薄-中厚煤層智能化綜采保障技術與裝備

高喜才， 馬騰飛， 王琪， 劉帥， 張錫琛，范凱， 唐建強， 胡彬

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司，四川 廣安 638020；4.四川華鎣山廣能(集團)有限責任公司，四川 廣安 638027)

0 引言

我國西南地區主采煤層以薄-中厚煤層為主，煤層厚度變化大、走向斷層發育、頂板破碎，存在開采機械化程度低、工人勞動強度大、生產效率低等問題[1-4]。近年來，智能化綜采技術與裝備發展迅速[5-9]。范京道等[10]針對陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦薄煤層，設計了智能化無人開采工作面系統集成配套方案，優化了工作面智能化控制系統，實現了工作面和巷道內成套裝備智能化協同控制和采煤全過程自動化無人生產。鄧濤等[11]通過監控中心實現綜采工作面“三機”設備間聯動控制，提出了一套薄煤層綜采遠程可視化智能無人工作面開采技術。王國法等[12]研制了薄煤層綜采機組、高強度支架、薄煤層三維多源信息可視化操控系統等配套裝備，形成薄煤層智能化無人開采模式。目前，我國已建成490余個智能化綜采工作面，初步實現了相對簡單地質條件下遠程自動控制為主、人工干預為輔的智能化開采模式[13-14]。然而，由于煤層賦存與開采條件的多樣性和復雜性，自動化工作面常態化運行無法保障，復雜地質條件下薄-中厚煤層智能化裝備適應性、“三機”協同精準控制、割煤工藝自動化等方面仍需深入研究。本文以四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司龍灘煤礦為背景，提出了薄-中厚煤層智能化綜采保障技術與裝備，可為實現復雜地質條件薄-中厚煤層綜采工作面安全高效開采提供支撐。

1 工程概況

龍灘煤礦主采K1煤層，平均埋深為450～470 m，純煤厚度為1.0～2.27 m，平均厚度為1.5 m，傾角為3～7°，堅固性系數為0.38～0.51，屬薄-中厚煤層且局部起伏變化大，頂板多以砂質泥巖和砂巖為主，局部斷層發育，給工作面安全生產和巷道穩定性帶來較大影響。

1.1 復合破碎頂板特征

K1煤層頂板巖層組合變化大，存在不同厚度呈無規律交錯分布的砂巖和砂質泥巖，煤層頂板復合、破碎特征明顯。頂板巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 頂板巖層柱狀圖

淺部巖層以砂巖及砂質泥巖為主，0～0.62 m范圍內砂巖完整性較好，0.63～1.18 m范圍內砂巖及砂質泥巖均較為破碎，1.19～1.23 m處存在砂質泥巖夾層；中部砂巖層完整性一般，存在多處破碎區域。

1.2 工作面走向斷層發育

3124S綜采工作面位于312采區南翼，工作面運輸巷范圍內發育1組斷裂構造，分別為3124SJ-1正斷層和3124SJ-2逆斷層，如圖2所示。其中3124SJ-1正斷層地層斷距為0.2～2.3 m，傾角為30～80°，傾向為275～285°，斷層上下盤50 m范圍內煤層破壞嚴重，斷層周圍頂板較為破碎，回采時易冒落。

圖2 工作面位置

2 斷層帶破碎頂板加固及沿空留巷耦合支護技術

2.1 斷層帶破碎頂板加固技術

針對3124S綜采工作面走向斷層切割工作面情況，在斷層上下盤破碎頂板實施注漿加固，鉆孔布置如圖3所示。注漿漿液選用水泥-水玻璃混合漿液，注漿壓力為4 MPa，擴散半徑為10 m，封孔長度取鉆孔長度1/3，間隔20 m沿工作面傾向施工1組鉆孔，對斷層帶上下5 m范圍頂板進行注漿，有效防止回采過程中發生煤壁片幫及頂板冒落。同時對過斷層帶巷道進行挑頂改造，保證工作面平直度，改造后斷面及支護方式不變，挑頂后矸石回填底板，用水泥灌注硬化，降低工作面回采過程中綜采裝備推移困難度。

圖3 斷層帶頂板注漿鉆孔布置

2.2 沿空留巷耦合支護技術

針對3124S綜采工作面沿空留巷頂板易破碎、下沉量大等特點，將巷道圍巖變形區域分為原始風巷支護區、超前爆破影響區、滯后留巷區、永久成巷區，提出了沿空留巷耦合支護技術，主要工藝參數如下：

(1)錨網索聯合支護。原始風巷支護區采用的錨桿直徑為20 mm、長度為2 200 mm、間距為800 mm，錨索直徑為15.24 mm、長度為7 500 mm、間距為1 600 mm。

(2)超前加固。超前爆破影響區采用錨索+14號槽鋼+W型鋼帶+單體支柱(DW35-250/100X)組成“一梁三柱”的超前加固支護結構，施工單排長度為9 200 mm的加強支護長錨索，間距為1 600 mm。

(3)爆破切頂。沿巷道走向布置切頂預裂爆破孔，孔間距為500 mm，直徑為50 mm，孔深為9 m，切頂角度為15°。

(4)立柱掛網擋矸。滯后留巷區沿巷道走向布置立柱+鋼筋網+金屬網+戧柱進行擋矸，立柱間距為800 mm，與采空區緊貼，8號鋼筋網懸掛于立柱上，間隔4 m布置戧柱，防止立柱倒滑，加強支護效果。

(5)滯后噴漿加固。對巷道采空區側進行噴漿密閉，噴射混凝土標號為C20，噴射砼厚度不得少于50 mm且必須保證遮蓋住錨桿托盤、塑鋼網、鋼筋網等，保證復噴后采空區不漏風、無空洞、墻體平整。

(6)收尾砌墻。永久成巷區著重加強碎石幫的整體強度和密閉性，收尾段采用0.5 m×0.15 m×0.2 m(長×寬×高)的塊磚砌墻，墻體厚度為1.0 m，墻高以能夠接頂嚴實為準，墻體采用灰漿對砌塊之間進行勾縫，確保墻體的密封性。

3 破碎頂板橫向自移式超前支架組

從破碎頂板巷道圍巖控制和超前支架快速推進角度出發[15]，設計了由8架1組的A型ZTHC2400/15/29.5D超前支架與2架1組的B型ZTHJ3600/15/30D端頭支架組成的橫向自移式超前支架組，布置如圖4所示。

圖4 橫向自移式超前支架組布置

A型超前支架的頂梁、底座均為整體箱型，結構強度高、接頂面積大，能夠適應巷道破碎頂板、煤層傾向起伏變化。A型超前支架之間留空布置，收回狀態時留空800 mm，拉開狀態時留空1 600 mm，如圖5所示。A型超前支架開始時為拉開狀態，隨工作面推進從后至前各架逐個收回，留空800 mm步距，交替推移減少頂板反復支撐次數。

(a)拉開狀態

橫向自移式超前支架組通過設置前后雙推移、底座雙千斤頂、可伸縮行人裝置，可實現工作面端頭頂板支護與超前支架快速推進的協調配合，并配備視頻監控系統、傳感系統、控制系統，實現集控中心對支架的遠程控制和人工干預，大幅降低工人數量及勞動強度。

4 薄-中厚煤層智能化綜采成套裝備與割煤工藝

4.1 薄-中厚煤層智能化綜采工作面成套裝備

針對3124S綜采工作面煤層厚度變化大、局部存在走向斷層切割等地質條件，提出了薄-中厚煤層智能化綜采工作面成套裝備。

(1)采用MG320/710-WD3型采煤機，采煤機為多電動機橫向布置結構，牽引方式為銷軌式無鏈牽引，配置φ1 250 mm×800 mm滾筒，采高為1.2～2.5 m，機頭臥底量約為132 mm，機尾臥底量約為83 mm，中部最大臥底量約為250 mm。通過降低機面高度，增加過煤空間，提高采煤機適應性與穩定性。

(2)液壓支架為ZY4000/12/25D型兩柱掩護式液壓支架，采用電液控制，供液壓力為31.5 MPa，液壓支架中心距為1 750 mm，頂梁和掩護梁設單側活動側護板，雙伸縮立柱帶保護套，通過支架遠程操作臺實現液壓支架遠程控制。

(3)根據采煤機割煤能力和工作面參數確定刮板輸送機型號為SGZ764/2×315，機頭鏈輪中心高度為550 mm，機尾鏈輪中心高度為660 mm，銷軌節距為126 mm，鏈條采用D級φ30 mm×108 mm圓環鏈，鏈條破斷負荷≥1 410 kN。

工作面運輸巷側“三機”布置如圖6所示。當工作面兩端采高小于巷道高度時，采用墊架支撐采煤機機頭、機尾；將刮板輸送機機頭、機尾超出煤壁長度控制在800 mm，保證臥底量達97 mm，以及時清理浮煤；刮板輸送機機頭增設平行于底板的拖架，通過過渡支架輔助推移裝置直接整體推移刮板輸送機機頭、機尾，解決采煤機搖臂與刮板輸送機互相干涉難題。

圖6 工作面運輸巷側“三機”布置

4.2 斷層帶主動預防性智能割煤工藝

根據3124S綜采工作面走向斷層延伸產狀，結合工作面頂板壓力、傾角,液壓支架姿態,采煤機運行狀態等，在采煤機記憶割煤基礎上，提出了斷層帶主動預防性智能割煤工藝，包括端部割三角煤跟機段工序(圖7)和中部斜切進刀跟機段工序(圖8)，利用半截深、分次截割方式，可大幅提高斷層帶條件下采煤機安全割煤速度。

圖7 端部割三角煤跟機段工序

圖8 中部斜切進刀跟機段工序

3124S綜采工作面中間支架有113架，面對煤壁，左側為運輸巷，右側為回風巷。工序1：左行割煤至工作面端頭，割透煤壁，支架滯后采煤機后滾筒跟機移架，不推刮板輸送機。工序2：右行掃底，清理底煤。工序3：左行清理浮煤。工序4：右行返刀，采煤機運行至5號支架時，觸發1號支架向9號支架順序移架；采煤機運行至20號支架時，1號支架向17號支架順序推刮板輸送機，推出蛇形段，推刮板輸送機行程為0.45 m。工序5：左行向端頭割三角煤斜切進刀，采煤機運行至6號支架時，觸發17號支架向10號支架順序移架。工序6：右行掃底，清理底煤。工序7：左行清理浮煤。工序8：右行返刀，采煤機運行至5號支架時，再次觸發1號支架向9號支架順序移架；采煤機運行至20號支架時，1號支架向17號支架再次順序推刮板輸送機，推出蛇形段，推刮板輸送機行程為0.45 m。工序9：左行端頭二次截割，采煤機運行至6號支架時，再次觸發17號支架向10號支架順序移架；采煤機運行至端頭4號支架時，10號支架開始向機尾113號支架順序推刮板輸送機，推刮板輸送機行程為0.9 m。工序10：右行掃底，清理底煤。工序11：左行清理浮煤。工序12：右行割煤，割透煤壁，采煤機運行至5號支架時，再次觸發1號支架向9號支架順序移架；采煤機運行至22號支架時，18號支架開始隨采煤機后滾筒跟機移架、1號支架隨采煤機順序推刮板輸送機。工序13：左行掃底，清理底煤。工序14：右行清理浮煤。工序15：左行中部斜切進刀，采煤機運行至99號支架時，觸發104號支架向113號支架順序移架。工序16：端部推刮板輸送機，右行割三角煤，采煤機運行至92號支架時，95號支架向113號支架順序推刮板輸送機。

5 結論

(1)通過對斷層帶破碎頂板進行注漿加固、挑頂改造，以及對沿空留巷采用錨網索聯合支護+超前加固+爆破切頂+立柱掛網擋矸+滯后噴漿加固+收尾砌墻的耦合支護技術，大幅提升了破碎頂板巷道穩定性。

(2)橫向自移式超前支架組由8架1組的A型ZTHC2400/15/29.5D超前支架與2架1組的B型ZTHJ3600/15/30D端頭支架組成，減少了頂板反復支撐次數，實現了破碎頂板工作面端頭頂板支護與超前支架快速推進的協調配合，降低了工人勞動強度。

(3)薄-中厚煤層智能化綜采工作面成套裝備及其優化布置解決了采煤機搖臂與刮板輸送機互相干涉難題；斷層帶主動預防性智能割煤工藝利用半截深、分次截割方式，大幅提高了斷層帶條件下采煤機安全割煤速度。