張 震，張洪清，譚德永，馮立友

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013；4.扎賚諾爾煤業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021410；5.山東鑫天河新材料科技有限公司，山東 泰安 271000)

我國厚煤層煤炭儲量豐富，在我國煤炭資源的分布中，厚煤層的可采儲量約占全國可采儲量的45%左右，每年厚煤層的開采量占全國煤炭產(chǎn)量的40%～50%，目前厚煤層的開采已是我國實現(xiàn)安全高效開采的主力技術(shù)[1-3]。

當前我國厚及特厚煤層開采以整層綜放開采為主，綜放開采技術(shù)已成為我國現(xiàn)階段實現(xiàn)高產(chǎn)高效礦井建設和進行采煤工藝改革的有效途徑。但特厚煤層綜放開采受煤層賦存地質(zhì)條件影響較大，存在著高含矸率、低回收率的問題，尤其在“煤硬頂軟”綜放開采條件下，這種現(xiàn)象更為突出。在“煤硬頂軟”地質(zhì)賦存條件下，由于頂板松軟的特殊賦存條件，頂煤和頂板破碎時間及塊度差別較大，頂板破碎后頂煤仍呈大塊狀態(tài)，支架頂梁上方的頂煤在裂隙張開并回轉(zhuǎn)的過程中，直接頂中的碎矸隨即進入大塊頂煤的裂縫中，煤矸分界線交錯，綜放開采時頂煤的回收率低、含矸率高。為提高“煤硬頂軟”特殊地質(zhì)覆存條件下煤層回收率及煤質(zhì)，國內(nèi)學者及生產(chǎn)礦井開展了大量的研究與現(xiàn)場試驗工作[4-11]，主要包括：采法及放煤工藝優(yōu)化、綜放頂煤爆破或水力壓裂弱化，但由于頂板松軟的特性，其效果并不明顯?；诖耍撐奶岢隽怂绍泧鷰r特厚煤層頂分層大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)技術(shù)，以期探討該技術(shù)在松軟圍巖特厚煤層高效高回率開采的可行性。

1 鋪網(wǎng)材質(zhì)及聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)展現(xiàn)狀

我國從1975年開始進行上分層機械化鋪網(wǎng)液壓支架的研制及鋪網(wǎng)工程實踐以來，經(jīng)過多年的分層開采實踐，在網(wǎng)的材質(zhì)、鋪網(wǎng)工藝等方面積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗[12-16]。

1.1 鋪網(wǎng)材質(zhì)

當前煤礦井下鋪網(wǎng)工作面使用的鋪網(wǎng)材質(zhì)主要分為金屬網(wǎng)和高強度聚酯纖維柔性網(wǎng)兩大類，其中金屬網(wǎng)抗腐蝕性差，下分層開采時網(wǎng)的整體強度較差，不能有效的阻擋上分層采空內(nèi)的破碎巖體，無法滿足下分層綜放開采時對煤質(zhì)的要求，其次金屬網(wǎng)鋪設時需逐片連接，每開采一個循環(huán)需進行一次聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)時間長，嚴重影響工作面推進速度，同時頻繁的運網(wǎng)及聯(lián)網(wǎng)作業(yè)時人員的勞動強度高、安全系數(shù)低。近年來，隨著礦用新材料研發(fā)的不斷更新，高強度聚酯纖維柔性網(wǎng)在井下應用范圍不斷擴展[17-23]，尤其在工作面回撤鋪網(wǎng)中得到了廣泛應用。柔性網(wǎng)具有抗拉強度大(100～1000kN/m2)、延伸率高(13%～20%)、兜護能力大、耐腐蝕不變質(zhì)等性能優(yōu)勢，由于其柔性可折疊的特性，可以實現(xiàn)整體一次性鋪設，克服了金屬網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)搭接可靠性差的難題，在工作面回撤中逐步取代了金屬網(wǎng)。

1.2 鋪網(wǎng)方式

工作面聯(lián)網(wǎng)方式主要有架上鋪網(wǎng)、架前鋪網(wǎng)和架后鋪網(wǎng)[12]。架上鋪網(wǎng)是將網(wǎng)卷懸掛于支架頂梁下，利用鋼絲繩通過頂梁下定滑輪與立柱上的手動搖盤實現(xiàn)網(wǎng)卷的自動展開，該方式操作空間充足，運網(wǎng)及聯(lián)網(wǎng)方便，目前該鋪網(wǎng)方式已在工作面末采期間鋪網(wǎng)控頂進行了廣泛應用，但對頂板狀態(tài)較差或裂隙較發(fā)育的正?；夭纱蟛筛吖ぷ髅?，由于支架支護的不及時性，該種鋪網(wǎng)方式極易造成架前冒頂、煤壁嚴重片幫，對生產(chǎn)影響相對較大。架前鋪網(wǎng)是將網(wǎng)卷置于前部刮板輸送機電纜槽側(cè)，底網(wǎng)從支架底座通過鋪設在底煤上，通過支架前移實現(xiàn)網(wǎng)的伸展，該支架的推移機構(gòu)和鋪聯(lián)網(wǎng)機構(gòu)連為一體，借助剛性推桿與鋪聯(lián)網(wǎng)機構(gòu)用銷軸連接，鋪聯(lián)網(wǎng)機構(gòu)的前端與輸送機鉸接，由于其空間及連接件的限制，該方式不適宜目前整張大片網(wǎng)的鋪設，目前國內(nèi)礦區(qū)基本無應用。架后鋪網(wǎng)即網(wǎng)卷掛在支架尾梁后方，移架時網(wǎng)自動展開鋪設在架后的底煤上，該鋪網(wǎng)方式網(wǎng)不經(jīng)過支架底座下方，易于鋪展。

近年來國內(nèi)部分礦井嘗試了采用鋪網(wǎng)的方式以提高回收率及煤質(zhì)[21]，2009年淮南礦業(yè)謝一煤礦試驗了頂分層架后金屬網(wǎng)鋪網(wǎng)[17]，2011年平莊風水溝煤礦嘗試了分層架后多片柔性網(wǎng)鋪網(wǎng)，河南煤業(yè)化工集團趙固一礦開展了頂分層架后鋪網(wǎng)，2016年棗莊礦業(yè)集團新安煤礦嘗試了頂分層架上鋪網(wǎng)。受支架后部空間及鋪網(wǎng)材料的限制，目前國內(nèi)正?；夭晒ぷ髅骈_展過的鋪網(wǎng)均為每個支架對應單片網(wǎng)(長20～30m，寬1.5m)的鋪展，鋪網(wǎng)材料為金屬網(wǎng)或柔性網(wǎng)，工人的勞動環(huán)境惡劣，聯(lián)網(wǎng)勞動強度大，同時大量單片網(wǎng)的聯(lián)結(jié)造成網(wǎng)的整體性較差，強度較低。

2 頂分層大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)方法及工藝

為實現(xiàn)松軟圍巖特厚煤層安全、高效、高回收率開采，提出了“特厚煤層頂分層大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)開采+下分層整層綜放開采”的方式。其中頂分層大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)是通過專用的壓縮、運網(wǎng)、牽引及鋪網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)柔性網(wǎng)在大采高支架后方的整體運輸及沿工作面傾向方向架后整體鋪網(wǎng)，柔性網(wǎng)整體鋪網(wǎng)尺寸：長200～300m，寬20～30m，架后單片網(wǎng)現(xiàn)場鋪設如圖1所示。

圖1 架后單片網(wǎng)現(xiàn)場鋪設

大采高綜采架后鋪網(wǎng)工藝可分為運網(wǎng)、掛網(wǎng)、展網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)四大工序。

2.1 運網(wǎng)工序

運網(wǎng)主要是將捆綁壓縮成卷的高強聚酯纖維柔性網(wǎng)利用絞車等牽引方式，在支架尾梁后部空間將其從機尾側(cè)運輸至機頭指定區(qū)域。運輸網(wǎng)卷長度沿工作面傾向方向為200～300m，沿工作面走向方向為20～30m，具體尺寸可根據(jù)現(xiàn)場運輸條件而定，架后運網(wǎng)模擬如圖2所示。

圖2 架后運網(wǎng)模擬

2.2 掛網(wǎng)工序

掛網(wǎng)主要是指當柔性網(wǎng)運輸?shù)轿缓?，將鋪設在網(wǎng)卷中的拉網(wǎng)繩索與支架后方的展網(wǎng)機構(gòu)相連，其中展網(wǎng)機構(gòu)為每隔一個支架設置一個。

2.3 展網(wǎng)工序

展網(wǎng)主要是指隨工作面開采將網(wǎng)卷展開的過程。展網(wǎng)過程是采用支架附帶油缸帶動柔性網(wǎng)自動鋪網(wǎng)，該機構(gòu)可實現(xiàn)網(wǎng)卷的自動展網(wǎng)鋪網(wǎng)，該工序隨工作面推進自動展網(wǎng)，不影響工作面回采作業(yè)時間，如圖3所示。

圖3 架后展網(wǎng)模擬

2.4 聯(lián)網(wǎng)工序

聯(lián)網(wǎng)主要指當前一卷網(wǎng)鋪設完成后，沿傾向方向與下一網(wǎng)卷進行聯(lián)結(jié)，如圖4所示。

圖4 架后聯(lián)網(wǎng)模擬

3 頂分層大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)

3.1 工作面架后高效鋪網(wǎng)材料運輸系統(tǒng)

鋪網(wǎng)材料在工作面的快速運輸是實現(xiàn)鋪網(wǎng)工作面高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。早期我國鋪網(wǎng)工作面由于架后空間及材料的限制，架后鋪網(wǎng)多采用人工搬運方式，效率低、勞動強度大。為實現(xiàn)鋪網(wǎng)材料的快速運輸，研發(fā)了工作面架后高效鋪網(wǎng)材料運輸系統(tǒng)，包括牽引裝置、減阻裝置、轉(zhuǎn)向裝置，如圖5所示，其中牽引裝置主要由電動機、卷筒裝置、底座、變頻器等部件組成，減阻裝置由連接頭、支座、滾筒組成，轉(zhuǎn)向裝置主要由立式滾筒、連接座組成。

圖5 鋪網(wǎng)材料運輸系統(tǒng)平面

3.2 工作面架后高效自動展網(wǎng)系統(tǒng)

工作面架后展網(wǎng)的速度和質(zhì)量對鋪網(wǎng)工作面高效生產(chǎn)至關(guān)重要，現(xiàn)有的架后展網(wǎng)多是人工展網(wǎng)作業(yè)，施工速度慢，安全隱患大，嚴重制約了鋪網(wǎng)工作面的安全高效開采。為實現(xiàn)架后高效自動展網(wǎng)，研發(fā)了工作面架后高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)。高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)由網(wǎng)卷中的拉網(wǎng)繩索和拉移式鋪網(wǎng)裝置組成，其中拉網(wǎng)繩索為編織在網(wǎng)卷中的高強度柔性繩，其主要作用為輔助柔性網(wǎng)的鋪展，鋪網(wǎng)裝置由拉移千斤頂、鏈條、旋轉(zhuǎn)輪等組成，為柔性網(wǎng)卷的鋪展提供動力。拉移式鋪網(wǎng)方式鋪網(wǎng)可與支架前移同步進行，也可獨立進行，雖然鋪網(wǎng)裝置相對復雜，但鋪網(wǎng)可不受移架影響，靈活性強，如圖6所示。

圖6 工作面鋪網(wǎng)系統(tǒng)剖面

3.3 工作面架后高效聯(lián)網(wǎng)方式

聯(lián)網(wǎng)方式的高效性直接影響工作面有效生產(chǎn)時間及產(chǎn)量，為提高聯(lián)網(wǎng)方式的高效性，傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)多采用鋼絲捆綁或菱形連網(wǎng)，連網(wǎng)方式施工復雜，耗時較長。為提高聯(lián)網(wǎng)方式的高效性，在保障聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量的前提下，提出了一種“穿針引線”式簡易快捷的連網(wǎng)方式，該方式在地面上每片網(wǎng)的兩端加強筋處安裝捆綁一根通過涂膠的15#高強工業(yè)滌綸絲繩，并將滌綸絲繩鋪上阻燃抗靜電膠，通過12#高強聚酯纖維滌綸繩進行“穿針引線”式連網(wǎng)，如圖7所示。

圖7 穿針引線快捷連網(wǎng)方式

4 大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)地面試驗

為驗證架后高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)設計的合理性及有效性，對工作面高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)進行了地面場地模擬試驗。選取柔性網(wǎng)材強度規(guī)格260×260kN，尺寸150m×20m。

4.1 柔性網(wǎng)壓縮效果測定

為滿足井下運輸尺寸要求，采用特制的液壓包裝機對柔性網(wǎng)進行壓縮后尺寸試驗，試驗表明，150m(長)×20m(寬)柔性網(wǎng)裝框后自然三維尺寸5.2m(長)×1.5m(寬)×2.3m(高)，實測重量5.36t，壓縮后尺寸為5.25m(長)×1.55m(寬)×1.4m(高)，壓縮后網(wǎng)卷體積由17.9m3縮小至11.4m3，體積縮小36.5%，如圖8所示。

圖8 柔性網(wǎng)壓縮效果

4.2 高效鋪網(wǎng)運輸系統(tǒng)測定

為驗證運輸系統(tǒng)的高效性，在地面模擬了井下線路，進行了運網(wǎng)時間測定。牽引裝置采用25kW礦用調(diào)度絞車，配300m長直徑18.5mm鋼絲繩牽引，牽引礦用網(wǎng)距離280m。實驗表明，從平板車牽引開始到網(wǎng)卷拉移到位完畢，運輸時間5.7～6.5min，拉移速度43.1～49.1m/min，滿足運網(wǎng)系統(tǒng)的高效性，如圖9所示。

圖9 地面展網(wǎng)工序測定

4.3 地面展網(wǎng)工序測定

為試驗展網(wǎng)系統(tǒng)的有效性，在地面每隔三組支架的距離在支架后方設置鋪網(wǎng)裝置(展網(wǎng)滑輪)，網(wǎng)卷內(nèi)設置拉網(wǎng)繩索，開展展網(wǎng)工序測定，拉網(wǎng)繩索連接在支架底座后部的展網(wǎng)滑輪上，展網(wǎng)時隨液壓支架前移隨展網(wǎng)。展網(wǎng)測試表明：移架3m后，支架后方網(wǎng)卷可順利鋪展，未出現(xiàn)網(wǎng)卷扭曲及緊縮顯現(xiàn)，展網(wǎng)有效可行。

4.4 快速聯(lián)網(wǎng)時間測定

為驗證聯(lián)網(wǎng)的高效及快捷性，在地面進行了聯(lián)網(wǎng)測試。結(jié)果表明，在采取隔孔串聯(lián)，穿針引線式聯(lián)網(wǎng)方式下，單人連網(wǎng)長度20m時，用時約約15min，聯(lián)網(wǎng)速度1.33m/min。

5 綜采架后高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)井下可行性分析

以300m長工作面為例，對架后鋪網(wǎng)系統(tǒng)井下運行的可行性進行分析。

運網(wǎng)擬用的JD-2.5調(diào)度絞車正常牽引繩速為1.16～1.46m/s，考慮到支架后部運網(wǎng)空間及運網(wǎng)路徑的特殊性，牽引過程中可能出現(xiàn)直角拐彎處磨網(wǎng)、架后空間浮煤清理、絞車遠距離運輸設備穩(wěn)定性等的問題處理時間，絞車實際牽引速度按地面試驗實際速度的50%計，取值0.4m/s，放繩速度按0.2m/s計，則運網(wǎng)時間為37.5min。

掛網(wǎng)工藝較簡便，按每隔一架設置一個展網(wǎng)機構(gòu)，每次掛網(wǎng)時間1min，4人同時操作，耗時20min。

展網(wǎng)工藝為在展網(wǎng)機構(gòu)的帶動下實現(xiàn)網(wǎng)卷的自動鋪展，該工序隨支架前移自動展開，因此，該工藝不占用開采時間。

聯(lián)網(wǎng)主要待上卷網(wǎng)展網(wǎng)完畢后與下一網(wǎng)卷進行聯(lián)結(jié)的過程。由于工作面傾向方向300m范圍均需聯(lián)結(jié)，耗時較長，因此需多人并行作業(yè)。大采高開采條件下，支架后部空間高度大于1.7m，聯(lián)網(wǎng)速度按地面試驗速度的75%考慮，聯(lián)網(wǎng)速度1.0m/min，按10人同時聯(lián)網(wǎng)計，需耗時30min。

綜上，大采高架后鋪網(wǎng)整個工序影響時間為87.5min。

T=T運+T掛+T聯(lián)=37.5+20+30=87.5min

5.2 大采高鋪網(wǎng)開采工作面產(chǎn)能分析

目前靈東煤礦工作面作業(yè)形式為3個生產(chǎn)班，1個檢修班，日生產(chǎn)時間16h。為最大程度降低架后鋪網(wǎng)工序?qū)φＩa(chǎn)造成的影響，架后鋪網(wǎng)工藝正常情況下放置在檢修班進行鋪網(wǎng)。

大采高鋪網(wǎng)工作面長度按300m計算，斜切進刀長度取52.3m，其中刮板輸送機彎曲長度18m，采煤機機身長度為17.15m，現(xiàn)場斜切進刀時間為25.13min；正常割煤段為247.7m，采煤機割煤速度7m/min，正常割煤時間35.4min。靈東礦大采高鋪網(wǎng)工作面循環(huán)作業(yè)時間為60.53min，該循環(huán)作業(yè)時間與國內(nèi)神東上灣煤礦、察哈素煤礦、黃陵二礦300m長大采高工作面循環(huán)作業(yè)時間基本一致。

工作面設備開機率按0.6計算，日產(chǎn)煤時間為14.4h，工作面按每3d進行一次換網(wǎng)及聯(lián)網(wǎng)，整個工序作業(yè)時間為87.5min，考慮鋪網(wǎng)工序占用回采時間的因素下，工作面平均每天割煤時間為14h，可實現(xiàn)每天割煤13.8個循環(huán)。

工作面割煤高度取5.0m，生產(chǎn)不均衡系數(shù)取1.1，則工作面年產(chǎn)量為684萬t：

式中，n為日循環(huán)數(shù)；L為工作面長度，300m；K1為生產(chǎn)不均衡系數(shù)，取1.1；Qr為工作面年產(chǎn)量；H為煤層采高，平均5.0m；B為循環(huán)進尺，0.865m；γ為煤體容重，1.3t/m3；C為工作面回采率，98%。

6 結(jié) 論

1)提出了“特厚煤層頂分層大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)開采+下分層整層綜放開采”松軟圍巖特厚煤層安全高效、高回收率開采方法。

2)確定了頂分層大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)運網(wǎng)、掛網(wǎng)、展網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)工藝，研發(fā)了工作面架后高效鋪網(wǎng)材料運輸系統(tǒng)、自動展網(wǎng)系統(tǒng)，并確定了架后高效聯(lián)網(wǎng)方式。

3)開展了大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)地面試驗，對柔性網(wǎng)壓縮效果、鋪網(wǎng)運輸系統(tǒng)、展網(wǎng)工序及快速聯(lián)網(wǎng)時間進行的測試。柔性網(wǎng)壓縮后體積縮小36.5%，運輸拉移速度43.1～49.1m/min，聯(lián)網(wǎng)速度1.33m/min。支架后方網(wǎng)卷可順利鋪展，未出現(xiàn)網(wǎng)卷扭曲及緊縮顯現(xiàn)，展網(wǎng)有效可行。

4)以靈東煤礦為背景，分析了大采高綜采架后高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)井下可行性，大采高架后鋪網(wǎng)整個工序影響時間為87.5min，工作面年產(chǎn)能力可達到600萬t以上，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面的高產(chǎn)高效。