高瓦斯大采高綜采工作面停采支護(hù)技術(shù)研究

王存權(quán)

(大同煤礦集團(tuán)云崗礦,山西省大同市,037017)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

高瓦斯大采高綜采工作面停采支護(hù)技術(shù)研究

王存權(quán)

(大同煤礦集團(tuán)云崗礦,山西省大同市,037017)

討論了高瓦斯大采高綜采工作面停采支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。提出了停采過程中工作面的支護(hù)方案。該支護(hù)方案在云崗礦3個(gè)工作面進(jìn)行了應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的安全快速搬家。

高瓦斯煤層 厚煤層開采 綜采工作面 工作面搬家 停采支護(hù)

AbstractThe author of this article discusses the key problems in the design of support for use in longwall coal face stoppages in highly gassy coal seams with big mining heights and the technical scheme for such support.The technical schemes for such support are tried out in three coal faces in Yungang Coal Mine.The application effects indicate that a safe and fast face move is realized by applying this application.

Key wordshighly gassy coal seams,thick coal seam mining,longwall face,face moving, support for face stoppage

1 礦井概況

云崗礦位于山西省大同市西郊云崗溝內(nèi),距大同市區(qū)18 km,開采大同侏羅紀(jì)煤層,井田南北長13.1 km,東西寬 5.75 km,面積59.0003 km2。礦井開拓方式為立井、斜井混合式開拓,主運(yùn)輸水平+980 m,輔助運(yùn)輸水平+1030 m。礦井通風(fēng)方式為分區(qū)抽出式。目前,該礦主要開采煤層為井田南部12#煤層410盤區(qū)。

1.1 工作面概況

該礦410盤區(qū)大采高綜采隊(duì)已采出3個(gè)工作面,工作面基本情況見表1。

表1 工作面基本情況表

工作面的偽頂為碳質(zhì)泥巖,局部層理節(jié)理較發(fā)育,厚度0.2～0.9 m;直接頂為灰白色中砂巖-粉細(xì)砂巖互層,厚21.44～14.6 m,含二硫化鐵結(jié)核,水平層理發(fā)育,普氏硬度系數(shù) f=7以上;直接底為灰白色細(xì)砂巖-粉細(xì)砂巖互層,層理發(fā)育,厚度5.96～3.31 m。

工作面煤層為一單斜構(gòu)造,北高南低,局部有一層夾石,厚度0.85～0.5 m,平均0.6 m。8611工作面無斷層及其他構(gòu)造,81001和81003工作面有斷層7條,落差從0.6～1.7 m,沖刷一處,沖刷地點(diǎn)煤層最薄處為3.0 m。工作面煤層距9#煤層約為39m,距7#煤層約為73 m,距3#煤層約為112 m。

1.2 工作面配套設(shè)備

3個(gè)工作面設(shè)備均配備MG800/2000-GWD型雙滾筒采煤機(jī)1部、ZZ9900/29.5/50型支撐掩護(hù)式支架百余架、SGZ-1000/1050型刮板輸送機(jī)1部、SZZ-1000/375型轉(zhuǎn)載機(jī)1部、PCM-250型錘式破碎機(jī)1臺(tái)、BRW500/31.5型乳化液泵2臺(tái),以及SSJ-1200/250×2型可伸縮帶式輸送機(jī)1部。

ZZ9900/29.5/50型支撐掩護(hù)式支架技術(shù)特征:支架初撐力7734 kN(P=31.4 MPa);支架工作阻力 9900 kN(P=40.2 MPa);支架支撐高度2.95～5.0 m;支架中心距1.75 m;支架重量31.5 t。

1.3 采煤工藝

采用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化采煤工藝,采煤機(jī)落煤、裝煤,采用刮板輸送機(jī)運(yùn)煤,液壓支架支護(hù)工作面頂板,采用自然垮落法結(jié)合人工強(qiáng)制放頂管理采空區(qū)頂板,采高4.8 m,煤層厚度大于4.8 m時(shí),見底板留頂煤開采,煤層厚度小于3.0 mm時(shí),根據(jù)工作面實(shí)際情況割底或割頂開采,循環(huán)進(jìn)度0.865 m。

2 停采支護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.1 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

因大采高工作面采場空間大,斷面大,采空區(qū)和機(jī)道頂板容易塌落,工作面煤壁容易產(chǎn)生深度片幫,在停采和撤架期間易發(fā)生冒頂事故。根據(jù)大采高工作面實(shí)際情況,在進(jìn)行停采支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮工作面的特點(diǎn)及撤退設(shè)備的需要,確定以下參數(shù):

(1)明確合理的停采線位置,并對(duì)停采線附近頂板巖性、上覆狀況等情況進(jìn)行鉆孔分析,以避免或減少頂板周期來壓、上覆應(yīng)力區(qū)等對(duì)收尾的影響;

(2)確定合理的采高、留頂煤或留底煤收尾及撤架機(jī)道寬度;

(3)確定鋪設(shè)金屬網(wǎng)長度、位置、金屬網(wǎng)層數(shù)和規(guī)格;

(4)根據(jù)頂板巖性,確定錨索和錨桿支護(hù)的間排距、錨索長度;

(5)確定工作面煤壁護(hù)幫措施;

(6)考慮頂板難以支護(hù)及發(fā)生變化時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

2.2 停采支護(hù)方式的選擇

2.2.1 停采期間采高的確定

停采期間要選擇合理的采高,主要有以下考慮:

(1)降低采高可縮小采場空間,有利于停采支護(hù)對(duì)頂板的有效維護(hù);

(2)合理的采高應(yīng)滿足停采后撤架通道的高度和支架轉(zhuǎn)向方便的需要;

(3)采高要留有余量,以防止因停采后和撤架期間工作面頂板壓力逐漸增大,頂板下沉量也逐步加大,造成撤架通道高度降低和壓架事故發(fā)生。

由于工作面使用ZZ9900型液壓支架,支架支撐高度為2.95～5.0 m,支架主頂梁平面至側(cè)護(hù)板下端的高度為0.6 m。因此,工作面停采期間的采高為最小支撐高度 (2.95 m),加上支架主頂梁平面至側(cè)護(hù)板下端的高度 (0.6 m),再加上備用高度,根據(jù)生產(chǎn)過程中頂板來壓及支架收縮情況,備用高度取0.65 m,因此采高確定為4.2 m。

2.2.2 停采期間割煤工藝的確定

由于工作面停采期間煤層厚度最低在5.1 m以上,且采高確定為4.2 m,故需要選擇留頂煤還是留底煤割煤。考慮到停采過程中,直接頂不平整,頂煤在0.9～2.5 m之間變化,頂煤能夠完整留住且采煤機(jī)可以割平頂板,保證頂煤平整,有利于支架接頂。同時(shí),如果留底煤開采,則撤設(shè)備及支架時(shí),由于底煤松軟會(huì)出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象,給設(shè)備的行走帶來困難。如果留頂煤見底板停采,由于底板堅(jiān)硬有利于設(shè)備快速撤走。因此,停采期間選擇留頂煤見底板的割煤工藝。

2.2.3 撤架機(jī)道寬度的確定

根據(jù)工作面支架撤出時(shí)所需轉(zhuǎn)向?qū)挾鹊睦碚撚?jì)算和現(xiàn)場實(shí)測,支架降到4.0 m時(shí)所撤支架要求機(jī)道寬度為4.3 m,考慮到外部原因和其它余量,確定撤架機(jī)道寬度為4.6 m。

2.2.4 工作面停采支護(hù)方法的確定

工作面停采過程中頂板采取“網(wǎng)+繩+梁+錨索”方式支護(hù)。

(1)金屬網(wǎng)為1.95 m×5 m菱形網(wǎng) (根據(jù)本支架定制),鋪網(wǎng)長度17 m(前1.5 m落地段為單層,后面垂直段和鋪頂段為雙層),見圖1。

(2)從距液壓支架頂梁端0.5 m開始每隔0.8 m布置一根傾向鋼絲繩,通過錨索將鋼絲繩兩端分別固定在工作面頭尾端頭,鋼絲繩要拉緊繃直,中間每隔0.2 m用聯(lián)網(wǎng)鐵絲與頂網(wǎng)固定,見圖1。

(3)液壓支架頂梁上布置3排傾向梁,梁長4.5 m;每個(gè)支架中心線對(duì)正機(jī)道位置布置1根走向梁 (錨索梁),梁長4.8 m,鋼梁兩端打眼用錨索固定,見圖2。

(4)液壓支架頂梁及機(jī)道上方布置7排錨索,錨索直徑15.24 mm、長6.0 m;其中機(jī)道上方可布置成3排錨索或補(bǔ)強(qiáng)為3排錨索與2排錨桿聯(lián)合支護(hù)的方式,見圖2。

工作面煤壁護(hù)幫支護(hù)方式為:金屬網(wǎng)+4排錨索錨桿,從上往下分別為錨索、錨桿、錨索、錨桿,距頂板距離分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.3 m,錨索長4.0 m,螺紋鋼錨桿長1.7 m,其中最上面一排錨索要有仰角,錨固在頂板上。現(xiàn)場需要時(shí),最上面的一排可補(bǔ)強(qiáng)為1 m的短錨索梁。2.2.5 停采期間“一通三防”

工作面采用一進(jìn)一回的“U”形通風(fēng),工作面配風(fēng)量為1800 m3/min。由于工作面瓦斯最大涌出量15 m3/min,當(dāng)工作面開采至150 m后,上隅角瓦斯涌出量明顯增大。采取的措施有:在工作面尾部安裝了2道可伸縮式風(fēng)帳;在回風(fēng)巷安裝JBT-52型 (功率2×11kW)抽出式通風(fēng)機(jī),用來排放工作面上隅角瓦斯;另外要保證瓦斯檢測、監(jiān)控設(shè)備的正常使用及維護(hù)。

根據(jù)工作面的開采工藝和防火經(jīng)濟(jì)指數(shù),并參考該礦綜放面的防火經(jīng)驗(yàn),決定采用噴灑阻化劑的工藝防止采空區(qū)遺煤自燃。噴灑方法是分別在上下巷道建立移動(dòng)式阻化泵站,選用阻化效果好的工業(yè)氯化鈣 (CaCL2·5H2O)作為阻化劑,向采空區(qū)噴灑阻化溶液,阻化溶液濃度必須達(dá)到 15%～20%。在生產(chǎn)過程中,重點(diǎn)為“三線一帶”的噴灑,一周2次。距停采線40 m范圍內(nèi),除在上、下隅角各20 m噴灑外,還在工作面中部進(jìn)行加強(qiáng)噴灑。

2.2.6 設(shè)備回收方法

在工作面頭、中、尾部分別安裝45 kW雙速絞車,在工作面回風(fēng)巷 (設(shè)備撤出使用的巷道)超前位置打一設(shè)備吊裝硐室用于設(shè)備裝車。撤架過程采用機(jī)道布置兩個(gè)掩護(hù)支架進(jìn)行撤架,每撤1架支架,掩護(hù)架邁步前移1次,使用叢柱支護(hù)撤架三角區(qū)空間。

3 應(yīng)用效果分析

通過該礦3個(gè)大采高工作面的停采搬家實(shí)踐,應(yīng)用多種支護(hù)技術(shù)的變化與組合,尤其是鋪設(shè)鋼絲繩與錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),對(duì)于撤架三角區(qū)與機(jī)道頂板的支護(hù)起到了較好效果。

雙層金屬網(wǎng)與傾向鋼絲繩對(duì)破碎頂板的包裹效果好,不宜發(fā)生扯網(wǎng)現(xiàn)象。

傾向梁、錨索配合有效支護(hù)了支架上方頂板,并有利于撤架三角區(qū)的形成和加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù),保證了撤架安全。

錨索與走向梁的配合使主動(dòng)與被動(dòng)支護(hù)融為一體,有效地將頂板加固為穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)。

工作面煤壁通過錨網(wǎng)護(hù)幫,解決了煤壁片幫和頂板邊角發(fā)生大的離層問題。

由于工作面采高在4.2 m,停采支護(hù)期間架梁、安裝鋼絲繩、安裝托板、掛網(wǎng)挑網(wǎng)等均需登高作業(yè),要使用專業(yè)凳子并在機(jī)道支設(shè)木支柱作為臨時(shí)支護(hù)。

為防止工作面煤壁片幫擴(kuò)大,護(hù)幫時(shí)采取先割頂?shù)恫⒅ёo(hù)上半部煤壁,再割底刀并支護(hù)下半部煤壁,從而實(shí)現(xiàn)了有效護(hù)幫與操作安全。

4 結(jié)論

高瓦斯厚煤層大采高綜采面停采支護(hù)技術(shù),由于對(duì)頂板尤其是撤架通道上方頂板的強(qiáng)力支護(hù),在投入上比一般綜采工作面要大,但杜絕了回撤設(shè)備與支架期間的頂板下沉及破碎冒落、扯金屬網(wǎng)、壓架等事故,避免了后續(xù)頂板支護(hù)材料和工時(shí)投入。該方案在技術(shù)上可行,安全上可靠,使搬家總時(shí)間大幅縮短為12 d,提前10 d進(jìn)入新工作面生產(chǎn),為同類情況下的停采支護(hù)工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),有較大推廣價(jià)值。

[1]朱慶文.大采高綜采工作面成套技術(shù) [J].煤炭技術(shù), 2004(11)

[2]楊緒忠,李波,劉思佳.綜采工作面拆除時(shí)的頂板管理 [J].煤礦開采,2002(4)

[3]田文良,朱加強(qiáng).錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)在綜采工作面收作中的應(yīng)用 [J].煤礦現(xiàn)代化,2006(5)

[4]秦其智.大采高工作面停采頂板支護(hù)新方法 [J].科技信息,2009(23)

[5]邵玉峰.利用錨網(wǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)來實(shí)現(xiàn)綜采工作面的快速回撤 [J].黑龍江科技信息,2009(17)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

A research on the support for longwall face stoppage in highly gassy coal seams with big mining heights

Wang Cunquan

(Yungang Coal Mine,Datong Coal Mine Group Co Ltd,Datong,Shanxi province 037017,China)

TD355.44

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王存權(quán) (1966-),男,山西大同人,碩士研究生,高級(jí)工程師,現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)公司云崗礦礦長,長期從事煤礦生產(chǎn)管理工作。