基于全斷面掩護下協同快速撤架技術研究與應用

趙嘉鑫，王襄禹，李 沖，王廣輝，王兵生，董立華

(1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.伊犁新礦煤業有限責任公司，新疆 伊寧 835000)

伊寧礦區伊新煤業承擔著該區域煤炭資源就地轉化“煤制氣”的主要原煤供應任務[1]，其綜放工作面的撤除速度直接制約著工作面正常接續，影響著工作面單產水平。此外，在綜放工作面的回撤空間里，底板、頂板以及四周都殘留大量的遺煤[2]，而在回撤速度直接影響到回撤工作面是否能夠在自然發火期內安全撤除。數目眾多、體型大的液壓支架占工作面設備總重的80%以上[3]，是決定回撤速度的關鍵。

現階段回撤空間頂板支護大多采用掩護支架配合木垛或單體液壓支柱，這種支護是非全斷面的，回撤斷面的支護形式、支護強度不統一而出現“三角區”，該區域支護作業極其危險、且效率低下；而液壓支架的抽離、調向多采用絞車牽引，絞車拖曳、運輸液壓支架不僅僅存在斷繩、飛滑等安全隱患，而且需要額外敷設電路與相關器件，此外絞車進行牽引時，整個工作面的非撤架作業人員都需要避讓，對其他工序干擾大。

1 工程概況

伊新煤業23219綜放工作面傾向長240m，平均煤厚9.6m，采放比為1∶1.4，平均埋深187m，單巷布置，工作面直接頂厚6.22m，巖性為淺灰色細砂巖、粉砂巖及炭質泥巖，無厚而堅硬的老頂存在，為易冒落的不穩定頂板。23-2煤層的自燃傾向性等級為Ⅱ級，最短發火天數為37d，屬自燃煤層。底板遇水易軟化、底鼓。初次垮落步距為11.5m，周期來壓步距在6.7～16.2m，來壓顯現明顯。工作面位置及終采線布置如圖1所示。

圖1 23219工作面位置(m)

2 回撤空間圍巖控制

2.1 鋪設高強聚酯纖維柔性網

2.1.1 高強聚酯纖維柔性網特性

采用高強聚酯纖維柔性網(以下簡稱為柔性網)替代金屬菱形網護頂的優勢：①整體性強易于施工，定制柔性網較于片狀、搭接的金屬菱形網減少了搬運、拼接等工序；②材料阻燃抗靜電，阻燃抗靜電的柔性網不會產生機械摩擦，條帶交織形成的網格孔隙較小，隔離遺煤更有效；③拉伸強度高有韌性，能夠吸收部分頂板離層變形，從而實現耦合讓壓支護控制頂板圍巖變形，對于“三軟”煤層頂板控制效果顯著。

2.1.2 尺寸規格確定

整體定制的柔性網不需要拼接，其尺寸規格確定需根據煤壁高度、工作面長度、回撤通道尺寸及埋網長度，并考慮現場施工質量、柔性網延展等因素。

柔性網長度及寬度計算公式[4]：

L=l+2a+r

(1)

B=(s+t+c)k

(2)

式中，L為柔性網長度，m；l為工作面長度，取240m；a為回撤通道寬度，取5m；r為富余量，取5m；B為柔性網寬度，m；s為支架長度(含頂梁和后尾架)，取9m；t為埋網長度，取1m；c為架前預留長度，取5m；k為富余系數，取1.05。

計算得到柔性網尺寸為255m×15.75m。

2.2 “錨桿索+鋼帶+高強聚酯纖維柔性網”聯合支護

23219工作面屬于“三軟”煤層，為有效控制其圍巖穩定，采用“錨桿索+鋼帶+高強聚酯纖維柔性網”聯合支護方案如圖2所示。

圖2 回撤空間支護方案(mm)

1)掛網。距終采線15m時鋪柔性網，在每2個支架的架間伸縮梁前20cm處打設MSGLD-335/20×2400等強螺紋鋼式樹脂錨桿掛網，托盤為150mm×150mm×10mm，頂板破碎段穿插打設SKL18-1/1860型17.8mm×4500mm錨索。

2)頂板支護。距終采線10m時沿傾向打設“錨桿索+鋼帶”，每隔兩根錨桿打設一根錨索，錨索間距2700mm，錨桿間距900～1800mm，鋼帶排距800mm，同排鋼帶相互壓茬一個孔位。錨索為SKL18-1/1860型17.8mm×6300mm錨索，錨桿為MSGLD-335/20×2400等強螺紋鋼式樹脂錨桿。

3)煤壁封幫。終采線煤壁采用錨網支護。錨桿按“三·二·三”型布置，錨桿間距為950～1200mm，錨桿排距900mm，鋼帶壓住柔性網片封幫。

4)底板澆筑。封幫完成后對液壓支架底座到煤壁的底板進行C30混凝土澆筑，澆筑厚度為200mm。

2.3 煤機自掘回撤通道施工工序

預掘回撤通道易產生煤壁片幫、巷道頂板下沉及底板底鼓等圍巖變形現象[5]，考慮到回撤工作面賦存條件，采用煤機自掘回撤通道法。

1)掛網處至距終采線10m處，這段頂板不需要打設錨桿索。工序：割煤→放網→伸前探梁及護幫板、推移刮板輸送機→收前探梁及護幫板、移架→收網→割煤；

2)距終采線5～10m段需要打設“錨桿索+鋼帶”。工序：割煤→伸前探梁及護幫板、推移刮板輸送機→收前探梁及護幫板、移架→放網→鋪鋼帶、打設錨桿索→收網→割煤液壓。

3)距終采線0～5m液壓支架不再前移，前部刮板輸送機與液壓支架解體，將后刮板輸送機油缸拆解用以推進前刮板輸送機，工序：割煤→放網→鋪鋼帶、打設錨桿索→調整單體液壓支柱→移溜→收網→割煤。

3 全斷面掩護撤除支架法

3.1 防三角區所需支護力分析

回撤斷面支護形式不統一而產生三角區，該區域為整個支護最為薄弱的區域；三角區的存在對于回撤空間頂板管理與回撤施工極其不利，根據23219工作面頂板破斷巖塊幾何特征與鉸接形態，工作面在末采階段距終采線20m起停止放頂煤作業，液壓支架上方頂煤與直接頂無明顯離層形成等效直接頂結構，關鍵塊的塊度接近1，較為符合淺埋煤層頂板“短砌體梁”結構特點，根據淺埋深厚基巖綜放工作面覆巖結構特點[6，11，12]，結合淺埋藏煤層頂板沿煤壁切落時支架工作阻力的確定方法[7]以及“短砌體梁”結構相關理論[8，13]，分析防止待支護區域出現三角區所需的最小支護力Pm，由上覆煤巖體重量及關鍵塊滑落失穩所傳遞的壓力RD組成。

Pm=lkb∑hγ+RD

(3)

式中，lk為待支護區域長度，m；b為待支護區域寬度，m；RD為關鍵塊受荷載，MPa。

圖3 回撤工作面“短砌體梁”結構模型

關鍵塊滑落失穩的臨界條件[9]：

式中，i關鍵塊的塊度，i=h/l；θ1為關鍵塊的轉角，(°)；P1為頂板載荷，MPa。

P1=hlγ+KGh1lγ1

(5)

式中，h為關鍵塊厚度，m；l為關鍵塊長度(周期來壓步距)，m；γ為基巖體積力，kN/m3；h1為載荷層厚度，m；γ1為載荷平均體積力，kN/m3；KG(≤1)為載荷傳遞系數，KG=2h1tanφKt；Kt載荷傳遞的時間因子，回撤時推進速度很慢Kt=1；φ為載荷層的內摩擦角，(°)；λ為載荷層側應力系數。

將式(4)、式(5)代入式(3)，可得出防止出現三角區所需的最小支護力Pm：

根據23219工作面實測礦壓數據及礦井地質報告，該工作面頂煤厚度5.6m，其體積力為1.4kN/m3，直接頂厚6.22m，其體積力為2.4kN/m3，關鍵塊厚14m，周期來壓步距平均為11.5m，關鍵塊轉角為9.2°，待支護區域長5m，寬3.5m。將以上數據代入式(3)—式(6)可得防止待支護區域出現三角區所需的最小支護力Pm為11252.63kN。

兩柱式放頂煤支架的理論支撐效率[10]為83.1%，而實測的單體液壓支柱的工作阻力為額定工作阻力的57.4%；即可得到采用液壓支架支護待支護區域總工作阻力為13541.07kN，采用單體液壓支柱支護待支護區域總額定工作阻力為19603.89kN。可見待支護區域采用單體液壓支柱支護較為困難、會產生“三角區”，其支護作業存在冒頂片幫危險。

3.2 傳統的掩護撤除支架法

傳統的掩護撤除支架法對待支護區域支護多為以下兩種[14，15]：掩護支架+木垛，掩護支架+單體液壓支柱。工藝流程：加強支護預撤支架空間(木垛或單體液壓支柱)→撤除待撤支架(絞車牽引)→切頂線處打設木垛或單體液壓支柱→移掩護支架(依靠絞車固定后自移)→回收掩護架后部單體支柱(木垛無法回收)→下一循環。

傳統的掩護撤除支架法并非全斷面的掩護，具有以下不足：①潛藏安全隱患；回撤斷面支護形式不統一、支護強度不同，在支護強度相對較低的“三角區”作業面臨煤壁片幫、頂板冒落等安全隱患；②工序繁瑣、勞動強度大；回撤空間支護既要使用絞繩逐個牽引掩護支架，又要人工架設木垛或打設單體液壓支柱、回撤支柱；③作業沖突；單體回收與掩護支架推進不能同步進行，掩護支架的自移與待撤支架的回撤都需用絞車；④耗材低效；支護“三角區”的大量坑木無法回收，增加回撤經濟成本與勞動力投入。

3.3 全斷面掩護撤除支架法

所謂的全斷面掩護撤除支架法是指將撤除的部分液壓支架沿著工作面推進方向布滿整個回撤斷面，采用自移連接板將掩護支架連接在一起，使得掩護支架可發揮自移功能，并在全斷面布置的掩護支架的及時支護下撤除液壓支架，如圖4所示。工藝流程：撤除待撤支架(架前撤架裝置)→移掩護支架(依靠支架前端橫梁固定后自移)→下一循環。

圖4 全斷面掩護回撤支架法

全斷面掩護撤除支架法較于傳統的掩護撤除支架法具有以下突出優點：①工藝簡單、施工安全。支護形式統一、支護強度高，掩護支架完全自移，剔除了勞動力密集、危險的“三角區”支護工序，極大地簡化了工序的同時避免人員處于冒頂、片幫區域作業；②經濟高效，既減少坑木與單體液壓支柱的損耗，又減少了相關作業人力投入，加大回撤作業機械化程度的同時提升了勞動工效，利于工作面在自然發火期以內安全、快速回撤。累計減少了300工時、8根單體支柱的損耗、500m3方木的消耗及4名支護工人投入。

4 “架前撤架裝置+鏟板車+支架搬運車”協同回撤作業

4.1 絞車撤架及其弊端

絞車在礦井運輸與提升、井下有煤塵或爆炸性氣體的環境下采煤工作面液壓支架的推移，調向和搬運以及井下各類機電設備的搬遷等輔助運輸等方面[16-18]。由于絞繩自身力學特性，絞車僅能提供單向拉力，在較大運輸距離運輸液壓支架時，存在斷繩、飛繩等風險；絞車回繩過程依靠大量的人力拖拽，勞動強度高、效率低；采用絞繩牽引作業時，絞繩貫穿整個采煤工作面，在回柱絞車調撤支架時，整個采煤工作面人員必須避讓、不得作業，因而干擾其他工序作業、影響采煤工作面整體回撤進度。

4.2 架前撤架裝置及優勢

架前撤架裝置固定在掩護支架前的自移連接板上，裝置整體能隨掩護液壓支架自動前移，液壓葫蘆將高壓乳化液的壓力能轉化為機械能，依靠鏈條傳動牽引另一端的液壓支架，鏈輪可以改變鏈條傳動的方向實現液壓支架的調向功能。工藝過程：連接待撤液壓支架→抽架→調架→移架(掩護支架)。

采用液壓驅動的架前撤架裝置相較于傳統的絞車牽引撤架，具有以下優勢：①裝置能夠隨著掩護支架不斷前移，傳動鏈條不需貫穿整個采煤工作面，液壓支架的調撤過程不會影響其他區域作業；②操作簡單、施工安全，該裝置不涉及長距離的絞車拖曳、只需一人便可完成液壓支架的調撤；③動力來源方便、安全，不需要額外敷設電路及相關器件等等。

4.3 “架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協同作業

圖5 協同撤架作業

結合23219工作面生產技術條件，提出“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協同撤除支架作業，如圖5所示。由圖5可知：①利用架前撤架裝置進行液壓支架的抽離與調向；②采用機動靈活、爬坡能力強的鏟板式支架搬運車替代雙速絞車在運輸支架的功能，將支架轉運出工作面；③由適合長距離運輸的框架式支架搬運車運往下一工作面或地面。各個作業環節間銜接合理、無干擾，實現了支架抽出、調向與運輸平行作業，節省了近150工時，減少了3名絞繩拖拽作業人員及1名絞車司機。

“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協同作業模式與傳統絞車牽引在勞動作業組織及效能指標方面的對比見表1。

表1 勞動組織及效能對比表

從表1可看出，傳統絞車牽引存在需要人力牽引絞繩，在運輸支架時絞車司機無法實時了解支架運輸工況、支架調向、運輸等作業無法平行作業，絞繩貫穿整個工作面對其他作業干擾極大等方面問題，采用“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協同作業模式能較好地解決以上問題，保障支架快速、安全回撤。

5 結 論

1)采用定制的高強聚酯纖維柔性網替代金屬菱形網，可杜絕金屬菱形網與液壓支架間的金屬摩擦起火，減少了拼接網片的工時消耗，小孔隙網格能有效地隔離上覆及后方的遺煤與落矸傷人，其良好的韌性能夠吸收部分離層變形、實現讓壓支護，對“三軟”煤層回撤空間頂板圍巖控制效果較好。

2)基于回撤工作面“短砌體梁”力學結構模型，理論計算出綜放工作面回撤空間防三角區所需最小支護力為11252.63kN，采用液壓支架支護時支架總額定工作阻力為13541.07kN以及采用單體液壓支柱支護時總額定工作阻力為19603.89kN，統一采用液壓支架支護能夠有效地防止回撤空間出現“三角區”、支護形式與支護強度更加統一。

3)全斷面掩護支架法是回撤空間冒頂、片幫防治的有效技術，其剔除了勞動力密集、危險的“三角區”支護工序，大大提升了回撤空間頂板支護作業機械化程度與安全性、利于工作面在自然發火期以內安全、快速回撤。在伊新煤業23219綜放工作面的回撤中，累計減少了300工時、8根單體支柱的損耗、500m3方木的消耗以及4名支護工人投入等。

4)運用“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協同作業模式，可發揮各個設備優勢，實現支架抽出、調向、與運輸平行作業，節省了近150工時，減少了3名絞繩拖拽作業人員及1名絞車司機。