晋华宫矿小煤柱短壁机械化采煤技术探讨

罗浩华

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037000）

晋华宫矿12 号煤层在回采小煤柱期间，在采动压力的作用下，回风顺槽侧小煤柱帮出现严重的片帮现象[1-4]，随着工作面的不断推进，作用在小煤柱侧的压力逐渐增大，在回采到距工作面80 m时，小煤柱与顶板之间的三角煤柱出现局部垮落，煤柱的支撑保护作用降低，顶板出现下沉，下沉量达到0.35 m，且在采空区有瓦斯涌出。 另外，在采动压力作用下，小煤柱的维护难度也增加，小煤柱受压破坏后支撑作用降低，很容易出现与采空区贯通现象，严重威胁井下安全生产。

1 煤层概况

晋华宫矿目前开采的12 号煤层，煤层结构简单，煤层倾角为5°，煤质是低灰、低磷，变质程度由上到下逐渐加深。 煤层的直接顶是厚度为2.9 m的深灰色泥岩，上层是厚度为8.9 m 的深灰色粉砂岩，基本顶是厚度为10.0 m 的中粒砂岩，直接底是厚度为1.2 m 的粉砂岩，底板是厚度为9.7 m的中粒砂岩。 在回采过程中，受回采压力和采空区压力影响，煤柱会出现破碎现象，垮落后的破碎岩石稳定，但强度较低，煤柱总煤量约0.27 Mt。

2 短壁采煤技术

12 号煤层在开采中存在诸多问题： 一是留设煤柱过多，有巷道保护煤柱、支巷隔离煤柱、采区隔离煤柱、各相邻采硐间煤皮。 二是煤炭的回采率较低，一般为45%～55%。 三是顶板易垮落难控制，在初采期间，顶板出现大面积悬顶，工作面压力急剧增加，造成顶板大规模垮落，给生产带来较大安全威胁。四是运输距离长、效率低、产量低。在运输巷中布置胶带输送机，通过锁车进行支巷间运输，平均运输距离大于70 m。 五是设备利用率低，受运输能力的限制，连采机不能完全发挥其生产能力，加上煤柱留设较多，在开采过程中顶板不能随采随冒，如果顶板长期不垮，行走支架的支撑几乎是无效的，当顶板出现大面积来压垮落时，单靠行走支架的支撑又是远远不够的。 因此，行走支架没有真正起到维护控制顶板垮落的作用。

鉴于存在上述诸多问题，采用短壁机械化采煤技术，集成现有开采技术和先进开采设备,降低顶板管理与维护的难度，提高煤炭采出率。

2.1 设备配置

根据12号煤层工作面地质状况，工作面采、落、装、运、支生产工序选用连续采煤机成套短壁机械化开采装备，具体设备配备情况如表1所示。

表1 短壁开采设备配备

2.2 回采工艺

针对12 号煤层小煤柱和三角煤柱赋存区域，在回采时拟采用短壁机械化采煤方法[5-6]，使用采煤机割煤，梭车运煤，液压支架支护顶板，对小煤柱和三角煤进行回收，特点是机械化程度较高，适用性较强。

掘进完成后，将1#和2#两台液压支架布置在巷道的迎头处，采煤机从迎头按照先左后右的方式开始进刀。对小煤柱回采时，采用双翼进刀方式进行回采[7-8]，每刀回采的最大长度为11 m，采硐的宽度为3.3 m，高度是随煤层高度的变化而变化。 采硐与巷道呈45°夹角，相邻两个采硐之间有11 m 的隔离煤墙，巷道口有6 m 的保护煤柱，用梭车进行运煤作业，具体的回采顺序和设备布置如图1 所示。

图1 回采顺序与设备布置

回采工艺如下：在巷道迎头布置液压支架，其中，在采硐前300 mm 处安装1#液压支架，在与1#采硐口平齐处安装2#液压支架。 采煤机以45°的倾斜角度进刀，在回采1#采硐时，按照每刀11 m的进刀深度进刀。 左帮的第1 个采硐回采完后，将采煤机退出，移动1#液压支架至距离3#采硐口300 mm 处，对三角煤柱区的顶板进行支护。 1#液压支架支撑好后，移动2#液压支架至距离2#采硐300 mm 处，并对顶板进行支护。 采煤机在距离2#液压支架300 mm 处开始进刀，对第2 个采硐进行回采。 在2#采硐回采完后，将采煤机退出，移动2#液压支架至距离4#采硐500 mm 处，并对顶板进行支护。采煤机在距离1#液压支架300 mm 处，以45°的倾斜角度进刀，开始回采3#采硐，每刀的进刀深度为11 m，以此类推，直到将所有的采硐回采完为止。

2.3 支护技术

采用“注浆+ 加长锚杆+L 型钢棚”的联合支护方式，具体工艺如下：首先采用注浆支护技术对小煤柱进行支护，注浆液是通过将马丽散和催化剂混合后得到的，浆液比按照1:1[9-11]；注射浆液时，采用高压注浆泵进行注射；共施工两排注浆孔，每排注浆孔的间排距为3 000 mm×2 000 mm，第一排注浆孔与顶板之间的距离为500 mm，注浆孔的孔径为42 mm，孔深为4 000 mm。 两排注浆孔施工完毕后，埋设注浆管并在管口处安装封口器；采用高压胶管将注射枪和注浆泵连接。 注浆时，如果发现注浆管外部有浆液渗出，及时停止注浆并进行封孔作业。 注浆完成后，采用加长锚杆进行支护，加长锚杆的长度为3 500 mm，直径为22 mm，间距为2 000 mm，排距为1 000 mm，采用MSK23/35 和MSKC23/80 两种锚固剂对锚杆进行锚固，用W型钢带将锚杆和煤柱进行预紧。同时，为了充分发挥锚杆的支撑保护作用，在两根固定锚杆之间安装圆钢托架。 加长锚杆施工完后，在靠近小煤柱一侧布置一排L型钢棚，目的是防止三角煤柱出现垮落或煤壁片帮现象。L型钢棚主要包括顶梁、 棚腿和底座，用支撑架固定顶梁和棚腿；其中，顶梁的长度为1 500 mm，棚腿的长度为3 500 mm，每个钢棚之间的距离为2 000 mm，用锚杆将顶梁和顶板、棚腿和煤柱分别固定，用地锚将底座固定。 在布置完钢棚后，在棚腿和煤柱之间用长2 500 mm、 宽300 mm 的水泥背板填塞缝隙。 小煤柱联合支护情况如图2 所示。

图2 小煤柱联合支护（mm）

3 应用效果

针对晋华宫矿12 号煤层小煤柱回收回采，采用十字测点法来观测巷道的围岩变形情况，并验证巷道的加固效果。 通过对多组巷道变形监测情况的分析，得到巷道围岩两帮及巷道顶板的变形情况分别如图3、图4 所示。

图3 巷道围岩两帮变形量

图4 巷道顶板变形量

从图3、图4 中可以看出，采用“注浆+ 加长锚杆+L 型钢棚”的联合支护方式后，在距离工作面80 m 时，巷道两帮的变形量几乎为0；随着工作面不断推进，在距离工作面3 m 时，巷道两帮变形量达到最大，最大为378 mm；在距离工作面85 m时，巷道顶板的变形量几乎为0，随着工作面的不断推进，在距离工作面3 m 时，巷道顶板变形量达到最大，最大为512 mm，巷道围岩控制总体效果较好。

12 号煤层自回采以来，共回采原煤0.196Mt，按照原煤售价400 元/t 计算，则实现直接经济收入7 840 万元，工作面吨煤生产成本约130 元，可实现利润约5 292 万元。

4 结语

针对晋华宫矿12 号煤层小煤柱回收回采，拟定采用短壁机械化采煤法。 通过重点分析、探讨了短壁采煤技术特点，应用“注浆+ 加长锚杆+L 型钢棚”的联合支护方式进行支护；运用注浆技术，提高了破碎煤体胶结的稳定性；运用加长锚杆支护，提高了锚固质量；运用L 型钢棚，加强了小煤柱对顶板支撑作用。 现场使用经矿压观测表明，随着工作面不断推进，在距离工作面3 m 时，巷道两帮和顶板的变形量达到最大，分别为378 mm 和512 mm，巷道围岩控制总体效果较好，为煤柱回收提供切实可行的支护技术途径。