对拉充填开采工作面关键技术研究

1 对拉充填工作面开采技术

中国煤炭资源储量丰富，随着大量易开采煤层的采出，“三下”压煤现象愈加严重。基于“三下”压煤开采比例的逐步增加，提出了对拉充填工作面开采技术。该技术不同于传统的采矿技术，它利用 3 条巷道作为进回风巷道，同时开采 2 个生产工作面。随着工作面的推进，利用带式输送机将煤矸石等废弃固体运输至运料平巷，借助输送机、充填液压支架等设备将其充填至工作面采空区，实现双工作面稳定序的协调作业，保证 2 个工作面的安全高效生产。不同于传统的采煤工艺，对拉充填工作面开采技术是基于充填开采方法和双工作面布置方法提出来的。技术具有 2 种开采方法的优点，有以下特征：a) 工作面同时开展采煤工艺和充填工艺，实现了上下工作面同时开采与充填，满足了现代矿井高效生产的需求。传统的单一充填开采工作面因为充填效率和工作面推进率相对较低，无法满足生产需求。b) 双工作面的推进减少了巷道的掘进数量和搬家次数，2 个工作面共用 1 条运输平巷，减小了回采巷道的掘进量，而且 2 个工作同时推进，提高了生产效率。与单一充填工作面相比，运用该技术，搬家次数减少了，不仅减少了搬家费用，还为生产提供了更充裕的时间。运用该技术实现了生产的高效进行，同时又充分利用了生产产生的煤矸石，减少了煤矿后期处理煤矸石的麻烦。对拉充填工作面开采技术因为巷道布置的不同，生产系统也有所不同。对拉充填工作面开采技术生产系统主要包括 4 个子系统，即煤炭运输系统、物料运输系统、通风系统和矸石运移系统，4 个子系统间相协调连接，为充填工艺和采煤工艺的协调运行提供了良好的保障。因为采用双工作面布置，所以有 2 套生产系统，上下工作面的煤通过中间运输巷运出;运料系统为上下 2 个工作面材料运输业务服务，且互不干涉;风量从中间运输巷进入，通过上下 2 条平巷回风，形成分支型工作面通风系统;矸石运输系统与运料系统相似，上下工作面分别从上下 2 条平巷进行矸石的运输，实现了 2 个工作面的独立运输开采工艺不同，对设备的需求也不同，其设备配套选型应该遵循以下原则：a) 设备的结构性能应该与工作面的生产能力相匹配，工作面设备之间与设备技术参数应该相匹配;b) 设备的选择应该满足对充填工作面采煤与充填工艺的协调运行。

对拉充填工作面开采工艺上下工作面不仅需要实现单个工作面开采与充填的配合，还需实现 2 个工作面之间的协调配合，这是开采难点之一。此外，上下工作面采用对拉布置的方式，工作面之间存在一定的错距，合理的错距是实现对拉充填工作面开采的技术难点之一。采用对拉充填采煤工艺，2 个充填工作面之间共用 1 条巷道，中间运输巷道受到 2 个工作面回采叠加的影响，研究围岩稳定以及控制中间运输巷道的变形是对拉充填工作面开采的第 3 个难点。分析上述开采难点，运用对拉充填工作面开采技术需确保 2 个工作面采煤工艺与充填工艺在时间和空间上的配合，实现平行开采。此外，还需合理布置距长度，而对中间运输巷道的支护，明确矿压显现规律是核心关键。

2 对拉充填工作面合理错距与支护方法

在对拉充填工作面回采的过程中，中间运输巷道受到 2 个工作面开采的影响，应力重新分布多且复杂，而且上下工作面存在错距，因此，要重点研究巷道工作面端、错距端的支护以及围岩稳定性等内容。本文以晋煤集团 3402 工作面为基础，2 个同时生产的采煤对拉工作面通过 3 条巷道形成，上工作面的推进总是同步或超前下工作面，岩层岩性和模拟方案分别如表1、表 2 所示。借助 FLAC3D 数值模拟软件对对拉充填工作面错距进行模拟，在确定错距段支护合理性的同时，提出合理的支护方法。图 2 为错距为 0 m、20 m、50 m 时的巷道垂直位移变形云图。由模拟结果可知，当错距为 0 m 时，巷道变形最小，最大值为 72 mm，最小值为 8 mm;当上下工作面存在错距时，中间运输巷道的变形呈现不对称分布，主要是因为中间巷道左右受力不同，左侧为煤体，右侧为采空区，靠近采空区一侧的变形明显要大于靠近煤体一侧的形;当错距进一步扩大，中间运输巷道的受力差愈加明显，靠近采空区一侧的变形最大，最高可达到 153 mm，靠近煤体的一侧最先位移为 8 mm;当错距达到 20 m 时，巷道垂直位移最大为 106 mm，最小为 8 mm。由此可知，错距主要影响靠近采空区一侧巷道的变形，仅从受力变形的角度来说，错距越小越好。从支护的角度出发，在施工过程中，必须有足够的错距才可以保证中间运输巷道有足够的支护空间控制巷道的变形。因为错距的存在，上工作面推进的速度总是要快于下工作面推进的速度，当上工作面充填完成，下工作面开采的时候，下工作面生产所需的煤炭、材料运输和行人通风都需要通过中间运输巷完成。因此，对中间运输巷进行有效的支护，是防止充填体侧移和保证工作面生产的关键。