大采高一次采全高工作面技术问题分析及优化

徐 良

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西 河曲 036500）

我国许多大型煤田厚煤层普遍发育［1］，针对厚煤层的开采方法主要包括综采放顶煤、分层开采和一次采全高采煤法。其中分层开采效率较低，生产成本较高；综采放顶煤设备复杂，更适合于5～15 m的厚煤层开采； 大采高一次采全高采煤法对4～7 m的厚煤层开采独具优势［2-3］。但是大采高工作面由于煤墙出露面积较大，也存在煤墙、顶板管理困难以及周期来压破坏力强、液压支架控制困难等问题［4-7］。本文以山西晋神沙坪煤矿18204 工作面为例，对大采高工作面存在的问题进行分析，并提出优化方案。

1 工作面概况

沙坪煤矿18204 工作面主采8#煤层，该煤层整体呈单斜构造，倾向北西，该工作面位于一水平北部，系走向长壁回采工作面，走向长1 583 m，倾向长195 m。工作面煤层厚度4.5～5.3 m，平均5.0 m，煤层倾角超过40°，煤层结构简单，偶见一层夹矸，夹矸厚度平均0.25 m。煤层伪顶不发育，直接顶为泥岩- 砂质泥岩，厚度2.5 m，基本顶为中砂岩，厚度7.2 m，煤层直接底为砂质泥岩，厚度2.1 m，基本底为细砂岩，厚度3.3 m。采用综合机械化一次采全高回采工艺，全部垮落法管理顶板，采高5 m。

2 问题分析

18204 工作面煤层赋存稳定，生产条件较好，日循环最高回采8 刀，平均日回采4.5 m，日产量平均为6 581 t，最高产量纪录为8 235 t，月平均采出量183 610 t，采出率93%。但是由于其采高较大，且煤层节理裂隙发育，回采期间出现了很多问题，对工作面安全产生造成不利影响。

1）煤墙片帮、漏顶。18204 工作面采掘揭露断层7 条，煤层节理、裂隙较发育，尤其构造影响区域更为明显，由于采高较大，在回采期间工作面煤墙产生较为严重的片帮冒顶现象。在回采前期，片帮漏顶长度近40 架，片帮最严重的区域空顶深度大于3 m，空顶面积最大约15 m2。

工作面回采期间，溜子经常出现被压死的现象，最严重时导致6 天无法按计划正常回采。煤墙片帮情况见图1。

图1 煤墙片帮情况

2）支架不稳。18204 工作面大面积的片帮漏顶，使液压支架接顶不牢、初撑力不足，导致支架发生失稳、下滑等情况，降低了支架稳定性。若不及时采取措施，容易出现工作面大面积倒架、咬架事故，影响工作面正常回采。

3）切眼滚矸现象较多。工作面在回采期间，经常出现大块矸石滚落，严重影响工作面回采安全。

综上所述，在工作面回采期间存在的主要问题是片帮冒顶、支架不稳和滚矸，应针对这些问题采取相应的安全措施。

3 18204 工作面回采优化方案

3.1 优化三机配套

对大采高工作面围岩和液压支架的稳定性进行分析，结合工作面实际生产地质条件，采用ZY8000/24/50D型支撑掩护式支架、MG500/1200-3.3D双滚筒采煤机和SGZ1000/1400 型刮板输送机进行配套。采用液压支架优化软件优化18204 大采高液压支架的结构参数，一是使液压支架的立柱均支撑于顶梁上，且垂直于顶板，提升其支撑强度，使支撑力向顶梁后侧合理转移，增加切顶性能；二是优化液压支架的掩护梁，改为断面可变的整体箱结构，并加强前后连接杆和顶梁结构，在主肋处焊接4 块加强板，提高承载性能；三是18204 工作面所采煤层比较松软，为增加底座的受力面积，将其设计为整体形式，同时将支架底部改为弧形结构，减少支架的移架阻力，防止钻底；四是增设立柱，提高工作阻力，更好的抵御顶板来压期间的顶板下沉，有效防范工作面煤墙片帮，提高液压支架稳定性。

3.2 优化回采工艺

根据18204 工作面生产技术条件和装备条件，结合工作面地质条件，优化18204 工作面的回采工艺。

（1）18204 工作面为大采高一次采全高工作面，对上端头留设三角煤，斜切进刀，上行挑顶清煤，下行割煤，从下往上邻架操控移动支架，全部垮落法管理顶板，控制控顶距在4.711～5.511 m之间。

（2）充分利用推溜杆侧千斤顶，调整为向上倾斜，防止刮板输送机下滑；利用千斤顶调整工作面的伪仰斜角度，控制在4°范围内，使运输巷超前回风巷最大距离小于8 m，这样更有利于控制煤墙片帮情况。工作面伪仰斜情况见图2。

图2 工作面伪仰斜情况

（3）单体柱配合铰接梁加强支护，单体柱均采用防倒措施，利用直径8 mm钢绞线缠绕单体柱一圈，采用保险扣与铰接梁相连，相邻柱体捆绑防倒绳，防止出现倒柱。

3.3 弱化坚硬顶板

为了降低液压支架荷载，减少动载系数，需要对顶板垮落步距进行控制，减小顶板冒落面积，缓解周期来压对工作面产生的冲击［6］。本次采用切眼老顶深孔预裂、采空区老顶深孔探测和上下巷顶板深孔切顶综合技术方案。在上、下巷采用双侧布孔方式，每组布设钻孔3 个，分别为辅助老顶孔、老顶切断孔以及端头切断孔。

在上、下巷超前切眼100 m处，各布置一组切断孔，布设间距为100 m。为了对采空区上方老顶切断情况进行检测，在下巷煤墙20 m顶板处，向采空区侧布置1 个查验钻孔，对老顶破坏情况进行检测。坚硬顶板弱化方案见图3。

图3 坚硬顶板弱化方案

3.4 煤墙安全控制

18204 工作面煤墙产生大面积片帮的原因主要包括：煤体力学性质和矿山压力等［7］，通过现场实际勘查，提出如下控制措施。

（1）煤层注水。煤层注水可以提高煤体的塑性，提高煤墙成型条件，减少片帮现象的发生。本次煤层注水在工作面煤墙侧开展，共设计两排，排间距2 m，单排注水孔距5 m，上排孔距顶1.5 m，下排孔距底1.5 m，上下两排交错施工。注水孔孔径42 mm，孔深10 m，注水压力控制在2 MPa以上，孔口采用1.2 m的橡胶膨胀胶囊自动封孔器进行封孔，连接直径为10 mm的高压注水胶管进行注水。工作面每回采5 m注水一次，注水时间不得低于30 min，一般为注水钻孔四周影响范围内煤墙出汗为止。

（2）采用波雷因材料对煤墙进行加固，充分利用上、下端头的钻孔和瓦斯抽放钻孔进行超前注浆加固。加固后不影响工作面正常回采，同时能够对工作面内地质构造破碎带进行改造，提高煤层的承载性能，减少片帮发生。

（3）采用矿压监测设备，对工作面矿压开展动态检测，分析顶板周期来压时间，提前进行预测工作，采取有针对性的防范措施。

4 结语

1）工作面通过三机配套、优化回采工艺、弱化坚硬顶板、煤层注水、注浆加固综合措施后，18204大采高工作面在回采期间，工作面回采率提高至95%，有效减少煤墙片帮、漏顶现象，工作面液压支架未出现倒架、咬架情况，改善了工作面的生产环境，提高了生产效率。

2）随着煤矿设备的发展，重型装备的应用，厚煤层大采高一次采全高工艺将越来越多的应用于生产中，但是随着工作面采深的增加，开采难度会逐渐增大，因此需要对实际生产条件进行分析，采取针对性的控制措施，确保工作面安全高效回采。