＊劉宏煜

（晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊二號井 山西 046000）

引言

我國煤礦智能化開采正在蓬勃發(fā)展，在其發(fā)展過程中不可避免的存在著一系列亟待解決的問題，特別是智能化采煤作業(yè)的研究，更是迫在眉睫。對此，國內(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陷落柱技術(shù)；高穩(wěn)龍[2]探析了掘進(jìn)工作面過陷落柱過程中巷道圍巖的應(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陷落柱過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陷落柱；張騰等[5]探討了在工作面可采儲量增加作業(yè)中順槽掘進(jìn)提前過斷層技術(shù)的應(yīng)用。雖然國內(nèi)學(xué)者在煤礦智能化開采方面進(jìn)行了大量的研究，但很少有學(xué)者專門單獨研究智能化綜采放頂煤工作面快速過陷落柱技術(shù)，對此本文以山西某礦5308綜采工作面智能化開采技術(shù)為背景，進(jìn)行了智能化綜采放頂煤工作面快速過陷落柱技術(shù)的研究。在5308綜采工作面開采過程中，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，實現(xiàn)了礦井的安全、高效穿越陷落柱，為實現(xiàn)礦井智能開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區(qū)北翼，所采煤層為3號煤，根據(jù)地質(zhì)資料與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，開采區(qū)域的煤層厚度均值為5.69m，設(shè)計采高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)，尾部采用可移動液壓支架支護(hù)。

2.過構(gòu)造技術(shù)

(1)構(gòu)造實際揭露情況

在5308工作面掘進(jìn)至485m處時，將揭露抽放鉆孔見矸異常區(qū)（發(fā)育陷落柱），對約20m長的工作面施工造成影響（30～40號、48～60號支架共22個支架為全矸）；在5308工作面掘進(jìn)至509m處時，揭露SX108陷落柱，對約195m長的工作面施工造成影響（約94個支架）。通過對兩處揭露處的特性進(jìn)行對比發(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，通過對巖石特性的研究，提出了3種不同的爆破方案。

①細(xì)粒砂巖爆破方案

因其堅硬程度超過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)計炮眼的深度為2.4m，屬于淺孔。在每個支架處布置4個炮眼，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)動鑿巖機(jī)開鑿炮眼，上、底炮眼的深度分別為2.4m和3.2m都為淺孔。在每個支架處布置3個炮眼，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采場是一個智能采場，在采場中安裝了大量的傳感器和通訊線路，長期進(jìn)行爆破作業(yè)會對現(xiàn)場的設(shè)備和線路造成較大的影響。所以，需要對設(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)、無線發(fā)射機(jī)和云臺攝影機(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)方法無法對保護(hù)罩內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行有效防護(hù)，且需要耗費大量的人力、物力，因此必須對其進(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，防止在爆破過程中對立柱的擦傷，同時加裝板梁提升保護(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，同時提升了韌性。

(4)工程質(zhì)量管控

根據(jù)長期過構(gòu)造的實踐經(jīng)驗，可以將質(zhì)量管控的制度歸納為“三度一線”，三度為對過構(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，營造了一個好的操作環(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，防止在上提下臥過程中出現(xiàn)回采高度不足的情況。②坡度。在穿越過程中，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)的性能和平時的工作實踐來看，當(dāng)刮板運輸機(jī)上揚下臥不超過±10°時，它可以將鏟煤板前面的煤矸掃得一干二凈。一旦超過這個值，則工作面中則會存在殘存的煤矸，這會造成移動刮板運輸機(jī)的困難，對生產(chǎn)造成很大的阻礙。③進(jìn)度。在施工過程中，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)大量的實踐經(jīng)驗，在架段的施工過程中存在大量的問題，液壓支架容易出現(xiàn)擠架，造成運輸機(jī)拖運的困難，還有一些諸如倒架之類的問題，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，在穿過構(gòu)造時，以松動爆破為主，避免直接對硬矸進(jìn)行截割，避免設(shè)備長時間大負(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50個，經(jīng)過現(xiàn)場勘測，構(gòu)造段的長度僅剩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措施：①超前拉架。根據(jù)現(xiàn)場施工的實際情況，在構(gòu)造前后20個支架進(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，才可以對底板進(jìn)行調(diào)整。

3.過構(gòu)造期間存在的問題及改進(jìn)措施

(1)爆破作業(yè)的人員組織問題

因為施工是影響有效開采的最大原因，所以在穿越結(jié)構(gòu)的全過程中，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。為了保證在過構(gòu)造過程中，可以實現(xiàn)多人同時打眼作業(yè)，必須對工作面原來的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，保證了每天180余個炮眼在7小時之內(nèi)全部完成。為及時、高效地實現(xiàn)了爆破施工提供了有力保障。

(2)設(shè)備重負(fù)荷啟動問題

在爆破后，由于有大量的煤塊被甩到刮板運輸機(jī)上，導(dǎo)致輸送機(jī)啟動困難，需要完成清理工作后才能進(jìn)行啟動，這對正常的生產(chǎn)有很大的影響。針對這些問題，我們可以從以下幾個方面加以控制：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加大對刮板輸送機(jī)的維護(hù)力度，每日對其前部和后部護(hù)套進(jìn)行清掃，避免載荷過大影響輸送機(jī)啟動[9]。

(3)設(shè)備檢修與爆破沖突的問題

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

(4)大殲對運輸系統(tǒng)的卡堵問題

在爆破后，大塊的煤矸石堆積在一起，給輸送系統(tǒng)的移動造成較大的阻礙，是影響采掘效率的關(guān)鍵因素。通過以下的技術(shù)手段，能夠有效降低煤矸石的量：①優(yōu)化爆破方式?？s減相鄰炮眼之間的距離，降低單個炮眼裝藥量，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。安排專人在機(jī)尾處進(jìn)行作業(yè)，采取人工的方式清除超過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]。在各站均配有起動風(fēng)鎬、劈石器等破碎工具，對較大的煤塊進(jìn)行及時破碎。通過所述方案的實施，能夠有效的降低卡堵現(xiàn)象，單個班次的卡堵時間減少了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個月內(nèi)順利完成連續(xù)掘進(jìn)200m的成績，達(dá)到了預(yù)期效果。并且在保證生產(chǎn)效益的條件下，沒有出現(xiàn)一起人身傷害事件，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。