沖擊地壓礦井大截深綜采設(shè)備配套應(yīng)用與研究

劉智理，馬智會

(1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司 生產(chǎn)技術(shù)處，河南 三門峽 472300； 2.四川輕化工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

煤炭是中國的重要資源，到21世紀(jì)中葉之前煤炭在我國能源比例仍會占一半以上[1]。在我國煤炭的探明儲量中厚煤層約占47.7%，特厚煤層約占42%[2]。近些年來，厚及特厚煤層多采用綜放開采，綜放開采具有單產(chǎn)高、機(jī)械化程度、掘進(jìn)率低等優(yōu)點[3]，放頂煤工藝在中國經(jīng)歷了40年的發(fā)展，已經(jīng)已經(jīng)趨于成熟[4]。隨著世界范圍內(nèi)煤炭長期和高強(qiáng)度的開采，目前多個國家煤炭開采已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段，德國最大開采深度達(dá)到了1 713 m[5-6]，俄羅斯僅頓巴斯礦區(qū)就有30處礦井的開采深度超過了1 200 m，最深達(dá)到1 400 m，波蘭煤礦最深達(dá)到1 400 m，日本和英國的煤礦曾經(jīng)最深開采深度分別達(dá)到了1 125 m和1 100 m。據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局2015年調(diào)研，我國超過800 m采深礦井139處[7]，隨著開采深度增加，伴隨的煤炭災(zāi)害對礦井的影響會日益突出[8]，尤其是沖擊地壓危害對煤礦安全生產(chǎn)影響日益加重[9]。目前國內(nèi)政策鼓勵煤礦集中化管理，推崇一礦一面的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化機(jī)械礦井[10]，河南大有能源公司耿村煤礦采用用綜采放頂煤采煤工藝，隨著采深的不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害對該礦井安全生產(chǎn)影響日益嚴(yán)重，礦井綜放面速度極慢。為滿足安全高效礦井建設(shè)的需要，改造使用大功率設(shè)備，增加采煤機(jī)截深，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約電費、人工費等費用，實現(xiàn)礦井的高產(chǎn)高效。在耿村煤礦12150工作面，開展的沖擊地壓礦井大截深綜采設(shè)備配套應(yīng)用與研究，對沖擊地壓礦井采煤方法、液壓支架、采煤機(jī)等設(shè)備進(jìn)行改造，需重新設(shè)計“三機(jī)”配套，并對勞動組織進(jìn)行優(yōu)化。

1 研究背景

1.1 水文地質(zhì)條件

耿村礦核定生產(chǎn)能力為400萬t/a，12150綜放工作面水文地質(zhì)條件中等，地表無威脅性水源。在12150工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，下幫頂部錨桿滲水，此水為11081工作面采空區(qū)低洼處少量積水(判斷依據(jù)：根據(jù)地面瞬變電磁報告[11]，該處無積水異常區(qū)，所以排除大量采空區(qū)積水影響的可能性)。該面北部65 m為2-3煤12110工作面采空區(qū)，存在老空水，預(yù)計積水面積7 211 m2，積水量5 769 m3。工作面北部42 m為2-3煤12130回風(fēng)巷，預(yù)計積水面積1 958 m2，積水量979 m3；工作面中部為2-3煤12130運輸巷，預(yù)計積水面積2 482 m2，積水量1 175 m3。礦井是高瓦斯礦井[12]。煤層以粉煤為主，煤種為長焰煤，爆炸性指數(shù)36.03%，煤層自燃現(xiàn)象較為突出，屬容易自燃煤層，自然發(fā)火期為1個月，最短14 d，煤層具有中等沖擊危險性，對礦井生產(chǎn)影響較大。井田內(nèi)可采4層煤，上部煤層已基本采完，現(xiàn)主要開采2-3煤層。2-3煤呈黑色、塊狀及粉狀，煤種為長焰煤，主要由暗煤組成，下部煤層灰分增高，煤厚6.8～16.7 m，工作面煤層平均厚度為12.6 m。

1.2 工作面情況及巷道布置

工作面走向長806 m，傾斜長267 m，可采儲量251萬t。回風(fēng)巷長950 m，主要用于12150工作面運料、回風(fēng)、行人。采用錨網(wǎng)索+36U型鋼微拱形棚支護(hù)形式，巷道中間打設(shè)一路液壓抬棚加強(qiáng)支護(hù)，凈寬6.2 m，凈高3.63 m，凈斷面19.6 m2。巷道頂、幫全斷面鋪設(shè)雙層經(jīng)緯網(wǎng)，打φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋高強(qiáng)度錨桿，間排距為950 mm×900 mm，每根錨桿配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板采用W鋼護(hù)板(450 mm×280 mm×5 mm)和拱形高強(qiáng)度托板(150 mm×150 mm×10 mm)，再用M24高強(qiáng)錨桿螺母上緊。每根錨桿采用MSCK2335樹脂藥卷和MSZ2360樹脂藥卷各1支。錨網(wǎng)后頂幫打錨索，頂打3根φ18.9 mm×6 300 mm錨索，頂部中心布置1根，2根錨索以巷道中心為準(zhǔn)向兩側(cè)均勻布置；巷道兩幫各打2根φ18.9 mm×4 300 mm錨索，間排距為1 900 mm×1 800 mm。每根錨索配1塊高強(qiáng)度可調(diào)心托板(300 mm×300 mm×14 mm)和調(diào)心球墊，并采用配套鎖具上緊。錨網(wǎng)后架U型鋼棚，棚距700、1 200、1 800 mm三種，U型鋼棚后頂預(yù)留300 mm空間，背設(shè)主動承壓，兩幫讓壓300 mm。U型鋼棚梁腿搭接500 mm，棚腿及棚梁搭接處各上3套卡具，且中間一套卡具用長連接板連接。

運輸巷長度為913 m，主要用于12150工作面運煤、進(jìn)風(fēng)、行人。采用錨網(wǎng)索噴+36U型鋼微拱形棚支護(hù)形式，巷道中間打設(shè)一路液壓抬棚加強(qiáng)支護(hù)，凈寬6.2 m，凈高3.63 m，凈斷面19.6 m2。巷道頂、幫全斷面鋪設(shè)雙層經(jīng)緯網(wǎng)，打φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋高強(qiáng)度錨桿，間排距為950 mm×900 mm，每根錨桿配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板采用W鋼護(hù)板(450 mm×280 mm×5 mm)和拱形高強(qiáng)度托板(150 mm×150 mm×10 mm)，再用M24高強(qiáng)錨桿螺母上緊。每根錨桿采用MSCK2335樹脂藥卷和MSZ2360樹脂藥卷各1支。打完錨桿后頂幫打錨索，頂打3根φ18.9 mm×6 300 mm錨索，頂部中心布置1根，2根錨索以巷道中心為準(zhǔn)向兩側(cè)均勻布置；巷道兩幫各打2根φ18.9 mm×4 300 mm錨索，錨索間排距為1 900 mm×1 800 mm。每根錨索配1塊高強(qiáng)度可調(diào)心托板(300 mm×300 mm×14 mm)和調(diào)心球墊，并采用配套鎖具上緊。錨網(wǎng)后架棚，棚距700、1 200、1 800 mm三種，U型鋼棚后頂預(yù)留300 mm空間，背設(shè)主動承壓，兩幫讓壓300 mm。U型鋼棚梁腿搭接500 mm，棚腿及棚梁搭接處各上3套卡具，且中間一套卡具用長連接板連接。

1.3 采煤方法

采用走向長壁后退式采煤方法，回采工藝為綜采放頂煤，自然垮落法控制頂板。回采工藝：準(zhǔn)備→采煤機(jī)割煤→移架→跑空機(jī)→放頂煤→推前溜→拉后溜→準(zhǔn)備。放煤采用一刀一放自下而上隔一架一放多輪循環(huán)順序[13]的放煤工藝流程。

(1)最大、最小采高的確定。工作面范圍內(nèi)煤層厚度3.93～13.22 m，平均厚8.2 m。工作面設(shè)備配套要求支架最小支撐高度在2.0 m。

(2)支護(hù)設(shè)備。工作面選用ZF11000/18/36D和ZF8600/18/35型支架，支撐范圍為1.8～3.5 m。根據(jù)本架型確定合理采高范圍為1.8～3.3 m。

(3)采煤機(jī)截割高度。選用MG400/930-WD型電牽引采煤機(jī)，選用滾筒直徑為1.8 m，采高范圍為1.8～3.6 m。

綜合以上各項因素考慮，確定工作面平均采高為2.6 m，平均放煤高度5.975 m，采放比為1∶2.3。

(4)落煤方式。采用MG400/930-WD型雙滾筒采煤機(jī)割底煤和利用放煤口放頂煤聯(lián)合落煤方式。工作面采用采煤機(jī)單向割煤方式，即采煤機(jī)端頭斜切進(jìn)刀，開始至離端頭20～25 m處斜切割煤進(jìn)入煤壁，上行割機(jī)尾三角煤[14]，推前部輸送機(jī)至煤壁，下行割煤，上行跑空機(jī)，推前部刮板輸送機(jī)，截深0.8 m，割1刀放1排頂煤。

(5)裝煤和運煤方式。工作面采用采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)裝底煤，人工收縮尾梁插板和擺動尾梁放頂煤，運煤采用前后兩部刮板輸送機(jī)平行運煤，集中到運輸巷橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和膠帶機(jī)運出。

(6)移架。本工作面采用ZF11000/18/36D和ZF8600/18/35型放頂煤液壓支架(排頭架為ZFG12800/25/38D、ZFG9600/25/35型)，移架步距0.8 m。采用及時支護(hù)方式[15]，采煤機(jī)落煤后，距滾筒4～6架及時追機(jī)移架。移架前，認(rèn)真觀察現(xiàn)場、支架各部及頂板狀況，結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行移架操作；移架過程中，若頂板破碎堅持使用帶壓擦頂移架方式，盡量減少支架下降高度；移架后，支架必須及時伸出伸縮梁有效控制頂板，保持頂板完整和全封閉頂板管理，必要時可先拉出超前架。

(7)推前刮板機(jī)。采煤機(jī)返回跑空機(jī)15架以上時，從第5架推至15架后貼近煤壁，保證足夠0.8 m截深，依次自下而上進(jìn)行，嚴(yán)禁從兩端同時向中間推移，推刮板機(jī)步距為0.8 m，刮板機(jī)彎曲段長度不得小于15 m，距采煤機(jī)不少于5 m間距。推刮板輸送機(jī)后，刮板輸送機(jī)必須保證平直。

2 實施過程

采煤機(jī)是采煤工作面的核心生產(chǎn)設(shè)備，其運轉(zhuǎn)狀態(tài)直接影響工作面產(chǎn)量，并且采煤機(jī)的生產(chǎn)能力必須和刮板輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)等設(shè)備的輸送能力相適應(yīng)和匹配，和液壓支架的結(jié)構(gòu)也要匹配[16-17]。為保證工作面的高效生產(chǎn)，將采煤機(jī)滾筒截深由630 mm增加至700 mm，相應(yīng)的液壓支架推移步距由700 mm加長到900 mm，原設(shè)計結(jié)構(gòu)推移千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸須加長，推移框架原結(jié)構(gòu)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)變形，因此對變形部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。由于推移方式的改變，后牽引部位結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)不到要求，因此對其結(jié)構(gòu)在原基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計加工，適合現(xiàn)有的要求。通過研究，使綜放工作面的裝備選型、配套更加合理，充分發(fā)揮大功率綜機(jī)設(shè)備的優(yōu)越性，為不同生產(chǎn)條件下的煤礦安全高效生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)，并為煤礦企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展起指導(dǎo)作用。在滿足當(dāng)前安全生產(chǎn)的前提下對綜放工作面的裝備選型、配套合理使用進(jìn)行研究。

2.1 采煤機(jī)改造方案

為提高生產(chǎn)效率，采煤機(jī)滾筒需加長，由630 mm截深滾筒改成800 mm截深滾筒，保證采煤機(jī)既能滿足耿村煤礦煤層厚度、頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)情況及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，又能最大限度地提高礦井產(chǎn)能，從而實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

采煤機(jī)改造內(nèi)容：①增大采煤機(jī)的滾筒截割深度，采煤機(jī)截割功率由300 kW增加到400 kW；②采用電液控制、大工作阻力的液壓支架，提高防沖水平；③使用變電變頻開關(guān)，提高功效，降低能耗；④支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)的合理配套使用。

2.2 液壓支架改造方案

液壓支架推移步距由700 mm加長到900 mm，原設(shè)計結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不了推移步距加長，因此推移千斤頂需加長，推移框架原結(jié)構(gòu)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)變形，因此對變形部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。由于推移方式的改變，后牽引部位結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)不到要求，因此對其結(jié)構(gòu)在原基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計加工，適合現(xiàn)有的要求。

液壓支架改造內(nèi)容：①更換推移千斤頂實現(xiàn)推移步距加大；②加長頂梁，增加護(hù)頂面積，確保拉移空間；③提高推移框架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；④加長底座立柱及蓋板，保護(hù)推移框架；⑤增加牽引孔，便于安裝牽引裝置，進(jìn)一步優(yōu)化原有支架運輸方式。

2.3 工作面上、下端頭及超前支護(hù)形式及規(guī)格

工作面上下端頭均使用ZT2×4000/23/50型巷道液壓自移支架(巷道支架)與排頭架配合來保證端頭處的支護(hù)強(qiáng)度。上、下端頭處沿巷道走向各安裝兩排巷道支架，回風(fēng)巷8架，運輸巷5架，兩巷安裝位置為距上、下幫0.5～1 .0 m，排距(中—中)2.1～2.3 m，運輸巷安裝位置沿轉(zhuǎn)載機(jī)兩幫位置打設(shè)，排距(中—中)2.1～2.3 m，巷道支架防倒裝置可靠有效。

超前支護(hù)使用液壓抬棚支架按走向打設(shè)一路。采用ZD2200/22/45、ZQ4000/19/39液壓抬棚配合頂?shù)琢航M成，必須確保初撐力不低于泵站額定壓力的60%，即不低于18 MPa。設(shè)備配置見表1。

表1 12150工作面設(shè)備配置Tab.1 12150 working face equipment configuration

2.4 沖擊地壓防治

采用沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)診斷法[18]、沖擊危險綜合指數(shù)法[19]、經(jīng)驗類比法，對12150工作面沖擊地壓危險程度進(jìn)行評價，得出12150工作面沖擊地壓危險等級為弱沖擊。防沖措施：工作面回采前、回采期間和末采期間進(jìn)行卸壓鉆孔；工作面回采期間超前工作面150 m范圍回風(fēng)巷上下幫、運輸巷上幫利用掘進(jìn)期間注水鉆孔(孔堵塞時要再次施工注水鉆孔)，采用動壓、靜壓或動靜結(jié)合的方式進(jìn)行注水；對12150工作面兩巷超前300 m范圍的巷道底板留有底煤區(qū)域采用斷底卸壓措施。在回采期間充分利用地音監(jiān)測[20]、微震監(jiān)測、KJ-743監(jiān)測[21]以及鉆屑法[22]監(jiān)測等方法，當(dāng)鉆屑量超標(biāo)、鉆孔施工過程中出現(xiàn)異常現(xiàn)象(如卡鉆、頻繁響煤炮、鉆屑中大顆粒占鉆屑量1/3以上等)立即停止生產(chǎn)，采取有效措施解除沖擊危險后方可組織生產(chǎn)。

3 效果檢測及分析

3.1 巷道表面位移觀測分析

巷道表面位移采用十字交叉法進(jìn)行觀測，距切眼每50 m設(shè)置1組觀測點，全巷道布置，兩巷超前300 m內(nèi)觀測周期為每周1次，300 m外觀測周期為每月1次，巷道表面位移監(jiān)測斷面布置如圖1所示，距切眼300 m處的測點巷道表面位移曲線如圖2所示。

圖1 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置Fig.1 Schematic of surface displacement monitoring section layout of roadway

圖2 300 m處測點巷道表面位移觀測曲線Fig.2 Observation curve of roadway surface displacement at measuring point at 300 m

巷道表面位移量都隨工作面的靠近而逐漸增大，當(dāng)距工作面2～8 m時，頂煤的位移量迅速增大，巷道頂部(OA段)最大位移量為602 mm，底部(OB段)最大位移量為315 mm，12150工作面煤體幫(OC段)最大位移量為491 mm，另一幫(OD段)最大位移量為414 mm。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)基本頂初始位移和斷裂均發(fā)生在煤壁前方，在基本頂斷裂線附近直接頂和頂煤破碎比較嚴(yán)重。工作面兩巷的變形突增始動點都在煤壁前方不遠(yuǎn)處，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平侩x煤壁距離越近變形越大，離煤壁距離越遠(yuǎn)變形越小，幾乎不變形。經(jīng)過觀測，全過程巷道表面位移量在安全范圍內(nèi)，巷道變形后仍可保證正常安全生產(chǎn)，證明采煤機(jī)增大截深回采速率增加后，對巷道變形沒有產(chǎn)生不利影響。

3.2 工作面礦壓監(jiān)測分析

12150綜放工作面采用KJ653礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測工作面礦壓變化情況，工作面每10架安裝一臺KJ653礦壓監(jiān)測儀器。工作面第90架2018年11月15日—12月15日的礦壓監(jiān)測曲線如圖3所示，工作面推進(jìn)尺點為92～122 m。經(jīng)過一個月的觀測發(fā)現(xiàn)，支架周期來壓期間，支架工作阻力較大，最大達(dá)到34.5 MPa，對應(yīng)的支架初撐力及末阻力也相應(yīng)增大，工作面煤墻出現(xiàn)片幫等情況，需及時拉移超前支架，保證支護(hù)強(qiáng)度。工作面常發(fā)生片幫與漏頂，尤其是周期來壓時，說明周期來壓明顯，對工作面現(xiàn)場管理有較大的影響。煤壁片幫和架前冒頂與回采工藝以及工序有較大的關(guān)系，加快工作面的推進(jìn)速度是減少煤壁片幫的有效手段，因此增加采煤機(jī)截深有利于采煤工作面減弱周期來壓的礦壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度，有利于防治沖擊地壓。

圖3 第90架支架礦壓監(jiān)測曲線Fig.3 Mine pressure monitoring curve of 90th support

3.3 效果評價

采煤機(jī)截深由630 mm增加至800 mm后，按每天割1刀煤計算，每天多生產(chǎn)原煤624.75 t，按照原煤噸煤價格400元計算，每年多增加產(chǎn)值9 121.4萬元。通過改造支架和采煤機(jī)，在保證安全的前提下，提高了礦井產(chǎn)量。

4 結(jié)論

(1)耿村煤礦12150工作面的設(shè)備改造后的日生產(chǎn)能力有了較大提高，使礦井生產(chǎn)和建設(shè)更合理、經(jīng)濟(jì)、安全，可為類似條件下的礦井提供借鑒，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

(2)總結(jié)出沖擊地壓礦井大截深綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為以后沖擊地壓條件下大截深綜放工作面工作面的設(shè)備選型、礦壓分析等提供指導(dǎo)性的理論依據(jù)。