底板起伏条件下综采工作面回采工艺

王俊虎

(山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030200)

引 言

综采工作面回采率一直以来都是考核煤矿的关键指标，即实现煤矿综采工作面的高效安全开采。实践表明，影响工作面高效安全生产的主要因素包括工作面煤层的倾角范围、煤层埋藏深度、工作面地质相关的褶皱及断层条件等。本文将针对工作面褶皱和断层条件下对煤矿开采的影响。理论研究表明，工作面底板的起伏变化不仅会影响割岩量的增加，而且在煤岩交叉位置容易出现煤壁片帮、顶板等围岩控制效果不佳等问题，从而在影响煤矿安全开采的同时，还会造成顶煤的浪费[1]。因此，本文将着重对底板起伏条件下综采工作面的回采工艺和注浆加固进行研究。

1 工程概况

新景煤矿设计生产能力为600万t/a，80117工作面可供开采的煤层包括3#、8#、9#以及15#煤层。本文以新景煤矿80117工作面目前开采的15#煤层为例展开研究。80117工作面的走向长度为1 423 m，其中工作面的倾斜长度为220 m，15#煤层的埋藏深度为430 m～585 m。经探测，15#煤层的厚度范围为4.7 m～6.9 m，平均煤层厚度为5.94 m；煤层倾角范围为2°～18°，平均倾角范围为10°；15#煤层工作面的顶底板情况如表1所示。

表1 15#煤层工作面顶底板情况

实际探查发现，15#煤层底板存在局部不规则起伏变化，且最大倾角可达16°，最小为5°。实践表明，15#煤层底板起伏较大在煤层和岩层的交叉界面存在支护困难影响其生产安全性；同时，由于底板起伏较大为了保证生产安全性煤层上方的顶板不进行放煤操作，从而导致顶煤被浪费。此外，由于工作面底板起伏较大，导致工作面搬迁效率低，进而影响工作面的煤炭开采效率。

2 底板起伏条件下回采工艺研究

为了解决底板起伏条件下安全隐患、开采率低等问题，保证底板起伏条件下对应工作面的煤炭的回收率和高效益化，需根据底板实际情况设计最佳工艺回采路线[2]。鉴于15#煤层工作面走向长度中包括有倾斜方向和走向方向的工作面，本节将对上述两个方向的回采路线进行研究。

2.1 底板起伏条件下倾斜方向工作面回采路线分析

工作面底板起伏存在沟谷区域和背斜构造带两种形式，针对沟谷区域为保证刮板输送机可安全、稳定通过该区域，采用留底煤的开采方式，其对应的回采路线如图1所示。

图1 沟谷区域回采路线

针对背斜构造带煤层开采，可通过截割底板岩石或预留底板煤层的两种方式，其对应的回采路线分别如图2a)、b)所示。

图2 背斜构造带煤层对应两种回采路线

图2a)中为当前80117工作面15#煤层的开采方式，该开采方式下采煤机和刮板输送机可平稳推进，但需截割一部分岩层；图2b)中采煤机到达背斜构造带位置存在一定的爬坡现象，不许对底板岩层进行截割，但底板会预留一定的煤量。结合工作面底板情况，图2b)中对应开采方式下采煤机的最大倾斜角度可达20°，最小倾斜角度为12°。

不同倾斜角度下开采时截割岩层的量如图3所示。

图3 截割岩层量与倾斜角度的变化关系

如图3所示，随着倾斜角度的增加所截割岩层的量不断减少。但是，当倾斜角度较大时液压支架的稳定性较差，当在实际移架过程中由于倾角较大导致摩擦力较小，存在咬架的现象，也就是说需适当降低倾斜角度[3]。如图3所示，综合考虑岩层截割量和液压支架的稳定性，当倾斜角度为12° 时虽然液压支架稳定性能较好但是其对应岩层截割量为195 m3；而倾斜角度为16° 时岩层截割量明显降低至45 m3。因此，综合分析将倾斜角度设定为16°。

综上所述，考虑到避免预留底煤浪费较大的问题，针对80117工作面15#煤层倾斜工作面的背斜构造带和沟谷位置采用截割适量岩层的回采方式，且对应的倾斜角度为16°。

2.2 底板起伏条件下走向方向工作面回采路线分析

针对工作面底板起伏条件下走向方向工作面回采，本节分为工作面过背斜构造区域、工作面过背斜拱顶。

2.2.1 过背斜构造区域开采

当工作面过背斜构造区域时，由于工作面底板的起伏变化较大，因此需适当调整液压支架的角度以适应煤层的变化，与此同时采煤机也需采用仰采的方式进行，以避免截割到底板下方的岩层。针对过背斜构造区域的开采，为确保采煤机尽快找到煤层[4]。经仿真分析可知，当采煤机仰角为16°时需推进210 m才能找到煤层；当采煤机仰角为20°时需推进43 m即可找到煤层。因此，针对底板起伏条件下采煤机过背斜构造区域时需将采煤机仰角调整为20°。

2.2.2 过背斜拱顶区域开采

针对采煤机过背斜拱顶区域开采，可设计如图4所示的开采方式。

图4 过背斜拱顶区域开采

如图4所示，针对工作面过背斜拱顶区域时同样可采用沿着煤层开采和截割底部岩层的两种开采方式[5]。当沿着煤层开采时，采煤机最大倾斜角度可达30°，此时倾斜角度过大容易对应液压支架的稳定性极差，此工艺不予采用；当采用截割底部岩层的开采方式时，对应采煤机的倾斜角度可为16°和10°两种。其中，当倾斜角度为16° 时，截割工作面离顶板的距离较小，容易发生片帮、冒顶等事故；当倾斜角度为10° 时，截割工作面距离顶板的距离较对应采煤机等设备可稳定通过，但煤炭浪费较多。

因此，综上所述当顶板围岩稳定性较好时可将倾斜角度调整为16°，避免过多的顶板煤炭浪费；当顶板围岩稳定性较差时可将倾斜角度调整为10°，避免片帮、冒顶事故的发生。结合80117工作面的顶底板以及岩层情况其顶板围岩稳定性较好，针对其过背斜拱顶区域的开采将采煤机倾斜角度调整为16°。

3 结论

煤矿综采工作面回采工艺设计的合理性对其生产安全性和高效性具有重要意义。对于底板起伏较大的工作面煤层的开采，存在煤岩与岩层交界区域位置支护困难，导致顶板冒顶及片帮事故的发生；此外，顶板煤不放煤的操作也造成煤层极大的浪费，工作面搬迁效率也低。因此，本文以80117工作面15#煤层开采为例对其走向方向和倾斜方向工作面的回采工艺进行研究，具体总结如下：

1)针对倾斜方向工作面回采其中的背斜构造带和沟谷位置，采用截割适量岩层的回采方式，且对应的倾斜角度为16°。

2)针对走向方向工作面回采的过背斜构造区域回采需将采煤机的倾斜角度调整为20°，对于背斜构造拱顶区域鉴于工作面顶板围岩条件较好将采煤机倾斜角度调整为16°。