張有喜

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山西 大同 037003)

綜放開采技術(shù)因其高產(chǎn)高效、低能耗、經(jīng)濟(jì)效益顯著，已成為我國(guó)厚煤層開采的主要技術(shù)途徑。但對(duì)于厚煤層綜放開采的研究與實(shí)踐，一般僅限于煤層厚度小于10m。對(duì)于煤厚為15～25m的特厚煤層的綜放開采，目前我國(guó)還處于探索階段。對(duì)該類條件下綜放開采的巖層運(yùn)移規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)特征及支架選型均處于研究階段。大同礦區(qū)石炭系特厚煤層的綜放開采，已在塔山礦的5個(gè)工作面進(jìn)行了有益的嘗試。

1 塔山礦特厚煤層的地質(zhì)及開采技術(shù)條件

1.1 地質(zhì)條件

塔山礦現(xiàn)開采石炭二疊系太原組3～5#特厚煤層，煤層埋深400～520m，與上覆侏羅紀(jì)煤層間距為374～400m。3～5#煤層為合并層，煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化大，厚度在13～26m之間，平均厚度為18 m左右，是極復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層傾角2°～5°，平均3°。由于煌斑巖的侵入破壞，上部煤層受熱變質(zhì)或硅化，煤層結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，煤層由上至下節(jié)理、硬度不同，上部煤層結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理非常發(fā)育、質(zhì)軟易碎，普遍含3～9層夾矸。夾矸的巖性主要以高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥巖為主，局部為粉砂巖或細(xì)砂巖。下部煤層節(jié)理較發(fā)育，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=2.7～3.7。開采區(qū)域頂板巖性變化大，主要是高嶺質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、煌斑巖、煤線、砂質(zhì)泥巖等組成的互層，分層厚度小，為典型的復(fù)合頂板，頂板巖石抗壓強(qiáng)度一般為29MPa～67MPa。但距煤層上部15～20 m，局部發(fā)育有較厚層的粉砂巖頂板，分層厚度在8～11m左右。底板為高嶺質(zhì)泥巖、碎屑高嶺巖和粉砂巖。瓦斯涌出量較大，瓦斯具有爆炸危險(xiǎn)性，煤層自燃發(fā)火期短。

1.2 開采技術(shù)條件

已開采的8102、8103、8104、8202、8206等5個(gè)工作面，開采條件大致相同，工作面兩巷布置一進(jìn)一回，并在煤層頂板中布置1條瓦斯高抽巷。工作面長(zhǎng)度為230.5 m或207 m，機(jī)采高度為3.5 m，頂煤厚度為7.5～22.7 m，采煤工藝為頭尾端頭斜切進(jìn)刀，雙向割煤，循環(huán)進(jìn)度0.8m，采放工藝為一刀一放多輪順序放煤，頭尾過(guò)渡支架不放煤。

8102、8202兩工作面使用ZF10000/25/38低位放頂煤液壓支架， 8103、8104、8206工作面使用ZF13000/25/38支架，5個(gè)工作面使用的其他機(jī)電設(shè)備基本相同。

2 綜放開采的實(shí)踐

2.1 松軟破碎大斷面煤層巷道支護(hù)技術(shù)

塔山礦特厚煤層采用綜放采煤工藝，綜放工作面兩順槽巷道的支護(hù)出現(xiàn)以下新困難：①綜放工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板是煤層。在同樣采高的條件下，煤層厚度越大，頂煤越厚。松軟、破碎煤層頂板顯著增加了巷道的支護(hù)難度。②隨著回采工作面設(shè)備的大型化，開采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高，為了保證正常的運(yùn)輸、通風(fēng)及行人，要求的巷道斷面越來(lái)越大。塔山回采巷道寬度已達(dá)5～6m，高度3.3～3.6 m，斷面積達(dá)15～20m2，由此形成超高煤幫、特大斷面巷道。巷道高度的加大，顯著影響煤幫的穩(wěn)定性與變形，進(jìn)而影響整個(gè)巷道圍巖的穩(wěn)定，給巷道支護(hù)帶來(lái)極大困難。

一般錨桿支護(hù)理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐認(rèn)為：錨、網(wǎng)支護(hù)技術(shù)主要適用于單一煤層，不適用于特厚、巨厚煤層。近年來(lái)，隨著圍巖松動(dòng)圈理論的發(fā)展和錨索支護(hù)技術(shù)的成功應(yīng)用，在厚煤層中錨桿、錨索技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)支護(hù)方案比較和技術(shù)論證，塔山礦特厚煤層巷道最終選用了錨桿、鋼帶、錨索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式。具體支護(hù)參數(shù)、施工及監(jiān)測(cè)：①頂錨桿采用4級(jí)鋼筋制作的φ22～2400mm高強(qiáng)度錨桿，錨桿間排距均為900mm，樹脂加長(zhǎng)錨固，錨桿托盤為100mm×100mm×8mm蝶形托盤，W鋼帶配合金屬網(wǎng)護(hù)頂，W鋼帶厚3mm，寬150mm，長(zhǎng)5000mm。②錨索采用直徑為17.8mm的1×7股鋼絞線，長(zhǎng)度8300mm，每三排錨桿打設(shè)3根錨索，錨索間排距分別為1600mm和2700mm，錨索托盤為300mm×300mm×10mm平托板。③在煤層條件變差時(shí)，錨桿排距調(diào)整為700mm。④內(nèi)側(cè)幫采用φ18～1800mm圓鋼錨桿，樹脂端部錨固，托盤為混凝土托板(內(nèi)置鋼筋)，長(zhǎng)度500mm；外側(cè)幫采用φ22～2000mm左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，配合500mm長(zhǎng)16#槽鋼，巷幫采用塑料網(wǎng)護(hù)幫。⑤施工時(shí)，使用機(jī)械緊固機(jī)具給錨桿螺母施加400N·m的預(yù)緊扭矩，主動(dòng)支護(hù)系數(shù)達(dá)到了0.55，實(shí)現(xiàn)了高主動(dòng)支護(hù)性。⑥錨桿托盤與螺母之間使用減磨墊圈，不使用金屬墊圈。⑦使用了頂板離層在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

由于采用了高主動(dòng)性、高強(qiáng)度、高剛度的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)的快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效，總結(jié)出了一套松軟破碎煤層中大斷面巷道的掘進(jìn)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，使大同礦區(qū)的軟巖巷道支護(hù)技術(shù)水平上了一個(gè)臺(tái)階。

2.2 工作面端面破碎頂煤的控制技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐表明，特厚煤層綜放開采條件下，當(dāng)煤層為軟及中硬時(shí)，工作面端面頂煤的穩(wěn)定性的良好控制，對(duì)于支架能夠良好接頂，充分發(fā)揮支架工作阻力具有重要意義。

理論研究及生產(chǎn)實(shí)踐均表明，縮小端面距、提高支架初撐力、對(duì)端面頂煤及煤壁及時(shí)封閉、及時(shí)移架減少頂煤暴露后的無(wú)支護(hù)時(shí)間，是有效維護(hù)端面頂煤穩(wěn)定的有力措施。它們可以減小端面頂煤區(qū)域存在的拉應(yīng)力區(qū)域，減弱或消除端面頂煤的受拉破壞。

塔山礦特厚煤層綜放面雖然為中硬煤層，但下部煤層節(jié)理較發(fā)育，加之工作面推進(jìn)過(guò)程中揭露的多條小斷層及侵入體構(gòu)造，使得煤層節(jié)理、裂隙更加發(fā)育，尤其在工作面頂板來(lái)壓時(shí)，進(jìn)一步加劇了端面頂煤的破碎。8102綜放面曾多次發(fā)生機(jī)道頂煤漏冒，冒落高度一般在2.0m左右，最高見火成巖頂板。機(jī)道頂煤漏冒造成支架不接頂，繼而造成工作面頂板出現(xiàn)臺(tái)階下沉，極易造成壓死支架。

針對(duì)ZF10000支架維護(hù)端面頂煤較弱的情況，ZF13000支架在支架前梁上增加了伸縮梁(梁長(zhǎng)600mm)，既使得端面距由458 mm減小到0，又對(duì)端面頂煤及煤壁能夠及時(shí)封閉，極大地改善了端面頂煤的穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。

2.3 工作面壓架防治技術(shù)

8102綜放工作面是同煤集團(tuán)石炭系特厚煤層開采的第一個(gè)工作面，煤層厚度平均16.87m。工作面使用ZF10000支架，使用中頂板來(lái)壓時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的壓架事故，開采期間累計(jì)損壞立柱98根，處理壓架事故，造成工作面推進(jìn)緩慢，嚴(yán)重影響正常安全生產(chǎn)，同時(shí)在處理壓架時(shí),也帶來(lái)安全隱患。如何預(yù)防支架壓架事故成為工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

特厚煤層開采工作面采放厚度大，采空區(qū)的冒落高度相應(yīng)也較高，要使冒落巖石充滿采空區(qū)，使工作面上覆巖層形成平衡結(jié)構(gòu)，防止老頂沖擊來(lái)壓，這個(gè)高度最少也在40m以上。電視鉆孔、微地震監(jiān)測(cè)也證明了頂板的活動(dòng)高度，在42～50m左右。這就相應(yīng)要求支架的工作面阻力，必須支撐平衡結(jié)構(gòu)以下的頂板巖石自重重量。計(jì)算表明，工作面開采煤層的平均厚度為17m左右時(shí)，頂板來(lái)壓時(shí)支架的最大工作阻力在1223～1412T，多數(shù)小于1300T。因此，研發(fā)了工作阻力13000kN的液壓支架，在塔山礦特厚煤層綜放開采的第二個(gè)工作面8103綜放面進(jìn)行了使用。

但在8103工作面開采的前半段時(shí)間，即2007年10月～2008年6月(該面2007年9月1日正式生產(chǎn)，2009年2月結(jié)束)中，主要由于現(xiàn)場(chǎng)管理方面的原因，頂板來(lái)壓顯現(xiàn)仍較強(qiáng)烈，仍然經(jīng)常造成支架前移困難，并多次發(fā)生壓架事故(開采期間頂板來(lái)壓共計(jì)160次，壓架事故共發(fā)生36次，均發(fā)生于2007年10月～2008年6月)，嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)，處理壓架既費(fèi)時(shí)又不安全，同時(shí)容易損傷支架。

通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，先后從放煤工藝、支護(hù)質(zhì)量、推進(jìn)度、液壓系統(tǒng)等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，尋求防治工作面壓架的有效措施。

1)提高支架初撐力。研究發(fā)現(xiàn)，支架初撐力與支架活柱下縮量密切相關(guān)。支架初撐力的大小，很大程度上決定著支架立柱的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)特性。提高支架初撐力，可以明顯降低頂板的早期下沉，減小來(lái)壓時(shí)支架活柱的縮量，有效預(yù)防壓架。

2)定期更換安全閥。研究發(fā)現(xiàn)，安全閥的完好率與支架壓架的可能性成明顯負(fù)相關(guān)。安全閥的完好、合格，可確保支架高工作阻力的正常發(fā)揮，消除“強(qiáng)支架”“弱支護(hù)”現(xiàn)象的發(fā)生?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施定期更換安全閥進(jìn)行返廠校驗(yàn)的措施，改變?cè)瓉?lái)的被動(dòng)更換損壞或開啟壓力降低的支架安全閥。

3)工作面均衡生產(chǎn)，推進(jìn)度在4m/d以上非常必要。研究發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)度在4m/d以下時(shí)，易引起支架行走困難。保證工作面均衡生產(chǎn)，推進(jìn)度在4m/d以上非常必要。

4)更換濃縮液為乳化液，增強(qiáng)過(guò)濾功能，保證支架液壓系統(tǒng)的有效性。更換濃縮液為乳化液，消除對(duì)液壓元件的銹蝕現(xiàn)象；在支架液壓系統(tǒng)中增強(qiáng)過(guò)濾功能，防止液體中的小顆?？赡茉斐砂踩y開啟后關(guān)閉不嚴(yán)或長(zhǎng)時(shí)間不能關(guān)閉。

通過(guò)采取上述措施后(2008年7月后)，8103、8104、8206工作面的開采，徹底避免了工作面壓架事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了塔山礦特厚煤層綜放開采的安全、高效。

2.4 支架適應(yīng)性

由特厚煤層放頂煤開采時(shí)頂板壓力及頂煤運(yùn)移特征決定了特厚煤層綜放支架相對(duì)于一般支架而言，除了要對(duì)工作面進(jìn)行有效支護(hù)外，還須具有良好的放煤功能、較強(qiáng)的防沖擊載荷性能及快速移架的功能。簡(jiǎn)而言之，支架應(yīng)具備的性能為：“支得住、護(hù)得嚴(yán)、放得下、卸得快、移得快?！?/p>

1)“支”的適應(yīng)性。由文獻(xiàn)[6]可見，ZF10000支架適用于煤層厚度最大為17m，ZF13000支架適用于煤層厚度最大為20m。實(shí)際生產(chǎn)中，工作面來(lái)壓時(shí)，ZF10000支架多次發(fā)生嚴(yán)重的頂板下沉壓架事故，支架安全閥開啟頻繁，開采期間累計(jì)損壞立柱98根；而ZF13000支架在工作面來(lái)壓時(shí)，雖也發(fā)生過(guò)頂板下沉壓架事故，但壓架次數(shù)明顯減少，嚴(yán)重程度也大大減弱。因而ZF13000支架，較ZF10000支架對(duì)頂板來(lái)壓的適應(yīng)性已明顯增強(qiáng)。

2)“護(hù)”的適應(yīng)性。針對(duì)ZF10000支架維護(hù)端面頂煤較弱的情況，ZF13000支架在前梁上增加了伸縮梁(梁長(zhǎng)600mm)，可對(duì)端面頂煤及煤壁能夠及時(shí)封閉，極大地改善了端面頂煤的穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。

3)“放”的適應(yīng)性。ZF10000及ZF13000支架的放煤機(jī)構(gòu)，均設(shè)計(jì)為尾梁并帶插板，尾梁擺角大，活動(dòng)范圍大，使得支架后部的過(guò)煤空間達(dá)到1000mm，大塊煤回收率高；尾梁插板行程為700mm，既增加了放煤口的尺寸，又可對(duì)大塊煤起破碎作用，提高了放煤速度。

4)“防沖擊載荷”的適應(yīng)性。 為防止沖擊載荷對(duì)支架帶來(lái)的不利影響，2種支架立柱均配備了大流量安全閥，流量達(dá)200L/min，保證了有沖擊載荷出現(xiàn)時(shí)立柱的及時(shí)卸液，這樣既保護(hù)了立柱，也避免了支架結(jié)構(gòu)件的損壞。

5)“快速移架”的適應(yīng)性。工作面實(shí)際生產(chǎn)表明，移架時(shí)相鄰支架有明顯的阻力增大現(xiàn)象，一般增加1MPa～2MPa，這說(shuō)明移架造成了移架區(qū)域及其周邊區(qū)域頂煤下沉量的急劇增大。為及時(shí)有效地控制頂煤的變形、下沉，應(yīng)盡可能縮短移架時(shí)間。

ZF13000及ZF10000支架的液壓系統(tǒng)，均采用了400 L/min的大流量操作閥，雙回路環(huán)形分段供液，前、后部供液系統(tǒng)各自獨(dú)立，互不影響，提高了移架速度，保證了支架的降、移、升循環(huán)不大于12s。這樣既縮短了移架時(shí)間，又為工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效提供了有利條件。

3 實(shí)踐效果及展望

3.1 效果評(píng)價(jià)及開采經(jīng)驗(yàn)

5個(gè)綜放工作面的開采實(shí)踐證明，塔山礦在特厚煤層采用綜放開采技術(shù)是成功的。通過(guò)在特厚煤層放頂煤安全、高效開采等諸多方面進(jìn)行的探索，獲得了許多有益的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于今后同煤集團(tuán)石炭系特厚煤層的安全、高效開采具有極佳的借鑒價(jià)值。

1)放頂煤開采技術(shù)對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的特厚煤層具有良好的適應(yīng)性。塔山石炭系3～5#煤層頂煤冒放性良好，垮落角80°～95°，頂煤呈松散體易于放出，頂煤回收率達(dá)80%以上。

2)ZF13000支架較ZF10000支架大大地提高了支撐能力及防護(hù)端面頂煤漏冒的能力，對(duì)工作面的適應(yīng)性得到很大的增強(qiáng)；ZF13000及ZF10000支架在“放”、“防沖擊載荷”及“快速移架”等方面，具有良好的適應(yīng)性。

3)合理的推進(jìn)速度，對(duì)頂板管理和采空區(qū)防滅火極為有利。8102、8103開采表明，日推進(jìn)度小于3.2m時(shí)，工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，易發(fā)生頂板下沉壓架事故，且推進(jìn)速度對(duì)采空區(qū)的防火也影響很大。實(shí)踐證明，工作面推進(jìn)速度應(yīng)不低于4.0m/d。

4)工作面必須實(shí)現(xiàn)大運(yùn)量、大功率、高強(qiáng)度、高可靠性的選型配套。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)性能須相互匹配，對(duì)后部運(yùn)輸機(jī)及配套的轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)要求高，轉(zhuǎn)載機(jī)的能力要滿足采煤機(jī)落煤能力和放煤能力的需要，破碎機(jī)的能力應(yīng)與工作面生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的大塊煤、巖等狀況相適應(yīng)，最大限度地保證采放平行作業(yè),減少彼此間的相互影響時(shí)間，保證工作面具有合理的推進(jìn)速度。

5)提升工作面現(xiàn)場(chǎng)管理水平，對(duì)預(yù)防工作面壓架具有重要意義?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，嚴(yán)格工作面現(xiàn)場(chǎng)管理，提高支架初撐力、保持支架安全閥有效、實(shí)現(xiàn)工作面均衡生產(chǎn)，可有效杜絕工作面壓架事故。

3.2 展望

1)大采高綜放是解決特厚(20m)煤層一次采全厚的有效途徑。8102、8103 工作面支架設(shè)計(jì)支撐高度3.8m，采煤機(jī)割煤高度平均3.5m，放煤高度15～18 m，采放比局部達(dá)到1∶4以上，超過(guò)《煤礦安全規(guī)程》采放比不超1∶3規(guī)定。大采高單一煤層開采技術(shù)已經(jīng)成熟，把大采高綜采開采技術(shù)與放頂煤開采技術(shù)結(jié)合起來(lái)，是解決特厚(20m)煤層一次采全厚的有效途徑。“特厚煤層大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”做為國(guó)家“十一五”重大支撐項(xiàng)目，在塔山礦8105工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，有望解決采放比超過(guò)1∶3的問(wèn)題。

2)特厚煤層開采設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。塔山已采的5個(gè)工作面的主要機(jī)電設(shè)備，除支架國(guó)產(chǎn)外，采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等均為德國(guó)進(jìn)口，綜放開采設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化程度低。8105工作面將全部使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，其安全、高效開采的成功實(shí)踐，將使特厚煤層開采設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

[1] 陸明心, 郝海金, 吳健. 綜放開采上位巖層的平衡結(jié)構(gòu)及其對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響 [J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2002 (6)：591-595.

[2] 閆少宏, 華輝. 綜放開采直接頂、基本頂范圍確定的理論與應(yīng)用 [C]. //中國(guó)科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)第16分會(huì)場(chǎng)論文集. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 .

[3] 樊運(yùn)策，毛德兵. 緩傾斜特厚煤層綜放開采合理開采厚度的確定 [J]. 煤礦開采, 2009 (2):03-04,38.

[4] 華心祝. 綜采放頂煤工作面支架工作阻力確定方法探討 [J]. 中國(guó)礦業(yè)，2004，13 (11):58-60.

[5] 毛德兵. 綜放支架支護(hù)強(qiáng)度與煤層采出厚度關(guān)系的研究 [J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2009 (1):45-48.

[6] 劉錦榮. 特厚煤層綜放采場(chǎng)直接頂關(guān)鍵層及支架適應(yīng)性 [J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2009 (6):1-4,8.