大傾角三軟不穩定煤層綜放面推進緩慢原因與解決對策

贠東風雷 奇伍永平陳廣平谷 斌杜榮華劉 柱張袁浩（.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,70054; 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室,陜西省西安市,70054; .窯街煤電有限責任公司長山子煤礦,甘肅省張掖市,7400）

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大傾角三軟不穩定煤層綜放面推進緩慢原因與解決對策

贠東風1,2雷 奇1伍永平1,2陳廣平3谷 斌1杜榮華3劉 柱1張袁浩1
（1.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054; 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室,陜西省西安市,710054; 3.窯街煤電有限責任公司長山子煤礦,甘肅省張掖市,734100）

摘要長山子煤礦1125綜放工作面回采大傾角三軟松散不穩定煤層,頂板圍巖破碎且伴有淋水。工作面自初采以來4個月推進速度極其緩慢（機巷與風巷分別累計推進僅20 m和38.3 m）,其主要原因是頂板淋水、煤層夾矸、支架傾倒以及綜采隊經驗不足等。提出了解決1125工作面推進緩慢的對策。

關鍵詞大傾角煤層 三軟不穩定煤層 綜放工作面 工作面推進 推進速度

1　工作面概況

窯街煤電集團有限責任公司長山子煤礦于2014年建成投產,礦井設計生產能力為0.60 Mt/a,主采煤層為大傾角軟頂軟底松散不穩定煤層。1125綜放面位于井田11采區南翼,開采二－2煤層,煤容重為1.4 t/m3,煤層平均厚度6.8 m,煤層平均傾角32°,煤質極松軟,普氏硬度系數f為0.8。煤層頂、底板巖性特征如表1所示。頂板巖石和底板巖石質量指標RQD值分別為48%～75%、36%～58%,煤層賦存不穩定,屬軟頂軟底松散不穩定煤層。

工作面走向長度300 m（由于煤層賦存不穩定,此工作面煤層厚度適宜綜放開采的走向長度僅300 m）,傾斜長度70.9 m,平均采高2.6 m,設計平均放煤高度3.4 m,采放比1∶1.6,兩采一放,放煤步距1.2 m。工作面共安裝49架液壓支架,其中ZYF5000/18/32型基本支架47架, ZFG5600/19/32型過渡支架兩架,ZFT16000/20/ 32型端頭架一組。

表1　煤層頂底板巖性特征

2　工作面推進緩慢原因分析

1125大傾角軟頂軟底松散不穩定煤層綜放工作面于2015年5月22日初采。6月－8月3個月實際割煤天數僅為30 d,每天割煤僅一刀或不足一刀。截至2015年9月4日,機巷與風巷累計推進分別僅為20 m和38.4 m。回采期間,工作面頂板發生淋水、煤層出現厚層砂巖夾矸,這在首采1121工作面未曾遇到。頂板淋水加劇支架下滑傾倒,厚層砂巖夾矸造成采煤機故障,支架傾倒嚴重,再加上因熟練操作工流失被迫重組綜采隊等諸多因素,嚴重制約了工作面推進速度,造成工作面在徘徊中艱難推進。本文主要從頂板淋水、煤層夾矸、支架傾倒和經驗不足這4個方面綜合分析找出工作面緩慢推進的原因。

2.1頂板淋水

頂板淋水是影響和制約煤礦作業環境的主要因素之一。1125工作面在2015年6月9日機巷推進5.8 m,風巷推進8.8 m時,1＃～28＃支架及43＃支架頂板處突發淋水,涌水量為6.7～10 m3/h,造成機巷在距離工作面100 m范圍以內水和煤泥淤積嚴重,積水最深處達500 mm,行走、作業非常困難。經分析,1125工作面以煤二層頂板新河組砂礫巖含水層為直接充水源。該含水層充水為孔隙裂隙水,是頂板淋水的直接來源。此段頂板巖石裂隙發育,但裂隙窄小,通過裂隙補給水量有限,淋水量不大,但淋水持續時間較長。頂板泥巖及頂煤被淋水長時間沖刷,使液壓支架頂部懸空,導致穩定支架作用的摩擦力變小,且支架未達到額定初撐力,促使支架發生失穩,頂煤與頂板破碎漏冒。其中,8＃～20＃支架傾倒嚴重,支架傾角高達40°～58°。頂板淋水前與淋水中支架傾角變化如圖1所示。

圖1　頂板淋水前、淋水中支架傾角實測結果

頂板淋水持續37d,致使1125綜放面6月5日～7月23日機巷和風巷累計推進分別僅為10.4 m和18.1 m,嚴重影響了工作面推進速度。

此外,遇水泥化的極軟末煤淤積堵塞運輸系統,特別是煤泥固結成團堵住煤倉放煤口導致不能放煤而被迫爆破疏通。

2.2煤層夾矸

6月11日當1125工作面機巷推進6.4 m,風巷推進9.4 m時,煤層出現夾矸。經現場實測, 1＃～12＃支架處夾矸較厚,約1.8 m,向上至22＃架處矸石厚度逐漸減小并尖滅;7月3日,機巷推進12.4 m,風巷推進17.2 m時,1＃～30＃液壓支架前方煤壁再次出現夾矸,其中1＃～10＃架處矸石厚度較大,最大厚度為2.8 m,平均厚度為2.6 m。夾矸為中砂巖、粉砂巖,灰黑色,節理發育,硬度較大。工作面遇到夾矸初期,嘗試過采煤機直接截割夾矸,滾筒截齒磨損嚴重,每班必須更換磨鈍的截齒。更為嚴重的是到8月19日,因截割夾矸負載過大導致采煤機搖臂損壞,至24日搖臂才換好。煤層夾矸持續56 d,其中,7月3日－7月23日,工作面煤層夾矸和頂板淋水同時存在,工作面在這段時間推進緩慢,機巷和風巷累計推進分別僅為5.6 m和11.5 m。

2.3支架傾倒

1125工作面設計采用“水平－圓弧－傾斜”的過渡布置方式,如圖2所示,即機巷沿頂板布置,通過一水平段與圓弧段相連逐漸過渡到工作面傾斜段。

圖2　1125工作面布置方式

這種布置方式有效地遏制了開采設備的整體下滑,改善了支架受力狀態,減少斜面基本支架傾角以及對端頭架的側向推力,能夠保證工作面下部出口暢通。但是,這種布置方式同時也帶來了為保持圓弧段曲率需要對圓弧段提底挑頂割煤問題,很容易造成支架傾倒。由于長山子煤礦煤層為不穩定賦存特征,因煤層變薄導致圓弧段變短,曲率增大,圓弧段實際為折線段。因此造成處于折線段的5＃～8＃液壓支架頂梁相互擠緊,圓弧段支架對工作面支架的下滑與傾倒的抑制作用喪失,結果造成折線轉折點處的支架嚴重傾斜。繼而折線轉折點以上的支架傾倒加劇,傾角平均達到47°。6月－8月間支架持續發生大范圍傾倒,6月期間,8＃～20＃支架傾倒嚴重,傾角高達40°～58°;7月－8月期間,中下部5＃～25＃支架傾倒嚴重,傾角高達40° ～60°,1＃～19＃支架尾部不同程度下擺;5＃～30＃支架不同程度空頂;隨后工作面進行調架,但調架中頂煤在支架的反復支撐下破碎、漏冒,造成支架空頂嚴重,支架依舊未能扶正。7月30日～8 月14日支架持續傾倒且程度加重,特別是8月14日處于工作面下部折線段轉折點的6＃支架傾角高達60°,導致整個工作面多次癱瘓。

1125工作面所用支架存在兩大缺陷:一個缺陷是由于該液壓支架是首采的1121工作面使用過的支架,支架升井后礦方進行過常規檢修并補焊了扶架拉環和單體支柱柱窩,但側護板伸縮不暢的故障仍未根本解決;另一個缺陷是由于支架伸縮前探梁伸出后相鄰前探梁間隙較大,碎末軟頂煤漏冒并向上擴展,造成支架接頂不實易傾倒。這兩大缺陷直接制約著拉架與調架速度和支架的穩定性,導致工作面難以快速推進。

經實測,6月－8月因支架傾倒導致機巷和風巷累計推進分別僅為18.6 m和36.1 m。

2.4經驗不足

近幾年煤炭市場持續低迷,盡管窯街煤電公司和長山子煤礦均采取了更為優惠的政策吸引并留住人才,但綜放隊熟練技能工仍時有流失。1125綜放面初采時礦方被迫從開拓隊抽調20多名工人補充到綜放隊。現在的綜放隊中具有大傾角煤層開采經驗的熟練工嚴重不足,暫尚不能熟練駕馭大傾角三軟不穩定煤層綜放面的生產。經驗不足、操作不熟練直接影響工作面正常推進,整體出勤率較低,并形成惡性循環。

此外,工作面變短也造成了推進艱難。1125工作面設計為偽仰斜布置,即機巷超前風巷9.5 m,減少工作面真傾角,以獲得推前溜時上竄量抵消下滑量。但在工作面實際推進過程中,煤壁片幫并誘發架前冒頂嚴重,后將工作面由偽仰斜逐漸調整為真傾斜,機巷與風巷同步推進,再加上煤層傾角變大,導致工作面長度變短。因此,工作面于2015年7月8日和9月10日被迫進行兩次停產減架,分別將49＃、48＃架撤出工作面。因經驗不足,撤架速度極其緩慢。

3　加快工作面推進的對策

基于上述工作面緩慢推進原因綜合分析,為扭轉工作面緩慢推進的被動局面,加快工作面推進速度,采取了以下對策。

3.1探導排頂板淋水

針對頂板淋水,結合現場煤層傾角大和頂板淋水主要發生在支架頂梁間的實際,主要采取超前鉆孔探放水和廢舊風筒導水。超前鉆孔探放水是在超前工作面的機巷向頂板砂礫巖含水層打探放水鉆孔,提前疏放頂板積水,使采煤工作面形成弱水或無水帶。廢舊風筒導水是在支架頂梁下方將廢舊風筒布呈槽形懸掛,在下端頭將其與廢舊導水風筒連接,收集頂梁處的淋水并引導至機巷臨時水倉后集中用潛水泵排出。經現場實測,采用超前鉆孔探放水后,支架頂部淋水量降為0.6～1.1 m3/h,較探放水之前明顯減少;利用廢舊風筒導水后工作面淋水得到控制,煤泥量大幅度減少,工作面環境得到明顯改善。

3.2爆破松動處理夾矸

本工作面夾矸賦存位置為煤層中下部,夾矸厚度1.4～3.8 m,平均厚度為2.6 m,巖性為中砂巖、粉砂巖。因采煤機直接切割矸石異常困難,就采用爆破松動處理。以夾矸厚度的1/3從夾矸底部向上布置雙排炮眼。炮眼排距為夾矸厚度的1/3,炮眼間距0.9 m,炮眼深度1.2 m。炮眼布置方式如圖3所示。

圖3　炮眼布置方式

爆破松動處理矸石獲得了良好的松動爆破效果,大幅度減小了采煤機截割矸石阻力,降低了采煤機故障率,加快了采煤機進刀速度,由每天僅勉強割煤1刀或不足1刀提高到每天割煤2刀或3刀。

3.3動態扶正傾倒支架

大傾角軟頂煤綜放面液壓支架最容易失穩,穩定性控制難度大,特別是傾倒支架扶正因軟頂煤冒漏更加艱難,需采用動態扶架。動態扶架即“護－扶－移－穩”,在扶起支架的同時將支架前移,使支架盡快進入實體煤以恢復支架頂部受力,從而實現支架的自穩。

鑒于長山子煤礦首采的1121綜放面扶架過程遇到了支架上缺少連接鋼絲繩掛鉤拉環（當時扶架時只好連接到千斤頂上或其他耳座上）和穩固單體支柱柱窩導致安全隱患較大。針對這兩個缺陷,礦方對本工作面所用支架進行了改進,為安全扶架提供了良好條件。

采用動態扶架方法比較順利地扶正了傾倒支架,為工作面恢復生產奠定了堅實基礎。

3.4工作面生產外包

針對綜放隊人員操作不熟練且短時間難以自主解決工作面緩慢推進的具體情況,經統籌考慮后決定通過引進經驗豐富綜采隊的外援方式,將長山子煤礦1125工作面生產承包給富有綜放開采大傾角厚煤層經驗的靖遠煤業集團新疆伊犁公司,委托其負責工作面生產并技術指導長山子煤礦綜放隊。

外包之后,1125工作面生產被動的局面逐步好轉,每日割煤從1刀提高到2刀或3刀,工作面安全和質量標準化達到良好等級。在靖遠煤業集團新疆伊犁公司承包隊指導下,長山子煤礦綜放隊整體操作水平在逐步提高并不斷積累經驗。

外包方式較好地解決了因長山子煤礦綜放隊工人操作不熟練導致的工作面生產被動局面。

至于支架側護板伸縮不暢和相鄰支架前探梁間隙漏煤矸的缺陷以及工作面變短等既成事實的問題尚難解決,建議將其列為專題并在下一個接替工作面投產之前集中攻關解決。

4　結論

（1）1125綜放面回采期間推進速度緩慢,其影響因素主要有頂板淋水、煤層夾矸、支架傾倒以及綜采隊經驗不足等。工作面推進慢的問題直接影響了該礦的生產效率,是該礦現階段面臨的主要問題之一。

（2）采用超前探導排方式有效地控制了頂板淋水,抑制了頂板淋水導致支架傾倒和工作面環境的劣化。

（3）采用爆破松動處理煤層夾矸,顯著降低了采煤機負載和搖臂與截齒損壞故障。

（4）采用動態扶架方法,比較順利地扶正了傾倒支架,使液壓支架恢復自穩。

（5）工作面生產對外承包是扭轉緩慢推進的直接舉措。礦綜放隊人員在外包隊指導下逐步提高操作水平,積累經驗,為獨立自主掌握大傾角軟頂軟底松散不穩定煤層綜放面開采技術奠定了基礎。

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（責任編輯張毅玲）

Causes and measures of difficult advance in fully mechanized caving face in soft and unstable seam with large dip angle,soft roof and soft floor

Yun Dongfeng1,2,Lei Qi1,Wu Yongping1,2,Chen Guangping3,Gu Bin1, Du Ronghua3,Liu Zhu1,Zhang Yuanhao1
（1．School of Energy,Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2．Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention,Ministry of Education, Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 3．Changshanzi Coal Mine,Yaojie Coal and Electricity Co．,Ltd．,Zhangye,Gansu 734100,China）

AbstractThe No．1125 fully mechanized caving face of Changshanzi Coal Mine was in soft and unstable coal seam with large dip angle,soft roof and soft floor,and the roof was in broken surrounding rock with water seepage．In view of the very slow advance speed since the time of beginning mining that head entry advanced only 20 m and tail entry advanced only 38．3 m during the four months,the causes of that were analyzed．The results showed that the water seepage in the roof,the seam with partings,the inclined supports and the lack of working experience were the main causes．On this basis,the measures for solving the difficult advance in the No．1125 fullymechanized caving face were proposed．

Key wordscoal seam with large dip angle,soft and unstable seam with soft roof and soft floor,fully mechanized caving face,coal mining face advance,advance speed

中圖分類號TD823.8

文獻標識碼A

作者簡介:贠東風（1962－）,男,陜西臨潼人,1984年畢業于西安科技大學（原西安礦業學院）,現任教授、碩士生導師,主要從事巷道支護、復雜煤層開采與系統復雜性方面的教學與科研工作。