智能化綜采放頂煤工作面快速過陷落柱技術研究

＊劉宏煜

（晉能控股裝備制造集團趙莊二號井 山西 046000）

引言

我國煤礦智能化開采正在蓬勃發展，在其發展過程中不可避免的存在著一系列亟待解決的問題，特別是智能化采煤作業的研究，更是迫在眉睫。對此，國內很多學者也進行了大量的研究，如張奇[1]研究了大采高綜采工作面安全快速過陷落柱技術；高穩龍[2]探析了掘進工作面過陷落柱過程中巷道圍巖的應力情況與巷道支護技術；王崇智等[3]研究了綜放工作面過陷落柱過程中止水塞建造技術；李晉等[4]研究了綜采工作面怎樣安全快速的過陷落柱；張騰等[5]探討了在工作面可采儲量增加作業中順槽掘進提前過斷層技術的應用。雖然國內學者在煤礦智能化開采方面進行了大量的研究，但很少有學者專門單獨研究智能化綜采放頂煤工作面快速過陷落柱技術，對此本文以山西某礦5308綜采工作面智能化開采技術為背景，進行了智能化綜采放頂煤工作面快速過陷落柱技術的研究。在5308綜采工作面開采過程中，遭遇到大型陷落柱，命名為SX108，該陷落柱嚴重的影響了工作面的回采工作。本文通過設備防護方法的創新，優化爆破工藝與作業組織形式，實現了礦井的安全、高效穿越陷落柱，為實現礦井智能開采的快速穿越提供了技術借鑒。

1.工作面及地質構造概況

5308智能化放頂煤工作面位于五盤區北翼，所采煤層為3號煤，根據地質資料與現場實測數據，開采區域的煤層厚度均值為5.69m，設計采高3.2m，采放比1:0.8。在工作面機頭部，采用單柱加錨索加固支護，尾部采用可移動液壓支架支護。

2.過構造技術

(1)構造實際揭露情況

在5308工作面掘進至485m處時，將揭露抽放鉆孔見矸異常區（發育陷落柱），對約20m長的工作面施工造成影響（30～40號、48～60號支架共22個支架為全矸）；在5308工作面掘進至509m處時，揭露SX108陷落柱，對約195m長的工作面施工造成影響（約94個支架）。通過對兩處揭露處的特性進行對比發現，兩者特性基本相同，可以判斷構造基本一致[6]。

(2)松動爆破

在地質結構的揭示中，巖石的性質在持續地改變，因此，需要對爆破方案進行多次的優化。為了確保爆破的質量，采用ZDY650礦用全液壓掘進器和YT28風力掘進器進行了深孔與淺孔的掘進。在此基礎上，通過對巖石特性的研究，提出了3種不同的爆破方案。

①細粒砂巖爆破方案

因其堅硬程度超過了液力鉆具所能承載的極限，所以選用了YT28型風力鉆具。設計炮眼的深度為2.4m，屬于淺孔。在每個支架處布置4個炮眼，炮眼底部的裝藥量為1.5kg，炮眼的中上部裝藥量為0.9kg。

細粒砂巖炮眼布置如圖1所示。

圖1 細粒砂巖炮眼布置

②砂質泥巖爆破方案

采用YT28風動鑿巖機開鑿炮眼，上、底炮眼的深度分別為2.4m和3.2m都為淺孔。在每個支架處布置3個炮眼，炮眼底部的裝藥量為1.8kg，炮眼的上部裝藥量為1.2kg。具體布置如圖2所示。

圖2 砂質泥巖炮眼布置

③泥巖爆破方案

泥巖爆破炮眼布置的形式為深孔加淺孔結合，深孔炮眼的深度為4m，采用液壓鉆機施工，淺孔炮眼的深度為2.4m，采用風鉆進行施工，鉆眼的布置方式見圖3。炮眼與水平面呈10°～20°夾角，深孔裝藥量為3kg，淺孔裝藥量為1.2kg。

圖3 泥巖炮眼布置

(3)設備保護

5308采場是一個智能采場，在采場中安裝了大量的傳感器和通訊線路，長期進行爆破作業會對現場的設備和線路造成較大的影響。所以，需要對設備采取以下措施：①拆除容易受損的裝備。通常情況下設備主要的安裝位置為支架內，一般采用在支架外掛皮帶的方法對其進行防護[7]。但是，在智能工作面支撐柱的外部，還設置了大量的電子設備，如紅外線發射機、無線發射機和云臺攝影機等。為了提升裝備防護效能，降低防護工作量，需要針對性的拆除前部和后部（煤壁方向）設置智能裝備防護裝置。②創新保護方案。傳統的設備防護方法無法對保護罩內部的設備進行有效防護，且需要耗費大量的人力、物力，因此必須對其進行優化改造。具體的解決方案是：在立柱上安裝保護裝置，防止在爆破過程中對立柱的擦傷，同時加裝板梁提升保護的有效性，在板梁的外部增加皮帶保護，既能夠有效增加保護面積，同時提升了韌性。

(4)工程質量管控

根據長期過構造的實踐經驗，可以將質量管控的制度歸納為“三度一線”，三度為對過構造期間的高度、坡度、進度，一線為生產設備。①高度。在穿越構造的過程中，該段采高的控制范圍為3.1～3.3m。一是方便工人操作，營造了一個好的操作環境；二是要保證采煤機械及液壓支架有充分的調節余地，防止在上提下臥過程中出現回采高度不足的情況。②坡度。在穿越過程中，各構造區段的底板傾角均控制在±10°以內。從采煤機的性能和平時的工作實踐來看，當刮板運輸機上揚下臥不超過±10°時，它可以將鏟煤板前面的煤矸掃得一干二凈。一旦超過這個值，則工作面中則會存在殘存的煤矸，這會造成移動刮板運輸機的困難，對生產造成很大的阻礙。③進度。在施工過程中，不能出現構造區段的施工延誤，以確保工作面的平直度。根據大量的實踐經驗，在架段的施工過程中存在大量的問題，液壓支架容易出現擠架，造成運輸機拖運的困難，還有一些諸如倒架之類的問題，都在很大程度上限制了生產的正常進行。④設備保護。不破壞儀器是最基本的要求。盡管構造的面積很大，在穿過構造時，以松動爆破為主，避免直接對硬矸進行截割，避免設備長時間大負荷工作，防止機電設備受到損害[8]。

(5)大范圍出構造的頂板管控

工作面在構造內部完成了190m的推進后，全矸的支架數量仍超過50個，經過現場勘測，構造段的長度僅剩10m，因此需要制定大范圍頂板的管控手段。本文采取了以下三項措施：①超前拉架。根據現場施工的實際情況，在構造前后20個支架進行超前拉架，保證頂幫可以得到有效的支護。②調低采高。為了避免出現大范圍的片幫，在構造前后20個支架的范圍內降低采高，由初始的3.2m降低到2.8～3.0m之間。③構造段前后20個支架保證“三直一平”，待底板水平推進至頂板完整區域后，才可以對底板進行調整。

3.過構造期間存在的問題及改進措施

(1)爆破作業的人員組織問題

因為施工是影響有效開采的最大原因，所以在穿越結構的全過程中，施工速度必須持續提升，施工工期必須減少。

首先，在穿越結構之前，對采煤面上的空氣系統進行了系統性的改造。為了保證在過構造過程中，可以實現多人同時打眼作業，必須對工作面原來的Φ32mm壓風管線進行更新，也就是從53081巷、53082巷及53083巷3條巷道中，各向工作面引入1趟DN100mm壓風管線，從而確保向工作面提供充足的風量。

其次，重點抽調打鉆技術領先的技術人員，成立了鉆井技術團隊，保證了每天180余個炮眼在7小時之內全部完成。為及時、高效地實現了爆破施工提供了有力保障。

(2)設備重負荷啟動問題

在爆破后，由于有大量的煤塊被甩到刮板運輸機上，導致輸送機啟動困難，需要完成清理工作后才能進行啟動，這對正常的生產有很大的影響。針對這些問題，我們可以從以下幾個方面加以控制：①調整裝藥容量，根據礦石的硬度差異，有針對性地調整炸藥用量，確保良好的爆破效果。②在每一次爆破之前，先把前面的刮板機向后拉，使它與煤面之間的距離增大，從而避免大量的煤矸被拋到輸送機。③加大對刮板輸送機的維護力度，每日對其前部和后部護套進行清掃，避免載荷過大影響輸送機啟動[9]。

(3)設備檢修與爆破沖突的問題

在進行爆破施工的過程中，由于現場有大量的工人作業，刮板運輸機不能及時進行維修，造成了很大的安全隱患。針對這種情況，在工作面中，可以在同一時刻，采用多臺氣壓扳手同時工作的方式，在生產間隙，同時對刮板輸送機上的螺絲進行維修和更換，減少了維修時間，提升了工作效率[10]。

(4)大殲對運輸系統的卡堵問題

在爆破后，大塊的煤矸石堆積在一起，給輸送系統的移動造成較大的阻礙，是影響采掘效率的關鍵因素。通過以下的技術手段，能夠有效降低煤矸石的量：①優化爆破方式。縮減相鄰炮眼之間的距離，降低單個炮眼裝藥量，能有效的避免出現較大的矸石。②調整破碎機工作參數。將破碎機錘頭距離轉載機刮板的高度由350mm降低至280mm，提高破碎機對大塊煤矸石的破碎能力，避免出現大塊的矸石造成輸送機的卡堵。③增加工人數量。安排專人在機尾處進行作業，采取人工的方式清除超過600mm的矸塊，進一步降低輸送機卡堵的概率。④在輸送機上加裝了破碎工具[11]。在各站均配有起動風鎬、劈石器等破碎工具，對較大的煤塊進行及時破碎。通過所述方案的實施，能夠有效的降低卡堵現象，單個班次的卡堵時間減少了80%以上，基本消除了大煤粉引起的不良影響。

4.結論

在山西某煤礦5308綜采工作面，采用以上方法，在3個月內順利完成連續掘進200m的成績，達到了預期效果。并且在保證生產效益的條件下，沒有出現一起人身傷害事件，獲得了很好的經濟和社會效益。