口孜東煤礦大采高超長工作面開采關鍵技術研究

關玉祥,張文清

(1.淮南市安全生產宣傳教育中心,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學,安徽 淮南 232001)

隨著開采強度和開采年限的增加,國內煤礦開采深度超過千米的礦井數量不斷增加[1]。與淺部礦井相比,深部礦井特別是千米深井面臨著高地應力[2]、高地溫[3]以及由此帶來的遠比淺部更為強烈的動壓影響[4-5]等困難,有效解決這些困難是深部開采條件下煤礦高產高效的必備條件之一。

中煤新集口孜東礦屬于典型的千米深井,煤層埋藏深,且巷道圍巖大多數為泥巖、砂質泥巖等軟巖,井下巷道處于高地應力、高地溫環境,加上巨厚的表土層及薄基巖等諸多復雜地質因素的影響,巷道圍巖變形、破壞程度劇烈,由此帶來了頂板管理、礦壓治理、高溫環境治理等問題,進而導致一系列的生產和安全管理方面的難題[6]。針對這些問題,口孜東礦陸續開展了復雜條件下實現綜采工作面高產高效一系列關鍵技術的研究和實踐，這些技術和經驗對國內其他類似條件下的礦井開采具備相當的借鑒意義。

1 影響因素分析

口孜東礦由于深井礦山壓力大,傳統支護方式不能有效地控制其變形,巷道“前掘后修”“邊掘邊修”“多次返修”等問題十分突出,為維持正常的生產,礦上投入了大量的人力和物力進行巷道修護,深井支護、礦壓治理成為阻礙發展的關鍵問題。

1)兩巷支護是綜采工作面推進速度的最大影響因素。根據礦壓觀測資料,工作面采動影響區域超前工作面150 m左右,在超前工作面70 m左右時,幫部累計變形3.0～3.5 m,底臌6 m以上,其影響范圍和程度遠超淺部礦井,對工作面推進速度有決定性的影響。

2)工作面頂板管理也是綜采工作面推進速度的影響因素。深井高地應力疊加復合頂板的地質條件,如果再加上斷層、褶曲、迎采及重型支架、大采高、超長工作面等復雜的地質和工程條件,綜采工作面頂板就極易發生冒漏,對工作面推進速度影響很大。

3)綜采工作面的安裝和回撤工期對礦井接替、安全影響很大。大采高超長工作面綜采裝備體積大、重量大、數量多,而安裝、回撤通道及設備打運線路需要大高度大斷面,在深井高地應力條件下,必然導致巷道變形快,導致工作面安裝回撤進度慢,回撤時間長,防滅火難度大。

4)深井高地溫再加上綜采工作面大功率裝備運行產生的熱量對工作面環境溫度產生巨大影響,單純靠通風方式解決地溫問題十分困難。

5)高效安全的輔助運輸對綜采工作面快速回采不可或缺。在深井高地應力條件下,工作面兩巷表面位移及底臌量巨大,傳統的地軌運輸對底板要求較高,不適應深井條件下的兩巷運輸。

下面以121302孤島工作面開采為例,詳細說明千米深井復雜條件下綜采工作面高效開采關鍵技術的研究與實踐。

2 工作面概況

121302工作面為礦井投產以來開采的第9個綜采工作面,采用傾斜條帶布置,風巷沿傾向1 054 m,機巷沿傾向1 260 m,可采區域沿傾向972 m,切眼沿走向345 m;工作面埋深-769～954 m。工作面內13-1煤層平均厚度5.64 m，含一層夾矸,為炭質泥巖,煤層結構為0.70。

直接頂是由泥巖及煤線組成的復合頂板,平均厚度4.4 m,普氏系數3.0～3.9；老頂為細砂巖,平均厚度3.3 m,普氏系數6.8～7.5；直接底是由泥巖及煤線組成的復合底板,平均厚度5.5 m,普氏系數3.1～4.1；老底為砂質泥巖,平均厚度2.7 m,普氏系數4.3～5.2。

工作面絕對瓦斯涌出量為17.26 m3/min;煤塵具有爆炸性;煤層最短自燃發火期36 d;原巖溫度38～44℃;最大涌水量為41.3 m3/h。

工作面共安裝支架197臺,型號為ZZ13000/27/60D,支架中心距1.75 m,支撐高度2.725～6.000 m,工作阻力13 436 kN,安裝尺寸為2.7 m×8.2 m,質量為47.2 t;配套采煤機(Eickhoff SL500AC)、刮板運輸機(SZZ-1200/700/350)、運輸機(DSJ1400/200/3×450)、破碎機、轉載機及集中供液系統。工作面全部設備裝機功率8 740 kW。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置圖Fig.1 Layout of roadways in the working face

3 關鍵技術的研究與實踐

3.1 工作面兩巷支護技術

以前的工作面兩巷采用錨網索支護,難以有效控制巷道圍巖的變形破壞,對工作面回采進度影響巨大。故在121302工作面進行了高預應力錨桿支護-注漿改性-水力壓裂卸壓協同控制方法的研究和應用[7],取得了良好的效果。

3.1.1采用新型錨梁網索支護

采用MG700高強錨桿,間排距900 mm×900 mm,配合高強度托板和調心球墊。頂錨桿加W型鋼帶支護,幫錨桿加W型鋼護板。使用3 m×1 m鋼筋網片護頂,菱形網片護幫;并配合異型錨索拱形托板及寬鋼筋梯梁使用。

3.1.2巷道掘進過程中超前注新型材料

使用新型材料對圍巖注漿改性,提高圍巖自承載能力,減少巷道在高動壓影響下的變形[8]。掘進過程中超前注新型材料可實現注漿漏漿自封閉性能:

1)錨桿、錨索孔漏漿可以在30～120 s內自行封閉,可用于不噴漿巷道煤巖體快速注漿加固;

2)2 h強度可達10 MPa;

3)配備高速攪拌制漿設備,氣動注漿泵壓力可達20～30 MPa。

3.1.3水力壓裂切頂卸壓

根據121302工作面機巷頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現特點與范圍,在兩巷靠近工作面一側布置水力壓裂鉆孔,間距10 m,孔徑75 mm,孔深67 m,鉆孔與順槽軸向方向夾角30°,傾角45°,并注高壓水對頂板進行壓裂[9]。

3.1.4實施效果

錨桿錨索承載力顯著增大,錨桿最大承載160 kN，頂板錨索承載355 kN,幫部錨索最大承載335 kN。巷道變形量顯著減少,根據礦壓觀測資料,采用新型支護后,巷道圍巖變形明顯減小,兩幫移近430 mm,頂底板移近量560 mm,底臌量為461 mm。

3.2 工作面回采頂板管理技術

3.2.1采取的技術措施

1)礦井在以前的綜采工作面回采過程中,由于工作面頂板破碎片漏導致回采進度較慢,嚴重影響了工作面單產。分析回采工作面頂板控制困難的原因主要有:工作面頂板是以強度較低的泥巖組成的復合頂板、深井高地應力及超常采動影響、斷層、大采高、迎采。

2)分析工作面煤層及頂板結構發現,煤層夾矸較軟及復合頂板較易片漏,但煤層夾矸以上0.7 m左右煤分層硬度較大,并且十分穩定,在工作面局部破夾矸托該頂煤的地段,頂板很少片漏。因此在整個工作面均實行了破夾矸托0.7 m煤分層頂煤回采,工作面片漏大幅減少。并且,該頂煤在推移支架過程中基本全部冒落,并不降低工作面的回采率，也未增加防滅火困難。

3)分析礦井以前回采的工作面冒頂情況,發現工作面迎采對頂板片冒十分敏感,迎采工作面頂板片冒遠多于俯采工作面。該工作面沿傾向起伏較大,局部地段煤層反傾、遇斷層等原因導致部分地段工作面迎采，加大了工作面頂板片漏的機率。針對這種情況，可采取小步距割煤,但支架前探梁需超前伸出到位，使上部煤幫落煤,或者只割上部煤壁形成每個循環的微俯采環境而抑制頂板冒落,對治理工作面片漏十分有效。

4)工作面采高對頂板管理影響十分巨大,在頂板因周期來壓、遇斷層、迎采等因素影響下，片漏的地段及時降低采高。

3.2.2實施效果

121302工作面采取以上一系列措施后,頂板片漏的范圍和時間大幅減少,與以前相比，至少減少90%以上,工作面實現安全高效開采,月平均產量39.3萬t,最高月產45.6萬t。

3.3 工作面快速回撤技術

傳統撤除工藝投入人員多、支架打運中間環節多,運輸效率低，而且人工改造運輸轉換平臺易造成巷道超高、安全管理難度大、回風通道維護困難、人員進入回采區及回撤通道內施工點柱或木垛存在施工風險等問題。

3.3.1新回撤工藝

121302工作面支架拆除采用“柔性網+采煤機刷擴+單軌吊+機械手+柔性掩護式預留回風通道”的新回撤工藝。

1)收作鋪網采用鋼絲繩配合高強聚酯纖維柔性網。2020年,工作面長時間停產之后收作,在疊加工作面周期來壓影響,頂板大面積破碎漏冒,柔性網無法生根。使用4.5 m長鋼管將網固定在支架前梁,每3臺支架1組,交替前移支架完成1組支架1個步距的鋪網工作,在工作面片漏嚴重的條件下順利完成鋪網工作。

2)針對頂板破碎大面積片漏的情況,撤除通道支護采用密集“一梁四索”錨索吊梁加強支護,通道上部刷擴前注漿加固,短掘短支,下部采用采煤機掃底,快速完成通道刷擴。

3)利用工作面原有綜采液壓支架支撐頂板(掩護相鄰支架回撤),再使用機械手牽引出架,最后使用單軌吊運輸整體支架至吊裝間解體,工作面快速回撤技術示意圖如圖2所示。

圖2 工作面快速回撤技術示意圖Fig.2 Rapid withdrawal technology in the working face

4)借鑒急傾斜煤層柔性掩護式支護原理,取消維護撤除回風通道的木垛,使用廢舊工字鋼、鋼絲繩、鋼筋網等材料在回撤通道煤壁側搭設三角形高強度“柔性掩護式預留回風通道”,大幅減少坑木使用量,急傾斜煤層柔性掩護式支護示意圖如圖3所示。

圖3 急傾斜煤層柔性掩護式支護示意圖Fig.3 Flexible shield support for steeply inclined coal seams

3.3.2實施效果

通過采取新回撤工藝創造了礦井投產以來最快的回撤記錄,345 m長重型支架工作面回撤的時間只有38 d,較以前工作面回撤效率提高25%以上。

3.4 工作面高溫治理技術

根據礦井以前綜采工作面實際開采經驗,深井原巖溫度較高,再加上單個綜采工作面裝機功率幾乎達到礦井總裝機功率的四分之一,設備運行時產生的熱量大,單靠增加風量無法解決工作面回風順槽高溫。生產班回風順槽溫度可達34℃,機尾溫度甚至能達到36℃,嚴重影響了安全生產。

3.4.1采取的措施

1)工作面全負壓通風配風量達到2 480 m3/min時能完全滿足稀釋瓦斯需要,但無法滿足工作面降溫需要。在不違反煤礦安全規程的前提下,利用礦井永久制冷系統通過局扇向工作面注入冷風,可以起到增加膠帶順槽進風量,降低進風溫度和濕度,效果十分明顯。

2)考慮到工作面機電設備運行產生的熱量占工作面熱源較大比例的實際情況,在分析礦井永久制冷設備供冷能力和系統供水能力的基礎上,工作面工業用水全部采用永久制冷設備產生的冷水,一方面利用水熱容量大的特點將設備運行的熱量帶走,另一方面也降低了設備運行溫度,降低設備故障率。

3)對于工作面機尾局部地點溫度超高情況,在機尾安裝自制簡易的制冷裝置(用直徑250 mm鋼管內纏繞散熱銅管)產生經制冷工業用水冷卻的壓風,為機尾工作人員制造局部低溫環境。

3.4.2實施效果

通過采取一系列措施,121302工作面夏季回風順槽連續二個生產班溫度降到了30 ℃。

3.5 工作面輔助運輸技術

工作面兩巷經過支護技術改革后,巷道底板變形仍然較為嚴重,如果采用傳統的地軌(絞車或無級繩)運輸需要經常臥底,安全保障難度大,經過認真細致地分析之后,決定在工作面兩巷采用單軌吊運輸系統進行輔助運輸。

打運方案:解體支架由8驅單軌吊回風順槽打運至組裝間,整體支架由10驅單軌吊打運至切眼,考慮順槽需持續臥底,兩巷均一直保留膠帶運輸機。工作面輔助運輸順槽布置如圖4所示。

圖4 工作面輔助運輸順槽布置Fig.4 Layout of auxiliary transportation gateway in the working face

4 結論

1)工作面兩巷采用高預應力錨桿支護-注漿改性-水力壓裂卸壓協同控制技術可以大幅降低巷道表面位移及底臌量,為工作面上下出口管理創造良好條件,該技術應用前景十分廣泛。

2)針對導致頂板片漏敏感的影響因素,采取破夾矸托頂煤回采、及時適當降低采高、迎采下小步距或割上部煤等創造局部微循環俯采條件等技術措施,大幅降低了工作面頂板片漏,對相似條件下工作面頂板控制有借鑒意義,對條件相差較大的工作面也有啟發意義。

3)深井條件下重型裝備安裝回撤新工藝主要包括大斷面撤除通道頂板控制技術、采煤機刷擴技術、拆除時采用支架頂板控制技術及回風通道新支護技術,適用性強,具有很大的推廣價值。

4)工作面在全負壓通風的基礎上,通過機械增加冷風供給,工業用水全部使用制冷系統產生的冷水,為機尾制造局部低溫環境,使工作面溫度保持在規程規定的范圍內,較好地解決了深井高地溫條件下綜采工作面熱害治理難題。

5)工作面順槽采用單軌吊運輸,徹底解決了深井高地應力巷道底臌量大對地軌運輸的影響。單軌吊運輸相對于傳統地軌運輸,具有機械化程度高、對復雜運輸路線適應性強、運輸效率高、占用人員少及安全性高的優勢。