则煤块回收，提高了煤炭开采率与留置煤回收率。同时，通过完善留置保护煤柱顶板控制技术与开采工作面通风系统，杜绝开采过程中存在的安全隐患。通过该煤矿实践发现，连续块段式工作面安全开采在薄煤层与倾角较小的煤层更为适用，对充分利用煤炭资源、提高煤矿效益、安全开采具有重要意义。

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