“三软”煤层“大倾角”\“大俯采”综采工作面开采关键技术研究

来源:用户上传      作者: 洪继伟

　　摘要：淮北矿业集团扬庄煤矿针对深水平、“三软”煤层“大倾角”、“大俯采”综采工作面存在的问题进行技术分析，在设备选型、顶板管理、矿压监测、工艺改革、劳动组织、安全管理等方面进行完善，改进管理措施，有效指导工作面生产，实现了综采工作面安全、快速回采。
　　关键词：三软；大俯采　大倾角　综采工作面开采　关键技术研究　安全快速回采
　　
　　淮北矿业集团杨庄煤矿已有40多年的开采历史，属于中老年矿井，现矿井二、三水平采场萎缩，已拓展四水平采场地质条件复杂，属典型的“三软”煤层，且煤层埋藏深、倾角大。顶底板难以管理，开采技术难度大。
　　为实现深水平、“三软”煤层、“大倾角”、“大俯采”综采工作面安垒快速回采，四水平Ⅳ2采区首采W528综采工作面在设备选型、顶板管理，矿压监测、工艺改革、劳动组织、安全管理等方面进行研究，完善，改进管理措施，有效指导工作面生产，月产量保持在65kt以上，取得了较高的经济效益。
　　
　　1、工作面概况及设备选型
　　
　　1.1 W528综采工作面概况
　　W528综采工作面为杨庄煤矿Ⅳ水平W2采区首采工作面，其煤层赋存条件与我矿已开采或在开采的工作面有明显差别，主要表现在：①顶底板皆为软岩，巷道维护困难。该面直接顶为深灰～灰色块状、破碎的松软泥岩，平均3.2m；工作面处深部褶曲构造带，构造应力集中，煤层裂隙发育，煤层软，f<1.5；工作面机凤巷原设计支-护形式为锚带网支护，由于在掘进施工过程中地压大，巷道变形严重，两巷支护不得不改为“u”型钢棚支护；工作面在回采过程中，工作面倾角、俯采角度大，煤机装煤、移架抵车困难，严重制约工作面推进度，煤层埋藏深。该工作面为深部区域，工作面切眼标高为500m，最低点标-高为730m，原岩应力大，裂隙、断层发育，受煤层顶、底板砂岩裂隙水及火成岩凝聚水的影响，正常涌水量18－20m3／h，最大涌水量可达50m3／h。
　　1.2“三机”优化选型
　　W528I作面位于代圩子向斜北翼，受其影响煤层倾角变化较大，局部有煤层变薄、火成岩侵入现象。工作面北部(拐点前30米向里)煤层赋存相对稳定。工作面煤层倾角5°－30°，平均17°；俯采角度为：机巷5－23°，风巷6°－20°，煤层厚度0.25-3.5m，平均2.6m，工作面倾向长150米，走向750米。针对该面地质条件，优化“三机配套”，选用高工阻、整顶梁、配置伸缩前梁及防片帮板的支架以适应高地压工作面支护顶板的要求；大功率的煤机(配备弧形挡煤板)、运输机以适应工作面过煤层变薄区、火成岩侵蚀区的要求；增大支架推移千斤顶推溜力、增设推移框架限位以解决大俯采抵车困难、运输机易翻车的问题。工作面“三机配套”最终确定为：ZY6800-19／40支架、SGZ-800／800型运输机、MG400／920-WD采煤机。
　　
　　2、开采关键技术及采取安全技术措施
　　
　　2.1防治水管理
　　IV528工作面主要受煤层顶、底板砂岩裂隙水及火成岩凝聚水的影响，正常涌水量18―20m／h，最大涌水量可达50m／h，治水工作较困难。为确保机巷排水线路的畅通，设计并施工了IV528放水巷，并在放水巷下部施工了沉淀池，为有效地拦截水煤，达到煤水分流，减少水煤对皮带机系统影响的同时，实现机巷文明生产的目的，根据现场条件，先在工作面涌水量较大地段设坝截水，并预留一趟4寸管路，将水经细砂网过虑后引至设置好的截水坝(加篦子)，通过4寸管路将水自流至W528放水巷；最后经放水巷下部沉淀池过滤后流走。为保证正常排水，每班安专人对排水管路进行维护、对沉淀池进行清挖，不仅实现了煤水分流，还达到了机巷排水线路畅通的目的。
　　2.2机巷设备的防飞、防滑管理
　　2.2.1皮带机防“飞车、飞矸”、倒架措施。
　　N528机巷为下山且角度较大，其中里段机巷5°～18°，平均15.7°，外段机巷10°－23°，平均19.5°，皮带机系统在生产易出现“飞矸”、“飞-车”、倒架现象。为解决“飞矸”、倒架问题，调整上托辊角度，使槽形角增大为40°-50°运输，提高了皮带的兜煤效果，减少了皮带机的撒煤量，在皮带机下帮使用金属网拦成一道挡矸网，以防飞出矸石、块煤进入人行道伤人；使用拉丝、钢丝绳对皮带机“H”架进行加固，以防倒架事故的发生。为解决皮带机“飞车”问题，对机巷皮带机齿箱增设了刹车装置、在上皮带下方加铺了一层废旧皮带以增添皮带机的摩擦力、调整皮带的松紧度等措施，控制了皮带机的惯性下滑，确J保了工作面的生产及人员的安全。
　　
　　2.2.2解决机巷转载机、移动列车拉移期间自动下滑措施
　　拉移前，在转载机机尾用链条配合千斤顶一架底座上，另一端用链条和锯齿环固定在转载机机尾链条上，作为转载机拉移时的留绳装置；在转载机跑道上安设卡轨器作为第二道保险，以便在转载机“下滑”时及时将转载机挡在卡轨器以里位置，作业人员不得站在转载机拉移范围内作业，以防转载机下滑时误伤人员。为解决移动列车拉移期间的自动下滑问题，制定如下专项措施：①使用两部回绞配合松车，一部松车，一部留绳，以防掉电或其他意外事故发生，②在列车前方轨道上增设卡轨器，多次松车，松一段卡一次，通过减少松车制动距离减少惯性下滑的冲击力；⑦松车结束后，所有车辆均用卡轨器卡牢，并补打“霸王桩”。
　　2.3 煤机、运输机、支架关键工序控制
　　(1)控制采煤机上行割煤速度，不宜超过3m／min。
　　(2)俯采角度<15°、每刀俯采量不超过160mm时，采煤机可直接卧底。推移输送机时要确保推移段俯角与工作面俯角一致，必要时可采用抬架千斤顶或液压单体支柱压住推移框架抵车，可有效防止输送机的侧翻。
　　(3)当俯采角度≥15°时，采煤机割煤时重心前移，卧底量将跟不上需要俯采量，抵车时输送机易出现侧翻。此时，抵车前要人工落车，采煤机割煤后人员将运输机与支架底座之间的浮煤攉尽，并将煤壁不足的俯采量人工卧够，然后进行抵车，由于运输机有防止侧翻的限位装置，并采用液压单体支柱压住推移框架抵车的辅助措施，不仅有效防止了抵车时运输机的侧翻，又为下一循环割煤顺利抵车创造条件。
　　(4)坚持工作面跟底回采是“大俯角”综采工作面取得成功的核心，若架前有底煤，必须人工清理干净，从而确保运输机、支架处于同一斜面。使工作面支架状态良好，并从根本上预防抵车时运输机的侧翻。
　　(5)安设采煤机的弧形挡煤板并加强检修，提高采煤机装煤效果，减少煤壁人工攉煤，减小运输机推移阻力，增大推移行程。
　　(6)加强工作面倾角、俯角的现场测量，及时调整工怍面“伪斜”角度，防止运输机“上窜”、“下滑”。由于该工作面为“大俯采”工作面，煤壁对运输机的正向侧压力较大；运输机为“封

底”式运输机，运行中对底板的摩擦力较小。工作面底板涌水量较大，造成运输机对底板的摩擦系数减小，鉴于以上因素，该工作面的运输机超前距离较其他回采工作面大大减少。经过长期的摸索，最终将工作面“伪斜”角度控制在工作面倾角的1／3―1／4，有效的控制了工作面的运输--机“上窜”、“下滑”。
　　(7)坚持“初撑力第一”的观点，加强工作面顶板的控制，预防工作面漏顶，支架蹬空现象的发生。
　　R发生片帮、顶板离层现象，及时使棚管理顶板。
　　(8)由于底板水较大，造成支架与顶底板的摩擦力小，易产生支架下滑，采取间隔移架发生，并及时控制侧板，以防止支架拉移过程中产生下滑。
　　(9)割煤过程中尽量找平顶底板，防止支架间出现错茬台阶，支架间落差不超过侧护板的2／3，确保侧护板的导向作用。
　　(10)严格控制工作面采高在2.2―3.8米，严禁支架超高。
　　(11)工作面伪斜开采，抵车顺序原则上自下向上进行。
　　(12)在机头端头架处安装防倒千斤顶，防止端头架倒架。
　　(13)在顶板破碎段采用超前人工管理顶板的措施，并恢复支架的防倒装置，移架过程中利用防倒千斤顶配合DWX31.5-25／100单体对歪斜支架进行调架，逐步实现支架状态正常。
　　2.5综采设备检修与使用
　　(1)加强职工培训，矿、生产区队针对该面为新设备，职工对设备性能不熟悉的现状，搜集相关技术资料及图纸，对电工、支架检修及操作工、煤机检修工及司机、运输机，转载机检修工、泵站司机进行培训，使之熟悉并掌握了相关知识及操作技能，为综采设备的检修及使用提供了才保证。
　　(2)加强对液压支架、采煤机、运输机的日常检修及使用，确保设备正常运转。由于工作面为“大倾角”、“大俯采”工作面，极易出现支架歪斜、运输机断底链、齿轨、煤机滑靴损坏，采煤机“掉道”事故。因此，在日常检修的同时，重点对运输机齿轨、采煤机行走部及滑靴、输送机煤壁侧连接销的检查，并采取了以下针对性措施：①煤机上行割煤，当牵引力超过700kN或行走箱出现异常声音，要立即停机查明原因，进行处理后方可割煤l②工作面抵车严禁出现急弯，采煤机在机头、机尾割煤时，要及时观察采煤机运行情况，防止脱轨；③工作面运输机采用特殊梯形齿轨并定期检查滑靴齿轨轮的磨损情况，发现滑靴、齿轴轮磨损严重时及时更换；d、严格控制工作面倾角突变角度；④经常检查煤壁侧输送机连接销，防止输送机脱销、错茬造成断链事故等。
　　2.6工作面及两巷矿压监测方案及结果分析
　　为全面了解工作面顶板运动情况，在工作面安设30块测压表和10块综采支架压力连续记录仪，对工作面支架进行了24小时连续监测。在工作面两巷距煤壁超前管理30m范围内，每5m布置一个观测点；距煤壁150m范围内、超前管理30m以外的地段，每隔30m布置一个测点；采用十字法对巷道表面顶底板位移速度及位移量、两帮位移速度及位移量、底鼓量，支架变形情况等进行监测，结果如下：
　　(1)工作面初次来压步距在28-31m，周期来压步距在8.5―12.5m，随着工作面倾角的变化，工作面来压步距由上至下呈逐渐增大的趋势。顶板岩层在工作面上段附近的运动幅度和破坏程度均在工作面中下段；工作面支架载荷的分布，顶板下沉量、来压显现程度、来压步距等沿采场倾斜方向均有所不同，表现为工作面上段支架载荷大于下段，上段顶板下沉量和下沉速度均比下段大，来压动载系数也是上段大于下段，上段的矿压显现比下段大，煤层倾角越大，这种差异也就越大。
　　(2)巷道在观测期间，顶底板最大平均移近量为410mm、移近率为15％；两帮最大平均移近量达660mm、两帮移近率为18％；底鼓量平均为230 mm，底鼓量约占顶底板移近量的56％。顶底板移近量和两帮移近量中，在工作面前方60―70m范围各自移近量约占总顶底板移近量和两帮移近量的23％，在工作面前方30m范围各自移近量约占总顶底板移近量和两帮移近量的42％；巷道围岩移近量主要发生在工作面前方0-30m范围内。巷道两帮移近量比顶底移近量大(约为1.6倍)。在采动影响范围以内，变形速度明显增大，巷道两帮移近速度比顶底移近速度大，是上帮变形>下帮变形>底板变形>顶板变形，尤其在工作面前方16-20m的范围内，底鼓出现加速现象。在采动影响范围以外，变形速度较小。
　　(3)为控制超前30m范围内受采动影响巷道的变型速度，尽量减少顶板的“二次松动”，并增加了两巷超前管理的支护强度。两巷超前工作面20-30m，根据巷道变型情况采取补打点柱的办法，超前工作面12-20m，在巷道中部挑一排走向挑棚；超前工作N5-8m，进行抹冒管理，在机巷抹冒管理时，用L3800的扒皮木料套棚，500－1200mm的短料或木楔接实顶板，然后在套棚木料下转载机两侧、人行道下帮挑三排走向挑棚；风巷采用HDJA-1000限位梁(代替木料)配合DZ35-25／100单体在原U型棚棚档内架设“三粱五柱”进行支护顶板。通过试验，该方法取得了较好的实用效果，两巷支护方式的改变，在采动影响范围内巷道变型速度较以前有明显减小，还节省了风巷木料的投入每月至少在10.7m。
　　
　　3、结论
　　
　　“深水平、三软、大倾角、大俯角”综采工作面，实现其安全、高产、稳产是一项复杂的系统工程，通过优化工作面“三机”配套、加强防治水管理、设备的防飞、防滑管理、关键工序的控制、设备管理、工作面及两巷的顶板管理、矿压及顶板监测技术、安全管理等方面有机结合，取得了较为极高的经济效益，为相似条件综采工作面的开采起到借鉴、指导和示范作用，具有极高的社会效益。
　　
　　参考文献：
　　【1】高明中，杨庄煤矿深水平复杂条件下回采巷道合理支护技术研究报告【D】.安徽淮南：安徽理工大学.2008

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