0 引 言
为适应中国社会经济的快速发展和煤炭市场需求的变化，矿井产能不断扩大，开采强度不断增强，进而煤矿的开采深度也在不断增加，但随之也会引起煤层瓦斯突出危险性的增大[1-2]。我国煤矿开采实践表明[3-4]，保护层开采是最经济有效的区域性防治冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的措施，一般以常规煤层(煤层厚度≥0.8 m)作为保护层进行开采[5-6]，而对于不具备常规煤层作为保护层开采条件的高突煤矿而言，如何解决新形势下的卸压增透问题，已成为煤矿安全高效生产的一大难题[7]。国内外学者与工程技术人员对薄煤层、无煤柱开采做了大量的研究工作，郭志飚等[8]以薄煤层工作面为工程背景，提出了切顶卸压自动成巷技术，推导了预裂爆破切缝高度和倾角的理论公式，实现了薄煤层工作面的切顶沿空成巷无煤柱开采；何满潮等[9]基于浅埋深、破碎顶板特殊开采条件下薄煤层切顶成巷技术的矿压显现规律进行研究，得出了薄煤层工作面回采后切顶沿空成巷的特殊动压显现和垮落带内顶板不易垮落等规律；张明杰等[10]运用RFPA模拟软件研究了远距离下保护极薄煤层工作面不同采高与卸压效果之间的关系，以降低过量开采极薄煤层顶(底)板岩层所产生的费用；余伟健等[11]针对薄煤层开采半煤岩回采巷道煤壁片帮、顶板下沉严重等问题，分析了半煤岩回采巷道围岩变形的机制，推导了巷道围岩失稳与煤岩体层间滑移的本构方程，并结合桁架高刚度锚索和预应力长锚索，提出“锚、索、网、梁”整体承载的支护技术。研究成果从理论和技术上大多只单一研究了极薄与薄煤层煤炭资源的开采、半煤岩巷道支护及切顶沿空留巷无煤柱开采，而对于半煤岩工作面煤、岩共采设备选型、回采工艺及卸压防突的理论和应用研究较少。
笔者针对山西省沙曲煤矿低透气性高瓦斯煤层群的开采条件，提出极薄、薄煤层半煤岩工作面保护层卸压开采技术，通过优化保护层开采厚度指标、确定半煤岩工作面保护层关键设备选型及回采工艺，并结合半煤岩工作面优化布置，最终实现极薄、薄煤层半煤岩工作面的安全高效开采及下部煤层群的卸压。
1 工程概况
华晋焦煤有限责任公司沙曲煤矿地处山西省吕梁市境内，矿井局部和全部可开采煤层共含9层，编号分别2、3、4、5号煤层(山西组)，6、7、8、9号煤层(山西组)，煤层总厚度约为15.4 m，煤质为焦煤。根据2009年鉴定结果表明：沙曲矿属高瓦斯矿井，且存在煤与瓦斯突出危险性，全矿井相对瓦斯涌出量103.75 m3/t，绝对瓦斯涌出量479.91 m3/min，煤层透气性系数1.780～3.785 m2/(MPa2·d)。矿井北翼山西组煤层开采属于低透气性高瓦斯近距离煤层群开采条件，研究决定对北翼山西组煤层群采用上保护层开采技术，首先开采煤层组最上部的2号极薄煤层。北翼山西组2号煤层厚度为0.50～1.46 m，平均倾角为4°，煤层原始瓦斯含量为10.65 m3/t；其下方3、4号煤层重叠合为3+4号煤层，平均厚度为4.02 m，纵向垂距为17.2 m，煤层原始瓦斯含量为11.42 m3/t；其下方5号煤层平均厚度为3.42 m，纵向垂距为25.5 m，煤层原始瓦斯含量为12.08 m3/t。
2 半煤岩工作面采高与卸压关系分析
针对难采极薄、薄煤层焦煤资源的高效开采，提出半煤岩工作面小综采的开采思路，通过截割极薄、薄煤层软弱顶板或底板以增加工作面开采高度，以便安装小综采设备和提高下部煤层群的卸压效果。半煤岩工作面开采后，通常把煤壁前方一定范围分为弹性区和塑性区2个区域。根据极限平衡条件，塑性区支承压力分布规律满足[12-15]式(1)，即
(1)
式中：σy为超前支承压力，MPa；Rc为煤壁残余强度，MPa；f为层面摩擦因数，f=tan φ1，且φ1为煤层与其顶底板层面的摩擦角，(°)；h为极薄煤层厚度，m；Δh为破岩层厚度，m；ξ=(1+sin φ)/(1-sin φ)，φ为煤层的内摩擦角，(°)。
负指数曲线的弹性区支承压力分布[12-15]，即：
σy=γH[1+Δke-δ(x-x0)]
(2)
(3)
式中：γ为煤层容重，N/m3；H为煤层埋深，m；Δk为应力集中最大值的增量系数，Δk=k-1；x0为塑性区宽度，m；x为距离煤层的距离，m；δ为超前支承压力的衰减系数。
根据式(1)、式(2)、式(3)分析可知：半煤岩工作面开采高度(h+Δh)与半煤岩工作面塑性区宽度x0成正比，极薄煤层工作面塑性区宽度较小。不同采高的工作面支承压力分布规律如图1所示，图中曲线AB、曲线BC分别满足塑性区和弹性区支承压力分布式(1)、式(2)。
图1 不同采高的工作面支承压力分布规律
Fig.1 Distribution law of abutment pressure of working face with different mining height
根据式(3)可计算半煤岩工作面塑性区宽度的增加量为
(4)
根据下部煤岩层变形破坏与工作面超前支承压力之间的关系，建立沿煤层工作面推进方向的下伏煤岩塑性破坏区剖面图[12-15]，如图2所示。
图2 下伏煤岩层塑性破坏区剖面
Fig.2 Section of plastic destruction zone of overlying coal strata
根据图2所示极限塑性破坏区的几何尺寸可以初步确定出极限超前支承压力作用下底板破坏区的最大破坏深度[12-15]：
(5)
根据式(3)、式(5)分析可知：半煤岩工作面开采后，底板最大破坏深度与煤壁前方支承压力塑区宽度x0成正比，即与半煤岩工作面开采高度(h+Δh)成正比，随着半煤岩工作面破岩层厚度Δh的增加，底板最大破坏深度增加，进而煤岩层间产生裂隙增加，下部煤层发生卸压变形，煤层瓦斯大量解吸，进而提高下部煤层的卸压程度和瓦斯预抽效果。
3 半煤岩工作面上保护层开采数值模拟
3.1 模型建立及方案设计
以山西省沙曲煤矿北翼2号极薄煤层现场地质条件为原型，构建数值计算模型，此次数值模拟选用UDEC4.0模拟软件[16-18]。根据现场22201半煤岩保护层工作面保护层走向剖面的综合柱状图，建立北翼山西组煤岩层数值计算模型，如图3所示。设计模型长度为300 m、高度为51.6 m，模拟中2号极薄煤层平均倾角为4°，割煤岩高度为1.5 m(含割底)，其下方5号煤层平均厚度为3.42 m，纵向垂距为25.5 m；其下方3+4号重叠煤层平均厚度为4.02 m，纵向垂距为17.2 m。数值模拟中半煤岩工作面上保护层工作面埋深约500 m，即模型上部施加12.5 MPa的上覆岩层自重载荷，UDEC4.0数值计算模型设计铰支座对模型边界进行约束，模型底部边界以固定铰支座固定；模型左右边界设置活动铰支座，其水平方向位移速度都为0，模型上部边界为自由边界，在上覆荷载作用下可发生纵向位移。
图3 数值模拟力学模型
Fig.3 Numerical computational mechanical mode
本次数值模拟是为了揭示2号极薄煤层不同采高时的下部被保护层的膨胀变形率及垂直应力变化特征，从而分析半煤岩工作面保护层开采时下方煤岩的卸压效果，据此设计了以下模拟方案：半煤岩工作面采高0.5、1.5、2.5、3.5 m。
3.2 半煤岩工作面不同采高模拟结果分析
为研究半煤岩工作面不同采高对下部被保护层煤层的卸压效果，设计4个模拟方案：采高分别为0.5、1.5、2.5、3.5 m。在模型中最下部的5号被保护煤层中布置观测线，在模型开挖起点为模型左侧水平坐标75 m处，当工作面沿走向开采100 m时，5号被保护煤层的膨胀变形率曲线及垂直应力变化特征如图4、图5、图6所示(图4中横坐标为煤层发生膨胀变形的某点与模型左端边界的水平距离)。
由图4可知：半煤岩工作面采高分别为0.5、1.5、2.5、3.5 m时，下部最远的5号煤层膨胀变形率最大值分别为0.259%、0.304%、0.322%、0.363%。通过建立直角坐标系，以不同开采高度的4种模拟方案对应5号煤层膨胀变形率最大值作4个坐标点，再作4个坐标点的拟合直线，如图5所示。分析得出：拟合直线方程为y=0.33x+2.295，拟合优度R2=0.976 9，即随着保护层开采高度的增加，5号煤层的膨胀变形率也随之增加，大致符合拟合直线的线性增长规律。
在半煤岩工作面开采高度为2.5、3.5 m时卸压范围相差不大，但采高为2.5、3.5 m时截割煤岩的工艺和设备更加复杂、成本更高；半煤岩工作面采高为1.5 m时，5号煤层膨胀变形率最大为0.304%，相比开采高度为0.5 m时的0.259%卸压更充分。
通过图6分析可知，22201半煤岩工作面采高分别为0.5、1.5、2.5、3.5 m时，工作面垂直应力分布规律基本一致，随采高的增加，卸压后的最低应力及应力卸压范围增加，下部3+4号、5号被保护煤层处于卸压区域范围内，卸压后煤层最低垂直应力为5 MPa，为原岩应力的0.4倍。
图4 5号煤层不同采高下膨胀变形率变化曲线
Fig.4 The expansion deformation rate curves of No.5 coal seam of different mining heights
图5 5号煤层不同采高与最大膨胀率拟合直线
Fig.5 Fitting line of the expansion deformation rate of No.5 coal seam with different mining heights
图6 不同采高半煤岩工作面垂直应力变化云图
Fig.6 Vertical stress cloud picture of the working face of semi-coal rock with different mining heights
工作面顶底板岩层的原岩垂直应力发生改变后，重分布应力场范围可划分为3个区域：①应力增高区：位于采空区左右两端头向边界一侧，范围在0～25 m，垂直应力增高区范围内应力在5～19 MPa，最大值达到原岩应力的1.52倍，岩体产生应力集中现象，且应力向左右边界一侧有逐渐增大的趋势；②卸压膨胀区：位于采空区左右两端头向内一侧，范围在0～35 m，卸压膨胀区范围内垂直应力在0～17 MPa，区内垂直应力大部分范围小于原岩应力，岩层产生膨胀变形；③稳定卸压区：位于采空区中部区域，范围在采空区左右端头向内一侧35 m以外，应力在7～15 MPa变化，应力变化不大。
4 现场工程应用
4.1 半煤岩工作面设计
沙曲煤矿北二采区2号极薄煤层首采22201上保护层工作面，设计采用小综采的回采工艺，后退式走向长壁采煤法，工作面倾斜长度为150 m，走向长度约1 538 m，工作面埋深约500 m。工作面内煤层平均厚度为0.50～1.46 m，设计半煤岩工作面割煤岩高度为1.5 m(含割底)。22201工作面布置辅助运输巷和机轨合一巷，通过采用巷旁充填沿空留巷技术将22201机轨合一巷保留下来作为22202工作面的回采巷道，进而形成“Y型”通风系统。22201工作面新鲜风自22201辅助运输巷和机轨合一巷进入，再经22201沿空留巷、22202工作面开切眼和轨道巷排出工作面污风，22201半煤岩工作面布置如图7所示。
图7 22201半煤岩工作面布置示意
Fig.7 Layout of No.22201 semi-coal rock working face
4.2 半煤岩工作面关键设备选型
为实现极薄、薄煤层半煤岩保护层工作面的安全高效开采，关键在于选择合理配套的设备[19-20]。而综采工作面设备的合理选型关键又在于“三机”的配套，须满足采煤机、液压支架和刮板输送机在功能上相互协调，在结构上相互联系配合。
4.2.1 综采液压支架选型
通过理论计算，22201半煤岩工作面的支护强度至少在0.34 MPa以上。结合现场工作面的采煤工艺和特殊开采地质条件，并综合考虑支架的安全和稳定性要求，22201半煤岩工作面的支架选型为ZYG3600/07/16.5D型，其技术参数如下：
高度/mm700^1 650中心距/mm1 500宽度/mm1 430^1 600额定工作阻力/kN3 600初撑力/kN3 093底板比压/MPa1.22^1.61推移步距/mm630适应工作面倾角/(°)0^15支护强度/MPa0.37^0.45运输尺寸/(mm×mm×mm)4 865×1 430×700
4.2.2 采煤机、刮板输送机选型
采煤机的选型取决于工作面平均割煤速度、割煤岩高度、装机功率等参数。工作面割煤岩高度应充分考虑保护层卸压效果和现场煤层赋存厚度，因此采煤机的选型关键在于确定电机功率和牵引速度。根据数值模拟分析22201半煤岩工作面割煤岩高度为1.5 m，即采煤机机身高度应小于1.5 m、过煤高度大于300 mm；考虑需要截割底板岩层，采煤机截齿选择无火花高强度镐型截齿，且采煤机应具备高稳定性和防震防爆等特殊要求。通过理论计算，采煤机的电机功率为254 kW，截割煤岩速度平均为1.98 m/min，22201半煤岩工作面采煤机选型为MG2×150/700-WD1型，矮机身采煤机基本参数如下：
采高/m1.20^2.05滚筒直径/m1.15截深/m0.6摇臂长度/mm2 064滚筒转速/(r·min-1)66.96机面高度/mm860牵引速度/(m·min-1)0^9.01牵引力/kN456最小挖底量/mm176生产能力/(t·h-1)800装机功率/kW700总质量/t35
考虑与所选矮机身采煤机配套，工作面刮板输送机选型为SGZ730/320型，该刮板输送机的输送能力为650 t/h、装机功率为2×160 kW。
4.2.3 半煤岩工作面回采工艺设计
设计22201半煤岩工作面采用小综采的回采工艺。采煤机前、后滚筒分别截割顶煤和底煤，追机作业，双向割煤。滞后采煤机后滚筒5～10 m推移刮板输送机，滞后采煤机后滚筒3个液压支架进行推移液压支架，采用工作面端部斜切进刀割三角煤。工作面采用“四六”工作制，即一班充填、一班检修、两班生产，每班工作6 h，每个采煤班完成3个循环，日完成6个循环。采煤机截深为0.6 m，日共推进3.6 m。
当半煤岩工作面中的岩层厚度大于0.6 m以上时，若采用矮机身采煤机直接截割岩层，将大幅增加矮机身采煤机截齿的磨损，如果频繁更换，不仅增加了工作面采煤设备的维修费用，也会影响工作面的采煤进度，造成工作面开采效率低、开采成本高。因此22201半煤岩工作面设计采用辅助爆破工艺预裂底板岩层。通过底板岩层打钻孔，布置单排炮眼一次装药起爆，放震动炮预裂，将煤层底板的岩层首先进行预裂破碎，再通过矮机身采煤机进行截割，进而实现半煤岩工作面的高效开采。辅助爆破炮孔布置方式如图8所示。
图8 辅助爆破炮孔布置示意
Fig.8 Layout diagram of auxiliary blasting holes
辅助爆破炮孔参数如下：
炮孔深度/m 1.5每孔装药量/g337炮孔间距/m1.2炮孔孔径/m42封泥长度/m0.6连线方法串联爆破孔角度/(°)仰角8^10炸药名称乳化炸药
4.3 半煤岩工作面回采情况
现场沙曲煤矿22201半煤岩小综采工作面如图9所示，在2015年1月6日至7月22日观测期间内，工作面共推进了602.6 m，共计出煤约181 020 t。在1月6日至2月27日在工作面初始开采阶段的推进速度较慢，在50天里工作面共完成推进113.2 m，平均每天推进2.26 m，且采出效率较低；从2月27日至7月22日推进速度有所提高，平均每天推进3.05 m。从现场实际采煤效果可知，工作面及回采巷道内配置的设备满足生产需要，半煤岩工作面基本实现安全高效开采。
图9 22201半煤岩小综采工作面现场照片
Fig.9 On-site picture of No.22201 small fully-mechanized mining working face of semi-coal rock
5 结 论
1)针对煤层群中不具备煤层厚度大于0.8 m的常规保护层开采条件，为实现邻近煤层群的卸压增透，提出了半煤岩工作面保护层开采技术。研究表明：随着半煤岩工作面破岩厚度的增加，底板最大破坏深度与煤壁前方支承压力塑区宽度成正比，即与半煤岩工作面开采高度成正比，底板最大破坏深度、煤岩层间裂隙增加，进而提高邻近煤层群的卸压程度和瓦斯预抽效果。
2)数值模拟结果表明：被保护煤层膨胀变形率随着保护层开采厚度的增加大致符合拟合直线y=0.33x+2.295，拟合度R2=0.976 9。结合数值模拟和现场技术条件，设计半煤岩工作面采高为1.5 m(含割底板)，工作面液压支架选型为ZYG3600/07/16.5D型、采煤机选型为MG2×150/700-WD1型、刮板输送机选型为SGZ730/320型。
3)现场工业实践表明：在观测7个月内工作面共推进了602.6 m，平均每天推进3.05 m，共计出煤约181 020 t。从现场实际采煤效果可知，工作面及回采巷道内配置的设备满足生产需要，半煤岩工作面基本实现安全高效开采。
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