陳 娜,林 飛,王 震

(華亭煤業(yè)集團有限責任公司華亭煤礦,甘肅 平?jīng)?744100)

0 引言

采煤工作面設(shè)備回撤是井工煤礦開采中工序繁復(fù)、管理難度大的重點工程。與正常回采工作面相比,末采階段的工作面需要加強上覆巖層的穩(wěn)定性,留設(shè)的液壓支架回撤通道具有無立柱支護空間大、緊鄰后方采空區(qū)、頂板易冒落、停采時間長導(dǎo)致易發(fā)火等特點。因此,工作面末采階段在提升回撤通道快速掘進的基礎(chǔ)上,確保頂板支護質(zhì)量可靠是決定工作面收尾期間能否順利回撤設(shè)備的最關(guān)鍵因素[1-2]。

國內(nèi)學(xué)者對采煤工作面回撤通道支護方面進行了大量研究。趙會波等[3]通過對王坡煤礦3314綜采工作面末采支護工藝、回撤設(shè)備、回撤工藝、輔助運輸系統(tǒng)等方面進行創(chuàng)新優(yōu)化,安全高效完成3314綜采工作面設(shè)備回撤工作;徐昕等[4]通過分析同忻礦8309工作面放煤階段頂板活動規(guī)律,確定了該工作面末采期不放煤距離及停采位置,并采用高強聚酯纖維柔性網(wǎng)代替金屬網(wǎng)鋪頂工藝,創(chuàng)造了良好的社會、經(jīng)濟效益。彭林軍等[5]以金雞灘煤礦12-2108工作面回撤通道為工程背景,研究了該工作面末采階段基本頂周期來壓規(guī)律與頂板斷裂位置,提出了恒阻大變形錨索+鋼帶十字鏈接按不同應(yīng)力分區(qū)支護整體受力的新設(shè)計方法,并證明了支架撤出過程中恒阻錨索能夠保持頂板臨時穩(wěn)定性,實現(xiàn)了8.2 m綜采支架12 d整架回撤的技術(shù)突破。還有一些學(xué)者闡述綜采工作面末采階段利用高強聚酯纖維柔性網(wǎng)鋪頂工藝代替金屬網(wǎng)片鋪網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)工藝,簡化收尾工序,提高工作面末采收尾效率,柔性網(wǎng)的成功應(yīng)用為綜采工作面安全高效回撤探索了新途徑[6-10];李銳等[11]對大柳塔煤礦7.0 m大采高綜采工作面末采階段冒頂壓架機理進行了分析,提出大采高綜采工作面回撤階段的冒頂壓架防治的針對性措施,保障大采高綜采面的高效回撤。

通過檢索發(fā)現(xiàn),由于綜采工作面末采階段頂板圍巖控制對綜采支架回撤起決定性作用而受國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。近10 a來,高強聚酯纖維柔性網(wǎng)鋪頂工藝在綜采面末采階段具有頂板圍巖控制效果突出、工序銜接緊湊、支護效率高、危險系數(shù)低的特點而得到推廣應(yīng)用。大多數(shù)文獻重點闡述高強聚酯纖維柔性網(wǎng)施工工藝,通過華亭煤礦應(yīng)用高強度聚酯纖維柔性網(wǎng)的實踐經(jīng)驗,分析該工藝在實踐中的應(yīng)用效果,針對柔性網(wǎng)應(yīng)用過程中存在的問題,提出柔性網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵保障技術(shù),旨在進一步提升高強聚酯纖維柔性網(wǎng)在綜放面末采階段的適用性。

1 工程背景

1.1 工作面概況

華亭煤礦250107-1綜采面采長200 m,共有117付支架,其中7付過渡架(機頭3付,機尾4付),110付放頂煤支架,綜采面液壓支架相關(guān)參數(shù)見表1。250107-1綜采面平均煤層傾角5°～7°,采用傾斜分層長壁俯斜全部垮落采煤方法,平均分層煤厚12.1 m,設(shè)計采高3.5 m,采放比1∶2.46。

表1 250107-1綜放面支架相關(guān)參數(shù)

1.2 末采方案

為了加快工作面推進速度,防止采空區(qū)發(fā)火,250107-1綜采面在末采階段擬使用高強聚酯纖維柔性網(wǎng)(簡稱柔性網(wǎng),下同)進行鋪頂,250107-1綜采面所使用的一整片柔性網(wǎng)長55 m(工作面采長方向),寬22 m(工作面推進方向),共用4片,在工作面采長方向上每兩片柔性網(wǎng)之間相互壓茬搭接,壓茬3.0 m。

在兼顧液壓支架長度、回撤通道寬度、采空區(qū)壓入網(wǎng)片深度的基礎(chǔ)上,擬在工作面距離既定回撤通道15 m時開始掛網(wǎng)打設(shè)錨桿,錨桿間排距800 mm×800 mm,回撤通道寬度2.0 m(液壓支架前梁至回撤通道煤壁的距離),回撤通道高度4.0 m,考慮到柔性網(wǎng)掛網(wǎng)期間存在扭曲摺疊現(xiàn)象,剩余1.0 m作為網(wǎng)片扭曲摺疊富余量。

2 柔性網(wǎng)的應(yīng)用

2.1 柔性網(wǎng)應(yīng)用前的準備工作

2.1.1 運網(wǎng)

工作面掛網(wǎng)前將柔性網(wǎng)運送至工作面回風巷超前支護前,需在工作面回風端頭轉(zhuǎn)角處安設(shè)導(dǎo)向裝置。柔性網(wǎng)運輸前采煤機從回風端頭向運輸端頭清理工作面采煤機滑靴側(cè)浮煤,清理浮煤后刮板輸送機不推移,將采煤機停機至工作面機頭,拉空刮板輸送機上的浮煤,并檢查、清理回風巷道及前部刮板輸送機上的鐵質(zhì)雜物;與此同時調(diào)整好網(wǎng)片方向,確保網(wǎng)片進入刮板輸送機后可向支架側(cè)打開。運網(wǎng)時將刮板輸送機作為動力來源(也可將采煤機作為動力來源),利用鋼絲繩將柔性網(wǎng)牽引至工作面,柔性網(wǎng)運輸期間刮板輸送機低速運轉(zhuǎn),并分段專人檢查運輸情況,防止網(wǎng)片撕裂,待柔性網(wǎng)大部分進入工作面前部刮板輸送機后解開鋼絲繩,完全用刮板輸送機運網(wǎng)至工作面機頭,同樣的方式將其余3整片柔性網(wǎng)運輸至工作面。

需要說明的是運網(wǎng)的同時安排作業(yè)人員在液壓支架上安設(shè)絞盤、定滑輪。柔性網(wǎng)片進入工作面既定位置后,確保整片柔性網(wǎng)在工作面采長方向上無摺疊,每2片柔性網(wǎng)重合壓茬量符合方案要求,為高效掛網(wǎng)創(chuàng)造良好條件。

2.1.2 掛網(wǎng)

考慮到柔性網(wǎng)面積較大,為防止工作面因煤壁、頂板不直致使掛網(wǎng)后工作面在推進過程中柔性網(wǎng)出現(xiàn)摺疊或受拉現(xiàn)象,工作面掛網(wǎng)前需確保工作面煤壁直,頂板直。

掛網(wǎng)時先將柔性網(wǎng)適當鋪開,以方便人工挑網(wǎng)。250107-1綜放面掛網(wǎng)時液壓支架前梁適當收縮,在支架前梁處頂板打眼,完成打眼后,用8#鐵絲將柔性網(wǎng)邊緣部位幫扎在支架護幫板上,利用液壓支架護幫板的升降將柔性網(wǎng)挑起,然后利用長柄工具挑起柔性網(wǎng),將柔性網(wǎng)邊及絞盤鋼絲繩端用U型環(huán)固定在錨桿托板下方,完成此項工作后支架前梁伸出,依次類推實施掛網(wǎng)工作,掛網(wǎng)過程中始終確保網(wǎng)片在工作面采長方向無扭曲摺疊。當掛網(wǎng)工作實施至網(wǎng)片接茬處時,用細鐵絲將柔性網(wǎng)連接后進行掛網(wǎng),避免高空連接網(wǎng)片,如圖1所示。

圖1 工作面掛網(wǎng)示意Fig.1 Diagram of hanging flexible net on fully mechanized caving face

2.2 柔性網(wǎng)施工工藝

250107-1綜放面柔性網(wǎng)施工工藝步驟:推移刮板輸送機(收網(wǎng))→割煤→松網(wǎng)→移架→停電閉鎖→支護。推移刮板輸送機的同時利用絞盤將柔性網(wǎng)收緊,使其緊貼支架,避免采煤機割煤過程中截齒觸及網(wǎng)片;待刮板輸送機推移到位、網(wǎng)片收緊后開啟采煤機割煤,滯后采煤機松網(wǎng),拉移支架,待工作面割完一刀煤,并完成移架工序后對采煤機、刮板輸送機進行停電閉鎖,之后進行打錨桿支護。

工作面末采階段打錨桿(索)支護是控制頂板的關(guān)鍵,柔性網(wǎng)鋪頂與金屬網(wǎng)鋪頂工藝條件下的錨桿支護有所不同,250107-1工作面柔性網(wǎng)鋪頂由于網(wǎng)片有一定的重量,網(wǎng)片緊緊掛靠在液壓支架伸縮梁前端,網(wǎng)片與煤體有一定的距離,錨桿不易打設(shè)在預(yù)定位置,250107-1工作面末采階段為確保錨桿打設(shè)質(zhì)量,充分利用了支架伸縮梁、護幫板,柔性網(wǎng)鋪頂條件下錨桿支護示意如圖2所示。

圖2 錨桿支護示意Fig.2 Diagram of bolt support

由圖2可以看出,錨桿支護施工區(qū)相鄰支架伸縮梁、護幫板伸出進行護頂護幫,而本架護幫板、伸縮梁均收回,這樣使本架伸縮梁前端網(wǎng)片懸空,網(wǎng)片緊貼頂煤,同時為打設(shè)錨桿創(chuàng)造了空間條件,按照此種方式依次進行錨桿打設(shè)。

3 柔性網(wǎng)應(yīng)用效果分析

3.1 柔性網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢

基于華亭煤礦250107-1綜放面末采階段柔性網(wǎng)鋪頂工藝應(yīng)用效果,與傳統(tǒng)的金屬網(wǎng)相比,柔性網(wǎng)具有如下優(yōu)勢:一是從材質(zhì)上相比較,柔性網(wǎng)是由高模量、高強度滌綸長絲捆綁編織而成,其質(zhì)地柔軟,具有耐腐蝕、抗酸堿、阻燃性能好、摩擦不易產(chǎn)生靜電的特點。在250107-1綜放面實踐應(yīng)用中柔性網(wǎng)材質(zhì)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在質(zhì)地柔軟便于施工,與支架頂梁摩擦不易產(chǎn)生靜電火花,也不會出現(xiàn)類似金屬網(wǎng)銹蝕致使抗拉強度下降的現(xiàn)象。二是從施工工藝上相比較,250107-1工作面末采階段僅使用4整片柔性網(wǎng),可一次性鋪頂,極大的減少了聯(lián)網(wǎng)環(huán)節(jié),也在一定程度上降低了架前煤壁片幫、冒頂對作業(yè)人員的傷害;從工藝實施過程中可發(fā)現(xiàn)推移刮板輸送機、收網(wǎng)、割煤、松網(wǎng)、移架盡管有先后順序,但均可同步進行,即采煤機在割煤的同時可進行分區(qū)域收網(wǎng)、松網(wǎng)、移架,其工序銜接緊湊;從工藝實施過程中的安全管理來看,柔性網(wǎng)的應(yīng)用有效降低了煤壁片幫、冒頂?shù)韧话l(fā)事件對作業(yè)人員的傷害。

打錨桿期間,作業(yè)人員站在柔性網(wǎng)片上向頂板打設(shè)錨桿,有效隔絕了作業(yè)人員與工作面煤壁的直接接觸,使得架前冒頂、片幫煤塊無法向作業(yè)空間拋射,一定程度上保障了作業(yè)人員的安全。

3.2 柔性網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題

柔性網(wǎng)的應(yīng)用極大的提升工作面末采階段作業(yè)效率、安全系數(shù)。然而,250107-1綜放面工程實踐中柔性網(wǎng)仍不可避免的存在重量大、前期架縫漏煤、護頂護幫滯后等問題,一定程度上制約了柔性網(wǎng)在綜放工作面末采期間的高效應(yīng)用。

250107-1綜放面末采階段所使用的柔性網(wǎng)在工作面推進方向上長度達22 m,這造成柔性網(wǎng)鋪頂工藝實施前期絞盤、鋼絲繩承載量大,收網(wǎng)、松網(wǎng)作業(yè)效率較低,同時柔性網(wǎng)鋪頂前期收網(wǎng)后網(wǎng)卷直徑大,致使采煤機割煤時截齒易觸及網(wǎng)片;另外,由于液壓支架前梁前端沒有側(cè)護板,相鄰支架頂梁前端存在間隙,且柔性網(wǎng)包裹了支架前端,致使掛網(wǎng)后首次移架過程中液壓支架前梁上方冒落的煤塊從相鄰支架前端的間隙掉落,使得柔性網(wǎng)、絞盤的負荷再次增大,增加了清煤工序。

與正常回采工作面不同的是末采階段柔性網(wǎng)的應(yīng)用增加了收網(wǎng)、松網(wǎng)工序。采煤機割煤后,由于柔性網(wǎng)包裹了液壓支架前端,支架不能如正?；夭晒ぷ髅嬉粯訄?zhí)行追擊移架,只有當液壓支架及鄰近支架的網(wǎng)片完成松網(wǎng)后方可移架、伸護幫板進行護頂護幫。因此,松網(wǎng)工序使得工作面末采階段護頂護幫更為滯后,工作面極易出現(xiàn)因護頂護幫不及時而冒頂、片幫。

4 提升柔性網(wǎng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵保障技術(shù)措施

通過對華亭煤礦250107-1綜放工作面柔性網(wǎng)應(yīng)用效果的分析以及柔性網(wǎng)的特點可發(fā)現(xiàn),柔性網(wǎng)的應(yīng)用有效提升了作業(yè)效率,一定程度上保障了作業(yè)人員的安全。但是柔性網(wǎng)應(yīng)用過程中也存在柔性網(wǎng)卷重量大、前期架縫漏煤、護頂護幫滯后等問題,為確保柔性網(wǎng)在工作面末采階段的高效應(yīng)用,針對存在的問題提出了以下保障柔性網(wǎng)高效應(yīng)用的技術(shù)措施。

4.1 柔性網(wǎng)尺寸的優(yōu)化

從華亭煤礦250107-1綜采工作面柔性網(wǎng)的實踐應(yīng)用來看,柔性網(wǎng)在工作面采長方向上足夠長可減少或避免聯(lián)網(wǎng),但是柔性網(wǎng)過長不利于柔性網(wǎng)的運輸。柔性網(wǎng)在工作面推進方向上長度大同樣可減少或避免聯(lián)網(wǎng)工序,但是柔性網(wǎng)應(yīng)用前期網(wǎng)卷重量大,每付支架對應(yīng)的絞盤及鋼絲繩承載重,收網(wǎng)、松網(wǎng)速度慢;相反,柔性網(wǎng)在工作面推進方向長度小可使得網(wǎng)卷重量輕,收網(wǎng)、松網(wǎng)效率高,一定程度上緩解了因移架不及時架前頂煤及煤壁受壓變酥的現(xiàn)象,但是在柔性網(wǎng)應(yīng)用過程中增加了聯(lián)網(wǎng)工序。

因此,在工作面末采階段購置柔性網(wǎng)時要結(jié)合頂板條件、液壓支架長度、柔性網(wǎng)壓入采空區(qū)距離等因素統(tǒng)籌考慮柔性網(wǎng)鋪頂距離,并兼顧柔性網(wǎng)重量、聯(lián)網(wǎng)工序及運輸能力確定多因素條件下柔性網(wǎng)的最優(yōu)尺寸。另外,柔性網(wǎng)在動態(tài)鋪頂過程中因工作面傾角變化、頂板平整程度、網(wǎng)片扭曲摺疊或受拉等因素也會造成柔性網(wǎng)的實際利用率出現(xiàn)變化。

4.2 金屬網(wǎng)配合掛網(wǎng)技術(shù)

工程實踐表明,柔性網(wǎng)在應(yīng)用前期液壓支架移架過程中,支架前端架縫漏煤增加了鋼絲繩、絞盤的承載重量。針對此問題可結(jié)合金屬網(wǎng)與柔性網(wǎng)的特點,金屬網(wǎng)因網(wǎng)片小可單獨聯(lián)接,移架過程中架縫漏煤對金屬網(wǎng)沒有影響,可先掛金屬網(wǎng)鋪頂,待金屬網(wǎng)片鋪頂范圍大于支架前端無側(cè)護板范圍,可將柔性網(wǎng)與金屬網(wǎng)聯(lián)接,聯(lián)接時將金屬垂下,直接與柔性網(wǎng)搭茬聯(lián)接。這種配合金屬網(wǎng)掛柔性網(wǎng)的方式有效的避免了柔性網(wǎng)應(yīng)用前期移架時架縫漏煤對柔性網(wǎng)的影響,同時避免了柔性網(wǎng)因重量大,固定鋼絲繩端頭及掛網(wǎng)困難的問題。

4.3 掛網(wǎng)前綜放面放煤工藝管理

根據(jù)放頂煤的工藝特點,頂煤的預(yù)破碎是綜放工作面順利實現(xiàn)開采的關(guān)鍵,綜放工作面頂煤預(yù)破碎除了是支架支撐力、頂煤重力、老頂活動三者共同作用的結(jié)果外,其過程也是放煤過程本身。綜放工作面頂煤預(yù)破碎工藝原理示意如圖3所示。

圖3 綜放工作面頂煤預(yù)破碎工藝原理示意Fig.3 Diagram of top coal pre-crushing process principle on fully mechanized caving face

由圖3可知,放頂煤開采過程中,支架上方頂煤依次存在支承壓力區(qū),頂煤破碎區(qū)、待放出煤體區(qū),若頂煤破碎程度低,則支架放煤口無法充分回收支架尾梁上方的頂煤。因此,頂煤破碎程度越高,破壞后頂煤的塊度越小,工作面液壓支架利用放煤口回收的資源更多。在實際回采過程中,液壓支架尾梁上方的頂煤破碎程度越高,則支架上方頂煤的完整性越差,其承載能力越弱,這不僅加劇了支架上方煤體的破碎程度,同時工作面前方煤體將承載更多來自上覆巖層的壓力,隨著工作面前方煤體抗載能力的弱化,工作面支承壓力向工作面前方深處轉(zhuǎn)移,致使待開采煤體破碎程度越高,煤壁片幫、架前冒頂?shù)母怕试礁?形成惡性循環(huán)。

為了更好地控制末采階段綜放工作面頂板,減少煤壁冒頂、片幫,需要根據(jù)實際情況提前減少放煤或停止放煤,緩解支架上方煤體的破碎程度,提高頂煤的承載能力,減小支架前方煤體的支承壓力,待工作面架前冒頂、片幫頻率下降時進行掛網(wǎng),為柔性網(wǎng)工藝實施創(chuàng)造良好條件,以加快末采期間工作面推進速度,減少采空區(qū)煤體氧化,確保工作面設(shè)備安全高效回撤。

4.4 掛網(wǎng)前綜放面回采工藝管理

根據(jù)250107-1工作面實際生產(chǎn)經(jīng)驗,工作面為應(yīng)對設(shè)備“上竄下滑”或避免回風隅角出現(xiàn)窩風、瓦斯集聚現(xiàn)象,在生產(chǎn)期間對工作面?zhèn)涡钡恼{(diào)整較為頻繁。由于工作面末采階段使用的柔性網(wǎng)具有面積大的特點,工作面掛網(wǎng)后頻繁調(diào)整工作面?zhèn)涡睍谷嵝跃W(wǎng)出現(xiàn)扭曲摺疊現(xiàn)象,從而弱化其護表能力;同時偽斜的調(diào)整會造成工作面實際長度出現(xiàn)變化,使得柔性網(wǎng)在工作面兩端頭出現(xiàn)冗余或短缺。因此,掛網(wǎng)前要預(yù)判掛網(wǎng)后工作面調(diào)整偽斜的可能性,在掛網(wǎng)前調(diào)整回采工藝,調(diào)好工作面?zhèn)涡?避免工作面末采階段掛網(wǎng)后調(diào)整偽斜。

除此之外,頂板不平整也會造成柔性網(wǎng)出現(xiàn)扭曲摺疊或受拉現(xiàn)象,從而降低柔性網(wǎng)的應(yīng)用效果。因此,工作面末采階段柔性網(wǎng)應(yīng)用過程中應(yīng)加強回采工藝管理,提升工作面末采階段工程質(zhì)量,確?！叭眱善健?是保障柔性網(wǎng)高效應(yīng)用的關(guān)鍵。“三直”即液壓支架直、刮板輸送機直、煤壁直,只有液壓支架直才能使刮板輸送機直,由于刮板輸送機是采煤機行駛的軌道,刮板輸送機直能確保采煤機割煤后工作面煤壁直,煤壁直進而促進液壓支架直,三者相輔相成,互相影響;“兩平”即工作面頂、底板平直,這要求采煤機司機根據(jù)工作面傾角合理控制采煤機滾筒高度,避免采煤機搖臂大幅度升、降,確保頂、底板平直,為柔性網(wǎng)的工藝實施創(chuàng)造良好條件。

5 結(jié)論

(1)基于華亭煤礦250107-1綜放面末采階段柔性網(wǎng)鋪頂工藝工程實踐,總結(jié)了柔性網(wǎng)應(yīng)用前相關(guān)準備工作及柔性網(wǎng)施工工藝。

(2)基于華亭煤礦250107-1綜放面末采階段柔性網(wǎng)鋪頂工藝應(yīng)用效果,柔性網(wǎng)與傳統(tǒng)的金屬網(wǎng)相比,指出柔性網(wǎng)具有質(zhì)地柔軟、耐腐蝕等優(yōu)勢以及工程實踐中存在的問題。

(3)針對柔性網(wǎng)在應(yīng)用過程中存在的問題,提出優(yōu)化柔性網(wǎng)尺寸、配合金屬網(wǎng)掛網(wǎng)、加強放煤與回采工藝管理的技術(shù)保障措施。