綜采工作面過雙腰巷超前支護研究與應用

苗 悅,張福新

(中煤平朔集團有限公司,山西 朔州 036006)

傳統煤礦綜采工作面過老巷或空巷時的頂板防護大多是在預備通過的巷道內提前采取密集錨網支護、單體支護、充填或打木垛的方式進行補強支護[1],防止回采過巷中頂板安全事故的發生；回采技術普遍采用綜采工作面在距離預備通過的巷道20～30 m范圍內時,調整工作面偽斜,使工作面與巷道呈一定夾角,既要有利于控制刮板輸送機下滑,又要減少所過巷道在工作面的揭露面積[2],放頂煤綜采工作面還要求距離揭露巷道一定范圍內嚴禁放煤,避免巷道應力集中[3]。在巷道層位處理方式上,若所過巷道與工作面同層斜交,則采用傳統支護平衡頂板側向壓力;若所過巷道位于工作面上方,處于工作面頂板冒落帶或裂隙帶范圍內時,則采用沙袋充填,背實接頂;若所過巷道位于工作面下方時,主要受工作面底板傳遞壓力影響,為防止底板塌陷和支架臥底,采用木垛、沙袋或水泥灌漿等充填料進行回填[4],保證所過巷道有足夠的抗壓強度。多種聯合支護方式的應用導致支護種類繁多、回采成本偏高、頂板防控效果不明顯。在此以平朔井工一礦為研究對象,通過改變傳統綜采工作面過腰巷的支護方式,優化巷道支護技術,特別是超前整體支架的創新應用,同時配套超前支架遠程供液技術的應用進行分析研究。

1 工程概況

中煤平朔集團井工一礦位于山西省朔州市平魯區。井田位于寧武煤田,含煤地層是石炭系太原組、本溪組及二疊系山西組,井田面積16.16 km2,開采標高1 420 ～1 060 m。2005年1月建成投產,2006年礦井核定生產能力為1 000萬t/a。主采煤層為4#、9#、11#煤層。4#煤層平均厚度11.51 m,煤層賦存穩定,單斜構造,構造簡單。采區范圍內無大的斷裂,也無巖漿侵入現象。礦井采用斜立井混合開拓方式,通風方式為中央分列式。采煤工作面采用大巷條帶式布置,綜采放頂煤回采工藝,回采工作面頂板隨采隨落。

14113工作面北部與14112工作面相鄰,東部是太西四煤3條大巷及保安煤柱,南部礦井邊界與黑水溝礦和黨家溝礦毗鄰,西部為原14112工作面和14113工作面采空區。工作面設計長度303 m,工作面凈寬155.4 m。工作面回采將通過2條平行腰巷,2條腰巷與工作面夾角均為68°,2條腰巷水平間距20 m,腰巷貫穿整個回采過程,直至停采線,如圖1所示。第1條腰巷長637 m(原14113主運巷),第2條腰巷長475 m(原14112主運巷),且為2條腰巷平行布置。根據以往回采過腰巷的經驗[5],在工作面推進至距腰巷20 m范圍內,大多出現巷道頂板下沉、兩幫變形、底鼓等現象,為工作面正常回采造成很大的困難,且安全隱患較大。過腰巷期間,易出現揭露位置支架上方頂板垮落,導致支架前巖矸堆積、支架頂梁不接頂,或是支架壓架現象進而引發行程降低、采高不足等問題。若腰巷的超前支護與工作面推進度不協調,或偽斜角度調整不合理將導致所過巷道揭露面積過大,造成腰巷與工作面之間大面積垮落,出現冒頂事故。以上情況在工作面煤層傾角大的位置,將會變得更加嚴重。

圖1 14113跳面工作面雙腰巷平面示意圖Fig.1 Double waist roadway of 14113 working face

2 腰巷超前支護方案對比分析

2.1 傳統過腰巷頂板管控技術[6]

回采工作面通過腰巷與工作面切眼夾角范圍為0°～90°,工作面回采過程中工作面機頭或機尾將首先揭露腰巷,腰巷原巷道支護方式均采用“錨、索、網、鋼帶”聯合支護方式。為保障順利通過腰巷,需對腰巷內巷道進行超前補強支護,傳統腰巷補強支護方案為:錨索懸掛工字鋼、單體工字鋼棚、道木木垛3種組合方式。下面以井工一礦典型19106工作面腰巷為例進行說明。19106工作面腰巷斜長316 m,傾向垂直長度115 m,腰巷與工作面夾角70°,如圖2所示。

圖2 19106工作面腰巷平面示意圖Fig.2 Waist roadway of 19106 working face

2.1.1傳統腰巷超前支護工藝

1)主動補強支護。為防止工作面揭露腰巷大面積垮落,采用錨索懸掛工字鋼,補打錨索并吊掛長4.5 m的11#礦用工字鋼梁,錨索規格為Φ21.8 mm×10 300 mm,每根鋼梁上施工3根錨索,鋼梁排距為1 m。鋼梁吊掛方向垂直于腰巷走向。

2)被動單體支護。為確保揭露區域頂板可控,腰巷內采用單體工字鋼棚。4.5 m長工字鋼梁吊掛頂板后,需在每根工字鋼梁下打5根懸浮液壓單體支柱,單體間距為0.8 m,如圖3所示。

圖3 工作面腰巷支護剖面圖Fig.3 Support sectional view of waist roadway in working face

3)被動木垛支護。為實現腰巷揭露后緩慢垮落,防止采后頂板大面積來壓,需對腰巷內進行道木木垛施工。腰巷內使用200 mm×200 mm×1 200 mm的道木,施工成井字型加強支護,道木間排距根據腰巷寬度和一次揭露范圍確定。

4)其余地點補強。腰巷兩出口開口,沿輔運巷下幫使用4 m懸浮單體打2排點柱進行支護,單體間排距1 m。腰巷內受斷層、地質構造影響區域,巷道頂板超高且輕微破碎。使用10.3 m錨索將長4.5 m 的11#礦用工字鋼梁從兩端懸吊在頂板,保證鋼梁高度與兩側巷高一致,鋼梁間距為0.8 m;再使用200 mm×200 mm×1 200 mm的木垛接頂;每根鋼梁進行一梁五柱單體支護,單體間距為0.7～1.0 m。在該段兩側使用200 mm×200 mm×1 200 mm的道木打木垛加強支護,防止頂板冒落,如圖4所示。根據工作面回采經驗,自斷層面向兩側20 m范圍內的頂板破碎嚴重,經常發生冒頂事故,導致工作面空頂,支架失穩。

圖4 傳統腰巷補強支護圖Fig.4 Reinforced support in traditional waist roadway

2.1.2傳統腰巷支護工藝的缺點

1)支護成本高。為有效控制頂板,巷道主動、被動支護的布置密度較大,大量支護勢必會增加回采成本。

2)回采工藝復雜。工作面回采過腰巷期間,需回采一刀對腰巷內揭露的單體進行回收,同時需要對過腰巷進入工作面煤溜系統的道木進行回收,嚴重影響工作面過腰巷的時間,無法實現快速過腰巷的目標。

3)安全風險大。工作面過腰巷期間,頂板下沉嚴重,底鼓、兩幫變形嚴重,需人工回收腰巷內單體等材料,增加了停機人員進入腰巷的風險,增加了回撤過程中的安全隱患。

2.2 腰巷超前支護方案對比分析

方案一:采用主動、被動支護相結合的方式,2條腰巷采取錨索+鋼梁+木垛的支護方式。錨索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的19芯鋼絞線,間排距2 m×1 m,每排3根,并加掛5 m長的11#工字鋼,木垛每隔10 m架設2組,如圖5所示。在383 m支護范圍內,合計使用1 062根錨索,354根鋼梁,74組木垛。該方案中雖然腰巷提前支護完畢且密閉后作業人員不再進入、頂板支護范圍廣、支護效果好、人員安全保障性高,但工程量較大,需增加工程及材料費用320萬元。此外后期工作面在過腰巷期間大量道木將進入煤量系統,此后如果回收會增大安全風險,如果不回收則會影響原煤煤質。

圖5 腰巷超前支護方案一示意圖Fig.5 Advanced support 1 for waist roadway

方案二:腰巷內超前整體支架創新應用[7]。為降低工作面回采過腰巷時的安全風險,該方案在雙腰巷內各增加2組ZFDC26500/25/40型超前支架,雙腰巷內超前支架采用遠程供液,并隨工作面回采向前推移,如圖6所示。該方案可以減少大量腰巷單體、木垛、錨索鋼梁的補強支護施工,利用超前支架1 200 kN的工作阻力有效實現了對頂板的超前支護,縮短了人員進入雙腰巷的時間,降低了安全風險。

圖6 腰巷超前支護方案二示意圖Fig.6 Advanced support 2 for waist roadway

2.3 方案優化對比分析

優化后的方案一減少了工字鋼抬棚支護,比傳統支護減少了一項聯合支護。但是過巷回采期間回撤木垛與清除進入工作面腰巷支護的錨桿、錨索或網片等工作量比較大,此工作一般是要進入危險區采取栓繩拉柱或其他支護材料,特殊情況還要動火截割錨桿、錨索,危險系數比較高。該方法適用于地質構造復雜,不適宜安裝超前支架或巷道與工作面穿層(不在一個層位)的條件。

優化后的方案二,雖然工藝技術要求比較高,裝備繁多,但是安全性特別可靠,可大幅度提高綜采工作面回采期間的頂壓防控能力,且可減少回采期施工人員回撤木垛,清除進入工作面腰巷支護的錨桿、錨索或網片的工作量,從多方面減少了過巷其余工作量,也增加了人員安全性。特別是超前支架頂壓防控能力比較大[8],可大大提高綜采工作面回采過巷的安全性。

3 腰巷超前支架支護技術

要實現14113跳面工作面腰巷內使用超前支架,需解決超前支架的遠程供液問題,保障隨工作面回采可實現同步移架、過架維護頂板,實現動態頂板管理。主要遠程供液設計[9]工藝如圖7所示。

1)14113跳面兩腰巷內液壓支架供液由工作面設備列車進行遠程供液,由工作面輔運巷遠程供液鋼管分出。

2)14113跳面兩腰巷保護煤柱間距為20 m,為減少人員進入腰巷的操作時間,兩腰巷每間隔50 m施工1組鉆孔,采取“一趟供回液向兩腰巷供液”的方式,實現2組超前支架作業。

3)工作面主運繞道處接三通分出一路進行遠程供液,另一路回液,使用Φ51 mm高壓軟管,穿過繞道風門后進入14113腰巷。

4)工作面第一腰巷(14113主運巷)內鋪設高壓鋼管2路,一進一回,在圖7中所示位置增設三通接頭,并在1、2、3三通出口處安裝閘閥,通過墻面鉆孔鋪設Φ51 mm高壓軟管至14112主運巷。

5)工作面第二腰巷(14112主運巷)內鋪設2路Φ51 mm高壓軟管至工作面方向,為超前支架臨時供液,同時在遠程供液主管路安裝1組閘閥。

6)工作面正常回采過程中,逐步拆除腰巷內高壓鋼管,每到達距離鉆孔10 m的位置時,則停止該處鉆孔管路的使用,使用下一處鉆孔管路。更換鉆孔前,在第二腰巷(14112主運巷)內臨時鋪設2路Φ51 mm高壓軟管,以保證14112主運巷支架供液。

7)安裝過程中需在第二腰巷(14112主運巷)與第一腰巷(14113主運巷)內布置3組鉆孔(50 m一組),每組2個鉆孔,均套4寸鋼管。

8)工程初期,2組超前支架初次撐起時的供液由工作面液壓支架臨時提供。

圖7 14113跳面工作面腰巷遠程供液布置示意圖Fig.7 Remote liquid supply layout in waist roadway of 14113 working face

4 雙腰巷超前支護安全保障

4.1 過巷道前的準備工作

1)通風部門提前做好風量調試工作,保障工作面接通腰巷后風量正常。腰巷內提前設置柵欄,嚴防人員誤入。

2)準備道木等支護材料,便于頂板出現緊急情況可立即投入使用。

3)工作面接近腰巷邊緣時,調整工作面采高,保持工作面采高與腰巷高度一致,可減少煤壁片幫和實際挖底量,工作面和超前架推移速度要保持協調。

4)提前做好礦壓觀測,將周期來壓數據進行匯總分析,根據來壓位置和來壓步距,科學避開揭露腰巷時的周期來壓,防止應力集中,頂壓顯現。

4.2 過巷道期間的主要安全防范措施

1)端面破碎或端面距較大時,支架必須及時伸出伸縮梁,防止工作面漏頂。

2)揭露腰巷時工作面支架必須超前拉出,并打出伸縮梁,實現超前移架。

3)對于頂板破碎、漏矸段拉架時,采用帶壓移架,少降快拉,滯后煤機滾筒3架及時移架的方法。

4)煤機與支架要配合好,根據頂板情況采用停機等架或邁步移架(隔一架拉一架)的方法。

5)支架要接頂嚴密,若不接頂,可采取木垛剎頂的方式支護頂梁前端,防止發生切頂。

6)過腰巷期間,嚴禁作業人員架前作業、停留或通過;兩端頭超前架及腰巷超前架也要超前拉出。

4.3 漏矸處理

1)割煤時頂板要保證支架平緩過渡,支架狀態應調整好,不得出現低頭或抬頭支架。

2)由經驗豐富的拉架工根據實際情況拉架,拉架要從頂板破碎區的兩邊向中間拉,防止頂板破碎范圍擴大,盡量減少矸石的冒落。

3)及時調整架型。對頂板冒落較高、支架不能接頂的地方,要調整好架型;對于能接頂的地方應盡量接頂,并保證支架初撐力。

4.4 冒頂處理[10]

過腰巷有時會出現冒頂情況,發生冒頂后,可采取以下處理方式。

1)如果矸石埋住工作面電纜,則首先用搖表搖測工作面電纜,發現電纜絕緣值較低時查明原因后進行處理。

2)檢查工作面前部刮板輸送機能否開動,如果不能開動,則將頂幫支護好后組織人員進行清理。

3)支護時首先用礦用撞楔控制冒落區頂板,然后用礦用11#工字鋼配合單體支柱及菱形網在支架前梁扶走向棚,由兩端向中間維護。棚距根據現場情況確定,采取一梁三柱的方式。扶棚必須注意安全,首先是進入作業現場嚴格執行先檢查后工作制度,確保人員能在安全的環境中施工方可進行作業;其次是作業前,要嚴格執行敲幫問頂制度,用長柄工具找到幫頂的懸浮煤塊,所有人員必須躲開煤塊可能掉落的地點;再次,扶棚要由冒頂區域兩端向中間逐棚進行,現場要協調一致;然后在接頂作業時,作業及監護人員必須隨時觀察頂幫情況,發現來壓后,技師撤到安全地點,并保障緊急撤退路線暢通;最后在處理冒頂作業期間,如果工作面有前后溜,后部刮板輸送機要定期開動,防止壓死。

4.5 壓架處理[11]

過腰巷期間,如果回采工藝、頂板控制及其他管理手段控制不好,會出現上部頂板壓力大,導致支架工作阻力急劇增加,超過最大工作阻力的情況,使支架行程降低,不能移架。

1)如果支架被壓死,首先采用人工清理臥底的方法進行處理。如人工無法清理或清理后無效果時,則采用放炮臥底并用單體支柱輔助移架,放炮需另行編制專項安全技術措施。

2)支架工移架時必須2人一組,一人觀察、一人作業。支架必須帶壓移架,移架后及時將護幫板打開,并升足壓力,初撐力不低于24 MPa。

5 效益分析

14113綜采工作面過雙腰巷超前支護研究與應用實踐,成功解決了工作面回采中的頂板超前管控、遠程供液等技術難題。在腰巷內成功實現使用整體超前支架管控頂板,實現腰巷超前支架遠程供液操作支架[12];通過腰巷鉆孔聯通采取“一趟供回液向兩腰巷供液”[13],實現2組超前支架同步作業、近距離雙腰巷同時回采的頂板管控。

1)經濟效益[14]。對比傳統腰巷支護方式,腰巷內超前整體支架的創新應用,減少單體、道木、工字鋼、錨索補強支護、底鼓二次臥底等工程費用近480萬元,同時大大降低了員工的勞動強度。

2)安全效益。對比傳統腰巷支護方式,雙腰巷超前支護研究與應用實踐,采用工作阻力1 200 kN的超前支架,有效提高了對腰巷的頂板管控,杜絕以往揭露腰巷時不同程度頂板冒頂的安全風險;同時降低了作業人員進入兩腰巷回收單體等材料的安全風險。

3)社會效益。14113跳面綜采工作面過雙腰巷超前支護研究的成功應用，為煤礦開采過類似腰巷總結了經驗,實現了機械化過腰巷的技術創新。現場圖如圖8所示。

圖8 回采現場超前頂板管理圖Fig.8 Advanced roof management in mining face

6 結論

井工一礦14113工作面過雙腰巷超前支護技術的實踐應用,成功實現了工作面回采過程中安全高效、降本增效、本質安全過腰巷的創新目標。該研究及應用實踐較以往回采技術,實現了超前支架對腰巷的頂板管控,有效提高了對腰巷頂板的高工作阻力管理,有效控制了腰巷的頂板下沉、兩幫變形、底鼓等現象,確保回采順利;同時實現了過雙腰巷對超前支架遠程同步供液的目標,從源頭消除了隱患,實現了安全高效回采。