關(guān)玉祥,張文清

(1.淮南市安全生產(chǎn)宣傳教育中心,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué),安徽 淮南 232001)

隨著開采強(qiáng)度和開采年限的增加,國內(nèi)煤礦開采深度超過千米的礦井?dāng)?shù)量不斷增加[1]。與淺部礦井相比,深部礦井特別是千米深井面臨著高地應(yīng)力[2]、高地溫[3]以及由此帶來的遠(yuǎn)比淺部更為強(qiáng)烈的動(dòng)壓影響[4-5]等困難,有效解決這些困難是深部開采條件下煤礦高產(chǎn)高效的必備條件之一。

中煤新集口孜東礦屬于典型的千米深井,煤層埋藏深,且巷道圍巖大多數(shù)為泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖,井下巷道處于高地應(yīng)力、高地溫環(huán)境,加上巨厚的表土層及薄基巖等諸多復(fù)雜地質(zhì)因素的影響,巷道圍巖變形、破壞程度劇烈,由此帶來了頂板管理、礦壓治理、高溫環(huán)境治理等問題,進(jìn)而導(dǎo)致一系列的生產(chǎn)和安全管理方面的難題[6]。針對(duì)這些問題,口孜東礦陸續(xù)開展了復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)高效一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)踐，這些技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)國內(nèi)其他類似條件下的礦井開采具備相當(dāng)?shù)慕梃b意義。

1 影響因素分析

口孜東礦由于深井礦山壓力大,傳統(tǒng)支護(hù)方式不能有效地控制其變形,巷道“前掘后修”“邊掘邊修”“多次返修”等問題十分突出,為維持正常的生產(chǎn),礦上投入了大量的人力和物力進(jìn)行巷道修護(hù),深井支護(hù)、礦壓治理成為阻礙發(fā)展的關(guān)鍵問題。

1)兩巷支護(hù)是綜采工作面推進(jìn)速度的最大影響因素。根據(jù)礦壓觀測資料,工作面采動(dòng)影響區(qū)域超前工作面150 m左右,在超前工作面70 m左右時(shí),幫部累計(jì)變形3.0～3.5 m,底臌6 m以上,其影響范圍和程度遠(yuǎn)超淺部礦井,對(duì)工作面推進(jìn)速度有決定性的影響。

2)工作面頂板管理也是綜采工作面推進(jìn)速度的影響因素。深井高地應(yīng)力疊加復(fù)合頂板的地質(zhì)條件,如果再加上斷層、褶曲、迎采及重型支架、大采高、超長工作面等復(fù)雜的地質(zhì)和工程條件,綜采工作面頂板就極易發(fā)生冒漏,對(duì)工作面推進(jìn)速度影響很大。

3)綜采工作面的安裝和回撤工期對(duì)礦井接替、安全影響很大。大采高超長工作面綜采裝備體積大、重量大、數(shù)量多,而安裝、回撤通道及設(shè)備打運(yùn)線路需要大高度大斷面,在深井高地應(yīng)力條件下,必然導(dǎo)致巷道變形快,導(dǎo)致工作面安裝回撤進(jìn)度慢,回撤時(shí)間長,防滅火難度大。

4)深井高地溫再加上綜采工作面大功率裝備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量對(duì)工作面環(huán)境溫度產(chǎn)生巨大影響,單純靠通風(fēng)方式解決地溫問題十分困難。

5)高效安全的輔助運(yùn)輸對(duì)綜采工作面快速回采不可或缺。在深井高地應(yīng)力條件下,工作面兩巷表面位移及底臌量巨大,傳統(tǒng)的地軌運(yùn)輸對(duì)底板要求較高,不適應(yīng)深井條件下的兩巷運(yùn)輸。

下面以121302孤島工作面開采為例,詳細(xì)說明千米深井復(fù)雜條件下綜采工作面高效開采關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)踐。

2 工作面概況

121302工作面為礦井投產(chǎn)以來開采的第9個(gè)綜采工作面,采用傾斜條帶布置,風(fēng)巷沿傾向1 054 m,機(jī)巷沿傾向1 260 m,可采區(qū)域沿傾向972 m,切眼沿走向345 m;工作面埋深-769～954 m。工作面內(nèi)13-1煤層平均厚度5.64 m，含一層夾矸,為炭質(zhì)泥巖,煤層結(jié)構(gòu)為0.70。

直接頂是由泥巖及煤線組成的復(fù)合頂板,平均厚度4.4 m,普氏系數(shù)3.0～3.9；老頂為細(xì)砂巖,平均厚度3.3 m,普氏系數(shù)6.8～7.5；直接底是由泥巖及煤線組成的復(fù)合底板,平均厚度5.5 m,普氏系數(shù)3.1～4.1；老底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度2.7 m,普氏系數(shù)4.3～5.2。

工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為17.26 m3/min;煤塵具有爆炸性;煤層最短自燃發(fā)火期36 d;原巖溫度38～44℃;最大涌水量為41.3 m3/h。

工作面共安裝支架197臺(tái),型號(hào)為ZZ13000/27/60D,支架中心距1.75 m,支撐高度2.725～6.000 m,工作阻力13 436 kN,安裝尺寸為2.7 m×8.2 m,質(zhì)量為47.2 t;配套采煤機(jī)(Eickhoff SL500AC)、刮板運(yùn)輸機(jī)(SZZ-1200/700/350)、運(yùn)輸機(jī)(DSJ1400/200/3×450)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及集中供液系統(tǒng)。工作面全部設(shè)備裝機(jī)功率8 740 kW。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置圖Fig.1 Layout of roadways in the working face

3 關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)踐

3.1 工作面兩巷支護(hù)技術(shù)

以前的工作面兩巷采用錨網(wǎng)索支護(hù),難以有效控制巷道圍巖的變形破壞,對(duì)工作面回采進(jìn)度影響巨大。故在121302工作面進(jìn)行了高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)-注漿改性-水力壓裂卸壓協(xié)同控制方法的研究和應(yīng)用[7],取得了良好的效果。

3.1.1采用新型錨梁網(wǎng)索支護(hù)

采用MG700高強(qiáng)錨桿,間排距900 mm×900 mm,配合高強(qiáng)度托板和調(diào)心球墊。頂錨桿加W型鋼帶支護(hù),幫錨桿加W型鋼護(hù)板。使用3 m×1 m鋼筋網(wǎng)片護(hù)頂,菱形網(wǎng)片護(hù)幫;并配合異型錨索拱形托板及寬鋼筋梯梁使用。

3.1.2巷道掘進(jìn)過程中超前注新型材料

使用新型材料對(duì)圍巖注漿改性,提高圍巖自承載能力,減少巷道在高動(dòng)壓影響下的變形[8]。掘進(jìn)過程中超前注新型材料可實(shí)現(xiàn)注漿漏漿自封閉性能:

1)錨桿、錨索孔漏漿可以在30～120 s內(nèi)自行封閉,可用于不噴漿巷道煤巖體快速注漿加固;

2)2 h強(qiáng)度可達(dá)10 MPa;

3)配備高速攪拌制漿設(shè)備,氣動(dòng)注漿泵壓力可達(dá)20～30 MPa。

3.1.3水力壓裂切頂卸壓

根據(jù)121302工作面機(jī)巷頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)與范圍,在兩巷靠近工作面一側(cè)布置水力壓裂鉆孔,間距10 m,孔徑75 mm,孔深67 m,鉆孔與順槽軸向方向夾角30°,傾角45°,并注高壓水對(duì)頂板進(jìn)行壓裂[9]。

3.1.4實(shí)施效果

錨桿錨索承載力顯著增大,錨桿最大承載160 kN，頂板錨索承載355 kN,幫部錨索最大承載335 kN。巷道變形量顯著減少,根據(jù)礦壓觀測資料,采用新型支護(hù)后,巷道圍巖變形明顯減小,兩幫移近430 mm,頂?shù)装逡平?60 mm,底臌量為461 mm。

3.2 工作面回采頂板管理技術(shù)

3.2.1采取的技術(shù)措施

1)礦井在以前的綜采工作面回采過程中,由于工作面頂板破碎片漏導(dǎo)致回采進(jìn)度較慢,嚴(yán)重影響了工作面單產(chǎn)。分析回采工作面頂板控制困難的原因主要有:工作面頂板是以強(qiáng)度較低的泥巖組成的復(fù)合頂板、深井高地應(yīng)力及超常采動(dòng)影響、斷層、大采高、迎采。

2)分析工作面煤層及頂板結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),煤層夾矸較軟及復(fù)合頂板較易片漏,但煤層夾矸以上0.7 m左右煤分層硬度較大,并且十分穩(wěn)定,在工作面局部破夾矸托該頂煤的地段,頂板很少片漏。因此在整個(gè)工作面均實(shí)行了破夾矸托0.7 m煤分層頂煤回采,工作面片漏大幅減少。并且,該頂煤在推移支架過程中基本全部冒落,并不降低工作面的回采率，也未增加防滅火困難。

3)分析礦井以前回采的工作面冒頂情況,發(fā)現(xiàn)工作面迎采對(duì)頂板片冒十分敏感,迎采工作面頂板片冒遠(yuǎn)多于俯采工作面。該工作面沿傾向起伏較大,局部地段煤層反傾、遇斷層等原因?qū)е虏糠值囟喂ぷ髅嬗?，加大了工作面頂板片漏的機(jī)率。針對(duì)這種情況，可采取小步距割煤,但支架前探梁需超前伸出到位，使上部煤幫落煤,或者只割上部煤壁形成每個(gè)循環(huán)的微俯采環(huán)境而抑制頂板冒落,對(duì)治理工作面片漏十分有效。

4)工作面采高對(duì)頂板管理影響十分巨大,在頂板因周期來壓、遇斷層、迎采等因素影響下，片漏的地段及時(shí)降低采高。

3.2.2實(shí)施效果

121302工作面采取以上一系列措施后,頂板片漏的范圍和時(shí)間大幅減少,與以前相比，至少減少90%以上,工作面實(shí)現(xiàn)安全高效開采,月平均產(chǎn)量39.3萬t,最高月產(chǎn)45.6萬t。

3.3 工作面快速回撤技術(shù)

傳統(tǒng)撤除工藝投入人員多、支架打運(yùn)中間環(huán)節(jié)多,運(yùn)輸效率低，而且人工改造運(yùn)輸轉(zhuǎn)換平臺(tái)易造成巷道超高、安全管理難度大、回風(fēng)通道維護(hù)困難、人員進(jìn)入回采區(qū)及回撤通道內(nèi)施工點(diǎn)柱或木垛存在施工風(fēng)險(xiǎn)等問題。

3.3.1新回撤工藝

121302工作面支架拆除采用“柔性網(wǎng)+采煤機(jī)刷擴(kuò)+單軌吊+機(jī)械手+柔性掩護(hù)式預(yù)留回風(fēng)通道”的新回撤工藝。

1)收作鋪網(wǎng)采用鋼絲繩配合高強(qiáng)聚酯纖維柔性網(wǎng)。2020年,工作面長時(shí)間停產(chǎn)之后收作,在疊加工作面周期來壓影響,頂板大面積破碎漏冒,柔性網(wǎng)無法生根。使用4.5 m長鋼管將網(wǎng)固定在支架前梁,每3臺(tái)支架1組,交替前移支架完成1組支架1個(gè)步距的鋪網(wǎng)工作,在工作面片漏嚴(yán)重的條件下順利完成鋪網(wǎng)工作。

2)針對(duì)頂板破碎大面積片漏的情況,撤除通道支護(hù)采用密集“一梁四索”錨索吊梁加強(qiáng)支護(hù),通道上部刷擴(kuò)前注漿加固,短掘短支,下部采用采煤機(jī)掃底,快速完成通道刷擴(kuò)。

3)利用工作面原有綜采液壓支架支撐頂板(掩護(hù)相鄰支架回撤),再使用機(jī)械手牽引出架,最后使用單軌吊運(yùn)輸整體支架至吊裝間解體,工作面快速回撤技術(shù)示意圖如圖2所示。

圖2 工作面快速回撤技術(shù)示意圖Fig.2 Rapid withdrawal technology in the working face

4)借鑒急傾斜煤層柔性掩護(hù)式支護(hù)原理,取消維護(hù)撤除回風(fēng)通道的木垛,使用廢舊工字鋼、鋼絲繩、鋼筋網(wǎng)等材料在回撤通道煤壁側(cè)搭設(shè)三角形高強(qiáng)度“柔性掩護(hù)式預(yù)留回風(fēng)通道”,大幅減少坑木使用量,急傾斜煤層柔性掩護(hù)式支護(hù)示意圖如圖3所示。

圖3 急傾斜煤層柔性掩護(hù)式支護(hù)示意圖Fig.3 Flexible shield support for steeply inclined coal seams

3.3.2實(shí)施效果

通過采取新回撤工藝創(chuàng)造了礦井投產(chǎn)以來最快的回撤記錄,345 m長重型支架工作面回撤的時(shí)間只有38 d,較以前工作面回撤效率提高25%以上。

3.4 工作面高溫治理技術(shù)

根據(jù)礦井以前綜采工作面實(shí)際開采經(jīng)驗(yàn),深井原巖溫度較高,再加上單個(gè)綜采工作面裝機(jī)功率幾乎達(dá)到礦井總裝機(jī)功率的四分之一,設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量大,單靠增加風(fēng)量無法解決工作面回風(fēng)順槽高溫。生產(chǎn)班回風(fēng)順槽溫度可達(dá)34℃,機(jī)尾溫度甚至能達(dá)到36℃,嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。

3.4.1采取的措施

1)工作面全負(fù)壓通風(fēng)配風(fēng)量達(dá)到2 480 m3/min時(shí)能完全滿足稀釋瓦斯需要,但無法滿足工作面降溫需要。在不違反煤礦安全規(guī)程的前提下,利用礦井永久制冷系統(tǒng)通過局扇向工作面注入冷風(fēng),可以起到增加膠帶順槽進(jìn)風(fēng)量,降低進(jìn)風(fēng)溫度和濕度,效果十分明顯。

2)考慮到工作面機(jī)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量占工作面熱源較大比例的實(shí)際情況,在分析礦井永久制冷設(shè)備供冷能力和系統(tǒng)供水能力的基礎(chǔ)上,工作面工業(yè)用水全部采用永久制冷設(shè)備產(chǎn)生的冷水,一方面利用水熱容量大的特點(diǎn)將設(shè)備運(yùn)行的熱量帶走,另一方面也降低了設(shè)備運(yùn)行溫度,降低設(shè)備故障率。

3)對(duì)于工作面機(jī)尾局部地點(diǎn)溫度超高情況,在機(jī)尾安裝自制簡易的制冷裝置(用直徑250 mm鋼管內(nèi)纏繞散熱銅管)產(chǎn)生經(jīng)制冷工業(yè)用水冷卻的壓風(fēng),為機(jī)尾工作人員制造局部低溫環(huán)境。

3.4.2實(shí)施效果

通過采取一系列措施,121302工作面夏季回風(fēng)順槽連續(xù)二個(gè)生產(chǎn)班溫度降到了30 ℃。

3.5 工作面輔助運(yùn)輸技術(shù)

工作面兩巷經(jīng)過支護(hù)技術(shù)改革后,巷道底板變形仍然較為嚴(yán)重,如果采用傳統(tǒng)的地軌(絞車或無級(jí)繩)運(yùn)輸需要經(jīng)常臥底,安全保障難度大,經(jīng)過認(rèn)真細(xì)致地分析之后,決定在工作面兩巷采用單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行輔助運(yùn)輸。

打運(yùn)方案:解體支架由8驅(qū)單軌吊回風(fēng)順槽打運(yùn)至組裝間,整體支架由10驅(qū)單軌吊打運(yùn)至切眼,考慮順槽需持續(xù)臥底,兩巷均一直保留膠帶運(yùn)輸機(jī)。工作面輔助運(yùn)輸順槽布置如圖4所示。

圖4 工作面輔助運(yùn)輸順槽布置Fig.4 Layout of auxiliary transportation gateway in the working face

4 結(jié)論

1)工作面兩巷采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)-注漿改性-水力壓裂卸壓協(xié)同控制技術(shù)可以大幅降低巷道表面位移及底臌量,為工作面上下出口管理創(chuàng)造良好條件,該技術(shù)應(yīng)用前景十分廣泛。

2)針對(duì)導(dǎo)致頂板片漏敏感的影響因素,采取破夾矸托頂煤回采、及時(shí)適當(dāng)降低采高、迎采下小步距或割上部煤等創(chuàng)造局部微循環(huán)俯采條件等技術(shù)措施,大幅降低了工作面頂板片漏,對(duì)相似條件下工作面頂板控制有借鑒意義,對(duì)條件相差較大的工作面也有啟發(fā)意義。

3)深井條件下重型裝備安裝回撤新工藝主要包括大斷面撤除通道頂板控制技術(shù)、采煤機(jī)刷擴(kuò)技術(shù)、拆除時(shí)采用支架頂板控制技術(shù)及回風(fēng)通道新支護(hù)技術(shù),適用性強(qiáng),具有很大的推廣價(jià)值。

4)工作面在全負(fù)壓通風(fēng)的基礎(chǔ)上,通過機(jī)械增加冷風(fēng)供給,工業(yè)用水全部使用制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷水,為機(jī)尾制造局部低溫環(huán)境,使工作面溫度保持在規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi),較好地解決了深井高地溫條件下綜采工作面熱害治理難題。

5)工作面順槽采用單軌吊運(yùn)輸,徹底解決了深井高地應(yīng)力巷道底臌量大對(duì)地軌運(yùn)輸?shù)挠绊?。單軌吊運(yùn)輸相對(duì)于傳統(tǒng)地軌運(yùn)輸,具有機(jī)械化程度高、對(duì)復(fù)雜運(yùn)輸路線適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)輸效率高、占用人員少及安全性高的優(yōu)勢(shì)。