综放工作面高效回撤与末采顶板控制技术

2020-01-09王惠风陈殿赋

陕西煤炭 2020年1期

王惠风，陈殿赋

(神东煤炭集团保德煤矿，山西忻州 036600)

0 引言

在保障作业人员、机电设备及作业环境安全的基础上，缩短回撤时间，提高工作面回撤效率和工作面接续率是现代化高效矿井建设的重要内容之一[1]。采用预回撤多通道技术，配合采高及层位的调整、矿压观测、注射高分子材料等工艺，具有工效高、工艺简单、挂网效率高等特点，成功实现工作面高效回撤[2-6]。综放工作面快速搬家技术与设备已经满足高效回撤的条件，纤维柔性网代替金属网具有施工工艺简便、联网质量好、安全性高等特点[7]。受工作面回采动载压力影响，两顺槽、回撤通道均出现顶板冒落、底鼓、片帮等剧烈的压力显现，对重点区域采取二次补强支护可以保障回撤期间作业环境安全[8]。

为了安全、快速、高效贯通回撤，总结以往工作面贯通回撤经验，结合保德煤矿81505综放工作面现场生产实际，超前谋划并采取多项技术措施，以期实现缩短回撤工作所需时间的目的。

1 工程概况及放煤位置的确定

1.1 工程概况

保德煤矿位于山西省保德县，属晋北大型煤炭基地河东煤田的河保偏矿区，矿井绝对瓦斯涌出量为78.48 m3/min，相对瓦斯涌出量为11.08 m3/t，为高瓦斯矿井。井田内含煤地层为下二叠统山西组(P1s)和上石炭统太原组(C3t)，可采煤层有8#、10#、11#、13#，目前开采最上部8#煤，属于II类自燃煤层，自然发火期为105～262 d，火焰长度150 mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉量为60%，具有煤尘爆炸性。81505工作面长240 m，推进长度1 856 m，煤层厚度6.2～9.2 m，平均厚度7.6 m，煤层结构较为复杂，含夹矸4～5层，煤层倾角1°～6°，平均3°左右，煤的坚固性系数f为0.72，煤层走向近南北。老顶为中粗粒砂岩，厚度3.6～25.5 m，直接顶为砂质泥岩，厚度6.12～11.52 m，直接底为砂质泥岩、细粒砂岩，厚度0.6～3.99 m。工作面沿煤层倾斜布置走向推进，采用走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，采用“两进一回偏Y”型通风方式，设计风量为2 600 m3/min。矿井综放工作面采用的主要重型设备参数，见表1。

表1 综放工作面机械设备参数

81505综放工作面采用预掘的主、辅双回撤通道，即在工作面回采前，已合理布置掘进主、辅回撤通道。与传统的采用采煤机扩帮留设回撤空间比较，该技术具有超前布置、工序简单、准备充分等特点，为综放工作面快速回撤创造了良好的条件。

1.2 停止放煤位置的确定

放顶煤工作面由于顶煤放出后增大了采空区，为顶板的运移下沉释放了空间，加速了顶板的破断、裂隙增大、弯曲下沉。遇到顶板形成台阶岩梁或者短砌体梁，支架受力将会增大，伴随而来的则是支架压死、煤壁片帮、两顺槽出现底鼓、冒顶及片帮等矿压显现。为了减少或缓冲工作面压力及回撤通道的变形量，末采段采取不放煤的措施，既有利于保障支架搬运车、铲车等大型回撤设备所需的工作空间，又加速了工作面的推进速度。工作面末采期挂网的位置一般距终采线15～18 m，需要结合工作面的推进速度、工作面上覆基岩厚度变化、单个或多个关键层的破断及受冲刷带构造等因素综合确定工作面停止放煤位置。81505工作面周期来压步距为21～25 m，结合保德煤矿地质条件和工作经验，确定不放煤距离为2倍周期来压步距，即工作面距主回撤通道50 m处停止放煤，且满足挂网条件。

2 贯通前期准备

81505综放工作面贯通前期准备不仅决定贯通回撤时间长短、贯通质量好坏，而且直接影响贯通时的作业环境、人员安全、设备完好，因此贯通前期准备非常必要，且要准备可靠、有效。

2.1 采高及层位调整

工作面上、下两顺槽调齐：根据81505综放面现场条件，需提前有意识的调整工作面机头、机尾至回撤通道的距离，保证在距离回撤通道15 m时工作面上、下两顺槽至回撤通道的距离一致，确保工作面前、后部刮板输送机及液压支架不上窜、下滑。

工作面采高调整：技术人员提前对采煤机司机根据支架内采高观察链控制采高的具体原理和注意事项进行再培训，并在距离回撤通道100 m时，组织人员对支架内采高观察链重新进行调整，保证吊挂准确。采煤机司机割煤时根据支架大柱台阶所对应的采高观察链刻度值及对应的支架架型(仰头、勾头)开始调整采高；在距贯通50～20 m时技术人员负责每天观察1次回撤通道顶板下沉量和回撤通道内的顶板支护的完好情况并做好记录；在距贯通20 m至挂网前，则每班观察2次；从挂网开始直至贯通采煤技术员负责每2刀观察1次，根据回撤通道顶板下沉量指导煤机司机及时调整工作面采高，直到贯通结束，保证工作面顶板与回撤通道顶板持平或稍高于通道顶板但必须小于200 mm。

工作面层位调整：管理人员随时掌握工作面现有层位状况及每班的推进度，在距离主回撤通道临近50 m时，由地质测量专业人员详细测量工作面层位状况，并绘制工作面层位素描图。每天由技术人员每6架(10.5 m)标记一点，将每一点层位情况做成卡片挂于对应支架上，便于末采时及时调整。工作面现场带班队长和班长必须参考标记层位和现场层位状况及时调整每刀层位，确保挂网贯通前工作面层位和回撤通道层位一致。

2.2 矿压观测

工作面距主回撤通道小于等于200 m时，技术人员每间隔10架液压支架进行标记，以备记录工作面压力数据，以PM 32显示数据为准，要求现场跟班队干每循环超前采煤机前滚筒10架依次记录PM 32显示的压力数值。一是班后及时分析生产过程中工作面的压力状况，并把压力数值上传到矿压数据管理系统，根据矿压曲面图得出工作面周期来压步距；二是结合实际观测数据，对工作面顶板压力分析研究，确定工作面周期来压步距；三是综合两者分析结果，根据工作面现场矿压状况，最终确定工作面周期来压步距。并及时对压力持续距离及来压强度等进行研究分析，预测贯通前的来压时间、来压强度和位置，必要时通过调整推进速度避开贯通时周期来压。

2.3 设备检修及材料准备

设备检查：各检修组对所有设备进行全面仔细的检查，查出的问题及时处理，可能损坏的配件准备到位。挂网前必须保证所有支架都达到初撑力，确保顶板完整。

支护班工作准备：挂网前由支护班将4台锚索钻机、锚杆、锚索、树脂、钻杆等材料运送至工作面，并码放整齐。必须提前在工作面中部将4台锚索钻机及2台张拉泵准备好安设完好，并接好管路，另备用2台。

综采队工作准备：挂网前综采队将柔性网、14#联网铁丝、卡箍、手动绞盘、撩网滑轮、手动葫芦等器具材料根据需求用量运送到位，并按照施工工序分类码放整齐。根据一台支架需一个手动绞盘、卡箍及定滑轮，将卡箍及手动绞盘安装在液压支架的立柱上，定滑轮安装在液压支架的起重环上，且保证定滑轮的方向与手动绞盘方向一致。连接绳索的绞盘和滑轮，其锁扣按要求将绳索从绞盘引向网区，其中绞盘和滑轮至少有5套备用。

注意事项：工作面推至距主回撤通道正帮15 m时，严格执行跟机拉架，必须将支架护帮板打出并紧贴煤壁，指定专人巡查，如发现护帮板出现滞泄现象，立即进行补液。由专人负责处理工作面煤壁片帮、顶板磷皮，确保无安全隐患后进行挂第1茬网。

3 纤维柔性网铺网施工工艺

工作面距离主回撤通道15 m时开始挂网，使用纤维柔性网具有联网工序比较简单、工作量较小、联网质量较好、安全系数高等优点，避免了因煤壁片帮及顶板浮矸造成的伤人事故，提高了联网效率，增加了末采期的推进度，缩短了作业循环周期。

3.1 挂网施工步骤及铺网割煤工艺

挂网施工步骤：安装施工时共分4大步骤：①柔性网片进入现场后展开，根据顶板情况确认是否吊挂钢丝绳；②吊起柔性网片后割煤进刀；③割煤进刀后，放网，然后按顺序移架，再吊起柔性网；④柔性网片铺设完成，连网及锚索固定，然后开始回撤。

铺网割煤工艺：铺网割煤工艺示意如图1所示。采煤机准备割煤前，转动手动绞盘拉紧钢丝绳将柔性网拉起，采煤机开始割煤；采煤机割煤完成后，松开手动绞盘缓慢将柔性网放下，然后跟机拉架，拉架完成后，再次转动手动绞盘将柔性网拉起，采煤机返机清浮煤。

3.2 纤维柔性网铺网施工工艺

工作面顶板基本完好时，使用支架前梁配合联网，具体施工工艺如下。

铺设前准备：在准备铺第1茬网前，最后一刀煤由煤机司机负责调高采煤机后滚筒的位置，只割顶煤、不割底煤，使工作面煤壁留出平整的、截深足够的台阶，形成便于搭设打眼的工作台，不拉支架；处理完工作面煤壁片帮、顶板磷皮后，拉空前、后部刮板运输机，闭锁工作面三机。

网片拖动：把采煤机停放在机头位置，使用前部刮板运输机配合采煤机向机头位置拖动网片，直到把全部网片拖到工作面。

图1 铺网割煤工艺示意

剪断绳索：各组将外面捆住网片的绳索剪断，放开折叠部分，使网片留4 m长露在外面，便于安装。

钩锁钢丝绳：将支架绞盘钢丝绳从柔性网下方穿过，并用自锁钩头锁住柔性网第1道钢丝绳。

挑网及打锚杆：从工作面中部开始，分2组向两头隔架降架挑网。打锚杆与挑网同步进行，对网片进行固定，逐架作业；如遇顶板破碎，必须打锚索固定网片。

支护要求：每两架使用φ16 mm×1 800 mm金属锚杆在支架架缝处打一个眼，距顶梁前梁端100～200 mm。

柔性网铺设：前期工作完成后，收回支架护帮板，逐架转动手动绞盘将柔性网吊挂在液压支架前梁下方并咬紧，开始正常割煤。割煤长度在一个采煤机机身长度时，开始将柔性网放下，逐次缓慢匀速降架、拉架、升架，防止液压支架与柔性网之间出现刮卡、损坏网片现象。以此类推将整个工作面柔性网铺至顶板。

4 顶板控制技术

随着工作面的推进，超前支撑压力对回撤通道和两顺槽空顶区域较大处的围岩影响逐渐增大，表现为工作面顶板破碎范围大、煤壁片帮严重，主回撤通道顶板冒顶、两帮片帮、底板鼓起等矿压显现特征，巷道抹角空顶区域较大处顶板冒落、锚杆失效、锚索退锁具等现象，严重制约了回撤工作速度[9-10]。因此，为保持顶板压力稳定、减少巷道变形量，在工作面末采期间实施提高支架工作阻力、注入高分子材料、强化补强支护工艺等技术措施是必要的。

4.1 提高支架工作阻力

当工作面基岩厚度、松散层厚度等地质条件固定时，提高支架工作阻力可有效控制工作面顶板压力，增强支护强度，可有效降低顶板下沉量，避免支架被压垮、压死等现象。81505综放工作面采用ZFY12500/25/39D型两柱放顶煤液压支架，其额定工作阻力为12 500 kN，支护强度为1.21 MPa。81505综放工作面回采过程中，来压时最大动载系数为1.15，工作阻力约为14 500 kN，安全阀开启明显且持续时间较长。为了有效控制81505综放工作面顶板，防止漏顶、片帮等现象，将液压支架安全阀开启压力由12 500 kN提高到15 000 kN，液压支架强度由1.21 MPa提高到1.45 MPa，有效减少了顶板下沉量，在终采线位置液压支架开启率为4.3%，且未发生支架被压垮、压死现象。

4.2 注入高分子材料

马丽散：马丽散是一种低粘度，由树脂和催化剂双组分合成的高分子——聚亚胺胶脂材料，通过专用设备和混合枪注入到松散或破碎的煤岩体裂隙中，沿煤岩层裂缝延展直到将所有裂隙进行充填，混合后能迅速反应，生成高强度、高韧性的固结体，把原来松散的、破碎的、不连续的煤岩体围岩胶结成连续的、完整的受力体。

注入方式：81505综放工作面距离主回撤通道50 m时开始注入马丽散高分子材料。为了保证工作面顶板和煤体充分加固，共设计两组不同角度钻孔，钻孔交错布置，间距3 m，钻孔长8 m。第1组钻孔距底板1.5 m，钻孔与工作面顶板呈15°仰角，加固工作面采高范围内煤体；第2组钻孔距顶板1.5 m，与工作面顶板呈45°，终孔距顶板4.2 m，加固顶煤和直接顶，预注马丽散钻孔设计参数见表2。81505主回撤通道长240 m，共计施工高分子材料钻孔58个，每两个孔预计注射高分子材料1.4 t，总计41.3 t；工作面贯通预注高分子材料施工设计如图2所示。

表2 钻孔设计参数

图2 工作面贯通预注高分子材料施工设计

4.3 补强支护

补强支护的必要性：工作面两顺槽受回采动载压力影响均出现了不同程度的顶板冒落、底板鼓起、煤壁片帮等压力显现；主回撤通道内巷道支护锚索出现拉断、锁具回缩等造成巷道支护失效等现状，为作业人员的作业环境带来极大的安全隐患，且严重制约了工作面安全高效贯通。

补强支护的方式：在判定原巷道锚索最大的悬吊力小于回采期间采空区顶板断裂对巷道的冲击力，根据GB/T 5244—2014标准，现选用更大直径的φ28.6 mm×8 000 mm锚索替代φ21.6 mm×8 000 mm锚索，即锚索采用1排2根与1排3根交替呈“五花”布置，排距为1 m，间距分别为1 500 mm和2 200 mm，巷道具体支护形式如图3所示，两种型号锚索主要参数对比见表3；主回撤通道锚索采用1排4根，锚杆1排5根，呈交替布置，排距1 m，主回撤通道支护断面如图4所示。解决了压力显现剧烈的难题，保证了回撤过程中安全高效的作业环境。