基于全斷面掩護(hù)下協(xié)同快速撤架技術(shù)研究與應(yīng)用

趙嘉鑫，王襄禹，李 沖，王廣輝，王兵生，董立華

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.伊犁新礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835000)

伊寧礦區(qū)伊新煤業(yè)承擔(dān)著該區(qū)域煤炭資源就地轉(zhuǎn)化“煤制氣”的主要原煤供應(yīng)任務(wù)[1]，其綜放工作面的撤除速度直接制約著工作面正常接續(xù)，影響著工作面單產(chǎn)水平。此外，在綜放工作面的回撤空間里，底板、頂板以及四周都?xì)埩舸罅康倪z煤[2]，而在回撤速度直接影響到回撤工作面是否能夠在自然發(fā)火期內(nèi)安全撤除。數(shù)目眾多、體型大的液壓支架占工作面設(shè)備總重的80%以上[3]，是決定回撤速度的關(guān)鍵。

現(xiàn)階段回撤空間頂板支護(hù)大多采用掩護(hù)支架配合木垛或單體液壓支柱，這種支護(hù)是非全斷面的，回撤斷面的支護(hù)形式、支護(hù)強度不統(tǒng)一而出現(xiàn)“三角區(qū)”，該區(qū)域支護(hù)作業(yè)極其危險、且效率低下；而液壓支架的抽離、調(diào)向多采用絞車牽引，絞車拖曳、運輸液壓支架不僅僅存在斷繩、飛滑等安全隱患，而且需要額外敷設(shè)電路與相關(guān)器件，此外絞車進(jìn)行牽引時，整個工作面的非撤架作業(yè)人員都需要避讓，對其他工序干擾大。

1 工程概況

伊新煤業(yè)23219綜放工作面傾向長240m，平均煤厚9.6m，采放比為1∶1.4，平均埋深187m，單巷布置，工作面直接頂厚6.22m，巖性為淺灰色細(xì)砂巖、粉砂巖及炭質(zhì)泥巖，無厚而堅硬的老頂存在，為易冒落的不穩(wěn)定頂板。23-2煤層的自燃傾向性等級為Ⅱ級，最短發(fā)火天數(shù)為37d，屬自燃煤層。底板遇水易軟化、底鼓。初次垮落步距為11.5m，周期來壓步距在6.7～16.2m，來壓顯現(xiàn)明顯。工作面位置及終采線布置如圖1所示。

圖1 23219工作面位置(m)

2 回撤空間圍巖控制

2.1 鋪設(shè)高強聚酯纖維柔性網(wǎng)

2.1.1 高強聚酯纖維柔性網(wǎng)特性

采用高強聚酯纖維柔性網(wǎng)(以下簡稱為柔性網(wǎng))替代金屬菱形網(wǎng)護(hù)頂?shù)膬?yōu)勢：①整體性強易于施工，定制柔性網(wǎng)較于片狀、搭接的金屬菱形網(wǎng)減少了搬運、拼接等工序；②材料阻燃抗靜電，阻燃抗靜電的柔性網(wǎng)不會產(chǎn)生機械摩擦，條帶交織形成的網(wǎng)格孔隙較小，隔離遺煤更有效；③拉伸強度高有韌性，能夠吸收部分頂板離層變形，從而實現(xiàn)耦合讓壓支護(hù)控制頂板圍巖變形，對于“三軟”煤層頂板控制效果顯著。

2.1.2 尺寸規(guī)格確定

整體定制的柔性網(wǎng)不需要拼接，其尺寸規(guī)格確定需根據(jù)煤壁高度、工作面長度、回撤通道尺寸及埋網(wǎng)長度，并考慮現(xiàn)場施工質(zhì)量、柔性網(wǎng)延展等因素。

柔性網(wǎng)長度及寬度計算公式[4]：

L=l+2a+r

(1)

B=(s+t+c)k

(2)

式中，L為柔性網(wǎng)長度，m；l為工作面長度，取240m；a為回撤通道寬度，取5m；r為富余量，取5m；B為柔性網(wǎng)寬度，m；s為支架長度(含頂梁和后尾架)，取9m；t為埋網(wǎng)長度，取1m；c為架前預(yù)留長度，取5m；k為富余系數(shù)，取1.05。

計算得到柔性網(wǎng)尺寸為255m×15.75m。

2.2 “錨桿索+鋼帶+高強聚酯纖維柔性網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)

23219工作面屬于“三軟”煤層，為有效控制其圍巖穩(wěn)定，采用“錨桿索+鋼帶+高強聚酯纖維柔性網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 回撤空間支護(hù)方案(mm)

1)掛網(wǎng)。距終采線15m時鋪柔性網(wǎng)，在每2個支架的架間伸縮梁前20cm處打設(shè)MSGLD-335/20×2400等強螺紋鋼式樹脂錨桿掛網(wǎng)，托盤為150mm×150mm×10mm，頂板破碎段穿插打設(shè)SKL18-1/1860型17.8mm×4500mm錨索。

2)頂板支護(hù)。距終采線10m時沿傾向打設(shè)“錨桿索+鋼帶”，每隔兩根錨桿打設(shè)一根錨索，錨索間距2700mm，錨桿間距900～1800mm，鋼帶排距800mm，同排鋼帶相互壓茬一個孔位。錨索為SKL18-1/1860型17.8mm×6300mm錨索，錨桿為MSGLD-335/20×2400等強螺紋鋼式樹脂錨桿。

3)煤壁封幫。終采線煤壁采用錨網(wǎng)支護(hù)。錨桿按“三·二·三”型布置，錨桿間距為950～1200mm，錨桿排距900mm，鋼帶壓住柔性網(wǎng)片封幫。

4)底板澆筑。封幫完成后對液壓支架底座到煤壁的底板進(jìn)行C30混凝土澆筑，澆筑厚度為200mm。

2.3 煤機自掘回撤通道施工工序

預(yù)掘回撤通道易產(chǎn)生煤壁片幫、巷道頂板下沉及底板底鼓等圍巖變形現(xiàn)象[5]，考慮到回撤工作面賦存條件，采用煤機自掘回撤通道法。

1)掛網(wǎng)處至距終采線10m處，這段頂板不需要打設(shè)錨桿索。工序：割煤→放網(wǎng)→伸前探梁及護(hù)幫板、推移刮板輸送機→收前探梁及護(hù)幫板、移架→收網(wǎng)→割煤；

2)距終采線5～10m段需要打設(shè)“錨桿索+鋼帶”。工序：割煤→伸前探梁及護(hù)幫板、推移刮板輸送機→收前探梁及護(hù)幫板、移架→放網(wǎng)→鋪鋼帶、打設(shè)錨桿索→收網(wǎng)→割煤液壓。

3)距終采線0～5m液壓支架不再前移，前部刮板輸送機與液壓支架解體，將后刮板輸送機油缸拆解用以推進(jìn)前刮板輸送機，工序：割煤→放網(wǎng)→鋪鋼帶、打設(shè)錨桿索→調(diào)整單體液壓支柱→移溜→收網(wǎng)→割煤。

3 全斷面掩護(hù)撤除支架法

3.1 防三角區(qū)所需支護(hù)力分析

回撤斷面支護(hù)形式不統(tǒng)一而產(chǎn)生三角區(qū)，該區(qū)域為整個支護(hù)最為薄弱的區(qū)域；三角區(qū)的存在對于回撤空間頂板管理與回撤施工極其不利，根據(jù)23219工作面頂板破斷巖塊幾何特征與鉸接形態(tài)，工作面在末采階段距終采線20m起停止放頂煤作業(yè)，液壓支架上方頂煤與直接頂無明顯離層形成等效直接頂結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵塊的塊度接近1，較為符合淺埋煤層頂板“短砌體梁”結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)淺埋深厚基巖綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)特點[6，11，12]，結(jié)合淺埋藏煤層頂板沿煤壁切落時支架工作阻力的確定方法[7]以及“短砌體梁”結(jié)構(gòu)相關(guān)理論[8，13]，分析防止待支護(hù)區(qū)域出現(xiàn)三角區(qū)所需的最小支護(hù)力Pm，由上覆煤巖體重量及關(guān)鍵塊滑落失穩(wěn)所傳遞的壓力RD組成。

Pm=lkb∑hγ+RD

(3)

式中，lk為待支護(hù)區(qū)域長度，m；b為待支護(hù)區(qū)域?qū)挾龋琺；RD為關(guān)鍵塊受荷載，MPa。

圖3 回撤工作面“短砌體梁”結(jié)構(gòu)模型

關(guān)鍵塊滑落失穩(wěn)的臨界條件[9]：

式中，i關(guān)鍵塊的塊度，i=h/l；θ1為關(guān)鍵塊的轉(zhuǎn)角，(°)；P1為頂板載荷，MPa。

P1=hlγ+KGh1lγ1

(5)

式中，h為關(guān)鍵塊厚度，m；l為關(guān)鍵塊長度(周期來壓步距)，m；γ為基巖體積力，kN/m3；h1為載荷層厚度，m；γ1為載荷平均體積力，kN/m3；KG(≤1)為載荷傳遞系數(shù)，KG=2h1tanφKt；Kt載荷傳遞的時間因子，回撤時推進(jìn)速度很慢Kt=1；φ為載荷層的內(nèi)摩擦角，(°)；λ為載荷層側(cè)應(yīng)力系數(shù)。

將式(4)、式(5)代入式(3)，可得出防止出現(xiàn)三角區(qū)所需的最小支護(hù)力Pm：

根據(jù)23219工作面實測礦壓數(shù)據(jù)及礦井地質(zhì)報告，該工作面頂煤厚度5.6m，其體積力為1.4kN/m3，直接頂厚6.22m，其體積力為2.4kN/m3，關(guān)鍵塊厚14m，周期來壓步距平均為11.5m，關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)角為9.2°，待支護(hù)區(qū)域長5m，寬3.5m。將以上數(shù)據(jù)代入式(3)—式(6)可得防止待支護(hù)區(qū)域出現(xiàn)三角區(qū)所需的最小支護(hù)力Pm為11252.63kN。

兩柱式放頂煤支架的理論支撐效率[10]為83.1%，而實測的單體液壓支柱的工作阻力為額定工作阻力的57.4%；即可得到采用液壓支架支護(hù)待支護(hù)區(qū)域總工作阻力為13541.07kN，采用單體液壓支柱支護(hù)待支護(hù)區(qū)域總額定工作阻力為19603.89kN。可見待支護(hù)區(qū)域采用單體液壓支柱支護(hù)較為困難、會產(chǎn)生“三角區(qū)”，其支護(hù)作業(yè)存在冒頂片幫危險。

3.2 傳統(tǒng)的掩護(hù)撤除支架法

傳統(tǒng)的掩護(hù)撤除支架法對待支護(hù)區(qū)域支護(hù)多為以下兩種[14，15]：掩護(hù)支架+木垛，掩護(hù)支架+單體液壓支柱。工藝流程：加強支護(hù)預(yù)撤支架空間(木垛或單體液壓支柱)→撤除待撤支架(絞車牽引)→切頂線處打設(shè)木垛或單體液壓支柱→移掩護(hù)支架(依靠絞車固定后自移)→回收掩護(hù)架后部單體支柱(木垛無法回收)→下一循環(huán)。

傳統(tǒng)的掩護(hù)撤除支架法并非全斷面的掩護(hù)，具有以下不足：①潛藏安全隱患；回撤斷面支護(hù)形式不統(tǒng)一、支護(hù)強度不同，在支護(hù)強度相對較低的“三角區(qū)”作業(yè)面臨煤壁片幫、頂板冒落等安全隱患；②工序繁瑣、勞動強度大；回撤空間支護(hù)既要使用絞繩逐個牽引掩護(hù)支架，又要人工架設(shè)木垛或打設(shè)單體液壓支柱、回撤支柱；③作業(yè)沖突；單體回收與掩護(hù)支架推進(jìn)不能同步進(jìn)行，掩護(hù)支架的自移與待撤支架的回撤都需用絞車；④耗材低效；支護(hù)“三角區(qū)”的大量坑木無法回收，增加回撤經(jīng)濟成本與勞動力投入。

3.3 全斷面掩護(hù)撤除支架法

所謂的全斷面掩護(hù)撤除支架法是指將撤除的部分液壓支架沿著工作面推進(jìn)方向布滿整個回撤斷面，采用自移連接板將掩護(hù)支架連接在一起，使得掩護(hù)支架可發(fā)揮自移功能，并在全斷面布置的掩護(hù)支架的及時支護(hù)下撤除液壓支架，如圖4所示。工藝流程：撤除待撤支架(架前撤架裝置)→移掩護(hù)支架(依靠支架前端橫梁固定后自移)→下一循環(huán)。

圖4 全斷面掩護(hù)回撤支架法

全斷面掩護(hù)撤除支架法較于傳統(tǒng)的掩護(hù)撤除支架法具有以下突出優(yōu)點：①工藝簡單、施工安全。支護(hù)形式統(tǒng)一、支護(hù)強度高，掩護(hù)支架完全自移，剔除了勞動力密集、危險的“三角區(qū)”支護(hù)工序，極大地簡化了工序的同時避免人員處于冒頂、片幫區(qū)域作業(yè)；②經(jīng)濟高效，既減少坑木與單體液壓支柱的損耗，又減少了相關(guān)作業(yè)人力投入，加大回撤作業(yè)機械化程度的同時提升了勞動工效，利于工作面在自然發(fā)火期以內(nèi)安全、快速回撤。累計減少了300工時、8根單體支柱的損耗、500m3方木的消耗及4名支護(hù)工人投入。

4 “架前撤架裝置+鏟板車+支架搬運車”協(xié)同回撤作業(yè)

4.1 絞車撤架及其弊端

絞車在礦井運輸與提升、井下有煤塵或爆炸性氣體的環(huán)境下采煤工作面液壓支架的推移，調(diào)向和搬運以及井下各類機電設(shè)備的搬遷等輔助運輸?shù)确矫鎇16-18]。由于絞繩自身力學(xué)特性，絞車僅能提供單向拉力，在較大運輸距離運輸液壓支架時，存在斷繩、飛繩等風(fēng)險；絞車回繩過程依靠大量的人力拖拽，勞動強度高、效率低；采用絞繩牽引作業(yè)時，絞繩貫穿整個采煤工作面，在回柱絞車調(diào)撤支架時，整個采煤工作面人員必須避讓、不得作業(yè)，因而干擾其他工序作業(yè)、影響采煤工作面整體回撤進(jìn)度。

4.2 架前撤架裝置及優(yōu)勢

架前撤架裝置固定在掩護(hù)支架前的自移連接板上，裝置整體能隨掩護(hù)液壓支架自動前移，液壓葫蘆將高壓乳化液的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，依靠鏈條傳動牽引另一端的液壓支架，鏈輪可以改變鏈條傳動的方向?qū)崿F(xiàn)液壓支架的調(diào)向功能。工藝過程：連接待撤液壓支架→抽架→調(diào)架→移架(掩護(hù)支架)。

采用液壓驅(qū)動的架前撤架裝置相較于傳統(tǒng)的絞車牽引撤架，具有以下優(yōu)勢：①裝置能夠隨著掩護(hù)支架不斷前移，傳動鏈條不需貫穿整個采煤工作面，液壓支架的調(diào)撤過程不會影響其他區(qū)域作業(yè)；②操作簡單、施工安全，該裝置不涉及長距離的絞車拖曳、只需一人便可完成液壓支架的調(diào)撤；③動力來源方便、安全，不需要額外敷設(shè)電路及相關(guān)器件等等。

4.3 “架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協(xié)同作業(yè)

圖5 協(xié)同撤架作業(yè)

結(jié)合23219工作面生產(chǎn)技術(shù)條件，提出“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協(xié)同撤除支架作業(yè)，如圖5所示。由圖5可知：①利用架前撤架裝置進(jìn)行液壓支架的抽離與調(diào)向；②采用機動靈活、爬坡能力強的鏟板式支架搬運車替代雙速絞車在運輸支架的功能，將支架轉(zhuǎn)運出工作面；③由適合長距離運輸?shù)目蚣苁街Ъ馨徇\車運往下一工作面或地面。各個作業(yè)環(huán)節(jié)間銜接合理、無干擾，實現(xiàn)了支架抽出、調(diào)向與運輸平行作業(yè)，節(jié)省了近150工時，減少了3名絞繩拖拽作業(yè)人員及1名絞車司機。

“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協(xié)同作業(yè)模式與傳統(tǒng)絞車牽引在勞動作業(yè)組織及效能指標(biāo)方面的對比見表1。

表1 勞動組織及效能對比表

從表1可看出，傳統(tǒng)絞車牽引存在需要人力牽引絞繩，在運輸支架時絞車司機無法實時了解支架運輸工況、支架調(diào)向、運輸?shù)茸鳂I(yè)無法平行作業(yè)，絞繩貫穿整個工作面對其他作業(yè)干擾極大等方面問題，采用“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協(xié)同作業(yè)模式能較好地解決以上問題，保障支架快速、安全回撤。

5 結(jié) 論

1)采用定制的高強聚酯纖維柔性網(wǎng)替代金屬菱形網(wǎng)，可杜絕金屬菱形網(wǎng)與液壓支架間的金屬摩擦起火，減少了拼接網(wǎng)片的工時消耗，小孔隙網(wǎng)格能有效地隔離上覆及后方的遺煤與落矸傷人，其良好的韌性能夠吸收部分離層變形、實現(xiàn)讓壓支護(hù)，對“三軟”煤層回撤空間頂板圍巖控制效果較好。

2)基于回撤工作面“短砌體梁”力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，理論計算出綜放工作面回撤空間防三角區(qū)所需最小支護(hù)力為11252.63kN，采用液壓支架支護(hù)時支架總額定工作阻力為13541.07kN以及采用單體液壓支柱支護(hù)時總額定工作阻力為19603.89kN，統(tǒng)一采用液壓支架支護(hù)能夠有效地防止回撤空間出現(xiàn)“三角區(qū)”、支護(hù)形式與支護(hù)強度更加統(tǒng)一。

3)全斷面掩護(hù)支架法是回撤空間冒頂、片幫防治的有效技術(shù)，其剔除了勞動力密集、危險的“三角區(qū)”支護(hù)工序，大大提升了回撤空間頂板支護(hù)作業(yè)機械化程度與安全性、利于工作面在自然發(fā)火期以內(nèi)安全、快速回撤。在伊新煤業(yè)23219綜放工作面的回撤中，累計減少了300工時、8根單體支柱的損耗、500m3方木的消耗以及4名支護(hù)工人投入等。

4)運用“架前撤架裝置+鏟板式支架搬運車+框架式支架搬運車”協(xié)同作業(yè)模式，可發(fā)揮各個設(shè)備優(yōu)勢，實現(xiàn)支架抽出、調(diào)向、與運輸平行作業(yè)，節(jié)省了近150工時，減少了3名絞繩拖拽作業(yè)人員及1名絞車司機。