工作面遇端头陷落柱高效开采技术

常海雷，蒋春林

(山西天地王坡煤业有限公司，山西晋城048021)

1 工作面概况

王坡煤矿3205工作面总体为简单向斜构造，煤层底板起伏较大，整体东高西低。工作面设计长度180m，工作面走向长度2000m，工作面自北向南推进。1号陷落柱位于切眼处，走向长约64m，倾向长约35m，工作面布置避开陷落柱，布置大小2个切眼，主切眼长99m，辅切眼长78m。工作面采用U+I型布置，进风巷设计净宽5m，净高3.1m;回风巷设计净宽4.5m，净高3.4m;瓦斯尾巷设计净宽3m，净高2.8m;工作面切眼设计净宽7.5m，净高3.1m。工作面布置如图1所示。

图1 3205工作面布置

2 3205端头陷落柱突水危险性分析

3205工作面所在3号煤层位于二叠系下统山西组下部，煤层平均埋深为595m，平均厚度为5.97m，以黑色亮煤为主，局部煤质松软破碎，局部含有2层夹矸，煤层倾角2～10°，平均为6°，煤层单轴抗压强度平均为15.5MPa。基本顶为中砂岩，厚度平均8.89m，单轴抗压强度平均为74.1MPa;直接顶为砂质泥岩，平均厚度4.00m，单轴抗压强度为41.6MPa;伪顶为炭质泥岩，平均厚度0.3m，单轴抗压强度平均为11.0MPa;直接底为泥岩或细粉砂岩，平均厚度2.10m，单轴抗压强度平均为36.7MPa;老底为中砂岩，平均厚度为2.10m，单轴抗压强度平均为74.1MPa。

国内对陷落柱的形成机理［1－4］主要由康彦仁重力学说、钱学博膏溶学说、王锐循环说、徐为国真空吸蚀说等。陷落柱的突水机理［5－7］主要有尹尚先“厚壁筒”力学机理、许进鹏推导导水机理力学判据、杨为民和司海宝导突水陷落柱力学模型。

由于3205工作面1号陷落柱穿过煤层，保安煤柱留设15m，厚度宽度比＞1/5～1/7，符合厚壁筒突水子模式［8－9］。则1号陷落柱突破煤柱临界水压为

式中，h为关键层宽度;M为煤层平均厚度;γd为顶板岩体容重;γg为隔水层岩体容重;θ为内摩擦角;c为黏结力;H0为工作面顶板垂深;Q为矿山压力。

将本工作面参数h=12.8m，M=5.97m，H0=120m，γd=27 ×10－3kN/m3，γg=14.2 ×10－3kN/m3，θ=23°，c=2MPa，Q=26MPa带入公式 (1)中计算得PC=2.03MPa。

3205工作面底板标高535～580m，奥灰水静水位标高580～595m，3号煤层底板距峰峰组顶板厚度103.73m，计算工作面底板隔水层的实际水压P=(595－535+103.73) ×9.8×10－3=1.6MPa(2)

小于1号陷落柱突破煤柱临界水压力PC，端头1号陷落柱无突水危险性。

3 3205工作面主辅切眼对接前回采

3.1 3205工作面设备安装

辅助切眼安设1号～3号 ZFG6400/18/32型过渡放顶煤支架，4号～52号 ZF6000/17/32H型放顶煤支架，53号、54号 ZF6000/17/32H型放顶煤支架放置在出煤联巷内后期对接，主切眼安设55号～117号 ZF6000/17/32H型放顶煤支架，118号、119号ZFG6400/18/32型过渡放顶煤支架，前后输送机均为SGZ764/630型刮板输送机，采煤机为MG300/700－WD型双滚筒采煤机。

通过井上井下同时工作，工作面三机定位，45d完成工作面设备的安装，比原计划提前15d。

工作面安装进度如表1所示。

表1 工作面安装进度

2.2 工作面初采初放

初采前首先布置好出煤运输系统，根据现场实际情况，提出2套出煤方案。

方案1 主切眼前部/后部刮板输送机→1号探巷内75溜→出煤联巷内刮板输送机→转载机→巷道胶带机→集中主运行胶带机→主井煤仓。

方案2 主切眼前部/后部刮板输送机→1号探巷内75溜→辅助切眼→转载机→巷道胶带机→集中主运行胶带机→主井煤仓。

经分析比较认为方案1合理可靠，出煤系统增加了出煤联巷后可以保证后期主辅切眼的顺利对接，若出煤运输系统经由辅助切眼运输，当主切眼工作面持续推进到距离对接位置3m处，主切眼输送机机头无法通过探巷内过渡槽和机头，从而导致主切眼内回采煤炭不能正常运输。

初采前按照“三直两平两畅通”对工作面刮板机直线度、支架直线度进行调整，使用木板梁或枕木对局部底板不平处进行铺垫。前三刀采煤机最小控顶距割煤，刮板输送机调至低速状态运转，逐步调整采高至2.8～2.9m，初采第1刀对煤壁进行刷帮，刷帮深度不大于300mm。

主切眼回采期间，采煤机每割透2个机头拆除1节75溜，工作面端头超前支护单体液压支柱的初撑力不小于90kN，接近基本顶可能来压范围时，带班人员密切观察工作面支架受力、安全阀泄压、立柱支撑、超前棚π型梁受力情况等，同时在回风巷准备单体支柱和木板梁等支护材料。

4 主辅切眼两步快速对接法

(1)距离对接位置20m时开始调整主切眼内支架的位置［10－11］，保证52号支架外延与55号支架的外延空出3.1m的距离。在距对接位置20m时，及时调整刮板输送机的上窜下滑量，保证支架沿直线移动。为保证支护可靠，53号至55号支架间架设“一梁两柱”走向抬棚，出煤联巷内架设“一梁三柱”倾向抬棚。

(2)主切眼推到对接位置后，割透机头采煤机空刀牵引至前溜机尾附近，工作面辅助切眼推移千斤顶完全收回，并把主切眼前溜拉回，保证足够的空间方便对接。将前后输送机机头、减速机、底座、偏转槽、过渡槽拆开，利用绞车经出煤联巷运至进风巷。

利用出煤联巷内安装的绞车及方向滑轮将53号、54号支架拖到位，紧靠52号支架，接好支架的液压系统。将正常槽、刮板链按要求对接并张紧链条，微调调整支架、正常槽缝隙。对接之后支架间距100mm，输送机对接间距50mm，符合对接标准，实现主辅切眼快速对接。对接示意如图2。

5 工作面过空巷

出煤联巷与工作面斜交，垂直段全长15m，倾斜段全长90m，巷道属于煤巷，平均高度3m，宽度4.5m，矩形断面，巷帮采用锚网支护。

(1)在空巷内段架设“一梁三柱”π型梁抬棚，π型钢梁长4m，“一梁三柱”一次支护整条空巷，排距1m，空巷支护单体柱穿铁鞋。

图2 切眼对接示意

(2)过空巷时，因垂直于工作面的空巷断面较小，调整工作面与空巷的角度。工作面与运输巷调成70～75°的夹角进行推进。机尾一侧加快推进速度，机头一侧适当减慢推进速度，从而使工作面与空巷割通，形成逐段暴露，逐段插入实体煤中。

6 结论

(1)依据“厚壁筒”突水机理对陷落柱突水危险性进行分析，确认陷落柱无突水危险性，保安煤柱留设合理，为复杂地质条件下工作面设计和回采工艺提供了技术依据。

(2)通过井上井下联合作业，工作面三机定位，优选出煤运输路线，缩短了工作面设备安装时间。设备安装时间由60d缩短为45d，效率提高25%。

(3)通过综采工作面对接工艺的研究与对接实践，掌握并控制运输机上窜下滑量，实现运输机对接间距50mm，支架对接间距100mm，较传统的对接方法节约了大量时间，确保了生产的连续性。

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