文/王生彪

短壁機械化開采工藝優(yōu)化研究

文/王生彪

采用線性支架實現(xiàn)頂板全部垮落法短壁機械化開采技術(shù)具有機動靈活、適應(yīng)性強、投入少見效快、安全可靠等特點，可有效解決不規(guī)則邊角塊段煤炭高效開采的問題，是長壁開采工藝的有效補充。

神東煤炭集團公司榆家梁煤礦42煤綜采工作面已回采完畢，留有大巷煤柱及通道煤柱計劃回收。為最大限度減少支護材料的浪費，降低頂板發(fā)生意外事故的風(fēng)險，榆家梁煤礦擬采用菲爾奇線性支架全部垮落法短壁回采工藝回收煤柱，提出了每隔11.5m開5.4m寬支巷，支巷每排支護錨桿5根，進(jìn)刀角度為40°和每隔15m開6m寬支巷，支巷每排支護錨桿6根，進(jìn)刀角度為60°兩種方案。同時，借助FLAC3D軟件模擬采動對護巷煤柱垂直應(yīng)力、支巷頂、底板位移及工作面塑性區(qū)三個方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、經(jīng)濟比較和現(xiàn)場實踐，最終確定最優(yōu)回采方案。該方案的選定對于提高煤炭資源回收率、消除采空區(qū)大面積懸頂?shù)陌踩[患，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，促進(jìn)企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

一、回采地質(zhì)條件

榆家梁煤礦42煤直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖，塊狀結(jié)構(gòu)，頂板屬于不穩(wěn)定～較穩(wěn)定頂板 （Ⅰ-Ⅱ類），厚10.8～12.7m。老頂為細(xì)砂巖，厚5.84～7.2m。底板為粉砂巖，灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，均一致密，厚1～1.5m。

回采范圍位于42煤南翼，煤層厚度5.6～6.7m，平均6.22m，容重1.29t/m3，結(jié)構(gòu)較為簡單，工作面內(nèi)普遍存在一層泥巖夾矸，厚度0.02～0.14m。

南翼大巷煤柱寬20m，長共計874m。其中，南翼二段大巷北部為邊角房采區(qū)域，經(jīng)過研究設(shè)計，擬采用線性支架實現(xiàn)頂板全部垮落法短壁機械化開采技術(shù)，配備連續(xù)采煤機割煤，梭車運煤，菲爾奇進(jìn)口線性支架支護頂板，全部垮落法管理頂板的方式回收煤柱。線性支架主要技術(shù)特征見表1。

表1 線性支架主要技術(shù)特征表

二、數(shù)值模擬及方案選擇研究

1.模型建立

以榆家梁煤礦42煤層地質(zhì)報告調(diào)查資料和工作面布置情況為依據(jù)，建立基于FLAC3D程序的三維計算模型。模型設(shè)計為三層，從上至下依次為頂板、煤層和底板。模型前后左右表面及下表面采用位移約束邊界條件，上表面采用應(yīng)力邊界條件。

2.進(jìn)刀方式和回采工藝布置的選擇

2.1進(jìn)刀方式概述

方案A：支巷寬度5.4m，支護錨桿5根，房柱11.5m，進(jìn)刀角度40°，留0.3m刀間煤柱，如圖1所示。

圖1 方案A進(jìn)刀方式及斷面支護模擬圖

方案B：支巷寬度6m，支護錨桿6根，房柱15m，進(jìn)刀角度60°，留0.3m刀間煤柱，如圖2所示。

圖2 方案B進(jìn)刀方式及斷面支護模擬圖

3.數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1方案A模擬結(jié)果分析

（1）工作面梯形護巷煤柱垂直應(yīng)力分析

支巷口梯形護巷煤柱在所有同類煤柱中應(yīng)力變化最明顯，受力最大，最能代表煤柱受力特點，在模型中檢測梯形護巷煤柱垂直應(yīng)力變化規(guī)律。工作面回采初期，采空區(qū)距離監(jiān)測點較遠(yuǎn)，隨著回采的進(jìn)行，煤柱垂直應(yīng)力緩慢增大，隨著采空區(qū)的逼近，煤柱應(yīng)力繼續(xù)增大，當(dāng)大約回采21m時，由于應(yīng)力增大，煤柱出現(xiàn)不同程度塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力開始減小。

（2）工作面支巷位移分析

為模擬開采過程，在支巷開挖的同時即進(jìn)行錨桿支護，在模擬過程中兩翼同時回采，每條支巷回采分兩天進(jìn)行完成（推進(jìn)度：15m/d），回采進(jìn)行三天后垂直位移云圖如圖3所示。

圖3 回采過程中垂直位移云圖

圖（a）為未進(jìn)行回采時垂直位移云圖，此時各支巷頂板位移為15.6mm。在回采一天后，受采動影響，采空區(qū)前方頂板位移為17.5mm，采動對頂板位移影響不大。開采兩天后由于支巷兩翼煤柱回采完畢，頂板位移為22mm，（b）圖為采空區(qū)前方4m處取一斷面，可以看出，受第二支巷采動影響，第一條支巷頂板位移繼續(xù)增加為25mm，采空區(qū)前方位移為19mm。

（3）工作面塑性區(qū)分析

從圖4中可以看出，開挖支巷后，支巷兩幫出現(xiàn)約2m左右塑性區(qū)?；夭蛇M(jìn)行一天以后，由于應(yīng)力重新分布，刀間煤柱全部出現(xiàn)塑性剪切破壞，采空區(qū)前方出現(xiàn)約3m左右塑性區(qū)，受采動影響，采空區(qū)前方支巷兩幫塑性區(qū)也相應(yīng)增加，采空區(qū)右方支巷左幫塑性區(qū)明顯增加，但左幫煤柱仍有大部分彈性核。回采進(jìn)行兩天以后，第一條支巷兩翼煤柱已開采完畢，采空區(qū)左邊殘留煤柱仍有3m左右彈性核，可以支撐頂板，處于穩(wěn)定狀態(tài)，第二條支巷左幫塑性區(qū)范圍較大，但仍有2m左右彈性核，在回采第二條支巷兩幫煤柱時，需小心作業(yè)。回采進(jìn)行三天以后，第二條支巷采空區(qū)前方支巷左幫塑性區(qū)范圍比較大，彈性核較小，回采過程中需注意安全。

圖4 回采過程中工作面塑性區(qū)分布

3.2方案B模擬結(jié)果分析

（1）支巷梯形護巷煤柱垂直應(yīng)力分析

方案B中,梯形煤柱垂直應(yīng)力分布與方案A基本相同，但方案A中巷道寬度為6m，方案B巷道寬度比方案A大，導(dǎo)致頂板范圍較大。所以，兩幫垂直應(yīng)力也要比方案A大。當(dāng)回采距離大約20m處時垂直應(yīng)力達(dá)到最大，煤柱出現(xiàn)部分塑性區(qū)，然后隨著采空區(qū)的逼近，塑性區(qū)范圍逐漸增加，應(yīng)力開始減小。

（2）工作面位移分析

回采過程和方案A相同?；夭汕芭c三天后巷道圍巖垂直位移云圖詳見圖5。圖（a）為未進(jìn)行回采時垂直位移云圖，由于方案B中支巷寬度較大，故此時各支巷頂板位移比方案A中稍大為16.4mm。受采動影響，采空區(qū)前方頂板位移為18.3mm，采動對頂板位移影響不大。開采兩天后由于支巷兩翼煤柱回采完畢，頂板位移為25mm，（b）圖為采空區(qū)前方4m處取一斷面，可以看出，受第二支巷采動影響，第一條支巷頂板位移繼續(xù)增加為26.7mm，采空區(qū)前方位移為20.2mm。

圖5 回采過程中巷道圍巖垂直位移云圖

（3）工作面塑性區(qū)分析

由于支巷寬度的增加導(dǎo)致開挖支巷后，支巷兩幫塑性區(qū)較大約為2.2m，回采進(jìn)行一天以后，應(yīng)力重新分布，刀間煤柱全部出現(xiàn)塑性剪切破壞，采空區(qū)前方出現(xiàn)約3m左右塑性區(qū)。受采動影響，采空區(qū)前方支巷兩幫塑性區(qū)也相應(yīng)增加，采空區(qū)右方支巷左幫塑性區(qū)明顯增加，且煤柱彈性核部分較大。回采進(jìn)行兩天后，第一條支巷兩翼煤柱已開采完畢，采空區(qū)左邊殘留煤柱仍有約3m彈性核支撐著頂板，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)?；夭蛇M(jìn)行三天后，和方案A相同，第二條支巷采空區(qū)前方支巷左幫塑性區(qū)范圍較大，彈性核較小，回采過程中需注意安全?？梢?，在回采過程中受前條支巷回采影響，采空區(qū)前方左幫塑性區(qū)范圍較大，在回采過程中需特別注意。見圖6。

圖6 回采過程中工作面塑性區(qū)分布

綜上所述，方案A和方案B從采動對梯形護巷煤柱垂直應(yīng)力、支巷頂?shù)装逦灰萍肮ぷ髅嫠苄詤^(qū)三個方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩種方案結(jié)果相差不大，兩方案均可實施。

三、經(jīng)濟技術(shù)比較分析和結(jié)論

1.經(jīng)濟技術(shù)比較

方案A：支巷寬度5.4m，支護錨桿5根，房柱11.5m，進(jìn)刀角度40°。方案B：支巷寬度6m，支護錨桿6根，房柱15m，進(jìn)刀角度60°。

方案設(shè)定：房采區(qū)域?qū)挾?0m時，支巷長度50m，高度3.6m，采硐高度4.5m。則方案A掘進(jìn)支巷6條，掘進(jìn)300m，使用錨桿1500套，方案B掘進(jìn)支巷5條，掘進(jìn)250m，使用錨桿1500套。方案A的支巷面積為9720m2，方案B為 7500m2，則兩者相差 2220m2，若此面積煤量全部轉(zhuǎn)化為采硐煤量（理想化統(tǒng)計），則煤量為9990t。支巷煤量方案A比方案B多2886t，實際回采方案B比方案A多9990-2886=7104t。

經(jīng)濟技術(shù)比較：支護材料（錨桿）使用量相同，煤量按利潤100元，方案B比方案A增加收益71.04萬元。

為進(jìn)一步研究方案B的可行性，榆家梁煤礦在42煤南翼邊角煤及大巷煤柱回采第五采區(qū)第一區(qū)段第7和第8支巷范圍內(nèi)對其進(jìn)行了試驗。試驗結(jié)果表明，方案B采用留設(shè)15m煤柱回采工藝時，煤柱不能完全回采，煤炭損失和浪費嚴(yán)重，且煤柱由11.5m改為15m，巷道由5.4m改為6m，將會增加采空區(qū)懸頂面積，存在安全風(fēng)險。

2.結(jié)論

榆家梁煤礦從采動對梯形護巷煤柱垂直應(yīng)力、支巷頂?shù)装逦灰萍肮ぷ髅嫠苄詤^(qū)三個方面對A和B兩種方案進(jìn)行比較分析，其結(jié)果相差不大，兩方案均可行。雖然從經(jīng)濟比較中方案B占優(yōu)，但在實踐過程中，方案B增加了支巷寬度，增加了頂板懸空面積，具有潛在危險，且煤柱過寬，進(jìn)刀角度大，進(jìn)刀費時，煤柱不能完全回采，煤炭損失和浪費嚴(yán)重。因此，榆家梁煤礦確定采用菲爾奇線性支架短壁回采工藝A方案，即每隔11.5m開5.4m寬支巷，支巷每排支護錨桿5根，進(jìn)刀角度為40°進(jìn)行回采。該方案為安全可靠的最優(yōu)方案，降低了安全風(fēng)險值，提高了安全系數(shù)，增加了安全效益。目前，A方案在42煤南翼大巷煤柱回收時進(jìn)行了實踐應(yīng)用，并順利完了大巷煤柱回收工作，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（作者單位：中國神華神東煤炭集團榆家梁煤礦）

（責(zé)任編輯：周瓊）