厚煤層堅硬頂板邊角煤塊段漸增架開采技術(shù)研究

張水平,郝兵元,張鵬鵬,李德軍

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 裕興煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;3.煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司,太原 030001)

隨著煤炭資源開采強(qiáng)度的增加,礦井煤炭資源逐步枯竭,進(jìn)一步提高礦井煤炭資源回采率對延長礦井服務(wù)年限,實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[1-2]。其中,受地質(zhì)條件和開采布局影響而遺留的礦井邊角煤是礦井煤炭資源回收的重要內(nèi)容。對于邊角煤塊段而言,傳統(tǒng)的長壁綜采工藝無法發(fā)揮其效力,需要采用特殊的回采工藝,如變向調(diào)斜推進(jìn)[3-4]和短壁連采工藝[5-6]。然而上述兩種方法均存在地質(zhì)適應(yīng)性差,需購進(jìn)專用的連采配套設(shè)備增加生產(chǎn)成本等缺陷。漸變式增架減架開采法是開采邊角煤塊段的新技術(shù)。但目前相關(guān)的研究成果大都面臨著增架、減架工藝相對復(fù)雜,需要預(yù)先施工支架窩或支架組裝間;回采過程中由大巷經(jīng)順槽運(yùn)輸支架增架;增架基本采用單架增加的方式,增架數(shù)量相對較少等問題[7-9],且關(guān)于厚煤層堅硬頂板條件下的邊角煤增減架工藝的研究較少。

為了尋求一種可以極大利用礦井現(xiàn)有工作面綜采設(shè)備,通過現(xiàn)有回采系統(tǒng)安全、高效地回采礦井厚煤層堅硬頂板邊角煤的方法,本文以裕興煤業(yè)15205工作面邊角煤回收為工程背景,設(shè)計了漸增架邊角煤回采工藝,并對增架具體方案和開采工藝進(jìn)行了介紹。

1 工程概況

裕興煤業(yè)15205工作面位于礦井二采區(qū)東部,北部為15207工作面(未開采),南部為15203工作面采空區(qū),西部為二采區(qū)北翼采區(qū)大巷,東部為井田邊界(緊鄰長治縣振興煤業(yè)有限公司井田)。為盡可能多回收井田內(nèi)煤炭資源,15205工作面切眼靠近井田東部邊界布置,受井田邊界影響,在工作面開切眼初期即形成邊角煤塊段,如圖1所示。

圖1 15205工作面邊角煤塊段分布圖Fig.1 Layout of marginal coal on 15206 working face

15205工作面位于礦井東北部山區(qū)中,地面多為自然植物,無建筑物、小井及其他設(shè)施,沒有河流等地表水體,地勢為東西部高,中部低。15205工作面位于井下+965水平,工作面走向長1 120 m,切眼分直切眼和斜切眼兩段,直切眼長90 m,斜切眼長316 m。工作面開采15#煤層,煤層平均厚度為4.0 m,傾角4°～5°,結(jié)構(gòu)簡單,屬于穩(wěn)定可采煤層。工作面頂板為K2堅硬灰?guī)r,底板巖層以泥巖和粉砂巖為主。

2 礦井邊角煤開采原則

受形成原因及地質(zhì)賦存條件影響,邊角煤多呈不規(guī)則狀態(tài),導(dǎo)致其開采成本相對較高。因此,如何在保證安全的前提下,采用最低的開采成本最大限度地回收礦井邊角煤成為當(dāng)前急需解決的問題。基于邊角煤的存在特征,提出如下開采技術(shù)選擇原則。

1)盡可能利用礦井現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)對邊角煤進(jìn)行回收,盡量做到投入少、安全性高、生產(chǎn)效率高,方便集中生產(chǎn)與管理。

2)針對邊角煤的賦存狀況,充分調(diào)研現(xiàn)有邊角煤開采技術(shù),通過論證,選擇技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的邊角煤開采工藝,最大限度地實(shí)現(xiàn)邊角煤資源的回收。

3)最大限度使用現(xiàn)有采掘設(shè)備,少添置設(shè)備,盡量避免頻繁搬家倒面或移撤設(shè)備。

4)為防止邊角煤回收過程中,受開采地質(zhì)條件變化等因素的影響,出現(xiàn)頂板壓力增大、巷道圍巖控制難度增加等現(xiàn)象,需要提前做好相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。

針對15205正梯形邊角煤塊段,若采用旺格維利房柱式采煤法(短壁連采),則需要購進(jìn)相關(guān)專用開采設(shè)備,增加開采成本。因此提出邊角煤工作面變長漸增架開采方法,即預(yù)先將液壓支架密集擺放于工作面斜切眼內(nèi),呈“漸增”狀態(tài),初采前對切眼頂板采取預(yù)裂爆破弱化措施,隨工作面的推進(jìn)和切眼長度的增加,逐漸增加支架和溜槽,并通過改變回采工藝和工序,利用現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備,實(shí)現(xiàn)工作面邊角煤的安全高效回收。

3 漸增架開采工藝

3.1 邊角煤工作面漸增架方案

對于正梯形邊角煤工作面,需要在回采過程中逐漸增加支架,支架擺放的位置、數(shù)量與工作面長度有關(guān)。同時需考慮工作面加架、采煤循環(huán)作業(yè)時間、頂板來壓及巷道圍巖控制等因素的影響。基于此本節(jié)以裕興煤業(yè)15205正梯形工作面為例,對漸增架工藝進(jìn)行介紹。

圖2 正梯形工作面增架優(yōu)化設(shè)計圖Fig.2 Optimized design drawing of increasing supports on right trapezoid working face

采用漸增架開采工藝是為了提高邊角煤工作面的開采效率。工作面開采效率與開采所用時間關(guān)系如下:

(1)

式中:η為工作面開采效率,萬t/a;Q為工作面儲量,萬t;t為工作面開采時間,a。

由公式(1)可知,在工作面儲量不變的情況下,開采效率與開采所需時間成反比,要提高開采效率就需要縮短開采時間。結(jié)合圖2,邊角煤各塊段開采所需時間,可由下式表示:

(2)

式中:ti(n)為邊角煤第i個塊段的回采時間,d;n為一次增接支架數(shù);B為支架寬度,m;θ為斜切眼與運(yùn)輸順槽的夾角,(°);α為煤層傾角,(°);D為采煤機(jī)截深,m;L2為工作面最小長度,m;vc為采煤機(jī)平均割煤速度,m/min;ty為工作面有效割煤時間,h/d;t0為增加一次支架所用時間,h;N為工作面變長范圍內(nèi)的增架次數(shù),其計算方法如下:

(3)

式中:S為工作面加架段走向長度,m。

將公式(3)代入公式(2)可得:

(4)

S0=nBcotθ.

(5)

式中:S0為增架間距,m。

由公式(1)—(5)的分析可知,t與S,θ成正比,與α,B,Vc,ty成反比。一般情況下S,θ,α,B,Vc,ty等參數(shù)均為定值,對工作面開采效率影響的主要因素為一次增接支架數(shù)目n,n越大,t越小,開采效率越高,即在保證安全的前提下可以成組增加支架。

15205工作面推進(jìn)到正常段切眼長度為225 m,每架支架寬度為1.5 m,共需安裝150架液壓支架。15205工作面邊角煤塊段分直切眼和斜切眼兩段,其中直切眼長度90 m,初次安裝ZZ6800/20.5/45型液壓支架61架;斜切眼長度316 m,預(yù)先在斜切眼內(nèi)漸增布置ZZ6800/20.5/45型液壓支架89架,支架擺放時前后重疊,接架間距約為3.2 m。工作面回采過程中,切眼長度自90 m逐步延長至225 m,平均每推進(jìn)3.2 m左右,就可以對接1架支架。為提高回采效率,采煤機(jī)每割16～17刀煤(約10 m左右),就同時增加一組支架和溜槽(3架支架及3截溜槽)。每次增加支架及溜槽需5～6個工人6 h左右操作完成(約一個班時間),共計需增加支架和溜槽30次,即消耗30個班,對接液壓支架89架和刮板輸送機(jī)中部槽89節(jié),工作面擺架方案如圖3所示。

圖3 工作面切眼擺架方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of supports installation in cutting holes

3.2 漸增架開采方案

3.2.1支架對接方案

1)當(dāng)工作面回采推進(jìn)至工作面支架與對接支架平行時,進(jìn)行支架的對接,平均每推進(jìn)3.2 m左右,就可以對接1部支架。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,采煤機(jī)每割16～17刀煤(約10 m左右),可增加一組(3個)支架。

2)液壓支架的對接通過相鄰支架的牽引完成,由臨時供液管路將等待對接的支架接通并降低至最小高度,隨后將臨時供液管路拆除。

3)將對接支架與機(jī)尾相鄰支架使用完好的40型鏈連接,40型鏈連接在兩個支架的頂鎬上,通過支架的自牽引帶動進(jìn)行對接。40型鏈先選用1.5 m長的規(guī)格,隨著對接距離的不斷縮近,逐步選用短規(guī)格的40型鏈,最終使對接支架緊貼原機(jī)尾架。

4)40型鏈與支架規(guī)定使用25T規(guī)格的U型環(huán)。

5)將需要對接的支架液壓管路連接好,操作液壓支架手把將其升起并接頂,使支架初撐力達(dá)到設(shè)計要求,保證其接頂效果良好,同時將護(hù)幫板伸出。

3.2.2刮板輸送機(jī)對接方案

1)根據(jù)斜切眼布置情況,每推進(jìn)3.2 m左右,可以對接一節(jié)中部槽。根據(jù)工作面實(shí)際割煤情況,割煤16～17刀左右,為避免端頭三角煤割不透,就要進(jìn)行工作面溜槽的對接,一次可以對接3節(jié)溜槽。

2)進(jìn)行刮板輸送機(jī)對接前,將采煤機(jī)停在機(jī)尾向上的位置,采煤機(jī)后滾筒位于需要對接溜槽的西側(cè)(即機(jī)頭側(cè))一架的位置。

3)進(jìn)行刮板輸送機(jī)對接前,將作業(yè)區(qū)域的煤壁進(jìn)行有效支護(hù),支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)。

4)使用液壓阻鏈裝置在刮板輸送機(jī)機(jī)頭處斷開上鏈,使用風(fēng)動緊鏈器斷開機(jī)尾大鏈,同時支架連接千斤頂,使支架與刮板輸送機(jī)分家。

5)采用2根單體液壓支柱配合使機(jī)尾段向下推移,柱腳支在支架底座槽口處,用木背板墊在柱腳前防滑,柱帽釘在運(yùn)輸機(jī)底座固定孔上,使機(jī)尾段向下挪移,增加中部槽的距離。接通注液槍,通過遠(yuǎn)程供液對單體支柱進(jìn)行供液。

6)用采煤機(jī)將需要對接的溜槽運(yùn)輸至刮板輸送機(jī)機(jī)尾。

7)通過5T吊鏈將對接的溜槽拉至需要對接的位置進(jìn)行對接,對接完成后,接鏈、緊鏈。

8)連接支架推移千斤頂。

9)上齊所有的銷軸、配件。

4 漸增架開采工藝優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

基于礦井邊角煤開采原則,采用漸增架工藝對工作面邊角煤進(jìn)行開采,具有如下技術(shù)優(yōu)勢。

1)工作面能形成完整通風(fēng)系統(tǒng),巷道通風(fēng)阻力小,不會像短壁連采一樣產(chǎn)生獨(dú)頭巷道,防止瓦斯超限事故的發(fā)生。

2)不增加開采成本,無需重新購置多余設(shè)備,全部利用礦井現(xiàn)有綜采設(shè)備,通過提前將液壓支架密集擺放于工作面斜切眼內(nèi),呈“漸增”狀態(tài),隨工作面推進(jìn)逐漸增加支架和溜槽,即可將工作面邊角煤采出。

3)工作面資源回收率高。短壁連采技術(shù)采一部分煤炭資源,還要留一部分支巷煤柱,而采用漸增架技術(shù),可將工作面全部邊角煤回收,資源回收率大大提高。

4)工作面回采效率高,工作面推進(jìn)速度快。增架和加溜槽對工作面正常回采速度影響很小,可使工作面高效快速推過邊角煤塊段。

5)將支架預(yù)先擺放于斜切眼內(nèi),支架升起可對巷道頂板起到一定的支護(hù)作用,相當(dāng)于在工作面前方提供超前支護(hù)。

6)工作面增加支架及溜槽工人操作簡單,勞動強(qiáng)度低,大大提高了生產(chǎn)效率。

7)本礦15#煤具有自燃傾向性,采用漸增架技術(shù)可安全快速推過工作面邊角煤塊段,在高效開采邊角煤的同時,可有效防止采空區(qū)遺煤自燃。

5 現(xiàn)場實(shí)施效果總結(jié)分析

15205工作面斜切眼漸增支架擺放如圖4所示。邊角煤塊段走向長約300 m左右,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐,采煤機(jī)每割16～17刀煤(約10 m左右),需同時增加3架液壓支架及3截溜槽,每次增加支架和溜槽需5～6個工人6 h左右操作完成(約一個班時間),共計需增加支架和溜槽30次,即消耗30個班。若增加支架及溜槽時間位于檢修班,則不耽誤工作面正常推進(jìn)生產(chǎn),大大提高了工作面回采推進(jìn)效率。

圖4 斜切眼內(nèi)漸增支架擺放圖Fig.4 Diagram of increasing supports installation in oblique cutting holes

5.1 工作面來壓及巷道圍巖變形實(shí)測分析

針對15205工作面K2石灰?guī)r堅硬頂板,采取了頂板初采爆破預(yù)裂措施,初次來壓步距14.5 m,邊角煤工作面長度隨采隨增長,不會導(dǎo)致頂板懸頂距離過長而發(fā)生大面積垮落,周期來壓步距10～12 m左右,頂板來壓現(xiàn)象不是很明顯。

15205回采工作面采用的ZZ6800/20.5/45型支撐掩護(hù)式液壓支架、ZZGD6800/20.5/45型過渡支架、ZZDT6800/20.5/45型端頭架等,在工作面回采推進(jìn)期間支架工作阻力均處于正常值范圍,支架無壓架、插底等事故出現(xiàn)。

斜切眼內(nèi)預(yù)先布置支架,支架升起對斜切眼內(nèi)頂板形成初撐,大大增強(qiáng)了直切眼與斜切眼貫通處端頭的頂板支護(hù)強(qiáng)度,僅需在回采幫布置一排單體液壓支柱即可有效控制端頭頂板,回采期間無漏頂、底臌、片幫等事故發(fā)生。

15205工作面兩條順槽均采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),邊角煤回收期間巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r位移量均在200 mm內(nèi),圍巖變形小,保障了工作面安全生產(chǎn)。

5.2 工作面瓦斯及煤層自燃情況分析

通過漸增架技術(shù)對工作面邊角煤進(jìn)行回采,工作面繼續(xù)使用原有U型通風(fēng)系統(tǒng),較短壁連采技術(shù)而言,不會有因盲巷產(chǎn)生而造成局部區(qū)域巷道內(nèi)瓦斯積聚。15205工作面邊角煤塊段回采過程中,回風(fēng)流中CH4濃度為0.06%～0.12%,工作面瓦斯含量均處于正常水平,通風(fēng)情況良好。裕興煤業(yè)15#煤有自然發(fā)火現(xiàn)象,最短自然發(fā)火期為94天,通過漸增架技術(shù)高效、快速回收工作面邊角煤,將邊角煤全部采出,不會將遺煤殘留在采空區(qū)內(nèi),同時將采空區(qū)及時封閉,最大程度的防止了采空區(qū)遺煤自燃,保證了礦井安全生產(chǎn)。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

15205工作面初采工作面長90 m,安裝支架61個,逐漸增加支架及溜槽89個,工作面采長增加到225 m,采用變采長逐漸增加支架的方法,可多回收邊角煤10.78 萬t,15#煤售價按562 元/t計,噸煤成本200 元/t,采出該部分邊角煤可增加經(jīng)濟(jì)收入3 902.36 萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié)論

1)漸增架開采礦井邊角煤技術(shù),即將液壓支架預(yù)先放置于工作面斜切眼內(nèi),隨工作面切眼長度的增加而逐漸增加支架和溜槽。該技術(shù)在不增加生產(chǎn)成本的同時,實(shí)現(xiàn)了礦井邊角煤的安全高效回收。

2)15205工作面邊角煤塊段在推進(jìn)過程中,共計增架及溜槽89個(30次),工作面由90 m增加至225 m,工作面增架效率高、回采速度快、礦壓強(qiáng)度較小、瓦斯含量正常,安全高效回收邊角煤10.78 萬t,增加經(jīng)濟(jì)收入3 902.36 萬元,技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3)漸增架安全高效回采礦井邊角煤技術(shù)的研究,為今后相似條件煤礦邊角煤工作面的安全高效生產(chǎn)提供了可靠的理論與技術(shù)支撐。無論是從安全建設(shè)還是從生產(chǎn)效率角度來看,漸增架回采礦井邊角煤技術(shù)都具有較大的理論意義、應(yīng)用前景和實(shí)際推廣價值。