孤岛煤柱综采工作面旋转(90°)开采研究.doc

第71页 孤岛煤柱综采工作面旋转（90）开采研究 孤岛煤柱综采工作面旋转90开采研究 徐州矿务集团公司庞庄煤矿 二00二年十一月 目 录 一、概述15 1、引言15 2、项目主要研究内容16 二、孤岛煤柱工作面旋转采煤法的可行性研究17 （一）综采工作面旋转采煤法的发展现状17 （二）庞庄矿孤岛煤柱综采工作面旋转采煤法可行性分析17 1、旋转开采区域的地质概况17 2、旋转开采和重开切眼开采方案比较19 3、旋转开采旋转中心选定方案比较23 （三）旋转综采工作面的技术关键26 1、调斜和旋转位置的地质条件26 2、综采工作面调斜和旋转的设备条件26 3、综采工作面调斜和旋转时的巷道布置26 （四）庞庄矿孤岛煤柱综采工作面旋转开采的技术保证26 1、组织保证26 2、孤岛煤柱锚杆支护围岩结构稳定性分析及设计27 3、2443沿空巷道的合理位置确定27 4、试验巷道锚杆支护方案确定28 三、孤岛煤柱综采工作面设备选型及生产系统30 （一）设备选型30 （二）工作面生产系统32 1、运煤系统32 2、材料和设备运输系统32 3、通风系统32 4、排水系统32 四、孤岛煤柱综采工作面旋转开采工艺研究32 （一）调斜与旋转工艺要点32 1、虑心分段割煤调斜方式33 2、综采工作面调斜要点36 （二）综采工作面旋转工艺方式及参数的确定37 五、孤岛煤柱综采工作面旋转采煤法现场实施40 （一）旋转方案实施40 1、方案实施前领导组织及培训学习40 2、主要技术措施41 （二）劳动组织41 1、循环方式41 2、劳动组织43 （三）现场管理43 1、工作面下部顶板管理及措施要求43 2、工作面上端头顶板管理及措施44 3、工作面两道加强支护的管理44 4、工作面前方老巷的管理45 （四）试验过程相关方面管理45 1、运输系统调整45 2、运输机道管理45 3、工作面运输机下滑控制46 4、支架调整46 （五）挤架事故处理47 （六）小结47 六、孤岛煤柱综采工作面采场矿压显现规律47 （一）矿压观测的内容、方法及测区布置47 1、内容47 2、方法48 3、测区布置48 （二）巷道变形规律48 1、材料道48 2、溜子道50 3、旋转回采与正常回采巷道变形结果的比较54 4、锚杆支护效果的观测54 （三）工作面矿压显现规律60 1、工作面工作阻力实测结果60 2、工作面初撑力实测结果60 3、工作面来压规律60 （四）小结61 七、孤岛煤柱综采工作面旋转开采经济社会效益分析65 （一）经济效益65 （二）社会效益65 八、结论66 孤岛煤柱综采工作面旋转（90）开采研究应用 一．概述 1、引言 庞庄井位于徐州市西北郊，距市区13km，井田东西长6.1km，南北宽3km，面积为18.3km2。该井1959年12月30日破土动工，1965年5月1日投产，原设计生产能力为45万吨/年，1974年开始对矿井进行改造，改扩建设计井型120万t/a，采用立井多水平上、下山开拓方式，开采顺序自上而下进行，采区采用前进式，工作面后退式回采。 庞庄井主井落底-170m，自-170利用暗斜井延深到-270、-370、-520、-620形成原煤运输系统，副井落底-370m，通过建立-370大巷，-520、-620延深下山构成轨道运输系统，目前生产主要集中在-620m水平，和-520水平残块和采区系统煤柱，-850m水平正在开拓延深。 庞庄煤矿地处华东缺煤地区，矿井已有四十多年的开采历史，由于开采时间长，多年来的超强度开采，致使矿井可采储量日渐减少，地质条件简单的适合综采开采的储量更少。徐州矿区和庞庄煤矿地质条件均较为复杂，如何在复杂条件下或不规则条件下应用综采工艺高效有效地进行回采，对提高矿井机械化水平、减轻工人劳动强度和矿井的安全生产水平，提高矿井经济效益和社会效益有非常重要的现实意义。 庞庄煤矿采用综采工艺已有二十多年历史，经过不断总结和探索，综采技术水平较高，已形成一套适合该矿开采地质条件的单一煤层综采采煤方法，锻炼和培养了一批适应复杂地质条件下进行综采的工程技术人员和职工队伍。该矿近年来在7508、2446等综采工作面先后试用了综采工作面非等长开采，在7520、7510综采工作面试用了跨上山同时旋转30调斜开采，试验工作面单产和工效几乎没有下降，提高了综采工作面的连续推进长度，减少了巷道掘进率和工作面搬家次数，提高了煤炭采出率，积累了一定的综采工作面旋转和调斜开采方面的经验，技术经济效果显著。 为了尽快解放山西组-620m水平采区，必须加快-520m水平下石盒子组剩余储量的回收。 2443工作面是-520m水平下石盒子组西二采区二煤最后一个工作面，位于西二采区最上边界，上侧为D庞4断层，下侧为2445综采工作面采空区，走向长430 m，倾斜长58～97 m ，平均长87m，切眼长为58m，推进110m后工作面于材料道侧延长到97m；-520西二煤柱与2443工作面大致垂直相交，-520煤柱位于庞庄井-520m水平下石盒子组西二采区，该煤柱上山右侧为2444和2446工作面采空区，左侧为已回采的2445、2447、2449工作面，西南侧为D庞4断层，东北侧为-520水平大巷煤柱，-520西二煤柱呈两侧采空的“孤岛”状态。-520西二煤柱走向长350m，倾斜长135m。 为提高矿井煤炭采出率和机械化开采水平，延长综采工作面连续推进长度，减少工作面搬家次数，降低煤巷掘进率，提高矿井经济效益。根据本矿综采开采时间较长、经验丰富，矿井已积累调斜开采的成功经验，及近年来该矿煤巷锚杆支护技术取得的进展。根据2443和西二煤柱的相互位置关系，经研究在2443与-520西二煤柱工作面之间采用综采工艺旋转90回采，一次将-520西二煤柱采出。 经过技术分析认为，联合开采有下述优点一是减少一次综采工作面的拆除和安装，二是避免一次综采支架的搬运，三是少掘了135m新切眼工程量，四是避免了综采面因搬家造成的二至三个月的接续脱节问题。五是缩短了该区域整体回采时间，减少外部巷道维护时间和维护费用。 项目的研究成果，对庞庄煤矿、徐州矿区、乃至全国类似块段条件、地质条件的综合机械化开采具有推广意义，必将产生巨大的经济和社会效益。 2、项目主要研究内容 （1）2443、-520西二煤柱综采工作面旋转可行性分析和开采设计。对本区域的采矿地质条件进行综合分析，经过技术论证和方案比较，提出孤岛煤柱综采工作面旋转开采设计。 （2）旋转开采的生产系统、工艺方式及参数研究。研究确定综采工作面旋转开采的生产系统、工作面两巷及设备的布置方式，合理选择综采工作面旋转工艺方式、旋转工艺参数，支架调斜及推移输送机方式；旋转开采期间工作面工时实测统计分析及提高旋转期间工作面工时利用率、单产水平的技术途径研究等。 （3）孤岛工作面旋转开采巷道支护技术研究，研究孤岛条件下旋转开采工作面巷道矿压显现的规律，支护方式及参数。研究关键顶板破断规律，选择沿空巷道的合理位置和支护参数。 （4）旋转开采工作面顶板活动规律研究。研究工作面旋转开采时工作面的矿压规律，支架支护阻力随工作面位置的变化规律、顶板的来压规律（周期来压影响范围、动载系数、平均周期来压强度），工作面顶板的位移特征。 （5）综采工作面旋转开采的经济效益分析。综采旋转开采与重开切眼布置工作面开采经济效益比较分析。 二．孤岛煤柱综采工作面旋转采煤法的可行性研究 （一）． 综采工作面旋转采煤法的发展现状 综采工作面旋转式采煤20世纪70年代始于德国，至20世纪80年代初，我国一些矿区进行了尝试，典型的有平顶山四矿（调斜20）、阳泉二矿（调斜45）和近年来庞庄煤矿7520、7510跨上山调斜30采煤等。根据国内开采经验，当综采工作面旋转角度在45以下时，调斜开采的工艺难度相对较小，平巷采用折线方式布置；大于45时，旋转开采难度增大。国内研究试验的旋转角度大于45，使用普通支架的综采工作面旋转期间工作面单产水平、效率均有较大下降，设备损坏相对较为严重，均以研究不够深入而试验失败，因此普通综采工作面旋转式开采未在我国大范围推广应用。 （二）．庞庄矿孤岛煤柱综采工作面旋转采煤法可行性分析 1． 旋转开采区域的地质概况 2443工作面位于工业广场西侧2200～2500m，该工作面是-520m水平下石盒子组西二采区最后一个工作面，走向长430 m，倾斜长58m,推进110m后面长加大到97m，该面煤层厚1.82.1m，平均1.8m，煤层倾角37，平均4，为走向长壁工作面，直接顶为砂页岩，厚度为01.5m，平均0.8m，岩性及厚度变化大，局部相变为砂岩或页岩，易破碎冒落。老顶为砂岩，厚度为3m，致密，坚硬。按照缓斜煤层工作面顶板分类方案，本工作面直接顶为2类，老顶为Ⅱ级。直接底为页岩，灰色、致密，厚度为0.4 m。老底为砂页岩，灰白色、致密、坚硬，厚度为7.6m。2443工作面总体为一单斜构造，根据巷道揭露，共有落差1.0m以内小断层5条。 -520西二煤柱与2443工作面大致垂直相交，-520煤柱位于庞庄井下石盒子组-520西二采区，该煤柱上山右侧为2444和2446工作面采空区，左侧为已回采的2445、2447、2449工作面，西南侧为庞4断层，东北侧为-520水平大巷煤柱，-520西二煤柱呈两侧采空的“孤岛”状态。-520西二煤柱走向长350m，倾斜长135m，煤柱工作面回采下石盒子组2层煤，煤层厚度为1.82.1m，平均厚1.9m，煤层倾角36，平均4，稳定可采。直接顶为砂岩，厚度为1.84.0m，平均3.5m，深灰色，岩性及厚度变化大，局部地段相变为页岩或砂页岩。老顶为灰白色石英长石细粒砂岩，厚度为2.1m，致密，坚硬。参照本采区及相邻采区2煤综采工作面矿压显现资料，直接顶初次垮落步距620m，老顶初次来压步距525m，老顶周期来压步距813 m。该煤柱有工业储量13.77万t，可采储量13.08万t。煤柱内有小断层9条，顶、底板和穿层老巷较多。该区瓦斯涌出量为零，煤尘爆炸指数为38.8，煤层自燃倾向为二级。该面水文情况本面总体为一单斜构造，回采施工过程中预计顶板残存裂隙出水及生产水23m3/h易于巷道低洼处积聚，回采时在低洼处设泵排水，对回采影响较小。开采区域综合柱状图见图2-1。 图2-1 2443、-520西地煤柱工作面综全柱状图 图2－1 2443、－520西二煤柱工作面综合柱状图 2． 旋转开采和重开切眼开采方案比较 根据本区域的采矿地质条件，提出如下方案的技术和经济分析 方案一2443与-520西二煤柱综采旋转开采，2443综采面是西二采区最后一个工作面，走向长430m，倾斜长58m，推进110m后，面长加大到97m，再推进220m,开始进入旋转区域；-520西二煤柱综采工作面为倾斜长壁工作面，两巷分段等距离平行布置，设计工作面长100135m。旋转开采前面长为100m，旋转结束后，面长加长到135m。材料道沿空布置，与-520西一轨道下山相联系，构成本面的材料运输路线和回风路线；运输巷沿空布置，留设小煤柱护巷，通过运煤联络巷与-520西翼煤仓相通，构成工作面的运煤、进风路线（见图2-2）。 方案二2443综采工作面正常布置，-520西二煤柱重开切眼综采开采，2443综采面运输道沿空布置，留设小煤柱护巷，通过-520西二皮带机道与-520西翼煤仓相通，构成工作面的运煤、进风路线。材料道布置在D庞4断层煤柱内，与-520西二轨道下山相联系，构成本面的材料运输路线和回风路线；当2443综采工作面推进到停采线时，进行本综采面收作，搬家到-520西二煤柱新切眼进行回采，-520西二煤柱材料道沿空布置，与-520西一轨道下山相联系，构成本面的材料运输路线和回风路线；运输巷沿空布置，留设小煤柱护巷，通过运煤联络巷与-520西翼煤仓相通，构成工作面的运煤、进风路线（见图2-3）。 方案三2443工作面采用正常综采工艺回采，当推进到停采线时，进行本综采面收作；而-520西二煤柱则采用重开切眼炮采工艺回采；2443综采面运输道沿空布置，留设小煤柱护巷，通过-520西二皮带机道与-520西翼煤仓相通，构成工作面的运煤、进风路线，2443材料道布置在D庞4断层煤柱内，与-520西二轨道下山相联系，构成本面的材料运输路线和回风路线；-520西二煤柱炮采面材料道沿空布置，与-520西一轨道下山相联系，构成本面的材料运输路线和回风路线；运输巷也沿空布置，留设小煤柱护巷，通过运煤联络巷与-520西翼煤仓相通，构成工作面的运煤、进风路线（见图2-4）。 表 2-1 方案比较 方案 比较内容 方案一 方案二 方案三 优 点 1.减少一次综采工作面的拆除和安装； 2.避免一次综采支架的搬运； 3.少掘135m新切眼工程量； 4.避免了综采工作面因搬家而造成的二至三个月接续脱节问题； 5.缩短该区域整体回采时间，减少外围巷道维护时间和维护费用； 6.增加综采面整体推进长度； 7.多回收扇形煤柱煤量； 8.尝试成功后，社会、经济效益显著。 1.采用正常综采，工艺较为简单； 2．技术管理难度不大； 3．相对方案三，回收本区域速度较快。 1.2443用综采、-520西二煤柱用炮采，工艺较为简单； 2.综采和炮采技术管理难度不大； 3可充分发挥炮采比较灵活的优势，将煤柱回收。 缺 点 1. 孤岛旋转开采是新课题，需要做大量调查研究工作； 2. 回采工艺较为复杂； 3. 技术管理困难较大。 1.综采面推进长度太短，影响综采能力的发挥； 2.增加新切眼工程量； 3.增加一次综采面的拆除和安装工作量； 4. 造成综采面接续脱节； 5. 造成扇区煤柱难以回收； 1.综采面推进长度太短，影响综采能力的发挥; 2.造成综采面接续脱节; 3.影响整个回收进度，难以尽快解放-620小湖系工作面； 4.本区老巷较多，炮采面过老巷难度较大； 基于我矿有一支高素质的能进行综采的工程技术人员和职工队伍，经矿技术会议讨论，一致推荐技术方案一作为本区域煤柱的选用方案。 3． 旋转开采旋转中心选定方案比较 1综采工作面调斜和旋转中心的技术要求 合理选择旋转中心是调斜和旋转成败及技术经济指标好坏的关键因素之一。在调斜和旋转过程中，综采面可以绕一个固定中心，也可以变换中心，并使各中心沿直线排列。一般综采工作面调斜时，因旋转角度较小，可以绕一个固定中心旋转；而综采工作面旋转90以上时，需要时间较长，旋转中心附近煤层顶板难以维护，因此不宜固定一个中心。确定旋转中心时，应考虑以下因素 最好以综采工作面机头端为旋转中心，旋转机尾端，以保证旋转期间输送机头和运输顺槽转载机尾能正常搭接，使运输畅通；若以机尾为旋转中心，旋转机头端，则输送机头和转载机尾的搭接则困难的多；旋转中心处顶板要稳定，无地质构造，不受周围其它工作面的采动影响。 固定旋转中心可分为实旋转中心（图2-5）和虚旋转中心（图2-6）。实旋转中心就是旋转中心设在扇形块段顶端的顺槽转折点处，在巷道内能确切地测出其位置。而虚旋转中心就是设在扇形块段之外，只能用作图法画出其确切位置。在图2-6中，a和b各表示虚中心扇形调斜面的一种形式，矩形AO’CC’和O’BD’D分别为提前量和延后量。 旋转式回采时，旋转一个大的角度可视为调斜若干个小角度，即当综采工作面转过某个小角度后，中心附近顶板恶化或工作面状况变差时，可向前直推一定距离，待状况改善后，再固定一个中心旋转。 2旋转方案比较 由于2443工作面运输机道在下侧，而-520西二煤柱工作面的运输道在左侧，因此，我们就以综采面机头端为旋转中心进行方案比较。 方案一 实旋转中心就是旋转中心设在2443运输机道和-520西二煤柱运输道的交点处，在巷道内能准确地测出其位置,如图2-7所示。 方案二 虚旋转中心就是旋转中心不在2443运输机道和-520西二煤柱运输道的交点处，而是设在扇形块段之外，如方案二图所示；并在拐点处又开掘一条转采斜巷，与走向和倾向布置的运输巷各成45角。 表2－2 方案比较 方案一 方案二 优点 1. 该工艺方式过程简单，操作方便； 2. 旋转范围相对较小，旋转工作量也相对较小。 1.可改善旋转中心附近的顶板管理状况 2.旋转中心端也保持一定前移量，当综采面转过一个角度后，中心附近顶板恶化或工作面状况变差时，可向前推进一定距离。 3. 可改善运输机与转载机之间的搭接状况； 4. 转采斜巷能较好的解决输送机下窜和液压支架下挤现象。 缺点 1. 由于旋转端至中心端，移架步距逐步变小，顶板所受反复支撑次数逐渐增多，中心附近顶板管理难度较大； 2. 输送机容易下窜，液压支架容易挤向下方； 3. 运输机与转载机搭接比较困难。 1. 扩大了旋转范围，增大了旋转工作量 2. 工艺较为复杂，调斜前要作严密的工艺设计，确定调斜参数，严格掌握调斜进度。 经过比较，选定方案二作为本区域开采的选定方案。 （三）旋转综采工作面的技术关键 当工作面旋转角度在45以下时，工艺难度较小，平巷采用折线布置，习惯上称这类小角度旋转为综采面调斜或调采；大于45时，旋转工艺难度加大，称为综采面旋转。 1．调斜与旋转位置的地质条件 综采工作面调斜和旋转时工艺难度很大，因此要选在下列良好的地质条件煤层赋存要稳定，顶板中等稳定以上；不受邻近工作面采动影响，地质构造少、无老巷；煤层倾角不宜过大，最好在12以下，以防调斜或旋转期间支架发生倒、挤、散现象和输送机下窜；采高不宜过大，否则支架稳定性差，煤厚一般应在3.0m以下。 ２．综采工作面调斜和旋转的设备条件 设备可靠性要强，进入调斜和旋转区域之前，对设备要进行预检；支架的防漏矸、窜矸性能强，并应具备良好的调向、旋转性能及侧向调节机构；输送机弯曲性能要好，最好使用中双链输送机，以防锚链在机槽弯曲时受力不均而被拉断。 3．综采工作面调斜和旋转时的巷道布置 综采面调斜的原因很多。在回采中，常因煤层倾角变大，导致工作面长度变短，为了减少拆除多余支架的麻烦，需对工作面调斜，使其成为伪斜状；或为补偿输送机下滑量，而使综采面成伪斜状。该情况下工作面调斜角度很小，对平巷布置无特殊要求，调斜是在平巷平行布置条件下进行的。 顺槽折向布置时，要合理确定每段的长度，以利于选择和安装平巷输送机；平巷的转折点要选择在地质条件好、无老巷处，以减少调斜的工艺难度；调斜时工作面长度不变，故平巷转折处与工作面旋转端的轨迹不重合。实践证明，当调斜小于20度时，若旋转端是机头端，在平巷处向工作面面内进行适当扩帮即可，扩帮范围即图2-6中C’DO”，也不影响转载机与工作面输送机、胶带机机尾的正常搭接；当调斜角大于30时，扩帮量较大，并且要在平巷转载机与胶带机之间加一部可弯曲（中链）刮板输送机，才能正常运输，辅助工作量过大。 对旋转工作面，旋转端的巷道应采用弧形布置。但应充分考虑旋转中心的数目和位置、弧形巷道的辅助运输设备等因素。 （四）庞庄矿孤岛煤柱综采工作面旋转开采的技术保证 1．组织保证 组织管理是保证转采成功的关键，为此矿成立了以矿长为组长的课题组，负责转采的组织和实施工作。 2．孤岛煤柱锚杆支护围岩结构稳定性分析及设计 旋转开采工作面试验巷道为留窄煤柱的沿空巷道，其直接顶岩层不稳定，易冒落，围岩变形在采掘过程中表现为阶段性剧烈变形特征，这表明，该沿空巷道的稳定性与顶板岩层中一层或几层力学性能好的坚硬岩层断裂后结构的稳定性密切相关。 （1）对2443沿空巷道关键顶板的认识 在煤层顶板中，由于成岩矿物成份及成岩环境等因素的不同，造成顶板各岩层的厚度和力学特性等方面存在着较大的差别，而其中一些较为坚硬的具有一定厚度的岩层起着主要的控制作用，它们破断后形成的结构直接影响着采场的矿压显现和岩层活动，将此类顶板定义为关键顶板。 根据关键顶板的判别条件，可确认4.9m厚的细砂岩即为2443工作面的关键顶板。 （2） 2443沿空巷道关键顶板侧向破断跨度的确定 2443工作面倾斜长度为97m，关键顶板细砂岩的下位煤岩依次由3.5m的砂页岩、1.0m的1上煤、0.8m的灰色页岩、0.7m的1下煤和3.0m砂页岩组成。将关键顶板视为板模型来研究初次和周期断裂时的破断规律。根据板的屈服线分析法，在长壁工作面条件下，关键顶板的断裂模式只与综采工作面尺寸有关。 关键顶板的侧向跨度，即顶板显著运动完成后在工作面两侧或一侧的悬跨度，随工作面推进，当达到极限跨度时，在关键顶板自重及其上部岩层的作用下将产生屈服，通过现场实测和理论分析得出对2443工作面采场来说，其初次来压时的侧向极限跨度为18m，周期来压时的侧向极限跨度为12m。 （3） 2443沿空巷道关键顶板的侧向破断位置 影响关键顶板岩层断裂位置的因素很多，主要有采深、原岩应力状态、煤层厚度及性质、直接顶厚度及性质、关键顶板岩层厚度及性质、煤层采空状况等。但关键顶板岩层在煤体中的断裂位置主要取决于直接顶的厚度、直接顶的性质两个因素；在顶板为中等稳定的条件下，当直接顶的厚度在8-15m之间变化时，断裂位置距上区段采空侧煤壁的距离一般在3-8m之间；当直接顶的性质位于25-45MPa之间时指其单轴抗压强度，断裂距离一般在3-6m之间。 根据计算，庞庄煤矿2煤沿空巷道关键顶板断裂在采空侧煤壁内4.5m处。 3 ．2443沿空巷道的合理位置确定 沿空巷道的合理位置也即窄煤柱的尺寸设计问题。根据2443沿空侧煤岩体的数值计算结果，可将沿空侧的煤岩体分为如图2-9所示三个区，即弹性区、塑性区和破裂区。其中弹性区对应于煤岩体全应力一应变曲线中的弹性变形阶段；塑性区则对应于应变强化阶段和应变软化段；破裂区对应于塑性流动段。 图2-9 2443沿空巷道的合理位置确定 此时，2443工作面沿空侧的支承压力分布如图2-9所示。可见，在靠近采空区一定的范围内，煤岩体内的应力较低，适合布置沿空巷道。 因此2443沿空巷道可以具有如图2-9所示的四种开巷位置。即位置1为完全沿空巷道；位置2为塑性区中留窄煤柱的沿空开巷方式；位置3仍位于塑性区中，但留较大煤柱的开巷方式；位置4为弹性区中留大煤柱的开巷方式。 从理论和实践上来说，位置1和位置2为较理想的沿空开巷位置，都处于煤岩体的低应力区中，但位置1位于破碎区，采空区侧封闭困难，老空漏风和瓦斯涌出难以控制。位置2与位置1相比，煤岩体的力学性质相对来说要好，可采用锚杆支护方式，能够保证沿空巷道在整个服务期内正常使用。位置3同样位于塑性区中，但在煤体支承压力的峰值区内，不是最好的掘巷位置；位置4处于弹性区中，因其煤柱过大，造成资源浪费，亦不宜采用。 根据以上分析，确定2443沿空巷道采用留窄煤柱的沿空巷道布置方式，巷道的合理位置如图2-9中的位置2所示。 研究表明，在庞庄煤矿2443沿空巷道条件下，上覆岩体结构在巷道服务期间，只会发生一定程度的回转变形下沉，而不会失稳，这对巷道采用锚杆支护是很有利的。 4．试验巷道锚杆支护方案确定 根据现场生产、地质技术条件，对不同的参数组合方案进行围岩应力及变形分析、比较，以巷道维护效果好、支护成本较低、使用方便为准则分析后，确定现场施工方案。 （1巷道断面的确定 确定2443沿空掘巷断面尺寸如下宽高4.22.4m。 （2）顶板锚杆 顶板锚杆长度与巷道围岩变形的关系见表2-3，由表2-3可见，随着顶板锚杆长度的加长，巷道顶板下沉、底鼓、两帮相对移近的规律如下顶板锚杆长度超过2.0m后，顶板下沉量变化不大；但顶板锚杆长度的变化对两帮的相对移近量影响较大，对底鼓量影响也较大，即适当增加顶板锚杆长度对控制巷道围岩变形较为有利。本设计采用2.2m长的锚杆是较为合理。 表2-3 顶板锚杆长度与巷道变形关系 顶锚杆长m 顶板下沉mm 底鼓mm 两帮移近mm 2.4 31 178 357 2.2 33 213 365 2.0 44 229 376 1.8 51 243 390 （3）帮锚杆 帮锚杆长度与巷道围岩变形的关系见表2-4，由表2-4可见，帮锚杆加长时，控制两帮相对移近效果影响显著；帮锚杆长度对顶板下沉影响不大，尤其达到1.6m以后，影响更小；帮锚杆长度对底鼓的影响是，从1.4m增加到1.6m，底鼓量有一个明显的降低，达到1.6m以后，底鼓量变化不大。考虑到沿空巷道的特点，本设计选定帮锚杆长度为1.8m。 表2-4 帮锚杆长度与巷道围岩变形关系 帮锚杆长m 顶板下沉mm 底鼓mm 两帮移近mm 1.8 31 178 357 1.6 36 206 374 1.4 45 257 416 （4）锚杆排距的确定 锚杆排距与巷道围岩变形的关系见表2-5所示，由表可见，对于0.8m、0.9m、1.Om三种排距来说，排距0.8m时围岩变形及稳定性与0.9m排距的锚杆布置方式相差不大，排距超过1.Om时围岩变形相对较大，由此可以认为在锚杆排距达到一定密度后，减小排距对控制围岩稳定性作用不是很明显，在保证巷道安全使用的前提下考虑巷道掘进速度和允许围岩有一定变形的实际情况，本设计中锚杆的排距确定为0.9m是可行的。 表2-5 锚杆排距与巷道围岩变形关系 排距m 顶板下沉mm 底鼓mm 两帮移近mm 0.8 30 165 335 0.9 31 178 357 1.0 55 230 391 （5）锚杆间距的确定 通过增加顶板及两帮锚杆根数即减小锚杆间距，可显著减小巷道围岩变形量。顶板锚杆根数从4根增到5根时，对减小巷道围岩变形较明显；帮锚杆数的增加对巷道围岩变形的控制与顶板锚杆的增加对围岩控制规律相似，但对底鼓的控制作用不大。考虑锚杆间距较小时，支护成本增加、掘进速度减小，而巷道允许有一定的变形，因此在保证安全的前提下，尽可能减小锚杆支护密度。确定两帮锚杆的间距及顶板锚杆的间距都为900mm。该种布置方式巷道围岩的变形量较大，应严格控制锚杆的施工质量。 （6）确定的锚杆布置方案 顶板采用202200mm的螺纹钢锚杆，树脂药卷加长锚固，锚固长度1.Om，锚杆间距900mm。铺设经纬金属网和钢带。 两帮采用161800mm的圆钢锚杆，沿空侧与顶板锚固方式相同，间排距与顶锚杆一致，都为900mm另一侧端头锚固，两帮使用10金属网，沿空侧增加中12的钢筋梯。 （7）使用锚索加强支护 为了扩大锚杆支护使用范围，充分发挥锚杆支护的经济、快速、安全可靠的优越性，在该旋转区域大断面、高应力等困难、复杂的巷道中，使用小孔径预应力锚索加强支护。由于它锚固深度大，将下部不稳定煤层或岩层顶板锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应力，主动支护围岩。 锚索锚固段深度范围为7m～8m，钢绞线长取8m，每3排锚杆安装一套，一套锚索包括钢绞线一根、0.4m长的18号槽钢一块、1001008mm的钢板一块、锁具一个、三支直径23 mm树脂药卷，孔底一支为超快型，长400mm，外面两支、长度400mm为中速。锚索布置在巷道顶板中间，且滞后迎头不得超过20m。 三．孤岛煤柱综采工作面设备选型及生产系统 （一）设备选型 综采工作面旋转开采与普通综采的设备选型相差较大，为了适应-520西二采区煤柱回采的需要，2443这套综采设备的选型就是为了适合旋转开采而选择的。 2443工作面采用MG200-W型无链牵引采煤机，截深630mm，采高1.4～3 m，牵引方式为销轮齿轨啮合式无链牵引，牵引速度05.5 m/min，牵引力245kN，电机功率200kW；采用ZFZ-2000/16/24A轻型支撑式液压支架，支撑高度1.6～2.4m，中心距1.25m，初撑力1423～1567kN，需要的供液压力31.4Mpa，支架重量6771kg，工作面总计使用支架108架；采用SGB-630/220型可弯曲刮板输送机，输送机出厂长度150 m，最大运输能力450t/h，刮板链链速1.01m/s，破断力大于597kN，电机功率2110kw；采用SZB-730/75型桥式转载机，输送机长25.6 m，小时运输能力630 t/h；采用MRB-200/315型乳化液泵站，两泵一箱，一台工作，一台备用，供液能力200L/min，供液压力31.5Mpa。 -520西二煤柱综采工作面运输线路全长518 m，根据旋转方式及巷道布置，运输巷采用SDJ-150胶带机、SZB-730/75型桥式转载机各一台（表3-2、图2-2）。 表3－1 2443工作面设备配置 序号 设备名称 型号 数量（台、部） 1 采煤机 MG200-W 1 2 液压支架 ZFZ-2000/16/24A 80 3 刮板输送机 SGB-630/220 1 4 转载机 SZB-730/75 1 5 胶带机 SDJ-150 2 7 乳化液泵站 MRB-200/315 2 8 开关列车 1 表3-2 -520西二煤柱工作面设备配置 序号 设备名称 型号 数量（台、部） 1 采煤机 MG200-W 1 2 液压支架 ZFZ-2000/16/24A 80 3 液压支架 WS1.7-1.2/2.8 22 4 刮板输送机 SGB-630/220 1 5 转载机 SZB-730/75 1 6 胶带机 SDJ-150 1 7 乳化液泵站 MRB-200/315 2 8 开关列车 1 旋转区域运输设备衔接与过渡2443工作面推到本工作面停采线附近时，为便于旋转期间运输，进行了运输顺槽设备调整。一是拆除了顺槽皮带机和转载机，改铺一部SGW-40T运输机（长度为80m），二是将拆除的皮带机和转载机安装到煤柱工作面运输顺槽，三是在旋转区运输顺槽铺设二部SWG-40T运输机（长度分别为30m、55m），其中30m长的运输机是铺设在转采斜巷内。另外2443旋转结束进入煤柱工作面后，工作面面长又增加了33m，增加WS1.7-1.2/2.8支架22架。 由于支架在转弯处推进速度慢，顶板承受的压力大，2443运输巷与-520西二煤柱工作面运输巷采用折线联接，考虑铺设一部转载机的长度，便于下端头支架在旋转时允许适当位移，以免发生挤架现象。同时要求加强该处巷道顶板支护强度，采用锚索、锚杆和钢带等联合支护方法，确保旋转开采能够正常进行。 （二）工作面生产系统 1．运煤系统 工作面→-520西二煤柱运输巷→运煤横贯→西翼采区煤仓→-520西大巷→-520夏桥系皮带下山→两系联络运输石门→-620皮带下山→千米皮带→主井。 2． 材料和设备运输系统 副井→-370贯通石门→-620小湖系轨道下山→-520甩车场→夏桥系-520西大巷→-520夏桥系西一轨道上山→-520西二煤柱材料道→工作面。 3． 通风系统 新风从副井→-370大巷→-620皮带下山→两系联络运输石门→-520夏桥系皮带下山→-520西大巷→运煤横贯→-520西二煤柱运输巷→工作面。 工作面乏风→工作面材料道→-520夏桥系西一轨道→-520夏桥系西风道→-520夏桥系回风石门→-620回风下山→-370小湖系总回风道→风井。 4． 排水系统 工作面材料巷、运输巷→-520西大巷→-520夏桥系水仓→-370贯通石门→-370水仓→地面。 四．孤岛煤柱综采工作面旋转开采工艺研究 （一）调斜与旋转工艺要点 1．虚心分段割煤调斜方式（如图4－1） 为了改善旋转中心附近的顶板管理状况，采用虚旋转中心，使调斜综采工作面的中心端也保持一定前移量。图4-1即