工作面沿空留巷切顶卸压关键参数及主要设备选型

王正达

（山西省能源发展中心， 山西 太原 030006）

引言

我国煤炭储量丰富，包括有极厚、厚、薄煤层。据统计，我国薄煤层的储量也十分丰富，但是由于其开采难度较大、工艺复杂，导致经常被忽视。煤炭作为不可再生资源随着资源不断枯竭，提升薄煤层的开采率也十分重要。对于薄煤层开采而言，主要基于沿空留巷技术完成，针对薄煤层开采的巷内支护而言，需对其沿空留巷进行切顶卸压操作，以保证巷内的支护效果[1]。本文重点针对薄煤层工作面，对其切顶卸压工作参数及主要生产设备进行选型。

1 工程概况

本文以神木煤矿为例开展研究，该煤矿设计的生产能力为8 Mt/年。但是在多年开采中整个煤矿的生产能力仅达到6 Mt/年，导致生产能力不满足设计初期的主要原因是该煤矿的薄煤层工作面开采工作尚未开展。本文以神木煤矿的431301 工作面为例开展研究，该工作面属于薄煤层，工作面煤层倾角范围为1°～3°，煤层厚度范围为0.8～1.5 m，该煤层的埋藏深度为126～188 m。431301 工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 431301 工作面顶底板情况

经探测，431301 工作面的瓦斯含量均为零，该工作面属于零瓦斯工作面。同时，为避免透水事故的发生，工作面开采期间在采用正常排水措施的同时，还在开采前采用钻孔疏放方式对采空区的积水进行排放。

2 沿空留巷切顶卸压参数确定

沿空留巷切顶卸压包括有沿空留巷和切顶卸压两个环节。在实际生产中，首先需完成工作面沿空留巷的操作，其次完成切顶卸压操作，保证工作面生产的安全性[2]。本小节将分别对沿空留巷和切顶卸压两个操作的参数进行确定。

2.1 沿空留巷参数的确定

所谓沿空留巷指的是，在工作面回采过程中采用合适的充填材料在巷道内构筑一定体积的充填体，并在此基础上对巷道进行强化支护。从理论上讲，沿空留巷的稳定性和可靠性在很大程度上决定充填体的宽度和充填体所采用高水材料的水灰比[3]。因此，本小节从理论分析和数值模拟层面主要对充填体的宽度和高水材料的水灰比进行确定。

2.1.1 充填体宽度

根据431301 工作面的地质条件，基于FLAC3D软件建立数值模拟模型，在保证高水材料水灰比的基础上对充填体巷道宽度分别为0.8 m、1.2 m、1.6 m、1.8 m 和2 m 下沿空巷道的围岩变形规律进行仿真分析。仿真结果如图1 所示。

图1 不同充填体宽度沿空巷道的变形规律

结合如图1 所示的仿真结果和应力仿真结果（鉴于篇幅，不一一列举）可知：当充填体宽度小于1.6 m 时，工作面顶板的弯曲下沉量及其对应承载能力较小；当充填体大于1.6 m 时充填体的承载能力提升。同时，随着充填体宽度的增加对应顶板下沉量和充填体帮的移近量减小；而且，当充填体宽度大于1.6 m 继续增大时，巷道变形量减小。因此，综合确定充填体的巷道宽度为1.6 m。

2.1.2 高水材料水灰比的确定

同样，在充填体宽度一定的基础上，分别对高水材料水灰质量比为1.5∶1、1∶1、1.8∶1 和2∶1 下工作面巷道的应力及应变规律进行仿真分析。仿真结果如图2 所示。

图2 不同高水材料水灰比下沿空巷道的变形规律

分析图2 可知，在充填体宽度一定的基础上，随着高水材料水灰比例的增加，充填体对巷道的支护能力越差，对应的巷道稳定性越低[4]。考虑到后期切顶卸压操作的方便性，最终确定高水材料的水灰比为1.5∶1。

在上述沿空留巷充填体宽度和高水材料水灰比参数确定的基础上，结合如表2 所示431301 工作面的关键参数确定充填体的切顶阻力为12.5 MN/m。

表2 431301 工作面关键参数

2.2 切顶卸压参数的确定

为保证431301 工作面回采工作面的安全性，在回采前对其顶板进行切顶卸压操作。一般情况，常在工作面相邻的顺槽内布置预裂爆破钻孔最终达到卸压的目的。采用爆破方式对工作面顶板进行切顶卸压时，影响预裂爆破效果的参数包括有装药量、封孔长度和爆破孔的间距。本小节将具体对切顶卸压操作的关键参数进行确定。

1）目前，可采用的炸药包括有乳化炸药和膨化硝铵炸药。结合431301 工作面的地质条件，本工作面拟采用炸药的类型为许用乳化炸药，炸药的直径为35 mm，炸药的长度为200 mm。

2）431301 工作面伪顶和老顶的总厚度为10.73m。为保证充分的爆破效果，确定钻孔的深度为11 m，对应爆破钻孔的倾角为70°；根据炸药的直径为35 mm，确定钻孔的直径为38 mm；根据相关理论计算确定封孔长度为4 m；结合神木煤矿其他工作面不同钻孔间距的爆破效果，最终确定爆破孔的间距为600 mm[5]。

3）采用当前较为成熟的正向爆破+串联的方式对炸药进行起爆。

3 主要设备选型

对于综采工作面而言，主要设备包括有采煤机、刮板输送机和液压支架，也称为综采工作面的“三机”。本小节重点对各个设备的型号进行选型确定。

结合431301 工作面的煤层高度及其矿压显现规律，最佳液压支架高度为900～1 600 mm。为保证液压支架的移动速度和稳定性，对应支架的中心距离为1.75 m。基于经验、数值模拟和理论计算得出液压支架的工作阻力应为9 000 kN。

结合实际生产的需求，工作面需配置掩护式液压支架、端头液压支架、超前液压支架。其中，掩护式液压支架型号为ZY9000/09/16D，数量为102 台；端头液压支架型号为ZYT9000/17/30D，数量为4 台；超前液压支架分为运输巷和回风巷的液压支架，其中运输巷的超前液压支架型号为ZQ15000/18/30A，回风巷超前液压支架的型号为ZQ15000/18/30B。

在上述液压支架选型的基础上确定采煤机的型号为MG200/500-WD，对应的刮板输送机的型号为SGZ800/3×400。

4 结论

由于薄煤层开采难度较大、工艺相对复杂且空间减小，导致对薄煤层的开采效率较低。为提升薄煤层巷道的开采效率和安全性，常以沿空留巷切顶卸压的方式保证。其中，沿空留巷及切顶卸压参数的确定尤为重要。本文以431301 工作面为例，对沿空留巷和切顶卸压的参数进行确定。

1）确定的沿空留巷充填体的宽度为1.6 m，所采用的高水材料水灰质量比为1.5∶1；

2）采用爆破方式对工作面顶板进行切顶卸压，采用炸药为需用乳化炸药，封孔长度为4 m，钻孔间距为600 mm。