堅硬覆巖大傾角綜采工作面安全開采保障技術(shù)研究

呂兆海，苑振山，王占亭，劉 濤，岳曉軍，岳學(xué)偉，張戈軍

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏自治區(qū)銀川市，750004)

堅硬基本頂大傾角復(fù)雜難采煤層開采過程中，刮板輸送機“上竄下滑”、煤壁片幫、擠架、飛矸等問題頻發(fā)，嚴重制約安全高效開采。國內(nèi)外諸多學(xué)者針對此類問題，開展了較為全面的研究。焦振華等[1]針對堅硬頂板強度高、厚度大、節(jié)理裂隙不發(fā)育等，造成工作面初采期間頂板不易垮落，大面積懸頂導(dǎo)致應(yīng)力和能量積聚，提出采用頂板注水、定向水力壓裂、深孔預(yù)裂爆破等技術(shù)，弱化頂板力學(xué)性質(zhì)、破壞頂板整體性，縮短初次來壓步距；伍永平等[2-3]根據(jù)工作面飛矸具有動態(tài)運移特征，提出了飛矸沖擊危害控制方法；李東印等[4]研究了大傾角工作面設(shè)備的整體穩(wěn)定與合理的安全防護措施，提出采用“防滾矸彈板+擋矸鏈+擋矸板”的措施，解決了大塊煤矸沿刮板輸送機滾落的問題；李冬等[5]針對大傾角堅硬頂板垮落時巖塊撞擊摩擦產(chǎn)生火花點燃采空區(qū)遺煤等問題，提出了深孔預(yù)裂爆破、頂板走向鉆孔及上隅角埋管的綜合抽采預(yù)防措施。國內(nèi)外學(xué)者針對大傾角煤層開采過程中存在的問題進行了大量研究，并取得了一定的成效。

基于寧東金家渠煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜、基巖含水性強、工作面基本頂堅硬不易垮落的特點，筆者在借鑒國內(nèi)外學(xué)者理論及其管控措施基礎(chǔ)上，提出堅硬覆巖大傾角工作面安全開采的保障體系[6-8]。

1 概況

金家渠煤礦首采工作面開采3號煤層，煤層平均厚度3.68 m，工作面傾角22°～35°，開采高度3.6 m，走向長度1 960 m，傾斜長度266 m。工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，正常涌水量315 m3/h，最大涌水量569 m3/h。工作面直接頂厚度2 m，屬不穩(wěn)定頂板，呈塊狀，局部有滑面，完整性差；基本頂平均厚度30 m，為堅硬粉砂巖，強度較高；底板堅硬，局部夾煤屑及植物化石。工作面內(nèi)探明存在斷層6條，落差均在0.5～2.0 m。110301綜采工作面裝備配置見表1。

表1 110301工作面裝備配置及技術(shù)參數(shù)

2 工作面開采期間問題診斷

(1)開采煤層受頂板含水層影響，其上覆直羅組粗粒砂巖含水層厚度40.75～175.91 m，平均厚度在95.30 m，回采階段易發(fā)生突水事故。

(2)煤層傾角22°～35°，刮板輸送機受自重沿傾斜方向產(chǎn)生下滑力以及承受支架推移、采煤機上行過程中反作用力耦合作用，刮板輸送機下滑牽動支架甩頭，損壞支架推移裝置，造成輸送機機頭和轉(zhuǎn)載機搭接點錯位；采煤機受自重分力影響，制動力矩過大，導(dǎo)致滑靴、行走輪、扭矩軸等設(shè)備故障。

(3)支架受法線方向的壓力減小，沿切線方向的壓力增大，支架穩(wěn)定性降低，沿工作面傾斜方向易發(fā)生傾倒、擠架等。

(4)大傾角工作面由于安全防護設(shè)施不到位，易發(fā)生大塊煤矸滾落，導(dǎo)致人員傷害和設(shè)備損壞。

(5)開采煤層為Ⅰ類易自燃煤層，最短自然發(fā)火期30 d。工作面堅硬基本頂不易垮落，造成大面積懸頂，工作面推進遲緩，存在自然發(fā)火傾向。

(6)大尺度懸空基本頂貯存大量的彈性能，一旦基本頂突然垮落，集聚的彈性能將快速釋放，造成設(shè)備損壞和人員傷害。工作面開采期間針對診斷出的問題采取的措施如圖1所示。

圖1 工作面采場狀況

3 保障體系構(gòu)建

3.1 頂板管控體系

3.1.1巷道穩(wěn)定性管控措施

工作面巷道出口暢通是確保安全開采的前提，為確保巷道頂板完整性，回風巷及運輸巷超前液壓單體支護范圍從20 m加固到30 m，單體支柱初撐力達到5 MPa，每班檢查并補液；對巷道超高部位，提前施工板梁進行維護頂板；為保障輔巷排水系統(tǒng)安全可靠，在開采前期對輔巷頂板施工錨索梁做二次補強支護。

3.1.2工作面頂板管控措施

110301工作面于2019年4月22日試生產(chǎn)，初采期間直接頂隨采隨落，但由于基本頂堅硬、厚度達30 m、節(jié)理裂隙不發(fā)育等，工作面基本頂懸空范圍上部達到26 m、下部達到50 m，采取松動爆破方案進行強制放頂，破壞基本頂完整性、縮短初次來壓步距。

(1)工作面頂板載荷及垮落步距推導(dǎo)。基本頂堅硬且厚度較大形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不隨直接頂?shù)目迓涠迓洌豢紤]自身的載荷作用。

q=γh

(1)

式中：q——基本頂巖層自身載荷，kN/m2；

γ——基本頂巖層容重，取24 kN/m3；

h——基本頂巖層厚度，取30 m。

將相關(guān)數(shù)值代入式(1)計算得出，基本頂巖層自身的載荷為720 kN/m2。

工作面初次來壓步距按照兩端固定簡支梁受均布載荷斷裂長度考慮[9-10]，載荷為q，則頂板初次來壓步距為：

(2)

式中：σ1——基本頂巖層抗拉強度，取1.44 MPa。

將相關(guān)數(shù)值代入式(2)計算得到工作面初次來壓步距為60 m。

(2)預(yù)裂爆破尺度計算。對工作面采空區(qū)上覆堅硬基本頂進行預(yù)裂爆破，冒落后的巖石充填采空區(qū)空間，爆破有效放頂深度H：

(3)

式中：M——采高，取3.8 m；

Kp——頂板石碎脹系數(shù)，結(jié)合工作面巖性取1.35。

按照設(shè)計的炮眼仰角度為45°、60°計算，則炮眼長度L：

(4)

預(yù)裂爆破就是采取爆破作業(yè)對堅硬頂板結(jié)構(gòu)形成貫通裂隙，預(yù)裂爆破鉆孔間距取決于爆破裂隙區(qū)域直徑大小，通過現(xiàn)場試驗，確定預(yù)裂爆破鉆孔間距為6 m，預(yù)裂爆破炸藥為2號煤礦許用乳化炸藥，炮眼具體施工參數(shù)見表2。

圖2 炮眼布置示意圖

針對110301工作面上覆堅硬基本頂進行爆破預(yù)裂作業(yè)，見表2。

表2 炮眼施工參數(shù)

(1)在153號支架切頂線處向采空區(qū)方向施工炮孔，眼深10 m，炮眼與回風巷巷道頂板夾角為60°，眼間距為1 000 mm，每眼裝藥量9 kg，爆破后爆破點成漏斗狀，頂板垮落高度為6 m。

(2)在73與74號支架間、62與63號支架間、45與46號支架間分別施工炮孔，炮眼開口在架前500 mm位置，炮眼深度為15 m，炮眼與工作面頂板夾角為45°，裝藥量分別為12、16、20 kg，其中在73與74號支架間、62與63號支架間施工的炮眼爆破后，頂板垮落高度達到6 m；45與46號支架間施工的炮眼爆破后，頂板未有垮落現(xiàn)象，但爆破后殘余炮孔有流水現(xiàn)象。

(3)風巷超前位置向采空區(qū)方向施工炮孔，1號炮孔深26 m、直徑113 mm、角度30°；2號炮孔深30 m、直徑113 mm、角度27°；3號炮孔深29 m、直徑113 mm、角度30°，進行風巷基本頂區(qū)域強制放頂。

經(jīng)過多次爆破作業(yè)，2019年7月3日19∶40出現(xiàn)50號支架采空區(qū)側(cè)基本頂垮落，19∶50出現(xiàn)20～40號支架采空區(qū)側(cè)基本頂垮落，二次基本頂垮落均出現(xiàn)轟隆聲，持續(xù)5～6 s；7月4日05∶20，15～30號支架采空區(qū)側(cè)基本頂垮落，出現(xiàn)轟隆聲，持續(xù)5～6 s。當工作面上部推進26 m、下部推進50 m，工作面中下部區(qū)域堅硬基本頂初次垮落，工作面支架工作阻力由25 MPa上升到38 MPa；7月11日，工作面上部推進35.2 m，下部推進60.4 m，工作面支架阻力大面積超限(≥40 MPa)，泄壓閥頻繁動作，這說明工作面基本頂已大范圍的破斷垮落，可以判斷初次來壓過程基本結(jié)束。

3.2 排水體系構(gòu)建

3.2.1導(dǎo)水裂縫帶計算

工作面開采后造成上覆巖體結(jié)構(gòu)破壞，從而誘發(fā)冒落帶和裂縫帶范圍內(nèi)巖層裂隙發(fā)育形成導(dǎo)水通道[11-12]，延安組2～6號煤層間含水層和直羅組下段含水層為主要充水水源。3號煤層頂?shù)装蹇箟簭姸取?0 MPa，巖性以粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖為主，冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式為：

(5)

式中：Hc——冒落帶最大高度，m；

Hf——導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；

Hfj——導(dǎo)水裂縫帶最大高度經(jīng)驗值，m；

M——累計采厚，m；

n——煤層開采層數(shù)。

煤層開采后導(dǎo)致頂板巖層垮落形成冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶，由式(5)可得，3號煤層冒落帶最大高度為15.20 m，小于與上覆2號煤層的煤層間距；導(dǎo)水裂縫帶最大高度為58.60 m，經(jīng)驗值為79.80 m，3號煤層與2號煤層間距為20.18～40.82 m，平均間距為28.47 m。其導(dǎo)水裂縫帶高度要大于其與2號煤層的煤層間距，裂隙延展貫通至上覆含水層。

3.2.2工作面疏放水工程

頂板直羅組砂巖含水層作為工作面主要充水水源，該含水層與3號煤層間距51.87 m，小于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度58.60 m；且該含水層下方巖層為厚度9.14～23.80 m的泥巖、粉砂巖隔水層，該段泥巖為弱膠結(jié)巖層。工作面開采前進行了1年的集中疏放水工程，單孔最大涌水量≥50 m3/h的疏放孔有21個，最大單孔涌水量高達170 m3/h。工作面機巷鋪設(shè)2趟Φ159 mm排水管路，安裝2臺75 kW潛水泵，排水能力200 m3/h；輔助巷鋪設(shè)2趟Φ219 mm鋼制、1趟Φ273 mm鋼制、1趟Φ250 mm塑鋼材料的排水管路；甲水倉安裝3臺280 kW水泵離心泵，乙水倉安裝3臺280 kW離心泵和2臺75 kW潛水泵，丙水倉安裝2臺240 kW潛水泵，確保工作面輔巷排水能力達到620～1 100 m3/h。

3.3 采場管控體系

3.3.1支架穩(wěn)定性控制

工作面直接頂隨采隨落、堅硬基本頂一直懸空未垮落，造成支架接頂不實、支架工作阻力下降導(dǎo)致支架推進困難并出現(xiàn)傾斜倒架現(xiàn)象。采取頂板“掛鋼絲繩+經(jīng)緯網(wǎng)+3 m工字鋼”和煤幫注射化學(xué)漿液固化煤壁的措施，控制住了采場環(huán)境惡化的趨勢，并經(jīng)過2個多月的采場維護和扶架措施，工作面開采條件逐步好轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 工作面頂板+煤壁管控

工作面采場環(huán)境災(zāi)變是一個動態(tài)演化過程，支架傾倒失穩(wěn)首先出現(xiàn)在78～105號支架段，隨后出現(xiàn)在7～20號支架段及50～75號支架段，工作面經(jīng)歷了3個區(qū)域的維護和扶架過程。以78～105號支架段扶架為例，工作面開采至2019年5月7日時，上部僅推進12.2 m，下部僅推進25.0 m，工作面78～105號支架段偽頂、直接頂破碎，支架頂梁上方出現(xiàn)空頂，支架工作阻力接近0 MPa，為防止倒架采取以下措施。

(1)78～105號支架段頂梁前方施工4.3 m錨索，加固頂板。

(2)78～105號支架煤壁側(cè)破碎區(qū)域施工3 m長注漿孔，注漿固化煤壁。

(3)分別在113、112、111、110、109、108號支架立柱上安裝拉架液壓千斤+22 t蝴蝶結(jié)+Φ100 mm鏈環(huán)，鏈環(huán)另一側(cè)捆綁在被扶傾斜支架(101、97、96、95、93、89號支架)尾梁側(cè)護位置，鏈長分別為22、26、26、26、28、33 m。拉移支架時，配合側(cè)調(diào)液壓千斤將支架底座向上頂，用本架側(cè)護+單體支柱將支架頂梁向上靠，移到位后立即將支架升緊。對傾倒嚴重的支架，用2個和或多個防倒液壓千斤扶架，在支架上方用液壓千斤拉頂梁，在支架下方用液壓千斤拉底座，降架后緩慢給液壓千斤送壓。SAC電液控制系統(tǒng)反饋支架壓力狀態(tài)如圖4所示，支架頂板破碎，失穩(wěn)區(qū)域的工作阻力≤20 MPa，這是支架接頂不實的反饋；紅色為工作阻力超限支架，結(jié)合SAC電液控制系統(tǒng)，可以判斷支架受力狀態(tài)劣化的區(qū)域，進而采取有效措施，防止支架倒架[13]。

圖4 SAC電液控制系統(tǒng)

3.3.2刮板輸送機穩(wěn)定性控制

刮板輸送機在自身重力、底板間摩擦力及支架推移過程中的推力協(xié)同作用下運動，刮板輸送機出現(xiàn)下滑，采取在刮板輸送機機尾段打戧柱固定，在刮板輸送機機頭前方煤幫側(cè)打設(shè)戧柱時配合倒鏈進行控制，另外支架在推移過程中盡量弱化出現(xiàn)推移力向下的分力。

3.3.3飛煤飛矸控制

大傾角工作面大塊煤矸受重力因素影響，極易沿工作面傾斜方向發(fā)生滾落形成“飛矸”，對設(shè)備及人員造成傷害。針對飛矸形成位置、運動軌跡特點，確定防治措施。

(1)工作面全斷面掛網(wǎng)作業(yè)，轉(zhuǎn)載機機尾卸煤點加裝20 mm厚防護鋼板，防護板下端焊接到轉(zhuǎn)載機下側(cè)，防護板上端使用馬蹄環(huán)吊掛到端頭支架頂梁上。153號支架靠巷道側(cè)吊掛20 mm厚防護鋼板，防止拉架時破碎頂板矸石下落。工作面8號支架以下及刮板輸送機機頭正對卸煤點防護板處吊掛雙層鋼絲繩護網(wǎng)。8～153號架沿傾向在支架外側(cè)頂梁下掛設(shè)擋矸網(wǎng)，工作面11、30、50、70、90、110、130號支架內(nèi)行人通道各掛設(shè)1片擋矸卷簾防護網(wǎng)，防止煤壁片幫或移架時頂板漏矸產(chǎn)生飛塊傷人，形成工作面下部“全封閉”防護系統(tǒng)，減弱飛矸的撞擊力。

(2)加強工作面采場管理，確保支架護幫板支撐有效，防止煤壁片幫過程中形成大塊飛矸。

(3)在初采期間進行調(diào)斜，支架反復(fù)支撐頂板，造成機尾附近頂板較為破碎，采用長短刀交叉割煤，減少支架對頂板的擾動次數(shù)。

(4)機巷超前回風巷30～40 m偽斜開采，減小工作面傾角。

3.4 防滅火控制體系

建立注液氮+灌漿防控和束管監(jiān)測為主的綜合防滅火體系，如圖5所示。

圖5 束管監(jiān)測布置

首先核定風量、合理配風，在工作面上下隅角設(shè)置風障，減少采空區(qū)漏風；其次在工作面、上隅角、回風流、采空區(qū)設(shè)置束管采樣點，對3號煤層自然發(fā)火指標性氣體進行監(jiān)測預(yù)報；最后定期開展采空區(qū)注氮和灌漿工作。

3.4.1注液氮防滅火工藝

注液氮防滅火系統(tǒng)包括1套液氮存貯及氣化裝置，工藝流程圖如6(a)所示。配置4臺TK-101A-D型150 m3低溫低壓真空儲罐，2臺P-101A/B液氮增壓裝置，2臺E-101A/B液氮氣化裝置，2臺H-101A/B電加熱輔熱裝置，1臺TK-102穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置，2臺E-102A/B儲罐增壓裝置，1臺E-103對空防散加熱裝置。通過加熱裝置將液氮加熱氣化形成壓力為1.00 MPa的氮氣，送入工作面氮氣管道系統(tǒng)。流程如下：低溫低壓真空液氮儲罐出液管口連接液氮增壓裝置，提高液氮的輸送壓力至1.50 MPa；液氮流經(jīng)液氮氣化裝置，通過空氣對流進行熱交換將-196 ℃液氮加熱氣化(當環(huán)境溫度≤-10 ℃時，通過電加熱輔熱裝置氣化)，通過管路輸送至穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置，整個過程為自動聯(lián)鎖運行。穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置氮氣入口壓力為1.20～1.50 MPa，出口為1.00±0.01 MPa，入口裝有自力式調(diào)節(jié)閥，把入口氮氣壓力穩(wěn)壓在1.00 MPa流入到臥式氮氣緩沖儲罐中，經(jīng)計量送入井下氮氣總管道。

3.4.2灌漿防滅火工藝

安裝1套MDZ-60地面固定式灌漿注膠防滅火裝備，工藝流程如圖6(b)所示。首先打開供水閥門，開啟清水泵，按照配比好的注漿流量和濃度，給制漿機供水；使用裝載機把黃土加入定量送料機料箱內(nèi)，通過帶式輸送機轉(zhuǎn)運至制漿機；制漿機把水與黃土混合、攪拌成均勻漿液，通過出漿管流入緩漿池，由渣漿泵加壓送至井下工作面。

圖6 注液氮及黃泥灌漿工藝

3.5 智能監(jiān)測監(jiān)控體系

大傾角綜采工作面控制系統(tǒng)以千兆光纖環(huán)網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳送支撐，通過采用LM-SAC1.0(支架電液控系統(tǒng))、LASC高精度的三維慣導(dǎo)定位系統(tǒng)、SAV視頻監(jiān)測系統(tǒng)等裝備，實現(xiàn)采煤機記憶割煤、支架自動跟機移架、直線度檢測與矯直管理，以及膠帶、泵站、采煤機和刮板輸送機、破碎機和轉(zhuǎn)載機“三機”的聯(lián)動及遠程集控、故障自動診斷、動態(tài)運行參數(shù)自動協(xié)調(diào)、修復(fù)，實現(xiàn)設(shè)備分機自動控制及設(shè)備集成控制。工作面安裝13組云臺攝像儀，具有180°內(nèi)擺動廣角，可在地面調(diào)度指揮中心遠程監(jiān)控采煤機、刮板輸送機、液壓支架的實時運行狀態(tài)。工作面“三機”成套控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，可在監(jiān)控中心實施監(jiān)測“三機”的運行參數(shù)。自動化開采條件下，每班生產(chǎn)能力將達到8刀、月生產(chǎn)能力20萬t。同時，工作面支架工由8人手動作業(yè)變?yōu)?人巡檢干預(yù)操作，工作面人工工效由原來的每工90 t提升至目前的120 t，生產(chǎn)效率提高30%以上，工人勞動強度降低25%以上。

4 保障體系構(gòu)建后的思考

(1)110301工作面自2019年4月22日中班試生產(chǎn)，由于30 m厚的中粒砂巖基本頂極為堅硬，隨著工作面推進，采空區(qū)基本頂始終處于大面積懸頂狀態(tài)；開切眼采用錨索梁支護，增加了基本頂?shù)某休d強度；加之工作面上覆炭質(zhì)泥巖偽頂、粉砂巖直接頂較為破碎，致使支架接頂不實發(fā)生傾倒；截至2019年7月5日，工作面仍在采取掛“經(jīng)緯網(wǎng)+鋼絲繩+ π型鋼梁”維護頂板和注化學(xué)漿液固化煤壁的措施，給工作面的初采初放工作造成不利影響。

(2)通過構(gòu)建大傾角工作面安全開采保障體系，有效地解決了水文地質(zhì)復(fù)雜條件下開采過程中遇到的難題，消除了水害威脅，有效控制了采場圍巖環(huán)境，降低了片幫、冒頂?shù)陌l(fā)生頻率，有效預(yù)防了大塊煤矸傷人，提高了工作面開采的安全系數(shù)。

(3)超前預(yù)裂堅硬頂板巖層。后序工作面初采期間，針對堅硬基本頂采取超前水力壓裂、爆破致裂等措施，促使堅硬頂板在采動效應(yīng)下及時垮落。積極引進水力壓裂技術(shù)，在工作面采煤設(shè)備安裝之前，對后側(cè)頂板實施水力壓裂，將堅硬巖層通過壓裂形成新生裂隙，降低巖層強度，破壞其完整性和穩(wěn)定性；待工作面回采后分層逐步垮落，充填采空區(qū)，對上覆巖層形成有效支撐，避免初采期間形成大面積懸頂。

(4)超前疏放富含水層。工作面初采期間未出現(xiàn)大面積突水潰水災(zāi)害，這得益于超前構(gòu)建疏放水保障體系，在后續(xù)工作面開采前，要提前施工泄水巷對工作面覆含水層水體進行大規(guī)模疏放。工作面開采后要對離層水形成條件進行分析，形成具備離層水體條件的工作面，要及時開展離層水疏放工程。

(5)隨著工作面開采，大坡度工作面電氣設(shè)備列車每隔300 m就要進行一次移設(shè)，在拉移過程中，存在設(shè)備掉道傾倒、斷繩跑車等安全風險，積極研究推廣遠距離供液技術(shù)，采用1 000 kW以上超大流量泵站的智能供液/配液系統(tǒng)及大于2 000 m以上的進回液管路系統(tǒng)，解決復(fù)雜巷道環(huán)境下拉移設(shè)備列車的安全風險。