綜采工作面過雙腰巷超前支護研究與應(yīng)用

苗 悅,張福新

(中煤平朔集團有限公司,山西 朔州 036006)

傳統(tǒng)煤礦綜采工作面過老巷或空巷時的頂板防護大多是在預(yù)備通過的巷道內(nèi)提前采取密集錨網(wǎng)支護、單體支護、充填或打木垛的方式進行補強支護[1],防止回采過巷中頂板安全事故的發(fā)生；回采技術(shù)普遍采用綜采工作面在距離預(yù)備通過的巷道20～30 m范圍內(nèi)時,調(diào)整工作面?zhèn)涡?使工作面與巷道呈一定夾角,既要有利于控制刮板輸送機下滑,又要減少所過巷道在工作面的揭露面積[2],放頂煤綜采工作面還要求距離揭露巷道一定范圍內(nèi)嚴禁放煤,避免巷道應(yīng)力集中[3]。在巷道層位處理方式上,若所過巷道與工作面同層斜交,則采用傳統(tǒng)支護平衡頂板側(cè)向壓力;若所過巷道位于工作面上方,處于工作面頂板冒落帶或裂隙帶范圍內(nèi)時,則采用沙袋充填,背實接頂;若所過巷道位于工作面下方時,主要受工作面底板傳遞壓力影響,為防止底板塌陷和支架臥底,采用木垛、沙袋或水泥灌漿等充填料進行回填[4],保證所過巷道有足夠的抗壓強度。多種聯(lián)合支護方式的應(yīng)用導(dǎo)致支護種類繁多、回采成本偏高、頂板防控效果不明顯。在此以平朔井工一礦為研究對象,通過改變傳統(tǒng)綜采工作面過腰巷的支護方式,優(yōu)化巷道支護技術(shù),特別是超前整體支架的創(chuàng)新應(yīng)用,同時配套超前支架遠程供液技術(shù)的應(yīng)用進行分析研究。

1 工程概況

中煤平朔集團井工一礦位于山西省朔州市平魯區(qū)。井田位于寧武煤田,含煤地層是石炭系太原組、本溪組及二疊系山西組,井田面積16.16 km2,開采標高1 420 ～1 060 m。2005年1月建成投產(chǎn),2006年礦井核定生產(chǎn)能力為1 000萬t/a。主采煤層為4#、9#、11#煤層。4#煤層平均厚度11.51 m,煤層賦存穩(wěn)定,單斜構(gòu)造,構(gòu)造簡單。采區(qū)范圍內(nèi)無大的斷裂,也無巖漿侵入現(xiàn)象。礦井采用斜立井混合開拓方式,通風(fēng)方式為中央分列式。采煤工作面采用大巷條帶式布置,綜采放頂煤回采工藝,回采工作面頂板隨采隨落。

14113工作面北部與14112工作面相鄰,東部是太西四煤3條大巷及保安煤柱,南部礦井邊界與黑水溝礦和黨家溝礦毗鄰,西部為原14112工作面和14113工作面采空區(qū)。工作面設(shè)計長度303 m,工作面凈寬155.4 m。工作面回采將通過2條平行腰巷,2條腰巷與工作面夾角均為68°,2條腰巷水平間距20 m,腰巷貫穿整個回采過程,直至停采線,如圖1所示。第1條腰巷長637 m(原14113主運巷),第2條腰巷長475 m(原14112主運巷),且為2條腰巷平行布置。根據(jù)以往回采過腰巷的經(jīng)驗[5],在工作面推進至距腰巷20 m范圍內(nèi),大多出現(xiàn)巷道頂板下沉、兩幫變形、底鼓等現(xiàn)象,為工作面正常回采造成很大的困難,且安全隱患較大。過腰巷期間,易出現(xiàn)揭露位置支架上方頂板垮落,導(dǎo)致支架前巖矸堆積、支架頂梁不接頂,或是支架壓架現(xiàn)象進而引發(fā)行程降低、采高不足等問題。若腰巷的超前支護與工作面推進度不協(xié)調(diào),或偽斜角度調(diào)整不合理將導(dǎo)致所過巷道揭露面積過大,造成腰巷與工作面之間大面積垮落,出現(xiàn)冒頂事故。以上情況在工作面煤層傾角大的位置,將會變得更加嚴重。

圖1 14113跳面工作面雙腰巷平面示意圖Fig.1 Double waist roadway of 14113 working face

2 腰巷超前支護方案對比分析

2.1 傳統(tǒng)過腰巷頂板管控技術(shù)[6]

回采工作面通過腰巷與工作面切眼夾角范圍為0°～90°,工作面回采過程中工作面機頭或機尾將首先揭露腰巷,腰巷原巷道支護方式均采用“錨、索、網(wǎng)、鋼帶”聯(lián)合支護方式。為保障順利通過腰巷,需對腰巷內(nèi)巷道進行超前補強支護,傳統(tǒng)腰巷補強支護方案為:錨索懸掛工字鋼、單體工字鋼棚、道木木垛3種組合方式。下面以井工一礦典型19106工作面腰巷為例進行說明。19106工作面腰巷斜長316 m,傾向垂直長度115 m,腰巷與工作面夾角70°,如圖2所示。

圖2 19106工作面腰巷平面示意圖Fig.2 Waist roadway of 19106 working face

2.1.1傳統(tǒng)腰巷超前支護工藝

1)主動補強支護。為防止工作面揭露腰巷大面積垮落,采用錨索懸掛工字鋼,補打錨索并吊掛長4.5 m的11#礦用工字鋼梁,錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×10 300 mm,每根鋼梁上施工3根錨索,鋼梁排距為1 m。鋼梁吊掛方向垂直于腰巷走向。

2)被動單體支護。為確保揭露區(qū)域頂板可控,腰巷內(nèi)采用單體工字鋼棚。4.5 m長工字鋼梁吊掛頂板后,需在每根工字鋼梁下打5根懸浮液壓單體支柱,單體間距為0.8 m,如圖3所示。

圖3 工作面腰巷支護剖面圖Fig.3 Support sectional view of waist roadway in working face

3)被動木垛支護。為實現(xiàn)腰巷揭露后緩慢垮落,防止采后頂板大面積來壓,需對腰巷內(nèi)進行道木木垛施工。腰巷內(nèi)使用200 mm×200 mm×1 200 mm的道木,施工成井字型加強支護,道木間排距根據(jù)腰巷寬度和一次揭露范圍確定。

4)其余地點補強。腰巷兩出口開口,沿輔運巷下幫使用4 m懸浮單體打2排點柱進行支護,單體間排距1 m。腰巷內(nèi)受斷層、地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域,巷道頂板超高且輕微破碎。使用10.3 m錨索將長4.5 m 的11#礦用工字鋼梁從兩端懸吊在頂板,保證鋼梁高度與兩側(cè)巷高一致,鋼梁間距為0.8 m;再使用200 mm×200 mm×1 200 mm的木垛接頂;每根鋼梁進行一梁五柱單體支護,單體間距為0.7～1.0 m。在該段兩側(cè)使用200 mm×200 mm×1 200 mm的道木打木垛加強支護,防止頂板冒落,如圖4所示。根據(jù)工作面回采經(jīng)驗,自斷層面向兩側(cè)20 m范圍內(nèi)的頂板破碎嚴重,經(jīng)常發(fā)生冒頂事故,導(dǎo)致工作面空頂,支架失穩(wěn)。

圖4 傳統(tǒng)腰巷補強支護圖Fig.4 Reinforced support in traditional waist roadway

2.1.2傳統(tǒng)腰巷支護工藝的缺點

1)支護成本高。為有效控制頂板,巷道主動、被動支護的布置密度較大,大量支護勢必會增加回采成本。

2)回采工藝復(fù)雜。工作面回采過腰巷期間,需回采一刀對腰巷內(nèi)揭露的單體進行回收,同時需要對過腰巷進入工作面煤溜系統(tǒng)的道木進行回收,嚴重影響工作面過腰巷的時間,無法實現(xiàn)快速過腰巷的目標。

3)安全風(fēng)險大。工作面過腰巷期間,頂板下沉嚴重,底鼓、兩幫變形嚴重,需人工回收腰巷內(nèi)單體等材料,增加了停機人員進入腰巷的風(fēng)險,增加了回撤過程中的安全隱患。

2.2 腰巷超前支護方案對比分析

方案一:采用主動、被動支護相結(jié)合的方式,2條腰巷采取錨索+鋼梁+木垛的支護方式。錨索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的19芯鋼絞線,間排距2 m×1 m,每排3根,并加掛5 m長的11#工字鋼,木垛每隔10 m架設(shè)2組,如圖5所示。在383 m支護范圍內(nèi),合計使用1 062根錨索,354根鋼梁,74組木垛。該方案中雖然腰巷提前支護完畢且密閉后作業(yè)人員不再進入、頂板支護范圍廣、支護效果好、人員安全保障性高,但工程量較大,需增加工程及材料費用320萬元。此外后期工作面在過腰巷期間大量道木將進入煤量系統(tǒng),此后如果回收會增大安全風(fēng)險,如果不回收則會影響原煤煤質(zhì)。

圖5 腰巷超前支護方案一示意圖Fig.5 Advanced support 1 for waist roadway

方案二:腰巷內(nèi)超前整體支架創(chuàng)新應(yīng)用[7]。為降低工作面回采過腰巷時的安全風(fēng)險,該方案在雙腰巷內(nèi)各增加2組ZFDC26500/25/40型超前支架,雙腰巷內(nèi)超前支架采用遠程供液,并隨工作面回采向前推移,如圖6所示。該方案可以減少大量腰巷單體、木垛、錨索鋼梁的補強支護施工,利用超前支架1 200 kN的工作阻力有效實現(xiàn)了對頂板的超前支護,縮短了人員進入雙腰巷的時間,降低了安全風(fēng)險。

圖6 腰巷超前支護方案二示意圖Fig.6 Advanced support 2 for waist roadway

2.3 方案優(yōu)化對比分析

優(yōu)化后的方案一減少了工字鋼抬棚支護,比傳統(tǒng)支護減少了一項聯(lián)合支護。但是過巷回采期間回撤木垛與清除進入工作面腰巷支護的錨桿、錨索或網(wǎng)片等工作量比較大,此工作一般是要進入危險區(qū)采取栓繩拉柱或其他支護材料,特殊情況還要動火截割錨桿、錨索,危險系數(shù)比較高。該方法適用于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,不適宜安裝超前支架或巷道與工作面穿層(不在一個層位)的條件。

優(yōu)化后的方案二,雖然工藝技術(shù)要求比較高,裝備繁多,但是安全性特別可靠,可大幅度提高綜采工作面回采期間的頂壓防控能力,且可減少回采期施工人員回撤木垛,清除進入工作面腰巷支護的錨桿、錨索或網(wǎng)片的工作量,從多方面減少了過巷其余工作量,也增加了人員安全性。特別是超前支架頂壓防控能力比較大[8],可大大提高綜采工作面回采過巷的安全性。

3 腰巷超前支架支護技術(shù)

要實現(xiàn)14113跳面工作面腰巷內(nèi)使用超前支架,需解決超前支架的遠程供液問題,保障隨工作面回采可實現(xiàn)同步移架、過架維護頂板,實現(xiàn)動態(tài)頂板管理。主要遠程供液設(shè)計[9]工藝如圖7所示。

1)14113跳面兩腰巷內(nèi)液壓支架供液由工作面設(shè)備列車進行遠程供液,由工作面輔運巷遠程供液鋼管分出。

2)14113跳面兩腰巷保護煤柱間距為20 m,為減少人員進入腰巷的操作時間,兩腰巷每間隔50 m施工1組鉆孔,采取“一趟供回液向兩腰巷供液”的方式,實現(xiàn)2組超前支架作業(yè)。

3)工作面主運繞道處接三通分出一路進行遠程供液,另一路回液,使用Φ51 mm高壓軟管,穿過繞道風(fēng)門后進入14113腰巷。

4)工作面第一腰巷(14113主運巷)內(nèi)鋪設(shè)高壓鋼管2路,一進一回,在圖7中所示位置增設(shè)三通接頭,并在1、2、3三通出口處安裝閘閥,通過墻面鉆孔鋪設(shè)Φ51 mm高壓軟管至14112主運巷。

5)工作面第二腰巷(14112主運巷)內(nèi)鋪設(shè)2路Φ51 mm高壓軟管至工作面方向,為超前支架臨時供液,同時在遠程供液主管路安裝1組閘閥。

6)工作面正常回采過程中,逐步拆除腰巷內(nèi)高壓鋼管,每到達距離鉆孔10 m的位置時,則停止該處鉆孔管路的使用,使用下一處鉆孔管路。更換鉆孔前,在第二腰巷(14112主運巷)內(nèi)臨時鋪設(shè)2路Φ51 mm高壓軟管,以保證14112主運巷支架供液。

7)安裝過程中需在第二腰巷(14112主運巷)與第一腰巷(14113主運巷)內(nèi)布置3組鉆孔(50 m一組),每組2個鉆孔,均套4寸鋼管。

8)工程初期,2組超前支架初次撐起時的供液由工作面液壓支架臨時提供。

圖7 14113跳面工作面腰巷遠程供液布置示意圖Fig.7 Remote liquid supply layout in waist roadway of 14113 working face

4 雙腰巷超前支護安全保障

4.1 過巷道前的準備工作

1)通風(fēng)部門提前做好風(fēng)量調(diào)試工作,保障工作面接通腰巷后風(fēng)量正常。腰巷內(nèi)提前設(shè)置柵欄,嚴防人員誤入。

2)準備道木等支護材料,便于頂板出現(xiàn)緊急情況可立即投入使用。

3)工作面接近腰巷邊緣時,調(diào)整工作面采高,保持工作面采高與腰巷高度一致,可減少煤壁片幫和實際挖底量,工作面和超前架推移速度要保持協(xié)調(diào)。

4)提前做好礦壓觀測,將周期來壓數(shù)據(jù)進行匯總分析,根據(jù)來壓位置和來壓步距,科學(xué)避開揭露腰巷時的周期來壓,防止應(yīng)力集中,頂壓顯現(xiàn)。

4.2 過巷道期間的主要安全防范措施

1)端面破碎或端面距較大時,支架必須及時伸出伸縮梁,防止工作面漏頂。

2)揭露腰巷時工作面支架必須超前拉出,并打出伸縮梁,實現(xiàn)超前移架。

3)對于頂板破碎、漏矸段拉架時,采用帶壓移架,少降快拉,滯后煤機滾筒3架及時移架的方法。

4)煤機與支架要配合好,根據(jù)頂板情況采用停機等架或邁步移架(隔一架拉一架)的方法。

5)支架要接頂嚴密,若不接頂,可采取木垛剎頂?shù)姆绞街ёo頂梁前端,防止發(fā)生切頂。

6)過腰巷期間,嚴禁作業(yè)人員架前作業(yè)、停留或通過;兩端頭超前架及腰巷超前架也要超前拉出。

4.3 漏矸處理

1)割煤時頂板要保證支架平緩過渡,支架狀態(tài)應(yīng)調(diào)整好,不得出現(xiàn)低頭或抬頭支架。

2)由經(jīng)驗豐富的拉架工根據(jù)實際情況拉架,拉架要從頂板破碎區(qū)的兩邊向中間拉,防止頂板破碎范圍擴大,盡量減少矸石的冒落。

3)及時調(diào)整架型。對頂板冒落較高、支架不能接頂?shù)牡胤?要調(diào)整好架型;對于能接頂?shù)牡胤綉?yīng)盡量接頂,并保證支架初撐力。

4.4 冒頂處理[10]

過腰巷有時會出現(xiàn)冒頂情況,發(fā)生冒頂后,可采取以下處理方式。

1)如果矸石埋住工作面電纜,則首先用搖表搖測工作面電纜,發(fā)現(xiàn)電纜絕緣值較低時查明原因后進行處理。

2)檢查工作面前部刮板輸送機能否開動,如果不能開動,則將頂幫支護好后組織人員進行清理。

3)支護時首先用礦用撞楔控制冒落區(qū)頂板,然后用礦用11#工字鋼配合單體支柱及菱形網(wǎng)在支架前梁扶走向棚,由兩端向中間維護。棚距根據(jù)現(xiàn)場情況確定,采取一梁三柱的方式。扶棚必須注意安全,首先是進入作業(yè)現(xiàn)場嚴格執(zhí)行先檢查后工作制度,確保人員能在安全的環(huán)境中施工方可進行作業(yè);其次是作業(yè)前,要嚴格執(zhí)行敲幫問頂制度,用長柄工具找到幫頂?shù)膽腋∶簤K,所有人員必須躲開煤塊可能掉落的地點;再次,扶棚要由冒頂區(qū)域兩端向中間逐棚進行,現(xiàn)場要協(xié)調(diào)一致;然后在接頂作業(yè)時,作業(yè)及監(jiān)護人員必須隨時觀察頂幫情況,發(fā)現(xiàn)來壓后,技師撤到安全地點,并保障緊急撤退路線暢通;最后在處理冒頂作業(yè)期間,如果工作面有前后溜,后部刮板輸送機要定期開動,防止壓死。

4.5 壓架處理[11]

過腰巷期間,如果回采工藝、頂板控制及其他管理手段控制不好,會出現(xiàn)上部頂板壓力大,導(dǎo)致支架工作阻力急劇增加,超過最大工作阻力的情況,使支架行程降低,不能移架。

1)如果支架被壓死,首先采用人工清理臥底的方法進行處理。如人工無法清理或清理后無效果時,則采用放炮臥底并用單體支柱輔助移架,放炮需另行編制專項安全技術(shù)措施。

2)支架工移架時必須2人一組,一人觀察、一人作業(yè)。支架必須帶壓移架,移架后及時將護幫板打開,并升足壓力,初撐力不低于24 MPa。

5 效益分析

14113綜采工作面過雙腰巷超前支護研究與應(yīng)用實踐,成功解決了工作面回采中的頂板超前管控、遠程供液等技術(shù)難題。在腰巷內(nèi)成功實現(xiàn)使用整體超前支架管控頂板,實現(xiàn)腰巷超前支架遠程供液操作支架[12];通過腰巷鉆孔聯(lián)通采取“一趟供回液向兩腰巷供液”[13],實現(xiàn)2組超前支架同步作業(yè)、近距離雙腰巷同時回采的頂板管控。

1)經(jīng)濟效益[14]。對比傳統(tǒng)腰巷支護方式,腰巷內(nèi)超前整體支架的創(chuàng)新應(yīng)用,減少單體、道木、工字鋼、錨索補強支護、底鼓二次臥底等工程費用近480萬元,同時大大降低了員工的勞動強度。

2)安全效益。對比傳統(tǒng)腰巷支護方式,雙腰巷超前支護研究與應(yīng)用實踐,采用工作阻力1 200 kN的超前支架,有效提高了對腰巷的頂板管控,杜絕以往揭露腰巷時不同程度頂板冒頂?shù)陌踩L(fēng)險;同時降低了作業(yè)人員進入兩腰巷回收單體等材料的安全風(fēng)險。

3)社會效益。14113跳面綜采工作面過雙腰巷超前支護研究的成功應(yīng)用，為煤礦開采過類似腰巷總結(jié)了經(jīng)驗,實現(xiàn)了機械化過腰巷的技術(shù)創(chuàng)新?，F(xiàn)場圖如圖8所示。

圖8 回采現(xiàn)場超前頂板管理圖Fig.8 Advanced roof management in mining face

6 結(jié)論

井工一礦14113工作面過雙腰巷超前支護技術(shù)的實踐應(yīng)用,成功實現(xiàn)了工作面回采過程中安全高效、降本增效、本質(zhì)安全過腰巷的創(chuàng)新目標。該研究及應(yīng)用實踐較以往回采技術(shù),實現(xiàn)了超前支架對腰巷的頂板管控,有效提高了對腰巷頂板的高工作阻力管理,有效控制了腰巷的頂板下沉、兩幫變形、底鼓等現(xiàn)象,確?；夭身樌?同時實現(xiàn)了過雙腰巷對超前支架遠程同步供液的目標,從源頭消除了隱患,實現(xiàn)了安全高效回采。