文/許 崇(淮北礦業(yè)〈集團〉有限責任公司技術中心)

袁店一井煤礦位于安徽省濉溪縣袁店集附近，東距宿州市約40km, 北距淮北市約42km。礦井于2007 年6月16 日開工建設，2011 年12 月23 日正式投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力180 萬噸/年。全井田共有地質(zhì)儲量3.5 億噸，可采儲量1.4 億噸，服務年限51.6 年，主要煤種為肥煤、1/3焦煤和焦煤。

一、工作面概況

822 工作面為82 采區(qū)首采工作面（開采81、82 兩層煤），南至DF14 斷層保護煤柱線，北至F25 斷層保護煤柱線，西至-295m 防水煤柱線，東至82 采區(qū)三條大巷。工作面可采走向長962m，傾斜長155m，工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 822 工作面巷道布置平面圖

822 工作面煤層賦存較穩(wěn)定。81 煤層厚度1.9～3.5m，平均2.57m；82 煤層厚度0.8～4.9m，平均2.66m；81與82 煤層間夾矸厚度0.5～4.0m，平均1.98m，巖性以泥巖為主。煤層傾角3～8°，平均傾角6°。煤層結(jié)構(gòu)簡單。

二、回采工藝選擇及支架選型

1.回采工藝選擇

81、82 煤分層開采存在巷道布置復雜、修復量大、掘進率高、生產(chǎn)成本高及壓茬時間長等問題，影響礦井單產(chǎn)單進的提高，制約著礦井安全。該礦委托科研院校進行現(xiàn)場采樣和煤巖體物理力學參數(shù)測定，獲得了822 工作面煤層及夾矸基本的力學參數(shù)：煤層單軸抗壓強度6.488 MPa，夾矸單軸抗壓強度10.883 MPa。結(jié)合822 工作面具體地質(zhì)條件，分析了夾矸層層位、厚度和強度對頂煤冒放性的影響得出如下結(jié)論：822 工作面跟82 煤層頂板進行回采，支架上方直接為夾矸，受支架反復支撐作用，易于破碎冒落，有利于頂煤冒放；822 工作面夾矸厚度大，平均達1.98m，但夾矸單軸抗壓強度為10.883MPa，強度較小，和煤層抗壓強度（6.488MPa）相當，對頂煤冒放性的影響較小。

經(jīng)論證，認為822 工作面具備實施合并綜放開采的條件，決定采用走向長壁后退式全部垮落綜合機械化放頂采煤法。

2.支架選型

822 工作面采用ZFH9600/17.4/28 放頂煤液壓支架，該支架結(jié)合了各類放頂煤支架使用經(jīng)驗，具有以下優(yōu)點：一是架型合理，穩(wěn)定性好，抗載能力強；二是支架結(jié)構(gòu)合理，采用整體頂梁結(jié)構(gòu)，頂梁前端支撐能力強，有利于控制支架前部頂煤離層；三是可降低煤壁壓力，減少煤壁片幫現(xiàn)象。

三、含厚層夾矸頂煤破碎機理分析

為了實現(xiàn)含厚層夾矸頂煤的有效破碎和順利放出，提高合并綜放開采頂煤放出率，分析含厚層夾矸頂煤破碎機理就顯得十分必要。

隨著工作面的推進，頂煤從最初的彈性狀態(tài)，逐漸進入塑性狀態(tài)。根據(jù)頂煤受力變化特點，模擬出綜放開采中頂煤連續(xù)損傷破壞的演化過程，以此將原巖應力區(qū)后的頂煤按其受力狀態(tài)的不同劃分為四個區(qū)域，如圖2 所示。

圖2 綜放面頂煤自然破壞過程分區(qū)圖

其中Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)支承壓力的作用尤為關鍵，其分布與大小是頂煤最終破壞程度與垮冒形態(tài)的主導因素。煤體原生節(jié)理裂隙與Ⅰ、Ⅱ區(qū)域產(chǎn)生的各種微觀、宏觀裂隙是誘使頂煤冒落的直接原因，決定著頂煤的最終垮冒形態(tài)和破碎程度。Ⅲ區(qū)域頂煤受支架反復支撐作用較明顯，靠近支架處的頂煤受影響更大。

822 工作面采用81、82 兩層煤合并綜放開采，隨著工作面的推進，夾矸層在支承壓力、頂板活動和支架支撐的共同作用下首先破碎并被放出，待夾矸層有效破碎放出后，81 煤即隨夾矸下落，且在較短時間內(nèi)放出。工作面放煤機理如圖3 所示。

圖3 工作面放煤機理示意圖

四、工作面綜放開采工藝參數(shù)分析優(yōu)化

1.采放比

實驗室和現(xiàn)場實踐表明，適當增加機采高度，可使超前支承應力峰值點逐漸前移且峰值增大，頂煤塑性破壞區(qū)域也隨之擴寬，更有利于頂煤的超前破壞，使頂煤到達放煤口時破碎更充分。

822 工 作 面 開 采81、82 煤 層，81 煤 層 平 均 厚 度2.57m，82 煤層平均厚度2.66m，煤層中部有一層平均厚度為1.98m 的夾矸，綜放回采總厚度平均7.21m。使用的中部支架型號為ZFH9600/17.4/28、過渡支架型號為ZFG9600/20/28、煤機型號為MG500/1180-AWD1，綜合考慮支架支護性能和穩(wěn)定性、煤機高度、袁店一礦技術及管理水平等因素，確定822 工作面跟82 煤層頂板進行回采，機采高度為2.6m，放煤高度4.61m（包括夾矸厚度1.98m），采放比1∶1.77。

2.放煤步距

根據(jù)我國綜放工作面開采的經(jīng)驗，選取放煤步距時，可以應用以下經(jīng)驗公式：

式中：L為放煤步距，h為放煤高度，可近似取頂煤高度，單位都是m。

袁店一礦選用MG500/1180-AWD1 采煤機，采煤機截深0.6m。822 工作面合理的機采高度為2.6m，放煤高度4.61m，故合理的放煤步距為0.92～1.84m。在實際綜放開采過程中，放煤步距只能與采煤機截深成倍數(shù)關系，所以822 工作面合理的放煤步距為兩采一放，循環(huán)放煤步距為1.2m，放煤一次最多只可打開3 個放煤口，放煤時見到大量的碎矸石時，要立即用插板關閉放煤口，停止放煤?？紤]到兩巷壓力大，兩端頭各留6 架不放頂煤。

3.放煤方式

放煤方式是放煤順序、次數(shù)以及放煤量的配合形式。依據(jù)放煤橢球理論，放煤時兩臨近放煤口上方的放煤橢球體、放出過程中漏斗移動曲線將互相影響，導致選用放煤方式不同，影響程度也不同，頂煤放出率和含矸率也有所區(qū)別。

822 工作面夾矸普氏系數(shù)1～2，機采高度2.6m，放煤高度4.61m，故采用單輪放煤方式。單輪順序放煤方式每次只打開一個放煤口放煤，沒有發(fā)揮放頂煤開采的優(yōu)勢，在后部運輸機運輸能力足夠的情況下，單輪間隔放煤可以同時安排兩個及以上放煤口同時放煤，大大縮短了放煤時間，提高了放煤效率，實現(xiàn)了綜放面的高產(chǎn)高效。因此，822 工作面采用單輪間隔的放煤方式。

如圖4 所示,先放1、3、5……號支架，一次放完頂煤后關閉，再放2、4、6……支架，見矸關門。這種放煤方式操作簡便，煤巖界面擾動較小，混矸少，頂煤放出率高。當單號架上部的頂煤擠壓成拱時，雙號架放煤時可以破壞拱腳，頂煤重新冒落放出，提高了頂煤放出率。

圖4 單輪間隔放煤煤巖分界面變化

4.822 工作面回采工藝參數(shù)及放煤管理

正常生產(chǎn)工藝流程：割煤→伸縮前梁→推前部輸送機→移架→割煤（第二刀）→伸縮前梁→推前部輸送機→移架→放頂煤→拉后部輸送機。

割煤方式：雙向割煤，往返一次進兩刀。

進刀方式：端頭割三角煤斜切進刀，進刀距離不小于24m。

移架方式：依次順序移架，滯后采煤機后滾筒3～5架依次跟機移架，跟機移架速度趕不上煤機運行時，必須停機移架或拉超前架。移架步距0.6m。

支護方式：采用超前支護，帶壓擦頂移架。煤機割煤后，及時伸出伸縮前梁護頂，端面距≤300 mm。

移溜方式：逐架順序移溜。推前部輸送機滯后煤機10 架左右，拉后部輸送機時，彎曲段長度不小于20m。移溜步距保持在600 mm，移溜要做到2～3 次移到位。

層位控制：嚴格沿82 煤層頂板回采，合理控制工作面層位。

放煤管理：初次放煤時，出切眼20m 后進行放煤，防止將切眼支護材料放入后部輸送機中；放煤時要注意過程控制，遇到矸石大量增多時要及時停止；放煤時如遇大煤塊不能放出，可反復伸縮插板，并上下擺動尾梁使其破碎、冒落；放煤時，要加強煤質(zhì)管理，見矸即停止放煤，保證含矸率及灰分不超標；嚴禁漏架不放、隨意丟頂煤；嚴格控制煤機割煤速度和放煤速度，保證煤量運輸均衡；工作面機頭留6 架支架、機尾留6 架支架不放煤，以確保上下出口頂板的安全。

采用正規(guī)循環(huán)作業(yè)方式：即割煤、移架、推前部輸送機、放煤、拉后部輸送機為全過程，端頭斜切進刀，雙向割煤的循環(huán)方式，每日按2 個循環(huán)（割4 刀，放兩輪）組織生產(chǎn)，日進4 刀，截深0.6m，日進2.4m。

五、工作面及回風巷礦壓觀測

1.工作面支架礦壓觀測

根據(jù)工作面礦壓在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，工作面周期來壓現(xiàn)象較為明顯，支架有明顯增阻現(xiàn)象。工作面初次來壓步距為25～40m，周期來壓步距平均15～23 m。工作面不同地段周期來壓程度不一，存在“中間大、兩邊小”的特點，中上部和中下部阻力較大。從監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，支架工作阻力已充分發(fā)揮。

2.回風巷變形量觀測

為研究回采期間巷道圍巖變化規(guī)律，在工作面回風巷煤壁前方100m 布置巷道變形觀測點，采用“十字交叉法”，觀測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 表面位移曲線圖

針對觀測數(shù)據(jù)進行分析，可得出以下結(jié)論：隨著工作面向前推進，巷道圍巖變化較為劇烈，且兩幫移近量總體大于頂板下沉量；在距工作面煤壁前方約70m 以外巷道圍巖基本不受采動影響，而30～70m 距離內(nèi)受到采動影響但不劇烈，30m 以內(nèi)受采動影響較為劇烈，巷道變形量最大；通過增加超前管理長度，提高支護強度，能夠保證工作面安全回采。

六、結(jié)語

袁店一井煤礦81、82 近距離煤層合并綜放開采工藝的成功實施表明，合并綜放開采工藝適合于極軟近距離特點的煤層，與分層開采相比，節(jié)約掘進工程量2276m；綜放工作面安裝、拆除工程各減少一次，節(jié)約安拆費用400 余萬元；節(jié)約電耗約2.5×105kW·h。該技術的成功應用，為該礦82 采區(qū)待采綜放面開采提供了可靠支撐，同時為推廣含夾矸煤層安全高效開采提供了理論依據(jù)和技術經(jīng)驗，對類似條件煤層的開采具有一定的借鑒意義。