含夾矸厚煤層綜采工作面托夾矸回采工藝優(yōu)化

吳小斌

(山西焦煤集團有限責任公司 官地煤礦,山西 太原 030022)

當厚煤層存在夾矸現(xiàn)象時,根據(jù)巷道圍巖控制原則與相關技術研究,往往采用破夾矸跟煤層直接頂掘送方式[1-2],盡管這種方式對巷道控制較為有利,但在工作面回采期間,夾矸對煤壁穩(wěn)定性影響較大,易造成煤壁片幫現(xiàn)象[3-5]. 同時回采夾矸后對煤質(zhì)影響明顯、造成大量矸石需篩選處理,影響經(jīng)濟效益,特別對于一些老舊礦井,受運輸條件制約,大采高設備無法投入使用,導致工作面回采時不得不選擇留少量底煤回采,與《煤礦安全規(guī)程》第九十八條相違背,亟需對該回采工藝進行優(yōu)化。

1 工程背景

官地礦18502工作面是南五采區(qū)下組煤采區(qū)首采工作面,回采8#煤層,工作面可采長度665 m,采長239 m,可采儲量72萬t. 該工作面煤層為復雜結構煤層,全工作面穩(wěn)定可采,8#煤層含一層夾矸,厚度0.4～3.0 m,平均厚度為1.70 m,普氏系數(shù)為1.5～2,其巖性為厚度變化較大、較軟弱且無穩(wěn)定層面的炭質(zhì)泥巖,含硫分大,回采中易隨采隨落,控制難度極大。8#上厚度為0.5～1.45 m,平均厚度0.98 m,8#下厚度為2.3～4.0 m,平均厚度3.15 m,煤層柱狀圖見圖1.

圖1 18502工作面煤層柱狀圖

該工作面使用ZY9600/25.5/55D掩護式支架,支撐高度2.55～5.5 m,最大有效支撐高度5.3 m. 工作面于2022年5月1日開始初采,采用跟8#上直接頂開采的方式回采,夾矸厚度2～2.5 m,受支架支撐高度制約,導致工作面留底煤約1～1.5 m.

18502工作面5月跟直接頂回采期間產(chǎn)量144 666 t,原煤含矸率高達36.6%、灰分高達33.19%、硫分高達3.0%,回采效率低、煤質(zhì)差、矸石量大等問題突顯,嚴重影響工作面產(chǎn)能釋放。

2 工藝優(yōu)化技術方案

2.1 托夾矸調(diào)整策略

為解決上述問題,需將工作面由跟直接頂回采調(diào)整為托夾矸回采[6-7],調(diào)整示意圖見圖2.

圖2 工作面托夾矸調(diào)整示意圖

根據(jù)頂板安全為最高優(yōu)先級原則,制定了“分層分段、先托后放”的總體調(diào)整方案,即：

1) 通過控制采機滾筒截割高度,每個循環(huán)托夾矸150 mm左右,預計推進約12 m(約15刀煤)后將夾矸全部托住回采,原則上按從兩頭向中間的順序逐段分層將夾矸托住。若由于壓力過大或夾矸破碎,無法順序?qū)A矸托住,可以在該段范圍內(nèi)選擇一處頂板相對較為完整的地段將夾矸托住,然后以此為基礎向兩邊擴展,逐漸將頂板破碎處或煤幫片幫嚴重地段的夾石托住。

2) 調(diào)整前,運輸機保持平推,待夾石基本托住后,且采高降至3.2～3.5 m時,開始逐步下放運輸機,直至跟8#煤底板進行回采。

2.2 兩端頭管理

由于18502工作面兩巷沿8#上直接頂掘送,因此工作面兩端頭需過渡垂直落差3 m,按照支架錯茬不超過支架側護板的1/3要求,每個支架控制錯茬為150 mm,計算可得兩端頭各需過渡20架。

2.3 具體調(diào)整方法

1) 割煤時必須將前滾筒距頂板距離調(diào)整在300～400 mm,確保采煤機割煤后煤幫頂部留有200～300 mm厚的夾矸。采煤機通過后,滯后采煤機前滾筒2—3架超前拉架,用頂梁將夾矸支護,按照這種方法,循環(huán)推進,直至將夾矸全部托住。

2) 調(diào)整期間,嚴格控制采煤機割煤速度,割煤速度要與移架速度匹配。

3) 調(diào)整期間,每日測量運輸機的直線,杜絕出現(xiàn)由于虧循環(huán)引起的倒架和運輸機明顯竄動現(xiàn)象;每班測量每5個架的采高、夾矸厚度、運輸機下山傾角,方便及時調(diào)整。

3 工作面托夾矸回采期間頂板控制

3.1 總體原則

無論是調(diào)整期間還是調(diào)整后,頂板控制都是最重要的管控內(nèi)容,總原則是工作面堅持正規(guī)循環(huán)作業(yè),防止運輸機異常竄動及支架由于虧循環(huán)而發(fā)生的倒架現(xiàn)象,從而進一步引發(fā)的各類頂板問題[8-9].

3.2 控制方法

為更好地控制運輸機直線,采取運輸機量偏差法,具體做法為：

1) 利用每個支架兩根立柱與運輸機擋煤板的距離差來判斷工作面是否虧循環(huán)。其原理是：當工作面不虧循環(huán)時,工作面支架應和工作面運輸機垂直,兩立柱與擋煤板的距離應相等,距離差為零。

2) 當工作面出現(xiàn)虧循環(huán)時,工作面的支架與運輸機不再垂直,而是斜交。此時,同一支架上的兩根立柱與擋煤板的距離不再相等,距離差也不再為零。當虧循環(huán)越嚴重,斜交的角度越大,兩立柱到擋煤板的距離差也越大,見圖3.

圖3 偏差法測量原理示意圖

3) 根據(jù)以上原理,可以量取每個支架兩根立柱至擋煤板距離差,通過累加計算,可以得出每節(jié)運輸機槽的相對位置。

4) 將每一節(jié)運輸機槽子的相對位置繪制在曲線圖上,即可得到整個運輸機直線圖,見圖4,可以直觀準確地分析工作面的整體狀況,對于虧循環(huán)段,極易造成運輸機的異常竄動及支架倒架現(xiàn)象,因此要及時進行補循環(huán)作業(yè),始終保證運輸機有較好的直線度。

圖4 偏差法測量運輸機直線圖

4 現(xiàn)場實施及相關經(jīng)驗

4.1 現(xiàn)場實施情況

在工藝調(diào)整期間,要實時動態(tài)掌控工藝調(diào)整和現(xiàn)場頂板情況,及時調(diào)整運輸機直線度和下山傾角、工作面采高、托夾矸厚度、跟底情況。工作面自6月13日早班開始調(diào)整,至15日夜班除兩端頭過渡段外,其余均順利實現(xiàn)托夾矸回采,累計使用3個圓班,15刀煤。

4.2 技術經(jīng)驗

1) 托夾矸分段作業(yè)時,過渡段必須平緩過渡,液壓支架不擠、不咬、不歪,相鄰支架錯茬不得超過支架側護板高度的1/3.

2) 頂板破碎或有滾幫現(xiàn)象時,要將支架超前移出,并及時打出護幫板。滾幫超過兩架以上,必須停機處理,采取上梁、打超前錨桿護頂、注漿等方式進行維護,相關維護工序和要求在專項措施中明確。

3) 頂板破碎流渣時,必須采用鋪設金屬網(wǎng)措施,鋪設網(wǎng)的材質(zhì)、規(guī)格、方式在專項措施中明確。

4) 調(diào)整期間不允許出現(xiàn)空頂超標現(xiàn)象,根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的支護方法,保證頂板安全的同時確保推進度。在維護頂板過程中做好敲幫問頂、停機閉鎖和觀頂監(jiān)護工作。

5) 每班驗收液壓支架的工作情況,包括初撐力、倒架、仰俯角等,不允許出現(xiàn)歪斜倒架等現(xiàn)象。液壓支架的初撐力達標,控制夾矸與直接頂不離層,防止局部漏頂。加強工作面的頂板管理,確保工作面支護狀態(tài)良好。

5 現(xiàn)場實施效果分析

5.1 礦壓觀測

通過頂板在線監(jiān)控系統(tǒng)對工作面托偽頂回采后礦壓現(xiàn)象進行觀測,觀測結果見圖5,可以看出：工作面調(diào)整回采工藝后,機尾來壓較機頭與中部劇烈,與現(xiàn)場觀測情況基本一致,工作面平均每6天來壓一次,周期來壓步距為25～27 m,且周期來壓期間來壓較為平緩,工作面未出現(xiàn)劇烈礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

圖5 工作面支架工作阻力圖

5.2 經(jīng)濟效益

調(diào)整工藝后,采煤機截割速度由1.5 m/min提升至2.5～3.0 m/min,每班節(jié)約人工處理大塊矸石2 h,設備開機率提升約10%,回采工效提高了50%;煤炭資源回收率提高了25%,原煤硫分由3%降至2%,煤價增加25元/t,多回采1～1.5 m厚底煤,累計增加煤炭資源約22萬t,共創(chuàng)造經(jīng)濟效益約1.28億元。

5.3 煤質(zhì)提升

對比7月份(調(diào)整后)與5月份(調(diào)整前)煤質(zhì)情況,見表1,灰分降低了29.5%,含矸率降低了68.3%,硫分降低了33%,煤質(zhì)得到了明顯改善。

表1 18502工作面煤質(zhì)對比情況表

5.4 安全環(huán)保效益

通過托夾矸調(diào)整工藝優(yōu)化,有效控制了采高,減少了煤壁發(fā)生滾幫傷人的風險,提高了工作面作業(yè)安全性與可靠性,給安全生產(chǎn)提供了技術保障。同時,通過實施該工藝,工作面累計減少矸石排放量約70萬t,節(jié)省了大量矸石治理費用。

5.5 管理經(jīng)驗

1) 將8#煤托夾矸回采頂板提級管理,按照3#、9#煤近距離煤層頂板進行管控,采機割煤后及時拉架,嚴格按正規(guī)循環(huán)進行作業(yè),保證運輸機直線,同時合理控制采高。

2) 加強工作面托夾矸回采期間頂板支護質(zhì)量管理,保證支架無跑冒滴漏、歪斜扭架現(xiàn)象,且初撐力達標?；夭蛇^程中發(fā)現(xiàn)兩個架以上出現(xiàn)煤壁滾幫、頂板破碎現(xiàn)象時,必須停機維護,嚴格按照專項措施要求管理頂板。

3) 依靠頂板在線監(jiān)測管理系統(tǒng),加強工作面礦壓監(jiān)測,做好周期來壓預測預報,為工作面托夾矸回采期間頂板管理提供有效技術指導。

6 結 語

在官地礦18502工作面應用 優(yōu)化的托夾矸回采工藝后,原煤灰分降低了29.5%,含矸率降低了68.3%,硫分降低了33%,工作面多回收原煤22萬t,減少排矸量約70萬t,取得良好的經(jīng)濟效益。通過項目的實施及后期頂板管理經(jīng)驗,形成托夾矸回采技術方案及頂板控制技術,為下一步類似條件工作面回采提供有益經(jīng)驗。