智能化綜采放頂煤工作面快速過(guò)陷落柱技術(shù)研究

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（晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊二號(hào)井 山西 046000）

引言

我國(guó)煤礦智能化開(kāi)采正在蓬勃發(fā)展，在其發(fā)展過(guò)程中不可避免的存在著一系列亟待解決的問(wèn)題，特別是智能化采煤作業(yè)的研究，更是迫在眉睫。對(duì)此，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，如張奇[1]研究了大采高綜采工作面安全快速過(guò)陷落柱技術(shù)；高穩(wěn)龍[2]探析了掘進(jìn)工作面過(guò)陷落柱過(guò)程中巷道圍巖的應(yīng)力情況與巷道支護(hù)技術(shù)；王崇智等[3]研究了綜放工作面過(guò)陷落柱過(guò)程中止水塞建造技術(shù)；李晉等[4]研究了綜采工作面怎樣安全快速的過(guò)陷落柱；張騰等[5]探討了在工作面可采儲(chǔ)量增加作業(yè)中順槽掘進(jìn)提前過(guò)斷層技術(shù)的應(yīng)用。雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者在煤礦智能化開(kāi)采方面進(jìn)行了大量的研究，但很少有學(xué)者專(zhuān)門(mén)單獨(dú)研究智能化綜采放頂煤工作面快速過(guò)陷落柱技術(shù)，對(duì)此本文以山西某礦5308綜采工作面智能化開(kāi)采技術(shù)為背景，進(jìn)行了智能化綜采放頂煤工作面快速過(guò)陷落柱技術(shù)的研究。在5308綜采工作面開(kāi)采過(guò)程中，遭遇到大型陷落柱，命名為SX108，該陷落柱嚴(yán)重的影響了工作面的回采工作。本文通過(guò)設(shè)備防護(hù)方法的創(chuàng)新，優(yōu)化爆破工藝與作業(yè)組織形式，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全、高效穿越陷落柱，為實(shí)現(xiàn)礦井智能開(kāi)采的快速穿越提供了技術(shù)借鑒。

1.工作面及地質(zhì)構(gòu)造概況

5308智能化放頂煤工作面位于五盤(pán)區(qū)北翼，所采煤層為3號(hào)煤，根據(jù)地質(zhì)資料與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)采區(qū)域的煤層厚度均值為5.69m，設(shè)計(jì)采高3.2m，采放比1:0.8。在工作面機(jī)頭部，采用單柱加錨索加固支護(hù)，尾部采用可移動(dòng)液壓支架支護(hù)。

2.過(guò)構(gòu)造技術(shù)

(1)構(gòu)造實(shí)際揭露情況

在5308工作面掘進(jìn)至485m處時(shí)，將揭露抽放鉆孔見(jiàn)矸異常區(qū)（發(fā)育陷落柱），對(duì)約20m長(zhǎng)的工作面施工造成影響（30～40號(hào)、48～60號(hào)支架共22個(gè)支架為全矸）；在5308工作面掘進(jìn)至509m處時(shí)，揭露SX108陷落柱，對(duì)約195m長(zhǎng)的工作面施工造成影響（約94個(gè)支架）。通過(guò)對(duì)兩處揭露處的特性進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者特性基本相同，可以判斷構(gòu)造基本一致[6]。

(2)松動(dòng)爆破

在地質(zhì)結(jié)構(gòu)的揭示中，巖石的性質(zhì)在持續(xù)地改變，因此，需要對(duì)爆破方案進(jìn)行多次的優(yōu)化。為了確保爆破的質(zhì)量，采用ZDY650礦用全液壓掘進(jìn)器和YT28風(fēng)力掘進(jìn)器進(jìn)行了深孔與淺孔的掘進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)巖石特性的研究，提出了3種不同的爆破方案。

①細(xì)粒砂巖爆破方案

因其堅(jiān)硬程度超過(guò)了液力鉆具所能承載的極限，所以選用了YT28型風(fēng)力鉆具。設(shè)計(jì)炮眼的深度為2.4m，屬于淺孔。在每個(gè)支架處布置4個(gè)炮眼，炮眼底部的裝藥量為1.5kg，炮眼的中上部裝藥量為0.9kg。

細(xì)粒砂巖炮眼布置如圖1所示。

圖1 細(xì)粒砂巖炮眼布置

②砂質(zhì)泥巖爆破方案

采用YT28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)鑿炮眼，上、底炮眼的深度分別為2.4m和3.2m都為淺孔。在每個(gè)支架處布置3個(gè)炮眼，炮眼底部的裝藥量為1.8kg，炮眼的上部裝藥量為1.2kg。具體布置如圖2所示。

圖2 砂質(zhì)泥巖炮眼布置

③泥巖爆破方案

泥巖爆破炮眼布置的形式為深孔加淺孔結(jié)合，深孔炮眼的深度為4m，采用液壓鉆機(jī)施工，淺孔炮眼的深度為2.4m，采用風(fēng)鉆進(jìn)行施工，鉆眼的布置方式見(jiàn)圖3。炮眼與水平面呈10°～20°夾角，深孔裝藥量為3kg，淺孔裝藥量為1.2kg。

圖3 泥巖炮眼布置

(3)設(shè)備保護(hù)

5308采場(chǎng)是一個(gè)智能采場(chǎng)，在采場(chǎng)中安裝了大量的傳感器和通訊線路，長(zhǎng)期進(jìn)行爆破作業(yè)會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和線路造成較大的影響。所以，需要對(duì)設(shè)備采取以下措施：①拆除容易受損的裝備。通常情況下設(shè)備主要的安裝位置為支架內(nèi)，一般采用在支架外掛皮帶的方法對(duì)其進(jìn)行防護(hù)[7]。但是，在智能工作面支撐柱的外部，還設(shè)置了大量的電子設(shè)備，如紅外線發(fā)射機(jī)、無(wú)線發(fā)射機(jī)和云臺(tái)攝影機(jī)等。為了提升裝備防護(hù)效能，降低防護(hù)工作量，需要針對(duì)性的拆除前部和后部（煤壁方向）設(shè)置智能裝備防護(hù)裝置。②創(chuàng)新保護(hù)方案。傳統(tǒng)的設(shè)備防護(hù)方法無(wú)法對(duì)保護(hù)罩內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行有效防護(hù)，且需要耗費(fèi)大量的人力、物力，因此必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改造。具體的解決方案是：在立柱上安裝保護(hù)裝置，防止在爆破過(guò)程中對(duì)立柱的擦傷，同時(shí)加裝板梁提升保護(hù)的有效性，在板梁的外部增加皮帶保護(hù)，既能夠有效增加保護(hù)面積，同時(shí)提升了韌性。

(4)工程質(zhì)量管控

根據(jù)長(zhǎng)期過(guò)構(gòu)造的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以將質(zhì)量管控的制度歸納為“三度一線”，三度為對(duì)過(guò)構(gòu)造期間的高度、坡度、進(jìn)度，一線為生產(chǎn)設(shè)備。①高度。在穿越構(gòu)造的過(guò)程中，該段采高的控制范圍為3.1～3.3m。一是方便工人操作，營(yíng)造了一個(gè)好的操作環(huán)境；二是要保證采煤機(jī)械及液壓支架有充分的調(diào)節(jié)余地，防止在上提下臥過(guò)程中出現(xiàn)回采高度不足的情況。②坡度。在穿越過(guò)程中，各構(gòu)造區(qū)段的底板傾角均控制在±10°以內(nèi)。從采煤機(jī)的性能和平時(shí)的工作實(shí)踐來(lái)看，當(dāng)刮板運(yùn)輸機(jī)上揚(yáng)下臥不超過(guò)±10°時(shí)，它可以將鏟煤板前面的煤矸掃得一干二凈。一旦超過(guò)這個(gè)值，則工作面中則會(huì)存在殘存的煤矸，這會(huì)造成移動(dòng)刮板運(yùn)輸機(jī)的困難，對(duì)生產(chǎn)造成很大的阻礙。③進(jìn)度。在施工過(guò)程中，不能出現(xiàn)構(gòu)造區(qū)段的施工延誤，以確保工作面的平直度。根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在架段的施工過(guò)程中存在大量的問(wèn)題，液壓支架容易出現(xiàn)擠架，造成運(yùn)輸機(jī)拖運(yùn)的困難，還有一些諸如倒架之類(lèi)的問(wèn)題，都在很大程度上限制了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。④設(shè)備保護(hù)。不破壞儀器是最基本的要求。盡管構(gòu)造的面積很大，在穿過(guò)構(gòu)造時(shí)，以松動(dòng)爆破為主，避免直接對(duì)硬矸進(jìn)行截割，避免設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷工作，防止機(jī)電設(shè)備受到損害[8]。

(5)大范圍出構(gòu)造的頂板管控

工作面在構(gòu)造內(nèi)部完成了190m的推進(jìn)后，全矸的支架數(shù)量仍超過(guò)50個(gè)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，構(gòu)造段的長(zhǎng)度僅剩10m，因此需要制定大范圍頂板的管控手段。本文采取了以下三項(xiàng)措施：①超前拉架。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，在構(gòu)造前后20個(gè)支架進(jìn)行超前拉架，保證頂幫可以得到有效的支護(hù)。②調(diào)低采高。為了避免出現(xiàn)大范圍的片幫，在構(gòu)造前后20個(gè)支架的范圍內(nèi)降低采高，由初始的3.2m降低到2.8～3.0m之間。③構(gòu)造段前后20個(gè)支架保證“三直一平”，待底板水平推進(jìn)至頂板完整區(qū)域后，才可以對(duì)底板進(jìn)行調(diào)整。

3.過(guò)構(gòu)造期間存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

(1)爆破作業(yè)的人員組織問(wèn)題

因?yàn)槭┕な怯绊懹行ч_(kāi)采的最大原因，所以在穿越結(jié)構(gòu)的全過(guò)程中，施工速度必須持續(xù)提升，施工工期必須減少。

首先，在穿越結(jié)構(gòu)之前，對(duì)采煤面上的空氣系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的改造。為了保證在過(guò)構(gòu)造過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)打眼作業(yè)，必須對(duì)工作面原來(lái)的Φ32mm壓風(fēng)管線進(jìn)行更新，也就是從53081巷、53082巷及53083巷3條巷道中，各向工作面引入1趟DN100mm壓風(fēng)管線，從而確保向工作面提供充足的風(fēng)量。

其次，重點(diǎn)抽調(diào)打鉆技術(shù)領(lǐng)先的技術(shù)人員，成立了鉆井技術(shù)團(tuán)隊(duì)，保證了每天180余個(gè)炮眼在7小時(shí)之內(nèi)全部完成。為及時(shí)、高效地實(shí)現(xiàn)了爆破施工提供了有力保障。

(2)設(shè)備重負(fù)荷啟動(dòng)問(wèn)題

在爆破后，由于有大量的煤塊被甩到刮板運(yùn)輸機(jī)上，導(dǎo)致輸送機(jī)啟動(dòng)困難，需要完成清理工作后才能進(jìn)行啟動(dòng)，這對(duì)正常的生產(chǎn)有很大的影響。針對(duì)這些問(wèn)題，我們可以從以下幾個(gè)方面加以控制：①調(diào)整裝藥容量，根據(jù)礦石的硬度差異，有針對(duì)性地調(diào)整炸藥用量，確保良好的爆破效果。②在每一次爆破之前，先把前面的刮板機(jī)向后拉，使它與煤面之間的距離增大，從而避免大量的煤矸被拋到輸送機(jī)。③加大對(duì)刮板輸送機(jī)的維護(hù)力度，每日對(duì)其前部和后部護(hù)套進(jìn)行清掃，避免載荷過(guò)大影響輸送機(jī)啟動(dòng)[9]。

(3)設(shè)備檢修與爆破沖突的問(wèn)題

在進(jìn)行爆破施工的過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)有大量的工人作業(yè)，刮板運(yùn)輸機(jī)不能及時(shí)進(jìn)行維修，造成了很大的安全隱患。針對(duì)這種情況，在工作面中，可以在同一時(shí)刻，采用多臺(tái)氣壓扳手同時(shí)工作的方式，在生產(chǎn)間隙，同時(shí)對(duì)刮板輸送機(jī)上的螺絲進(jìn)行維修和更換，減少了維修時(shí)間，提升了工作效率[10]。

(4)大殲對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的卡堵問(wèn)題

在爆破后，大塊的煤矸石堆積在一起，給輸送系統(tǒng)的移動(dòng)造成較大的阻礙，是影響采掘效率的關(guān)鍵因素。通過(guò)以下的技術(shù)手段，能夠有效降低煤矸石的量：①優(yōu)化爆破方式。縮減相鄰炮眼之間的距離，降低單個(gè)炮眼裝藥量，能有效的避免出現(xiàn)較大的矸石。②調(diào)整破碎機(jī)工作參數(shù)。將破碎機(jī)錘頭距離轉(zhuǎn)載機(jī)刮板的高度由350mm降低至280mm，提高破碎機(jī)對(duì)大塊煤矸石的破碎能力，避免出現(xiàn)大塊的矸石造成輸送機(jī)的卡堵。③增加工人數(shù)量。安排專(zhuān)人在機(jī)尾處進(jìn)行作業(yè)，采取人工的方式清除超過(guò)600mm的矸塊，進(jìn)一步降低輸送機(jī)卡堵的概率。④在輸送機(jī)上加裝了破碎工具[11]。在各站均配有起動(dòng)風(fēng)鎬、劈石器等破碎工具，對(duì)較大的煤塊進(jìn)行及時(shí)破碎。通過(guò)所述方案的實(shí)施，能夠有效的降低卡堵現(xiàn)象，單個(gè)班次的卡堵時(shí)間減少了80%以上，基本消除了大煤粉引起的不良影響。

4.結(jié)論

在山西某煤礦5308綜采工作面，采用以上方法，在3個(gè)月內(nèi)順利完成連續(xù)掘進(jìn)200m的成績(jī)，達(dá)到了預(yù)期效果。并且在保證生產(chǎn)效益的條件下，沒(méi)有出現(xiàn)一起人身傷害事件，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。