趙會波,張佳文,王 濤
(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048021;2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013)
對于井工礦井而言,綜采工作面設(shè)備回撤,因其使用大型設(shè)備及小型工器具較多、工藝較為復(fù)雜、輔助運(yùn)輸強(qiáng)度較高,設(shè)備回撤過程中面臨冒頂片幫、機(jī)械傷害、起重傷害、運(yùn)輸傷害等多種安全風(fēng)險,導(dǎo)致設(shè)備回撤整體安全管控難度較大,是礦井年度重點(diǎn)工程之一[1-5]。為減少綜采工作面設(shè)備回撤安全風(fēng)險,同時提高設(shè)備回撤作業(yè)效率,需從變革回撤設(shè)備、改進(jìn)回撤工藝、優(yōu)化輔助運(yùn)輸系統(tǒng)等方面進(jìn)行創(chuàng)新,通過提高機(jī)械化程度的方式減少設(shè)備回撤期間安全風(fēng)險并提高設(shè)備回撤效率[6-12]。目前國內(nèi)眾多礦井中,綜采工作面設(shè)備回撤依舊采用以絞車為主要回撤設(shè)備、軌道運(yùn)輸為主要輔助運(yùn)輸方式的回撤模式,存在安全風(fēng)險高、回撤效率低、單班作業(yè)人數(shù)多、作業(yè)人員勞動強(qiáng)度高等弊端,嚴(yán)重制約礦井安全高效發(fā)展[13-20]。
王坡煤礦傳統(tǒng)綜采工作面設(shè)備回撤中,采用以絞車為主、軌道運(yùn)輸與無軌膠輪車運(yùn)輸相結(jié)合的回撤方式。為有效解決制約綜采工作面設(shè)備回撤的安全難題與效率難題,通過對綜采工作面設(shè)備回撤關(guān)鍵設(shè)備與關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究,在3314綜采工作面設(shè)備回撤過程中,投入使用一系列新材料、新設(shè)備、新工藝,通過打破傳統(tǒng)設(shè)備回撤模式[12-19],探索綜采工作面設(shè)備回撤新路徑。
王坡煤礦3314綜采工作面位于三采區(qū)南翼,南側(cè)距南翼邊界回風(fēng)巷120m,北側(cè)為四條集中大巷,東側(cè)為3312運(yùn)輸巷,西側(cè)距3316工作面采空區(qū)約35m。3314綜采工作面位置如圖1所示。工作面煤層平均厚度為5.3m,煤層傾角3°~7°,偽頂為0.3m的炭質(zhì)泥巖,直接頂為2.0m的砂質(zhì)泥巖,老頂為9.0m的石英砂巖。3314運(yùn)輸巷沿煤層頂板布置,3314回風(fēng)巷沿煤層底板布置,工作面通風(fēng)系統(tǒng)采用“U”型通風(fēng)方式,其中,運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng),回風(fēng)巷回風(fēng),回采時瓦斯絕對涌出量為5.5~6.5m3/min。受塔里風(fēng)井保護(hù)煤柱影響,工作面終采線距南集中回風(fēng)巷210m,工作面在回風(fēng)巷側(cè)推采至1946.5m時停止回采作業(yè),形成回撤通道,進(jìn)行設(shè)備回撤。工作面回撤通道位于終采線處,要求形成回撤通道后,高度不低于3.1m,回撤通道內(nèi),支架底座距煤壁不小于4.3m。
圖1 3314綜采工作面位置
3314綜采工作面主要回撤設(shè)備見表1。
在王坡煤礦傳統(tǒng)綜采工作面末采收尾階段,頂板維護(hù)通常使用規(guī)格為長×寬=5m×1.3m的金屬經(jīng)緯網(wǎng),連接時長邊搭接200mm,短邊搭接400mm。由于單片金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂面積小,因此末采期間需耗用大量人力頻繁運(yùn)網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng),存在上網(wǎng)效率低、占用生產(chǎn)時間長等弊端,是影響末采效率的最大因素,且人員聯(lián)網(wǎng)時,需要頻繁進(jìn)入前部刮板輸送機(jī)煤壁處進(jìn)行作業(yè),存在較大安全隱患。為改善現(xiàn)狀,提高末采效率與安全性,在3314綜采工作面末采時首次采用全斷面高強(qiáng)聚酯纖維柔性網(wǎng),考慮工作面傾向長度與井下運(yùn)輸條件,選用兩卷規(guī)格為90m×12m的高強(qiáng)聚酯纖維柔性網(wǎng)。
表1 王坡煤礦3314綜采工作面主要回撤設(shè)備
3314綜采工作面進(jìn)行設(shè)備回撤時,首次采用BYSX-10×2(A)型雙臂液壓吊裝機(jī)、TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺等新設(shè)備,相較傳統(tǒng)以絞車為主、軌道運(yùn)輸與無軌膠輪車運(yùn)輸相結(jié)合的輔助運(yùn)輸方式,3314綜采工作面采用新設(shè)備后,設(shè)備回撤方式有明顯改變,主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn):①使用BYSX-10×2(A)型雙臂液壓吊裝機(jī)替代傳統(tǒng)“手拉葫蘆配合絞車”的起吊裝車方式用以回撤設(shè)備列車、轉(zhuǎn)載機(jī)、工作面運(yùn)輸巷超前支架等設(shè)備;②使用TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺進(jìn)行抽架、調(diào)向,替代傳統(tǒng)單體柱配合絞車的抽架、調(diào)向方式;③WC40Y(B)支架車可直接進(jìn)入回撤通道,采用支架回撤調(diào)向平臺配合支架車的裝車運(yùn)輸方式,替代傳統(tǒng)“絞車接力”式輔助運(yùn)輸方式。
3314綜采工作面采用新回撤方案后,對輔助運(yùn)輸系統(tǒng)及沿線巷道條件提出了更高要求,主要有以下三點(diǎn):①工作面運(yùn)輸巷繞道三岔口處、工作面機(jī)頭三角區(qū)及超前支護(hù)段寬度須滿足支架車順暢通行要求;②工作面回撤通道高度不低于3.1m,支架底座到煤壁寬度不低于4.3m,以滿足支架車通行與支架回撤調(diào)向平臺安全使用要求;③工作面支架回撤過程中頂板逐步垮落時,不得影響未回撤區(qū)域頂板安全。為此,須對工作面?zhèn)鹘y(tǒng)末采支護(hù)工藝與輔助運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新。
工作面機(jī)頭三角區(qū)及超前支護(hù)段屬于應(yīng)力集中區(qū),為確保工作面設(shè)備回撤期間該處頂板安全,提前在終采線以里15m、以外20m范圍內(nèi)進(jìn)行噴漿、注漿以及注漿錨索加梯型梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。先噴漿后注漿,噴漿厚度不小于100mm,強(qiáng)度不低于C20。注漿先進(jìn)行幫頂水泥淺孔注漿,然后進(jìn)行幫部水泥深孔注漿,幫、頂補(bǔ)注安爾特加固材料AEF-J,最后進(jìn)行幫頂預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索支護(hù)。
為確?;爻吠ǖ罎M足支架車通行要求,工作面在距終采線15m時,采高控制在3.1~3.2m,直至停采。同時,工作面須沿煤層底板推進(jìn)并適量破底以滿足支架車行駛要求,且頂?shù)装灞仨毟钇?。距終采線5m范圍內(nèi),工作面傾角不大于5°。
3314綜采工作面末采頂板上網(wǎng)主要流程為:
1)運(yùn)網(wǎng):采用前部刮板輸送機(jī)將兩卷高強(qiáng)聚酯纖維柔性網(wǎng)分別運(yùn)移到位。
2)吊網(wǎng):3314綜采工作面在距終采線15m處時,從1#架到119#架頂板鋪兩趟單層金屬經(jīng)緯網(wǎng)做引網(wǎng)。當(dāng)金屬網(wǎng)到達(dá)支架前梁時,每隔3架打一根頂錨桿固定金屬網(wǎng)。距終采線12m處改鋪單層高強(qiáng)聚酯纖維柔性網(wǎng),柔性網(wǎng)規(guī)格:長×寬=90m×12m,共使用2片,柔性網(wǎng)之間搭接長度不少于500mm,使用14#雙股鐵絲扣扣相連,兩端頭頂網(wǎng)探入巷道支架以外1m,并與巷道頂網(wǎng)聯(lián)牢,連接時擰緊扣數(shù)不少于3扣,同時,在柔性網(wǎng)下沿工作面傾向鋪設(shè)廢舊鋼絲繩,間隔0.8m直至末采完成。
3)割煤前收網(wǎng):采煤機(jī)割煤前,將柔性網(wǎng)用手動絞盤絞起,開始割煤,以免煤機(jī)滾筒割斷柔性網(wǎng)。
4)移架并放網(wǎng):采煤機(jī)割煤后,距后滾筒10個支架左右,確保每個支架降架高度足夠多時,方可逆向旋轉(zhuǎn)手動絞盤將纖維網(wǎng)放下,然后移架,以免支架前梁扯壞柔性網(wǎng)。
5)收網(wǎng):拉架后,將柔性網(wǎng)用手動絞盤絞起,等待下次割煤。
支架達(dá)到終采線處停止移架后,要形成工作面回撤通道還需割兩刀煤,煤機(jī)割第一刀煤后支架打出伸縮梁支護(hù)頂板,割第二刀煤后伸平護(hù)幫板支護(hù)頂板。3314綜采工作面末采通道支護(hù)采用“分步高強(qiáng)及時支護(hù)方案”替代傳統(tǒng)一次支護(hù)方案完成回撤通道支護(hù),通道總體支護(hù)方案分為三步,回撤通道總體支護(hù)方案如圖2所示。
圖2 3314綜采工作面回撤通道支護(hù)
第一步:3314綜采工作面末采開始做通道前(不再移架時),沿支架前梁處進(jìn)行頂板錨索支護(hù),錨索長度7.3m,每2架打一根錨索,錨索托盤要壓緊鋼絲繩。
第二步:煤機(jī)割通道第一刀煤后支架打出伸縮梁支護(hù)頂板,進(jìn)行“錨索+鋼筋梯梁”支護(hù),錨索長度7.3m,鋼筋梯梁規(guī)格為“間距1.5m×3孔”,隔兩架支護(hù)一次,需與第一步支護(hù)形成交叉支護(hù),且與第一步支護(hù)錨索間距保持0.8~1m。
第三步:支架摘掉推移框架,用1m的一字梁或單體柱放在推移框架前從機(jī)頭到機(jī)尾推出前溜,煤機(jī)割通道第二刀煤。割第二刀期間,須分段對頂板與煤幫進(jìn)行及時支護(hù),具體要求為:視頂板情況,煤機(jī)每割20~30架,對頂、幫進(jìn)行及時支護(hù)(不滿足錨索施工條件時支架梁端須穿工字鋼進(jìn)行支護(hù)),分4~6次完成工作面整體支護(hù)。為滿足回撤通道支護(hù)強(qiáng)度要求,頂板采用“錨索+鋼筋梯梁”支護(hù)方式,隔兩架支護(hù)一次,需與第二步支護(hù)形成交叉支護(hù),且與第二步支護(hù)保持0.8~1m的間距,錨索及鋼筋梯梁規(guī)格同上。煤幫支護(hù)形式為“錨索+鋼筋梯梁”支護(hù),幫錨索長度4.3m,鋼筋梯梁規(guī)格為“間距1.5m×3孔”,橫向布置,幫錨索排距1500mm,每排2根錨索,上下兩排錨索間距1800mm,垂直煤幫打設(shè),距離頂板、底板均為650mm,上下兩排錨索間打點(diǎn)錨桿進(jìn)行支護(hù),錨桿間距1500mm,幫錨桿打設(shè)情況可根據(jù)現(xiàn)場煤壁條件進(jìn)行調(diào)整。回撤通道采用分步高強(qiáng)支護(hù)方案后,可有效控制回撤通道頂板、煤幫圍巖變形量,停采面支架前梁處不再需要穿圓木并打設(shè)背幫柱。
3314綜采工作面完成末采支護(hù)后,回撤通道平均高度3.15m,平均寬度4.5m,支護(hù)效果良好,完全滿足支架車通行與支架回撤調(diào)向平臺安全使用要求。
3314綜采工作面進(jìn)行設(shè)備回撤時,由于采用了BYSX-10×2(A)型雙臂液壓吊裝機(jī)、TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺等新設(shè)備,因此輔助運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)生了較大變化,相較傳統(tǒng)綜采工作面設(shè)備回撤以絞車為主的輔助運(yùn)輸系統(tǒng),新式輔助運(yùn)輸系統(tǒng)主要變化體現(xiàn)在以下兩點(diǎn):①采用BYSX-10×2(A)型雙臂液壓吊裝機(jī)配合WC8無軌膠輪車完成設(shè)備列車、轉(zhuǎn)載機(jī)、工作面運(yùn)輸巷超前支架的回撤;②停采面使用支架回撤調(diào)向平臺進(jìn)行抽架、調(diào)向后,配合WC40Y(B)支架車完成裝車后外運(yùn)。BYSX-10×2(A)型雙臂液壓吊裝機(jī)、TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺如圖3所示。
圖3 3314綜采工作面設(shè)備回撤新設(shè)備
傳統(tǒng)以絞車為主的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)與采用TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺后的新式輔助運(yùn)輸系統(tǒng)對比情況如圖4所示。由圖4(a)可知,傳統(tǒng)支架回撤輔助運(yùn)輸系統(tǒng)須在裝車平臺處、機(jī)頭三角區(qū)、支架車裝車處至少布置5臺絞車,工作面由內(nèi)向外有撤架處、裝車平臺處、拐彎處、支架裝車處四個作業(yè)點(diǎn),并且須鋪設(shè)專用道軌;由圖4(b)可知,采用TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺后,支架回撤作業(yè)點(diǎn)集中于支架回撤調(diào)向平臺一處,無需鋪設(shè)道軌,減少了三個作業(yè)點(diǎn)。
圖4 3314綜采工作面支架回撤輔助運(yùn)輸系統(tǒng)對比
相較傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸系統(tǒng),新式輔助運(yùn)輸系統(tǒng)具有以下四方面優(yōu)勢:
1)所使用設(shè)備少,系統(tǒng)簡潔。傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,正常情況下,完成支架回撤至少需要5臺絞車,并且需要鋪設(shè)道軌,安裝裝車平臺;新式輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,由于使用支架回撤調(diào)向平臺配合支架車即可完成支架回撤,因此不再使用絞車,也不再鋪設(shè)道軌、安裝裝車平臺。
2)支架轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)少。傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,支架移出機(jī)窩后,須采用“絞車接力”方式將支架運(yùn)至道頭后裝入支架車,支架轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)多,運(yùn)輸效率低;新式輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,支架車可直接進(jìn)入回撤通道內(nèi)進(jìn)行裝車,取消了“絞車接力”轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié),支架運(yùn)輸效率明顯提高。
3)作業(yè)人員減少。傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,除機(jī)窩處作業(yè)人員外,還需配備3名絞車司機(jī)、3名裝車運(yùn)輸人員,單班作業(yè)人員為12人;新式輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,人員集中在機(jī)窩處進(jìn)行作業(yè),不再需要絞車司機(jī)與裝車運(yùn)輸人員,單班作業(yè)人員減至6人,減人達(dá)50%,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化減人的目標(biāo)。
4)風(fēng)險點(diǎn)減少。傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,從機(jī)窩至道頭的整個輔助運(yùn)輸線路中均可能發(fā)生斷繩、跑車等安全事故,安全風(fēng)險高;新式輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中,作業(yè)人員集中在裝車平臺處進(jìn)行回撤作業(yè),風(fēng)險點(diǎn)顯著減少。
工作面運(yùn)輸巷繞道三岔口處支架車路線:“工作面運(yùn)輸巷繞道正向進(jìn)入→在三岔口處正向拐彎進(jìn)入出煤聯(lián)巷→反向倒車進(jìn)入工作面運(yùn)輸巷及回撤通道”。為滿足支架車在工作面運(yùn)輸巷繞道三岔口處順暢拐彎通行要求,對工作面運(yùn)輸巷繞道與出煤聯(lián)巷相交處三岔口進(jìn)行抹角,抹角方式為以邊長2.5m的等腰三角形進(jìn)行抹角,并進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)。
為防止支架車在運(yùn)輸過程中,由于反復(fù)碾壓,造成底板破碎后輪胎陷入,需在支架車行經(jīng)路線(工作面運(yùn)輸巷繞道→運(yùn)輸巷→工作面回撤通道)的軟弱底板處鋪設(shè)輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板。工作面運(yùn)輸巷繞道由于前期已完成硬化,僅在受損處鋪設(shè)輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板;由于運(yùn)輸巷前期僅在人行側(cè)進(jìn)行硬化,需在皮帶側(cè)及人行側(cè)受損處鋪設(shè)輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板;工作面回撤通道底板完成浮煤清理后,沿工作面傾向鋪設(shè)兩排輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板。
3314運(yùn)輸巷由于是臨空巷道,圍巖壓力較大,前期為維護(hù)頂板,在頂板破碎下沉處進(jìn)行了架棚作業(yè)。為確保架棚段滿足支架車順暢通行要求,同時減少擴(kuò)幫工作量,在巷道凈寬滿足支架車通行前提下,打設(shè)錨索吊梁,取消單體柱,增加有效通行寬度。
由于3314綜采工作面支架回撤采用支架車直接進(jìn)入工作面裝運(yùn)支架的運(yùn)輸方式,為確保支架車在機(jī)頭三角區(qū)處拐彎通行順暢,工作面在采煤機(jī)停機(jī)前需對機(jī)頭三角區(qū)進(jìn)行抹角,抹角范圍為1#—10#支架間,抹角最大深度為3m,確保1#支架底座到煤壁距離不少于7m。同時,對機(jī)頭三角區(qū)煤壁以北5m、以東10m范圍的弧形區(qū)域進(jìn)行起底硬化,如圖5所示。機(jī)頭三角區(qū)首先進(jìn)行起底作業(yè),最大起底厚度0.8m,然后鋪設(shè)一層料石,之后鋪設(shè)0.2m厚的混凝土進(jìn)行硬化,待完成硬化后,路面鋪設(shè)輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板。
圖5 3314綜采工作面機(jī)頭三角區(qū)硬化范圍
1)運(yùn)輸巷終采線處通過采用“噴注錨”支護(hù)(噴漿、注漿與錨索補(bǔ)強(qiáng))工藝,減少了輔助運(yùn)輸沿線巷道圍巖變形量,確保了巷道與回撤通道滿足輔助運(yùn)輸要求,避免了后期進(jìn)行挑頂、擴(kuò)幫作業(yè),減少了后期維護(hù)工作量與維護(hù)費(fèi)用,同時避免了后期進(jìn)行挑頂、擴(kuò)幫作業(yè)時存在的安全風(fēng)險。
2)末采期間通過采用高強(qiáng)聚酯纖維柔性網(wǎng)維護(hù)頂板、分步高強(qiáng)及時支護(hù)方案支護(hù)回撤通道,有效控制了回撤通道頂板、煤幫圍巖變形量,停采面支架前梁處不再需要穿圓木并打設(shè)背幫柱。
3)通過優(yōu)化輔助運(yùn)輸系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了支架車由井底車場至回撤通道的全流程不間斷運(yùn)輸,簡化了支架運(yùn)輸工藝,提高了支架運(yùn)輸效率,縮短了支架回撤工期,由傳統(tǒng)方案的15d以上降至10d,且取消了安裝絞車、鋪設(shè)道軌、安裝裝車平臺等環(huán)節(jié),減少了支架回撤輔助工作量,避免了使用絞車時存在的安全風(fēng)險,同時使單班作業(yè)人數(shù)由原先12人降至6人,實(shí)現(xiàn)了減人提效。
王坡煤礦3314綜采工作面設(shè)備回撤在設(shè)備、工藝方面進(jìn)行了突破性創(chuàng)新,主要從設(shè)備投資、輔助工作量、回撤工期三個方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
1)設(shè)備投資方面。采用“絞車接力”回撤模式時,工作面回撤支架主要設(shè)備投資為絞車,至少須安裝5臺絞車,包含2臺28T絞車,3臺14T絞車,設(shè)備投資總額約為60萬元;采用TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺后,主要設(shè)備投資為調(diào)向平臺,設(shè)備投資總額約為100萬元。
2)輔助工作量方面。采用“絞車接力”回撤模式時,主要輔助工作為鋪設(shè)道軌、安裝裝車平臺;采用TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺后主要輔助工作為鋪設(shè)輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板。由于本次搬家所使用道軌、裝車平臺及輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板均為回收后復(fù)用材料,故不對材料成本進(jìn)行比較,僅對完成輔助工作所需工期及人工成本進(jìn)行比較。鋪設(shè)道軌所需工期為6d,每天投入用工量為45工,總用工量為270工;鋪設(shè)輕質(zhì)高強(qiáng)度鋪底板所需工期為3d,每天投入用工量為45工,總用工量為135工。按300元/工進(jìn)行計(jì)算,采用“絞車接力”回撤模式時,在輔助工作量方面,可減少人工成本約4萬元。
3)回撤工期方面。采用TYH-600型支架回撤調(diào)向平臺與傳統(tǒng)“絞車接力”回撤模式相比較,支架回撤工期由15d降至10d,同時單班作業(yè)人數(shù)由12人降至6人。因此,通過縮短回撤工期,可減少人工成本約2.7萬元,同時,接替工作面增加5d生產(chǎn)時間,可完成40000t原煤產(chǎn)量,按800元/t售價進(jìn)行概算,可增加原煤收入約3200萬元,提質(zhì)增效效果顯著。
通過對王坡煤礦傳統(tǒng)末采支護(hù)工藝與支架回撤輔助運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了支架車由井底車場到停采工作面回撤通道的全流程不間斷運(yùn)輸,優(yōu)化了輔助運(yùn)輸系統(tǒng),提高了支架運(yùn)輸效率,減少了支架回撤輔助工作量,減少了單班作業(yè)人數(shù),避免了使用絞車作業(yè)時存在的安全風(fēng)險,降低了作業(yè)人員勞動強(qiáng)度,安全高效完成了3314綜采工作面設(shè)備回撤工作,取得了較好的使用效果,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益,在王坡煤礦及其它類似條件下的綜采工作面設(shè)備回撤時具有良好的推廣應(yīng)用前景。