薄煤层极复杂地质条件下长壁综采工作面的关键技术研究

2018-01-04黄光平

科技视界 2018年25期

关键词：通风

黄光平

【摘要】当前，我国复杂地质条件下薄煤层走向长壁综采工作面长度不足200m，严重制约了综采技术和效率的提高。无法选用更长工作面，是因为极复杂地质条件下薄煤层长壁综采工作面所面临的难题难以解决。

【关键词】极复杂地质；薄煤层综采；走向长壁工作面；W+通风

中图分类号： TD823.251 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）25-0219-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.101

【Abstract】At present，under the complex geological conditions in China，the length of the long fully mechanized mining face in the direction of thin coal seam is less than 200m，which seriously restricts the improvement of fully mechanized mining technology and efficiency.The longer working face can not be chosen because of the difficult problems faced by the long fully mechanized mining face of thin coal seam under extremely complex geological conditions.

【Key words】Extremely complex geology；Thin coal seam synthesis；Towards the long wall work surface；W+ventilation

0 前言

川煤集團芙蓉公司叙永煤矿是一家以煤炭生产为主业的国有企业。公司所在矿井为煤与瓦斯突出矿井，目前开采所在1593综采工作面为薄煤层，煤层厚度0.88～1.3m，平均厚度1.15m，面临三软、断层、涌水、高突等极复杂地质条件。选择了特长长壁工作面为研究对象，对极复杂地质条件下薄煤层长壁综采工作面的多项关键技术进行了深入研究。该套技术在极复杂地质条件下，综合了技术、装备和人员、管理等经验，使安全、技术、生产、管理融为一体，实现了在极复杂地质条件下薄煤层开采“一矿一面，一面达产”的高产高效目标，为薄煤层开采提供了较好的技术和应用参考。

1 走向长壁综采工作面关键技术研究现状

由于开采煤层厚度小于1.3m，薄煤层走向长壁工作面综采在技术层面主要面临三大核心问题：（1）通风方式优化；（2）工艺参数优化；（3）综采采煤技术。

1.1 矿井通风方式研究现状

矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，担负着向井下供给新鲜空气、排出有毒有害气体、保证矿井和作业人员生命安全的重要任务。随着我国煤炭产量和开采深度的增加，煤矿井下瓦斯的涌出量逐年增加，其中80%的瓦斯需要通过井下通风系统来排放。不同的通风方式有不同的优缺点，应根据各矿井开拓方式及生产布置的不同选用不同的通风方式。采煤工作面的通风方式根据开采技术条件、煤层赋存状况的不同，以及采煤工艺的发展和瓦斯涌出量、煤尘发生量、自然发火情况的不同分为U型、Z型、Y型、W型以及排瓦斯专用尾巷的U+L型等多种形式。

1.2 工艺参数优化研究现状

综采工艺参数优化是以经济、效率、安全、合理为评价原则，考虑各种因素根据优化原则确定工作面长度，同时对工作面内工作面正规循环生产能力和服务年限计算，获得工作面内各参数如单循环生产能力、日产量、月产量、月进度、服务年限等，从而优化各设备之间的选型、各工序间的作业方式，减少因工艺造成的采煤机停机及空行时间，最大限度提高工作面单产、减低开采成本。

1.3 采煤技术发展现状

1.3.1 三机配置参数优化

三机配置参数的确定，主要根据煤层地质条件、现有设备技术指标，向大功率方向发展。

1.3.2 薄煤层长壁综采工艺技术

对赋存稳定、地质构造简单的薄煤层，由于采高小，顶板压力小，围岩变形破坏程度也小，因此工作面支护强度小于中厚煤层工作面，可采用综采长壁开采；顶板管理可采用冒落法、缓慢下沉法和局部充填法。如果回采工作面的直接顶（或伪顶）、直接底为炭质泥岩或炭质页岩，为生产方便和提高效率，可人为地加大采高进行开采。

薄煤层走向长壁综采工作面发展水平除与技术层面相关外，还与煤层、倾角、地质特点息息相关。本项目所在芙蓉集团叙永煤矿1593工作面，应用项目研究成果，在平均煤厚1.15m、煤层倾角平均14.5°、地质条件复杂的情况下，实现了工作面长度244m的高效回采全国领先水平。

2 主要内容、难点

2.1 开展薄煤层长壁综采工作面通风方式研究

叙永煤矿为煤与瓦斯突出矿井，采煤工作面回采必然会受到瓦斯的严重影响，采空区瓦斯也会对生产过程造成影响，现有的通风方式难以满足薄煤层长壁工作面开采的需求，因此必须研究叙永煤矿1593工作面通风及瓦斯运移相关规律，开展薄煤层长壁工作面的通风方式优化（工作面巷道布置）研究，实现薄煤层综采的安全高效推进。

2.2 开展成套瓦斯综合抽采技术研究

为保障煤与瓦斯突出煤层的瓦斯预抽采率及瓦斯抽采浓度，在1593工作面机巷、中巷以及风巷，研究C19煤层顺层钻孔+C20煤层穿层预抽钻孔对煤体进行超前预抽技术，以及中巷、风巷施工高位拦截钻孔技术，设计高位钻场巷道以及瓦斯抽采的配套工艺。

2.3 提出薄煤层三软过断层条件下的采煤技术

1593综采工作面地质条件极其复杂，顶底板岩性均为砂质泥岩，岩石硬度系数f为4～6，煤层硬度系数f为2～4，薄煤层采煤工作面揭露有7条断层，其中正断层6条、逆断层1条，工作面回采初期顶板涌水量最大26.7m3/h，并且叙永煤矿被认定为煤与瓦斯高突矿井，复杂地质条件给综采工作面生产与管理带来极大困难。需研究包括三机配置和采煤工艺在内的复杂地质条件下采煤技术。

2.4 提出薄煤层综采现场组织管理方法

研究复杂地质条件下的生产组织与管理经验，针对人员、设备、地质等提出相应的管理方法，从培训、定岗、检查、处突、预警、控制等方面为保障上述技术顺利实现提供质量控制手段。同时在保障综采技术实现方面，还需研究三机控制等核心技术。

2.5 该套技术现场应用和实践

为实践和验证极复杂地质条件下薄煤层综采工作面长度244米的高效回采能力，在芙蓉公司叙永煤矿1593工作面进行应用和实践。该工作面为三软、断层、涌水、高突等极复杂地质条件，可对本项目研究成果进行可行性验证，同时对存在的技术问题进行改进和完善。此外，还需对该套技术产生的经济和社会效益进行全面分析，验证项目的先进性。

极复杂地质条件下薄煤层长壁综采工作面技术研究属于多学科交叉问题，至今尚未完全解决，还有待人们不断的探索与发展。本课题需解决的难题主要分为三个方面：（1）根据薄煤层长壁综采工作面瓦斯运移规律确定通风方式；（2）基于多属性决策理论提出工作面参数优化方法；（3）提出薄煤层三软过断层条件下的采煤技术。

3 1593工作面通风优化

叙永煤矿1593工作面通风及瓦斯运移相关规律，提出薄煤层长壁工作面的通风方式。本工作面属于+930m水平15采区南翼上部回采工作面。经中国矿大鉴定，该区域为煤与瓦斯突出区域。工作面下段瓦斯绝对涌出量为3.250m3/min，工作面上段瓦斯绝对涌出量为1.70m3/min（2016年瓦斯涌出量测定报告资料及相邻采面回采期间瓦斯涌出量所得），工作面下段二氧化碳绝对涌出量为0.973m3/min，工作面上段二氧化碳絕对涌出量为0.50m3/min（2016年瓦斯涌出量测定报告资料及相邻采面回采期间瓦斯涌出量所得）。

工作面共计长度约为244m，根据资料，机巷/中巷/风巷断面3.6*1.8m2，工作面断面积约5.2*1.3m2。按《煤矿安全规程》规定及1593综采工作面通风量计算，工作面下段实际情况取值为750m3/min，中巷进风取值为400m3/min，工作面上段实际取值为1150m3/min。根据工作面的几何尺寸建立三维模型。模型采用多边形网格化，包含164792个网格，网格尺寸为0.5m，均匀划分，能够较好的反映出流场内部流动参数，划分较为合理。无下行通风，最为适宜。因此采用上部巷道回风，下部巷道和中巷进风的“W+”型通风方式较为合适。

4 采煤工艺

选用MG320/710-WD3型电牵引采煤机，工作方式为双螺旋滚筒截割落煤，滚筒截深为0.6m，即循环落煤进度为0.6m；工作面机头架设3架、机尾架设2架ZY2800/11/24掩护式液压支架，然后架设150架ZY3200/08/18掩护式液压支架支护工作面顶板。

5 工作面的综合组织管理

极复杂薄煤层综采多措施、众目标管理法分为：一培（人员培训），二定（定岗、定任务），三查（三机设备检查、工作面观测压力表检查、监测监控设备检查），四处（处理片帮大块煤矸、处理顶底板、处理非正常液压支架、处理非正常可弯曲型刮板输送机），五预警（工作面瓦斯浓度达到0.8﹪、采面顶板来压征兆、在断层褶皱带采煤和移架作业时、处理挤架咬架倒架时、有透水征兆时），六控制（顶板周期来压时供液压力不低于30MPa、液压支架排列成直线、采面可弯曲型刮板输送机成直线、采煤司机与滚筒安全距离、采面进风量、工作面涌水）。

6 主要结论

6.1 提出薄煤层长壁综采工作面采用“W+”型通风方式

通过Fluent数值模拟了三种回风方式下的1593工作面通风状况，揭示了工作面附近的瓦斯运移与富集规律。结合数值模拟结果与煤矿安全规程的相关规定，采用了上部巷道回风，下部巷道和中巷进风的两进一回的W+型通风方式。实测的工作面瓦斯分布规律与数值模拟规律近似，实践证明该种通风优化方式能够较好的保障工作面的通风安全。在此基础上，设计了工作面的具体通风路线、通风设施以及通风管理的相关措施，有效的保障了叙永煤矿的安全高效生产。

6.2 提出“本煤层顺层抽采与上下煤层穿层预抽采相结合的立体综合抽采技术”

本煤层顺层抽采技术：在C19煤层所在1593工作面的机巷、中巷以及风巷施工钻孔，采用150mmPVC管抽采；在1593采面风巷安设一条直径108mmPVC管抽采，实现采空区和上隅角瓦斯治理。结合1593工作面煤层间距、层位关系，长倾斜工作面漏风半径、邻近层泄压瓦斯涌出特征，设计了高位钻场巷道尺寸、层位、间距设计，钻孔形式以及瓦斯抽采配套工艺，实现上下煤层穿层瓦斯预抽采。工作面割煤期间，绝对瓦斯涌出量20.25m3/min，抽采利用瓦斯量14.04m3/min，抽排瓦斯量1.21m3/min，风排瓦斯量5m3/min，工作面抽采率达到69.33%，回风瓦斯最大0.75%，上隅角瓦斯得到有效治理，回风巷瓦斯得到有效控制。

6.3 提出“基于多属性决策的工作面参数优化方法”

针对如何实现复杂地质条件薄煤层安全高效开采问题，基于多属性决策理论，利用TOPSIS方法，建立了工作面长度和影响工作面长度的经济效益、生产效率、安全效益和工程条件（工艺合理性）等多属性之间的数学模型。利用该模型，结合叙永煤矿煤层具体条件，建立了30多个工作面长度方案和上述属性之间的数学模型，确立了叙永煤矿1593工作面理论长度为244m。

6.4 提出“薄煤层三软过断层条件下大功率快进高产采煤技术”

1593综采工作面地质条件极其复杂，顶底板岩性均为砂质泥岩，岩石硬度系数f为4～6，薄煤层采煤工作面揭露有7条断层，其中正断层6条、逆断层1条，工作面回采初期顶板涌水量最大26.7m3/h，并且叙永煤矿被认定为高突矿井，复杂地质条件给综采工作面生产与管理带来极大困难。在传统走向长壁工艺基础上选用高一档功率的三机设备，采用快进高产采煤技术，实现了日产量1363.28吨。

6.5 提出“极复杂薄煤层综采多措施、众目标管理法”

研究复杂地质条件下的生产组织与管理经验，针对人员、设备、地质等提出相应的管理方法，从培训、定岗、检查、处突、预警、控制方面为保障上述技术顺利实现提供质量控制手段。核心技术在于保证顶板周期来压时支柱供液压力不低于30MPa、液压支架排列成直线、可弯曲型刮板输送机成直线、在断层褶皱带带压移架等措施，达到了安全、经济与高效等众目标。

6.6 实现了极复杂地质条件下薄煤层综采工作面高效回采全国领先水平

为实践和验证极复杂地质条件下薄煤层综采工作面长度244米的高效回采能力，在芙蓉公司叙永煤矿1593工作面进行应用和实践。该工作面为三软、断层、涌水、高突等极复杂地质条件，芙蓉公司叙永煤矿应用“W+”通风方式、工作面优化、综采技术和现场管理等措施，配合多形式治灾技术，实现了薄煤层走向长壁综采工作面长度244米的安全高效回采。薄煤层走向长壁综采工作面相比传统工作面，新增总产值0.85亿元，新增总利润0.204亿元。

7 创新点

本项目针对薄煤层走向长壁综采工艺所遇到的多项难题，选择了特长长壁工作面作为研究对象，研究了极复杂地质条件下薄煤层走向长壁综采工作面的多项关键技术，其主要创新点：

7.1 提出“薄煤层走向长壁综采工作面采用‘W+通风方式”

在煤与瓦斯突出矿井中，采煤工作面采用下部和中部巷道进风、上部巷道回风的两进一回通风方式，满足了薄煤层走向长壁工作面的通风需求，实现了薄煤层综采的安全高效推进。

7.2 提出“本煤层顺层抽采与上下煤层穿层预抽采相结合的立体综合抽采技术”

在1593綜采工作面机巷、中巷以及回风巷，采取在C19煤层顺层钻孔+C20煤层穿层预抽钻孔对煤体进行超前预抽，设计了瓦斯抽采配套工艺，工作面瓦斯抽采率达到69.33%，瓦斯浓度得到有效控制。

7.3 提出“薄煤层三软过断层条件下大功率快进高产采煤技术”

针对三软工作面和7条断层，在传统走向长壁工艺基础上选用大功率三机设备，采用快进高产采煤技术，实现了日产量1363.28吨。

7.4 提出极复杂薄煤层综采多措施、众目标管理方法

提出“极复杂（存在三软、断层、涌水和高突现象）薄煤层综采多措施、众目标管理方法”。即保证顶板周期来压时支柱供液压力不低于30MPa、液压支架排列成直线、可弯曲型刮板输送机成直线、在断层褶皱带带压移架等多措施，实现安全、经济与高效等众目标。

8 展望

该技术可为各类薄煤层走向长壁工作面综采提供可参考的技术措施。下一步工作还要研究：