深部大采高工作面閉采方案對(duì)比

高小虎，雷照源，肖 曲

（陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307）

0 引言

一次采全高技術(shù)的推廣使煤礦的生產(chǎn)效率大幅提升，但也伴隨著強(qiáng)礦壓、片幫、底鼓、漏風(fēng)等問題。尤其是埋深較大、煤質(zhì)較好的煤層，末采期間自燃、礦壓管理等問題更為突出。因此對(duì)末采期間的施工工藝有著嚴(yán)格的要求。經(jīng)上百年開采技術(shù)探索和生產(chǎn)設(shè)備的更迭，依據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，各煤炭生產(chǎn)單位結(jié)合實(shí)際情況建立自身的閉采方案。陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司418工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤方法，大采高綜合機(jī)械化一次采全高回采工藝。工作面采用主、輔撤架通道時(shí)，由于工作面回采壓力的影響，撤架通道圍巖破壞嚴(yán)重，巷道頂板大面積下沉嚴(yán)重，局部出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓等問題突出，無法滿足安全高效回撤的需要。隨著二號(hào)煤礦開采技術(shù)的提高、精細(xì)化管理、瓦斯制約，這種制約性越來越明顯［1-2］。因此發(fā)揮綜采回采工藝的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)采煤效益的最大化，就必須充分保證閉采方案的科學(xué)性和可實(shí)施性，進(jìn)而保障工作面撤架工藝安全高效。

在“科技驅(qū)動(dòng)”和“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”的推動(dòng)下的煤炭技術(shù)革命［3-5］，使我國煤炭工業(yè)向高機(jī)械化、自動(dòng)化、集約化方向發(fā)展。閉采作業(yè)是綜采工作面的搬家倒面的重要準(zhǔn)備工作，歷年來二號(hào)煤礦對(duì)機(jī)械設(shè)備、礦壓等方面做出了大量努力，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)具有重要意義［6-8］。文中以陜西黃陵二號(hào)煤礦418大采高工作面閉采為背景，通過理論計(jì)算、地質(zhì)條件、開采擾動(dòng)等條件分析，確定動(dòng)壓影響范圍并建立深部大采高工作面閉采方案，進(jìn)行對(duì)比。確定一套有利于深部大采高工作面閉采方案，為二號(hào)井閉采提供有益的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，保障了煤炭的科學(xué)開采，最終實(shí)現(xiàn)綠色安全高效的生產(chǎn)目標(biāo)。

1 工程背景

1.1 工作面地質(zhì)條件分析

二號(hào)煤礦位于黃陵礦區(qū)西北部，陜西黃陵二號(hào)煤礦是集團(tuán)所屬主要優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤生產(chǎn)地之一；也是國家批建的14個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地的主要生產(chǎn)礦井之一。井田位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)境內(nèi)，井田總面積375.6 km2，核定生產(chǎn)能力8 Mt，儲(chǔ)量豐富，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。為一傾向北西—北西西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°。延安組呈一傾向北西西之單斜構(gòu)造將井田一分為二，其一位于井田中部，長(zhǎng)約34 km，寬約2.6～5 km；其二位于井田西部，長(zhǎng)約28 km，寬約3.5 km，幅度20～30 m。中侏羅統(tǒng)延安組由4段組成，是一個(gè)頂?shù)拙鶠椴徽厦妗?/p>

礦井初期普查勘探結(jié)果表明，二號(hào)井開采范圍內(nèi)2#煤層埋深在450～635 m，平均埋深約543 m，硬度系數(shù)f為2～3。418大采高工作面走向長(zhǎng)度2 632 m，工作面長(zhǎng)度300.5 m；煤層厚度最大7.09 m，最小5.1 m，平均約為6.1 m。煤層埋藏條件如圖1所示，圍巖特性見表1。

1.2 采動(dòng)影響范圍確定

工作面前方的支承壓力（切向應(yīng)力σt）分為減壓區(qū)（A）、增壓區(qū)（B）、穩(wěn)壓區(qū)（C）。若按巖體性質(zhì)分，可將其分為彈性區(qū)（E）和塑性區(qū)（D）（也稱極限平衡區(qū)）如圖2所示。

根據(jù)彈塑性理論，工作面前方極限平衡區(qū)內(nèi)支承壓力σy的計(jì)算公式如式（1）所示。

圖1 煤層柱狀圖

表1 工作面圍巖特性

圖2 超前支承壓力分布

式中：f—層間的摩擦系數(shù)，取0.21；φ—煤體內(nèi)摩擦角，取26.1°；x—塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)到煤壁的距離，m；M—煤層厚度，取6 m；τ0cotφ—煤體自撐力，取1.07。

令σy=KγH，支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁的距離為X0，計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：K—應(yīng)力集中系數(shù)，取8；H—煤層埋深，取500 m；γ—上覆巖層容重，2 600 kN/m3。

則418工作面塑性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁距離為

根據(jù)彈性區(qū)內(nèi)支承壓力分布的表達(dá)式，如式（4）所示

式中：β—非靜水平應(yīng)力。設(shè)彈性區(qū)的范圍為X1，當(dāng)X=X0+X1時(shí) σy=γ·H代入式（4）中，得

綜合依據(jù)彈塑性力學(xué)計(jì)算所得，各個(gè)工作面的動(dòng)壓影響范圍為X=X0+X1，可得

則418大采高工作面動(dòng)壓影響區(qū)為234.7 m，考慮運(yùn)輸大巷的影響，最終確定停采位置距巷口250 m左右。

2 閉采方案

418大采高工作面埋深較大、工作面較長(zhǎng)，在采動(dòng)壓力和頂板完整性的雙重影響下，造成工作面周期來壓不穩(wěn)定，需要使用φ21.8 mm×6 300 mm的錨索人為控制頂板。綜合考慮確定250 m處為停采線，在其附近來壓后開始閉采。閉采前，必須將采高降至4.2～4.5 m范圍內(nèi)。為保證掛網(wǎng)和后期推采的安全性，以此設(shè)計(jì)兩套閉采方案進(jìn)行對(duì)比。

方案一在調(diào)整采高時(shí)期進(jìn)行瓦斯抽放管和注氮管路前移；停采后進(jìn)行壓邊錨桿施工，同時(shí)穿引繩、運(yùn)柔性網(wǎng)、安裝絞盤；隨后進(jìn)行掛網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。閉采推采時(shí)，再前一次瓦斯抽放管和注氮管路；此期間已在進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，保證整個(gè)工作面柔性網(wǎng)的平整度。以每60架為一段進(jìn)行擴(kuò)幫，一刀分為3段，連續(xù)割5刀。最后為抹角和煤壁錨桿施工，用時(shí)12.5 d，圖3為方案一作業(yè)流程。

方案二在調(diào)整采高時(shí)期進(jìn)行瓦斯抽放管和注氮管路前移，前移至實(shí)際停采線約20 m處；同時(shí)運(yùn)送柔性網(wǎng)和安裝絞盤。停采后進(jìn)行壓邊錨桿施工，同時(shí)穿引繩，繼續(xù)安裝絞盤；隨后進(jìn)行掛網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。幫錨和抹角前期可同時(shí)施工，其余與方案一相同。預(yù)計(jì)方案二需要12.5 d，圖4為方案二作業(yè)流程。

圖3 方案一作業(yè)流程

圖4 方案二作業(yè)流程

在支承壓力的作用下，頂板受時(shí)-空影響發(fā)生演化，頂板控制為重要環(huán)節(jié)，防滅火為主要環(huán)節(jié)。正常閉采雖3個(gè)班互相配合，可以交叉作業(yè)。但受工作量大、人手限制，應(yīng)將整個(gè)閉采各環(huán)節(jié)分區(qū)分類。

方案二將閉采前的管路更改、運(yùn)網(wǎng)、安裝絞盤等多項(xiàng)工作在掛網(wǎng)前全部結(jié)束，在以后的工作面不再重復(fù)作業(yè)。此次使用的柔性網(wǎng)為高強(qiáng)度聚酯纖維柔性網(wǎng)，掛網(wǎng)難度大，則專門安排一個(gè)班組進(jìn)行掛網(wǎng)。閉采后期的抹角、幫錨等施工協(xié)同進(jìn)行，有效地整合了工作時(shí)間。

兩個(gè)方案相比，作業(yè)時(shí)間基本相同，但方案二更具有科學(xué)性和可執(zhí)行性，有效地減少重復(fù)作業(yè)，在后期作業(yè)中減少施工強(qiáng)度或壓縮施工時(shí)間。

3 施工注意事項(xiàng)及支護(hù)參數(shù)

3.1 施工注意事項(xiàng)

閉采是一個(gè)動(dòng)態(tài)作業(yè)的過程，由多復(fù)雜工序組成。調(diào)整采高時(shí)，掌握工作面周期來壓步距，加強(qiáng)工作面工程質(zhì)量管理，調(diào)整支架工況。閉采開始前將采高調(diào)整至4.2～4.5 m。施工壓邊錨桿時(shí)，最后一刀煤只割頂?shù)恫桓畹椎叮蛔⒁忮^桿外露長(zhǎng)度能滿足馬蹄環(huán)順利穿過并上緊螺母。運(yùn)網(wǎng)時(shí)，超前支架內(nèi)支設(shè)導(dǎo)向單體，防止掛扯網(wǎng)片；注意網(wǎng)片位置及搭接長(zhǎng)度控制；注意絞車鋼絲繩受力情況并做好警戒，嚴(yán)禁人員通行。掛網(wǎng)時(shí)，保證網(wǎng)片平整，無褶皺、扭曲，擰緊錨桿螺絲；保證聯(lián)網(wǎng)及鋼絲繩搭接質(zhì)量，每400 mm一個(gè)繩卡；中部搭接鋼絲繩及時(shí)聯(lián)接。閉采推采中嚴(yán)禁帶壓移架防止扯網(wǎng)片；及時(shí)將煤機(jī)前滾筒前柔性網(wǎng)吊起；觀察尾梁后方柔性網(wǎng)落地情況，采空區(qū)矸石兜住后考慮停架。擴(kuò)幫時(shí)，每次割煤50～70架即停機(jī)施工錨索；堅(jiān)持每刀煤只割頂?shù)恫桓畹椎兜脑瓌t；防止離層。抹角時(shí)，機(jī)頭機(jī)尾多擴(kuò)長(zhǎng)9 m寬0.9 m的抹角；錨桿間排距為1 m×1 m，及拉拔力符合設(shè)計(jì)要求；木垛應(yīng)施工在實(shí)底上。

3.2 錨桿錨索支護(hù)參數(shù)

擴(kuò)幫采用19芯非防腐錨索，型號(hào)為φ21.8 mm×10 300 mm。擴(kuò)幫錨索布置方式與割煤位置如圖5所示。每架采用“一梁兩索”與單錨索進(jìn)行加固。錨索梁梁長(zhǎng)2 m，孔距1.4 m，排距1 750 mm；單錨索間排距800 mm×1 750 mm。每根錨索使用4節(jié)藥卷，分別為1節(jié)K2850，3節(jié)Z2850，預(yù)應(yīng)力不小于260 kN。

圖5 各位置錨索施工工藝

幫部采用規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm金屬螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，使用兩節(jié)藥卷，分別為1節(jié)K2335，1節(jié)Z2360；幫網(wǎng)使用復(fù)合網(wǎng)，錨桿托盤下壓200 mm×400 mm×50 mm木托板。其布置方式如圖6所示。

4 結(jié)論

（1）通過計(jì)算和地質(zhì)條件分析，確定工作面停采線在250 m附近。

（2）充分考慮時(shí)-空效應(yīng)，采用閉采方案二順利完成閉采工作；整個(gè)閉采期間基本無重復(fù)作業(yè)。

（3）伴隨施工過程中，有針對(duì)性地進(jìn)行輔助工作；同時(shí)在擴(kuò)幫中采用的分區(qū)分段，錨索、錨桿、木垛施工得到了良好的應(yīng)用；為工作面安全順利回撤做出了充分保障，為類似深部大采高工作面閉采積累了有益經(jīng)驗(yàn)。

圖6 幫部錨桿布置方式