軟煤厚煤層工作面底三角煤高效回收技術

李志輝

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司，山西 呂梁 033000）

軟煤厚煤層工作面，順槽掘進期間考慮頂板安全，一般留底煤沿頂掘進，端頭留底三角煤不回收，造成大量的煤炭資源浪費[1~2]。隨著煤價上漲、資源減小，底三角煤的安全回收問題得到重視。以方山礦二1煤9.5 m 厚軟煤開采為工程背景，研究軟煤厚煤層工作面底三角煤高效回收技術。

1 工程背景

11020 工作面位于方山礦一水平下山采區北翼，埋深415～470 m。所采煤層為二1煤層，可采走向長580 m，傾斜長100 m，煤層平均傾角14°。采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤法，設計采高2.6 m，全部垮落法管理頂板。

布置2 條順槽，11020 風巷和機巷。風巷沿煤層頂板掘進，平均角度14°，使用錨桿、錨網索聯合支護，寬5.2 m，中高3.5 m，凈斷面17.5 m2。頂板采用錨桿+錨索支護，錨桿每排7 根，W 鋼帶連接，排距800 mm，間距800 mm，錨桿φ20 mm×2 600 mm；錨索每排3 根，排距1 600 mm，間距1 600 mm，錨索φ21.6 mm×7 000 mm。兩幫采用錨桿支護，回采幫（低側）每排4 根錨桿，錨桿φ20×2 600 mm，非回采幫（高側）每排5 根錨桿；中間3 根錨桿垂直于巷幫，最上1 根錨桿仰角10°，最下1 根錨桿俯角10°，錨桿規格φ20 mm×2 600 mm。

工作面煤層平均厚9.5 m，硬度1.4～1.6 MPa，屬于極軟煤層。為了頂板安全，11020 風巷沿煤層頂板掘進，在端頭處形成過渡段，變坡角度12°，留下6 m 厚風巷底煤和28 m 長底三角煤未回收，見圖1。按照工作面可采長度580 m 計算，則丟失煤炭資源約9.6 萬t，按照現有煤炭價格1 000 元/t 計算，價值9 600 萬元，因此，底三角煤回收意義重大。

圖1 底三角煤示意圖

2 落底支護工藝及平臺建設

為了采出風巷底煤和底三角煤，必須對原風巷實施落底，落底至煤層底板，使支架能夠在端頭處直接進入煤層底板，將煤體通過采煤和放煤全部回收。但落底后，巷道高度將達到9.5 m，因煤層極軟，巷道過高極有可能發生兩幫擠出和頂板冒落事故，必須對落底段兩幫進行支護，然后對超高區域進行回填，保證巷道正常高度和使用安全。

2.1 落底工藝

本次計劃采用挖裝機落底，出煤直接轉載至工作面運煤系統。先按照-10°人工臥底，隨后采用挖裝機和一部40 T 刮板輸送機進行機械化落底。

由于底煤厚度大（6 m），且煤層極軟，一次落底安全風險較大，計劃采用2 次落底、2 次充填方式，每次落底高度3 m，第2 次落底工作面滯后第1 次落底工作面20 m 左右，落底后及時對落底段兩幫進行支護并對超高區域進行充填。如圖2 所示。

圖2 兩次落底示意圖

2.2 支護工藝

風巷落底前、后，對巷道兩幫以及下部裸露煤體采用錨桿配合W 鋼帶進行支護。

1）落底前原巷幫補強?；夭蓭脱a強2 根錨索，間排距均為1.6 m，非回采側補強3 根錨索排距1.6 m，間距1.2 m，錨索長度5.4 m；

2）一次落底期間裸露煤體支護。①支護沿用原巷道幫部補強后的支護方案，錨桿間排距800 mm×800 mm，兩幫最上1 根錨桿距離原巷道最下1根錨桿800 mm，每往下800 mm 增加1 根錨桿，兩幫各施工4 根錨桿，錨桿φ20 mm×2 600 mm；每排4 根錨桿采用W 鋼帶沿縱向連接在一起；②兩幫各補強2根錨索，間排距均為1.6 m，錨索長度5.4 m。

3）二次落底期間裸露煤體支護。①全錨索支護，長短錨索配合。短錨索5.4 m，間排距800 mm×800 mm，與原巷道錨桿布置方式一致，每排4 根錨索采用鋼筋梯梁沿縱向連接在一起；②兩幫各補強2 根錨索，間排距均為1.6 m，錨索長度7.5 m。

落底板支護形式見圖3 所示。

圖3 幫部兩次落底支護工藝

2.3 充填平臺構建

計劃采用“假頂平臺+充填膜袋”方式進行頂部填充，假頂提供具備足夠承載能力的平臺，充填膜袋提供封閉的充填空間，充填材料注入充填膜袋固化后形成人工假頂。

2.3.1 充填平臺

1）第一次落底時模板構筑工藝。

在頂板新施工1 排錨索，與原錨索交錯布置，錨索每排3 根，間排距均為1.6 m，錨索長度7 m，錨固深度3 m，外漏長度4 m，用于懸吊工字鋼；

采用廢舊工字鋼或槽鋼，工字鋼梁長度5 m，提前加工預留穿錨索槽；

每次吊掛5 排工字鋼，1.6 m 一排，錨索穿過工字鋼預留槽后，使用鎖具股固定；

每2 排工字鋼之間，從巷幫兩側錨桿上固定1根鋼絲繩垂下，吊掛1 根π 型梁，單體柱臨時支護；

最終工字鋼梁排距1.6 m，π 型梁排距1.6 m，兩者均要求兩端水平、統一高度，形成初步平臺，平臺上鋪木板、金屬網，使平臺均衡受力，如圖4 所示。

圖4 工字鋼、π 型梁布置示意圖

2）第二次落底時模板構筑工藝。次落底充填，除了落底期間正常支護外，采用鐵鏈固定接長3.2 m錨索方式，鎖具固定工字鋼。

吊掛π 型梁、鋪網、掛充填袋等工藝與一次落底時模板構筑工藝一致。如圖5 所示。

圖5 第二次落底模板構筑示意圖

圖6 充填膜袋設計示意圖

2.3.2 充填膜袋

充填袋采用防水布制成，承重規格為150 g/m2，考慮目前錨索間排距、工作面推進速度、充填效率、巷道錨索支護及超前支護取消單體柱等因素，設計每次充填步距6.4 m，充填袋形式為穿錨索吊掛，長寬高上都留下一定的富余量，設計尺寸（長×寬×高）=6 400 mm×5 500 mm×4 000 mm。充填袋應具有足夠的強度，有抗靜電、阻燃的性能，以符合煤礦安全規程的要求，加工接縫要結實牢靠，形狀滿足每次充填及吊掛的要求，設計有一個進料口，一個排氣口，進料口和排氣口均設置在巷道自由面側。

3 充填材料、設備及工藝

3.1 頂部充填材料

3.1.1 合理強度分析

巷道充填體合理強度是衡量充填性能一個重要指標來，充填體合理強度應該大于超前支護強度。且充填體強度越大，工作面前方巷道煤巖體的塑性破壞程度越小，巷道穩定性越高，工作面推進安全性越高。采用現場試驗、實驗室試驗及強度監測等手段對頂板充填體合理強度進行研究。

巷道充填體合理強度作為衡量充填性能一個重要指標來確定頂部充填材料的水灰比。通過超前支護強度分析充填體應該達到的抗壓強度。

式中：Pt為超前合理的支護強度，MPa；h為支護高度，取3 m；γ為頂板巖石重力密度，取2.7 t/m3；k為超前支護應該支護的上覆巖層厚度與巷高之比，一般為4～8，應根據具體情況合理選取。煤層較薄、頂板條件好、周期來壓不明顯時，應選用低倍數，反之選用高倍數。11020 風巷按照最大值8 計算。

理論計算充填體合理強度應該大于0.64 MPa。

3.1.2 性能需求分析

風巷頂部充填工作量大，材料消耗大，需要全面考慮成本、強度等因素，對材料的性能要求如下：

1）保證充填體較好的受力特性的同時，盡量提高水灰比，減小材料用量；

2）工作面向前推進過程中超前支架需要托住充填體，強度過低會造成超前支架壓碎充填體，需要達到3 MPa 以上才能滿足要求；

3）泵站布置距離較遠，需遠距離輸送，兩種單液必須有足夠的流動時間滿足管路輸送；

4）混合漿能夠快速凝固，強度快速增長。

3.1.3 高水充填材料性能

采用高水充填材料，是一種純無機材料，完全阻燃抗靜電，使用絕對安全。性能主要表現為速凝、早強、材料消耗量小等特性，具體指標如下：

1）規格型號：雙組份AB 型，A 組分黃色粉末狀，B 組分為白色粉末狀；

2）AB 型使用比例1∶1，各自按照3∶1 水灰質量比，即每3 t 水使用1 t 材料；

3）反應溫度：純無機材料，不發生高溫化學反應，最高溫度40 ℃；

4）3∶1 水灰比條件下，單漿可泵送距離為1 500m，混合漿約15 min 失去流動性，30 min 完全固化，3 d 達到最終強度3.8 MPa。

3.2 充填能力計算

1 個充填循環長6.4 m，寬5 m，高3 m，充填2個包，1 個包體積約96 m3，按2 個包計算，體積約192 m3，消耗材料約60 t，其中A 料30 t，B 料30 t。

11020 綜采工作面每日推進1.2 m 左右，風巷充填，每天按照一個充填班設計，1 個充填循環長度6.4 m，按2 個包計算，每次完成一個充填循環，可以滿足5 d 推進需要。

每天至少完成1 個包2/5 的充填量,38.4 m3，5 d完成2 個包的充填量，38.4 m3,即12.2 t 材料。

每個充填班工作時間按照4 h 測算，則充填能力要求為38.4 m3/4 h=9.6 m3/h。

綜上，制漿和泵站輸送能力按照12 m3/h 進行設計。

3.3 充填設備

1）設備構成。采用高速制漿系統。主要由2 臺風動螺旋上料機，2 臺高速制漿機，2 臺氣控定量水箱，2 臺低速攪拌機，1 臺大流量注漿泵構成，以及配套管路組成。

2）料和水的輸送及計量。材料采用25 kg 小包裝袋包裝，粉料計量是通過數袋法計量，通過人工向螺旋輸送機內投料，也可直接向高速攪拌機內投料。

水是通過定量氣控水箱計量，將氣控定量水箱至于高處，通過靜壓水管向水箱內供水，供水結束后，自動關閉靜壓水管高壓球閥，排水時通過氣動開關打開水箱蝶閥，水自流入高速制漿機。

3）制漿工藝。將高速制漿機切換至內循環模式，通過氣控定量水箱向高速制漿機內快速供水；人工向螺旋上料機的料斗投料，由螺旋上料機往高速制漿機內加料；加料結束，快速攪拌制漿；制漿結束，將高速制漿機切換至排漿模式，漿液排至低速攪拌機內；排漿結束，高速制漿機切換至內循壞模式，開始下一個制漿循環。

4）制漿能力。每個制漿循環3 袋料75 kg，水為225 kg，制漿約300 L。人工投料時間約為2 min，即120 s，攪拌時間為10 s，排漿時間為20 s，則一個制漿循環約120 s，則1 h 理論上可以完成24 個制漿循環，制漿能力為300 L×24 L/h=7.2 m3/h，兩套制漿系統達到14.4 m3，滿足充填需求。則完成38.4 m3的充填量，需要38.4/14.4=2.7 h。

5）人員配備。每個充填班，需要配備8 人，其中2 人在充填地點進行作業，2 人負責上料，4 人負責倒運材料。

3.4 充填工藝流程及注意事項

3.4.1 充填工藝流程

打開放水閥——>高速攪拌機加水——>人工加料(按設計水灰比)——>攪拌20 s——>同時打開高速攪拌機排漿閥——>泵送充填——>關閉高速攪拌機排漿閥、打開內循環閥——>下一制漿循環。

3.4.2 充填注意事項

1）注意材料防潮措施，材料在運輸，地面或井下存放過程中，需注意防潮措施，已經板結結塊的材料不能夠使用；

2）按照設計水灰比定量加料、加水，不可隨意調整水灰比；

3）定期對高速攪拌機通體內、管路和泵體進行清理，清除纏繞物和結塊材料，每個充填班結束，需對攪拌機、管路進行清洗，清洗不少于2 次；

4）現場預備風水管路和接頭，停機超過10 min需對管路進行清洗，停機超過1 h，需從攪拌機底部放漿口放出攪拌桶內漿液；

5）2 臺高速攪拌機加水、加料應基本同步操作，應同時排漿，否則影響漿液混合效果，現場使用時可以將2 臺高速攪拌機排漿閥串聯，由一人操作。

4 實施效果

4.1 充填過程

按照兩班“落底+支護+構建平臺”、一班頂部充填的實施工藝，完成1 個膜袋充填需2～3 h，1 d可以完成2 個膜袋的充填工作，實際充填巷道長度6.4 m，工作面推進速度1.2 m/d，每次充填可以滿足5 d 的推進需求。

充填過程中，通過向充填膜袋內持續灌入壓風，使膜袋鼓起緊貼頂板和兩幫，保證充填接頂和貼幫效果，同時對頂板和兩幫的錨索頭進行了處理，避免扎破充填膜袋。

充填過程中，高水充填材料能夠快速固化、強度快速增長，減輕了充填平臺受力。

4.2 效益分析

經濟效益：實際多回收煤炭9.2 萬t，按照現有煤炭價格1 000 元/t 計算，新增產值9 200 萬元，按照純利潤400 元/t 計算，新增利潤3 680 萬元。頂部充填投入費用主要包括：充填材料費1 500 萬，施工費及支護材料370 萬元，充填設備投入200 萬元，實際經濟效益達到1 610 萬元。

社會效益：底三角煤回收，提高了資源回收率，降低了遺煤損失，延長了礦井服務年限，且方山礦煤層瓦斯含量高，巷道掘進難度大，掘進時間長，底三角煤回收工藝延長了工作面回采時間，緩解了采掘銜接緊張難題。

5 結 論

1）針對方山礦底三角煤丟失嚴重、煤層厚度大、煤軟的工程特點，設計了2 次落底、2 次回填的底三角煤回收工藝，對落底方式、支護參數、平臺構筑進行了設計；

2）采用速凝早強的高水充填材料進行頂部充填，3∶1 水灰比條件下，單漿可泵送距離1 500 m，實現了遠距離泵送，混合漿約15 min 失去流動性，30 min 完全固化，3 d 達到最終強度3.8 MPa；

3）現場實施表明，每天一班充填，可以滿足5 d的推進需求，實現了快速充填底三角煤高效回收，實際經濟效益達到1 610 萬元，同時延長了礦井服務年限，緩解了采掘銜接緊張。