自開通道停采回撤技術在三軟煤層工作面的應用研究

羅新旗

(內蒙古同煤鄂爾多斯礦業投資有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000)

色連煤礦井田面積35.74 km2,共有可采煤層9層,主采煤層5層,屬侏羅紀煤層,以不黏煤為主,長焰煤次之。礦井核準生產能力500萬t/a,服務年限55.2 a。開拓方式為斜井、立井混合開拓,采用中央并列式通風系統,機械抽出式通風方法。礦井瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井,煤層自燃傾向性屬I級容易自燃煤層,水文地質條件為中等。

礦井目前主采2-2上煤層,所采工作面煤層普氏系數為3～4,屬于軟煤層。頂底板巖性均為砂質泥巖或泥巖類軟弱巖層,抗壓強度為20 MPa,普氏系數一般為2～3,抗壓強度很低,平均在30 MPa以下,抗剪與抗拉強度則更低,砂質泥巖類吸水狀態抗壓強度明顯降低,飽和吸水狀態抗壓強度為0 MPa,多數巖石遇水軟化后變形,甚至崩解破壞,屬于典型的三軟煤層。因此探索安全高效快速的工作面停采回撤技術,對礦井具有重要的現實意義[1]。

1 綜采工作面預掘單通道停采回撤技術分析

經過到周邊礦井(淄礦集團雙欣煤礦、蒙泰集團范家村煤礦、伊泰塔拉壕煤礦及淮南礦業泊江海煤礦等)進行調研,并結合礦井特殊的軟巖地質條件發現,在回采2-2上8100、8101、8102、8103等工作面時,采用的是預掘單通道停采回撤技術(如圖1所示)。該技術是在綜采工作面停采線處提前掘進一條垂直于上下兩巷道的回撤通道,在停采前將垛架平行于工作面方向穩設其中,形成大采高綜采工作面機電裝備單通道回撤系統[2]，如圖2所示。

圖1 預掘單通道停采技術方案示意圖

圖2 預掘單通道液壓支架回撤示意圖

該技術在礦井經過多年實踐,存在以下7個方面的問題:

1)巷道工程量大,斷面大(5.4 m×3.8 m)，需新掘一條回撤通道,并且回撤通道頂、幫支護強度要求較高,工程費用大;停采時需提前穩設垛架于回撤通道中,支架租賃費用較高。

2)工作面末采與預掘的回撤通道貫通時易和周期來壓疊加,礦壓控制缺乏有效手段。

3)末采時工作面與回撤通道貫通質量掌控難度大,容易形成“臺階”,造成工作面回撤困難,資源回收率降低,管理不善易造成采空區自燃或著火。

4)回撤周期長,平均在28 d左右,回撤過程中工序復雜,信號傳輸存在障礙,安全性低。

上述問題由于技術本身的原因無法克服,故本文探索綜采工作面自開通道停采回撤技術。

2 綜采工作面自開通道停采回撤關鍵技術

2-2上8111工作面傾向長227.5 m,走向1 550 m,煤層厚度2.6 m,傾角0°～3°;工作面采用大采高一次采全高綜采技術,支架型號ZY12000/16/32D,走向長壁采煤法,使用雙滾筒采煤機割煤,沿底板后退式回采,循環進尺0.8 m,用自然垮落法管理采空區頂板。在回采范圍內沒有較大的地質構造,對回采影響較小。本次探索采用自開通道的方式進行工作面的停采回撤。

2.1 合理選擇停采線位置

停采線位置影響因素根據現場煤層賦存情況,需考慮2111巷以下3點:

1)2111巷1 585 m處為回風繞道口,必須至少留設30 m安全距離。

2)2111巷1 530～1 570 m范圍為高頂區,巷道最高可達5 m,此段必須避開。

3)2111巷1 520～1 620 m為俯采段,為控制采空區涌水對回撤底板的影響，必須在仰采段自開回撤通道。

因此停采線位置應布置于地質條件穩定地段,同時盡可能多地提高回采量。

綜合考慮以上因素,確定1 520 m處為8111工作面停采位置,1 520.0～1 523.2 m范圍為回撤通道位置。根據8111綜采工作面地質狀況及礦壓監測數據分析,工作面周期壓力步距10～12 m,為減小采動壓力,在距停采線5～6 m處采取停采等壓措施控制來壓位置,確保掛網及自開回撤通道階段頂板壓力緩和顯現。

2.2 停采關鍵工藝

2.2.1末采掛網

網片選用礦用高強度聚酯纖維增強柔性塑料網237 m×12.5 m,規格為700 kN×900 kN與400 kN×450 kN混編。其中強度700 kN×900 kN的塑料網長度10.5 m,強度400 kN×450 kN的塑料網長度2 m,選Φ18.5 mm鋼絲繩,鋼絲繩間距為0.9 m。

1)柔性網長度的確定。

bW=b1+l1+l2+h+l=12.5 m

(1)

式中:bW為網片沿工作面推進方向的鋪設寬度,m;b1為回撤機道頂板網片搭接寬度,取1.5 m;l1為液壓支架頂梁長度,取5 m;l2為液壓支架掩護梁長度,取2.5 m;h為液壓支架掩護梁尾至底板高度,取1.5 m;l為采空區側矸石埋壓網片長度,取2 m。

2)掛網位置的確定。在工作面距停采線11.5 m處進行掛網,留設1 m的柔性網富余長度。

2.2.2自開通道斷面設計

根據工作面中部液壓支架ZY12000/16/32D頂梁長4 770 mm,掩護梁長2 276 mm,底座長3 451 mm,及調轉容許最大距離,確定自開通道寬3.2 m。

根據支架及煤層厚度確定回撤通道采高,液壓支架采高范圍為1.6～3.2 m,同時根據《煤礦安全生產標準化》要求,液壓支架活柱行程不小于200 mm,則確定最大采高為3 m,工作面從掛網位置開始綜采工作面采高保持在3 m。因此,確定自開通道斷面為3.2 m×3 m。

2.2.3自開通道支護設計及施工工藝

1)頂板支護設計。回撤通道頂板共打設4排支護,間排距1 m×0.8 m,即每刀煤打設一排支護,待回撤通道施工完畢后垂直于回撤通道打設加強支護,支護方式為鋼梁+錨索,加強支護排距2 m。

回撤通道頂板總體采用錨索+錨桿+工字鋼梁+柔性網+鋼帶的聯合支護方式,錨索呈五花布置。錨索規格Φ21.8 mm×8 300 mm,錨桿規格Φ20 mm×2 400 mm,鋼帶規格5 300 mm×280 mm×16 mm六眼鋼帶,礦用工字鋼梁型號為11#,如圖3所示。

圖3 自開通道頂部支護平面圖

2)幫支護設計。回撤通道側幫煤壁采用金屬網+W鋼帶+螺紋鋼錨桿Φ20 mm×2 400 mm+錨索21.8 mm×4 500 mm的方式平行工作面,間排距900 mm×2 000 mm,如圖4所示。

圖4 自開通道支護設計剖面圖

每根錨桿使用1根MSCK2335錨固劑,1根MSK2360錨固劑,使用順序先快后慢,錨桿錨固力必須達到105 kN以上,預緊力矩達到200 N·m以上；每根錨索使用2根MSK2360錨固劑,1根MSCK2335錨固劑,使用順序先快后慢,錨固力必須達到470 kN以上,預緊力達到290 kN以上。

3)施工工藝

分離:針對礦井三軟地質條件,從開始掛網位置留設300 mm頂煤進行回采,直至距停采線3.2 m處時,液壓支架停止前移,并和刮板輸送機推拉頭分離,開始自開回撤通道。采煤機每刀800 mm,共計割4刀,以后每割煤1刀,用單體支柱推刮板運輸機1次。單體推移刮板輸送機時,5根單體遠程控制,同時推移。

支護:支護從刮板機頭向機尾方向支護。準備割第1刀時,機頭向機尾工作面方向30 m收回伸縮梁,在機頭位置及中部30 m處開始支護，分兩撥作業人員,支護區域配備3～4臺錨桿機作業。為了保證安全,各類機電設備必須閉鎖,并在支架前支設2根單體柱進行臨時支護,支護完畢后,打開伸縮梁,采煤機開始循環向機尾工作,直至第1刀施工結束。剩余的3刀以此類推,作業方式不變,支護采用錨網索+鋼帶+工字鋼梁的聯合支護方式,直至回撤通道形成。

回撤:采用機尾單通道回撤方式。用絞車拉移、配合支架自爬,撤出1#和8#支架,調整支架至主掩護位置,在支架原位置打連鎖木垛，再撤出5#支架,調整支架至副掩護位置,升起支架達到初撐力。主掩護支架距副幫400 mm,各掩護架之間距離為200 mm,至此工作面液壓支架回撤開口及調掩護支架完成。然后依次回撤其余支架,并在原位的鋼絲繩下支設木支柱和木垛維護,保證支架安全回撤。

2.3 施工質量檢測及礦壓監測

自開回撤通道期間,每班配1名質檢員對回撤通道的支護質量進行檢測,并對液壓支架工作阻力進行監測,每天由綜采隊技術員對支架工作阻力進行觀測記錄,每部支架必須有一張專用工作阻力及立柱形成監測表,貼于支架立柱上。通過監測數據可知:自開通道頂板總下沉量為200～400 mm,在距停采線7～6 m回撤通道頂板單日下沉量最大,達6.2 cm/d,支架立柱安全閥大面積開啟。在距停采線2.5～1.5 m后頂板下沉量趨于穩定,日下沉量0.5 cm/d,呈線性規律變化[3],和預掘通道停采方案相比,頂板下沉量有所減緩。自開通道和預掘通道頂板下沉量對比如圖5所示。

(a)預掘通道日下沉量

3 主要經濟效益分析

從8111綜采工作面末采到回撤完畢工期總體為20 d,其中末采階段2 d,自開通道7 d,綜采設備回撤11 d,比預掘通道節省8 d。在工程工期上應是預掘回撤通道占優勢,本次自開通道回撤工期短的主要原因為現場水患較小,省去了硬化底板的工序[4]。在安全管理方面,自開通道工序簡單,管理人員工作安排簡明有序,確保了安全與質量,提高了設備回撤運輸速度,避免出現窩工現象。

總體來說,在經濟成本上自開通道回撤比預掘回撤通道節省約46萬元,具體經濟成本對比見表1和表2。

4 結論

本礦首次采用自開通道工藝進行回撤,回撤周期20 d,帶來經濟效益約46萬元。該工藝能夠大幅減少綜采回采準備巷道的工程量,節約大量生產成本,有效解決綜采工作面回撤時通風不暢的問題,是目前發展的主要趨勢之一[5]。該工藝經過不斷完善和改進,具備良好的使用前景。

1)自開回撤通道全部使用聚酯纖維柔性網進行支護,有效支護回撤通道頂板及幫部。優勢主要有:能減少鏈網、運網工序,總體易于操作;使用柔性網的支護強度要大于使用金屬菱形網的支護強度。

2)為滿足高效通風,可在回撤通道非回采幫打設連體木垛,每3 m打一組。

3)針對礦井底板遇水泥化的問題,一般預掘回撤通道回撤前需進行底板硬化,而自開回撤通道可在較大范圍內選擇停采位置,控制頂板淋水及采空區涌水,省去回撤通道底板硬化工序。

4)現場觀測使用Φ21.8 mm×8 300 mm錨索的支護強度較大,下一步經計算論證后,考慮是否可優化為Φ17.8 mm×7 200 mm的錨索,進一步節約成本。

5)必須高度重視頂板淋水、采空區涌水及回撤期間的支架回液管理,水的管理程度的好壞將直接決定后期回撤工程進度的快慢。