火成岩综采技术研究与应用

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煤炭是社会经济发展基础，近年来对煤炭资源的开采力度不断加大，各矿井在浅层煤炭资源储量日渐萎缩，要深挖煤矿潜力，在开采的深度和广度上做文章，采掘更大区域和更大埋深的煤炭资源。但随之而来的是地质条件愈加复杂恶劣。临近火成岩侵入带等大的地质构造带或采空区附近等特殊地质条件，给岩巷掘进和煤炭开采带来了更大困难。冀中能源邯郸郭二庄矿是一座具有七十年开采历史的老矿井，受火成岩侵入影响较大。近年来，煤炭资源不断开采，郭矿可采储量急剧下降。为提高可采储量，该矿以22109工作面为试点，研究制订了沿火成岩侵入带边缘布置不等长工作面的技术方案，并解决了该面在掘进、安装、边加架边生产过程中出现的各类难题，有效提高了矿井的可采储量，增加了煤矿的经济效益。通过对该面开采经验的总结，为今后类似条件下确定工作面的布置及开采方式提供了参考。

1火成岩及其对含煤岩系的侵入

火成岩是地质学的专业术语，也被叫做岩浆岩。地质学研究岩浆起源于上地幔和地壳底层，火山喷发的高温岩浆在冷却后成形或被岩浆融化的原有岩石，即火成岩。常见的花岗岩、玄武岩等都是火成岩。地质板块交界地带的火山区是火成岩的存在区。开采的煤同属岩类，是机械强度大大小于含煤岩系中其他岩石的有机岩，当高温岩浆侵入含煤岩系时，容易将煤熔蚀同化，这种侵入的火成岩体大多沿煤层分布，是破坏煤质和煤层分布的有害物质。火成岩侵入和地质构造带对煤炭资源的开采利用带来了诸多不利影响。储煤空间被大量占用，在相同条件下，不仅会降低煤的产量，还会造成恶劣的开采技术条件。传统的矩形等长工作面布置很难将火成岩侵入区域的煤炭开采干净，因而造成了很大程度上的资源浪费。克服火成岩侵入等不利地质条件的影响，将宝贵的煤炭资源“吃干榨净”，提高采区回收率，延长矿井服务年限，对企业的技术进步和高质量发展具有重要意义［1－5］。

2研究课题组的设立

22109工作面是郭二庄矿南翼一采区最后一个工作面，四周地质或生产条件复杂，该面东部、北部临近南大巷保护煤柱，西部、南部毗邻的是典型的火成岩侵入带。受火成岩侵入影响，煤层呈现出严重的不规则形状。如果采用传统的矩形等长工作面，会遗留很多无法开采的煤炭资源，造成煤炭资源浪费。22109工作面的火成岩侵入带(见图1)，在郭二庄矿多年的开采史上从未遇到过。为此，郭矿上下异常重视，专门成立了22109工作面开采方案研究课题组，研究制订了采用布置不等长工作面的办法开采火成岩侵入区域不规则煤层的技术方案。同时，针对工作面后期掘进、安装及生产过程中可能出现的生产难题进行了预测，明确必须有高强度的支护措施作为安全生产的保证，制订了“柔让适度，稳定支护”等一系列技术措施。

3措施实施过程

为降低开采成本，减少巷道掘进量，研究课题组决定利用南一采皮带下山、沿着原22105探巷向深部布置该不等长工作面。具体方案见图2。

3．1全回路系统掘进22109工作面上巷施工在按照设计方位向前掘进255m后见火成岩，之后退38m垂直上巷方向开切眼，切眼掘进27m后再次见到火成岩。沿火成岩侵入带边缘开始工作面下巷施工，当火成岩侵入至巷道上帮(影响到工作面正常回采)时，再经过变向调整继续施工工作面下巷，直至与轨道下山延伸巷道贯通，形成该面的全回路系统。该种掘进方案在临近火成岩一帮裸体支护或简单支护，其余正常锚网支护。安装常规切眼后，工作面下巷需全部安装支架。该掘进方案主要的技术难点在于布置工作面时需要边生产、边加架，且在生产过程中需要不断地增加支架以及延长溜尾。必须进行更加合理的安全生产组织［6－8］。

3．2支架安装不等长工作面巷道拐弯较多，底板情况比较复杂。支架先分为掩护梁、顶梁及底座三个部件分别经过5000m大巷运输，后经过大小5次变向到达装架硐室，组装完成后再经过3次变向运抵工作面下巷指定位置。支架运输时面临着运输路线长、变向多、边坡多等客观不利条件。为实现安全移架，并与工作面机尾良好对接，下巷支架沿巷道方向一字摆放，通过精确计算，工作面每推进5．2m后需增加一个支架，得出下巷支架之间的间距，以此类推，得出每一个支架摆放位置。与工作面机尾支架对接时，待加支架需要先通过自身移架、迁移顶镐和单体液压支柱共同配合，完成移动、调向及对接工作。工作面安装过程中暴露出了一些问题:一是支架在通过变向位置时容易落道;二是支架组装完成后整架重量超过30t，遭遇巷道底板变形或道基偏软段，支架易发生倾斜甚至掉道。通过加曲轨、换重轨、调整坡度等措施，对变向处岔道进行了优化调整，解决了支架移动中容易掉道的问题。同时，巷修区对工作面切眼及下巷的道基用水泥浇铸，加强修整与加固，解决了支架经过软基时容易下陷的问题［9－12］。

3．3回采工作面在回采过程中面临的最大困难就是“一边生产一边加架”，需要协调解决好两者之间的关系。回采生产中采取了以下措施:①为保证工作面机尾支架能够快速安装对接，提前将下一次对接所需要的溜槽、链条、电缆夹等各种管路准备到位，现场控制好巷道高度、宽度，以满足拉移支架的需要。②在推采过程中严格遵照设计要求，时刻控制工作面机尾最后一台支架的位置，不能超过预先划定的定位线，为对接留出足够的操作空间。③工作面推进到对接位置前，保证工作面最后一台支架的底座与下巷底板衬平，并保持同一高度不得有落差。④对接前要将下巷中支架各部件认真检查、检修，确保支架完好。⑤在对接距离剩余5．4m(9刀)左右时，开始对下巷中即将对接的支架进行拉移、调向。⑥待工作面正常推采至与下巷支架合茬位置后，使用单体进行微调，将新增支架与原切眼支架进行对接。⑦运用采煤机上行的牵引力在机尾上帮挂回头滑轮组，上移溜子机尾方法对接，完成溜槽对接。此对接方式使用采煤机牵引可靠性更高，可以减少频繁移动、安装绞车的工序，为对接节省了大量时间，同时保证了设备的正常检修和对接当班的正常生产。

4技术方案的对比与应用分析

以22109工作面为例，对常规的矩形工作面方案与不等长工作面进行了技术对比与效益分析，结果如表1所示。①从技术应用方面来看，沿火成岩侵入带或其他大型构造带等复杂地质条件下，布置不等长工作面的方式完全合理可靠，经济效益明显;工作面分为掩护梁、底座及顶梁三个部件分别运输，然后整体组装、安装，能够很大程度降低对井下巷道规格要求以及支架运输难度系数，实现工作面快速安装;成果中的支架、溜槽利用采煤机牵引的对接方式安全可靠，可操作性大大提高，完全能够满足生产需要。②从经济效益方面来看，22109工作面沿火成岩侵入带边缘布置，比传统的常规矩形或台阶式工作面布置方式多采出煤炭5．3万t，减少了煤炭损失，提高了采区回收率，按照当时吨煤效益300元计算，可创收:5．3万t×300元/t=1590万元。此外，工作面巷道掘进工程量整体减少15m，下巷在掘进过程中有105m巷道由帮沿火成岩掘进，巷道采用裸体支护或简单支护方式，使巷道掘进成本降低，经核算该段巷道支护成本每米可下降2500元，按照当时煤巷掘进单价7000元/m计算，可节省掘进成本:(15m×7000元/m+105m×2500元/m)/10000=36．75万元;采用不等长工作面布置，共可增加经济效益约为1626．75万元。通过此工作面布置方案有效提高了煤矿的可采储量，提高了煤炭资源的回收率，为提高矿井服务年限提供了技术支撑［13－15］。

5结语

实践证明，采用不等长工作面是适应火成岩侵入等复杂地质条件下综采回采的一种技术方法，可最大限度地保证煤炭资源的开采回收。在方案的具体实施中，还应注意以下几点:一是在掘进和支架安装过程中需要根据情况多次调向，这需要今后在火成岩侵入带边缘布置不等长工作面前，尽可能地采取技术措施对火成岩的侵入情况进行勘探和调查。掌握情况后设计出更加经济、合理、开采可行性更高的工作面布置方案。二是在支架移动前要提前硬化巷道底板，提高道轨铺设质量，避免运输支架的车盘掉道，造成倒架等危险;支架装上车盘后，整体高度超过2．6m，要充分考虑到巷道高度否满足使用要求，还要考虑顶板支护材料如锚索、锚杆下端是否挂绊支架，影响支架整体运输。

参考文献:

［1］赵钢．大埋深岩巷掘进软岩支护技术研究与应用［J］．中国化工贸易，2019，11(04):129．

［2］冯书猛．矿井地面井瓦斯抽采单独计量监测系统的研究应用［J］．探索科学，2019(05):342－343．

［3］刘志勇．深部软岩巷道支护技术研究［J］．中国化工贸易，2019，11(08):85．

［4］马振章．不等长边角综采工作面支架对接技术及实践［J］．科技视界，2013(35):362+365．

［5］杨月飞，王玉新，陈慧明．边采边延长不规则综采工作面支架对接技术研究与应用［J］．煤炭科技，2020，41(01):53－55．

［6］吕超杰．煤矿综采工作面安装及回收技术探讨［J］．科技风，2020(21):93+114．

作者:李鹏雷 单位:河北冀中邯峰矿业有限公司