厚煤層不規(guī)則塊段連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)

苗彥平，杜　濤，王碧清，石曉光

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，陜西 榆林 719300；

3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

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厚煤層不規(guī)則塊段連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)

苗彥平1,2，杜濤3，王碧清2，石曉光3

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，陜西 榆林 719300；

3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

[摘要]基于陜煤神木張家峁礦5-2煤北部殘留不規(guī)則塊段煤層厚、埋深淺、頂板穩(wěn)定不易垮落的特點(diǎn)，從巷道布置、設(shè)備配置、回采工藝、工作面通風(fēng)等幾方面，詳細(xì)介紹了連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)在厚煤層不規(guī)則塊段回采中的應(yīng)用?；夭蛇^(guò)程中，針對(duì)頂板不易垮落形成采空區(qū)大面積懸頂?shù)陌踩[患，通過(guò)分段爆破強(qiáng)制放頂?shù)姆椒?，有效避免了頂板大面積垮落；通過(guò)構(gòu)建區(qū)段邊界回風(fēng)通道，改善工作面作業(yè)環(huán)境?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)適用于穩(wěn)定頂板條件下厚煤層不規(guī)則塊段的開(kāi)采，安全、高效地完成了5-2煤北部殘留不規(guī)則塊段的回采。

[關(guān)鍵詞]連續(xù)采煤機(jī)；短壁開(kāi)采；厚煤層；強(qiáng)制放頂；邊界回風(fēng)通道

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.006

[引用格式]苗彥平，杜濤，王碧清，等.厚煤層不規(guī)則塊段連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(5)：23-26.

陜煤神木張家峁礦地處陜北神府礦區(qū)，礦井存在大量不規(guī)則邊角煤塊段，尤其是5-2煤范圍內(nèi)煤層厚度大，儲(chǔ)量約3.33Mt。這些塊段分布不規(guī)則，無(wú)法布置正規(guī)的綜合機(jī)械化開(kāi)采工作面。目前采用傳統(tǒng)旺格維利開(kāi)采工藝對(duì)該部分資源回收，但面臨著工作面采用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)、作業(yè)環(huán)境差，采空區(qū)頂板難以垮落容易形成大面積冒落隱患等問(wèn)題[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，采用連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采工藝，通過(guò)構(gòu)建邊界回風(fēng)通道、爆破強(qiáng)制放頂?shù)确绞?，以期安全高效地?duì)礦井不規(guī)則塊段資源進(jìn)行回收。

1工作面概況

5-2煤北連采工作面位于5-2煤3條大巷以北，N15203綜采面以南，對(duì)應(yīng)地表位于東伙盤(pán)之北，李家溝之南。煤層賦存穩(wěn)定，呈黑色，塊狀，以暗煤為主，亮煤次之，瀝青光澤。埋藏深度為57.4～156.5m，煤層傾角1～2°，厚度變化幅度較小，煤層的兩極厚度為5.2～6.0m，平均厚度為5.5m。直接頂板為泥巖，上部淺灰色，底部深灰色，團(tuán)塊狀，中夾薄層粉砂巖，厚13.08m；基本頂為淺灰色粉砂巖，厚20.27m。5-2煤層屬自燃煤層，自然發(fā)火期35d。煤塵均具有爆炸危險(xiǎn)性，爆炸性指數(shù)為33.35%。工作面范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，已掘進(jìn)巷道中涌水量最大為5～30m3/h，基本不影響生產(chǎn)，工作面地溫及地壓均屬正常。

2連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)

2.1　巷道布置

依據(jù)高回采效率、高資源采出率、低巷道掘進(jìn)率的原則，根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)需求，在塊段中部布置區(qū)段主輔運(yùn)巷道，其北翼直接布置支巷進(jìn)行回采，由于南翼區(qū)段面積較大，因此先在區(qū)段中部布置采區(qū)主輔運(yùn)巷道，而后在主輔運(yùn)巷道兩側(cè)分別布置支巷進(jìn)行回采。塊段劃分為3個(gè)采區(qū)，支巷長(zhǎng)度以不超過(guò)80m為準(zhǔn)，回采按照一采區(qū)→二采區(qū)→三采區(qū)的順序進(jìn)行。采區(qū)邊界布置回風(fēng)通道并與塊段主輔運(yùn)巷道相接。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1　工作面巷道布置

2.2　設(shè)備配套

根據(jù)工作面地質(zhì)狀況，依據(jù)“低投入高產(chǎn)出”的原則，結(jié)合工作面采、落、裝、運(yùn)、支生產(chǎn)工序需求，選用連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采裝備，具體設(shè)備配備情況如表1所示。

表1　回采工作面主要設(shè)備配備

2.3　巷道掘進(jìn)

采用LC520連采機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，激光指向儀定向，二次切割成巷，無(wú)軌膠輪車、刮板輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)聯(lián)合運(yùn)煤；液壓錨桿鉆機(jī)鉆孔，安裝錨桿完成掘進(jìn)巷道的支護(hù)工作。

巷道掘進(jìn)工藝流程為：交接班→開(kāi)工前安全質(zhì)量設(shè)備檢查(敲幫問(wèn)頂、瓦斯、工程質(zhì)量、探頭、設(shè)備等檢查)→開(kāi)機(jī)前準(zhǔn)備→割煤→裝煤→運(yùn)煤→清理浮煤→支護(hù)。

掘進(jìn)時(shí)循環(huán)進(jìn)度為5.0m，最大空頂距為6.0m，最小空頂距為1.0m。

2.4　回采工藝

工作面采用雙翼進(jìn)刀后退式回采工藝對(duì)煤柱進(jìn)行回收，由里向外依次進(jìn)行，先采右煤房再采左煤房，回采進(jìn)刀方向與支巷均成45°夾角[2-3]。每刀完成后，支架順序邁步式交替前移至相應(yīng)位置，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。連采機(jī)與履帶式行走液壓支架配合回采煤房工藝流程為：置液壓支架于支巷末端→采右翼煤房→清理浮煤→移右翼支架→采左翼煤房→清理浮煤→移左翼支架，如此類推，將支巷內(nèi)所有采硐回采完畢。

以二、三、四、五號(hào)支巷為例說(shuō)明連采機(jī)與液壓支架配合回采的施工順序，如圖2所示。

圖2　工作面回采工序

(1)將編號(hào)為A，B的液壓支架置于二號(hào)支巷末端，并將支撐強(qiáng)度升到7200kN；將編號(hào)為C，D的液壓支架置于三號(hào)支巷末端，并將支撐強(qiáng)度升到7200kN。

(2)調(diào)整連采機(jī)在距二號(hào)支巷末端12.0m處作為右翼煤房的進(jìn)刀點(diǎn)，深度為12.5m，然后清理浮煤，退機(jī)。遙控前移右翼A支架5.5m(以后每次前移6.0m)后將支撐強(qiáng)度升到7200kN。

(3)調(diào)整連采機(jī)距支巷末端14.5m處作為左翼煤房的進(jìn)刀點(diǎn)，深度11.5m，然后清理浮煤，退機(jī)。遙控前移左翼B支架8.0m(以后每次前移6.0m)后將支撐強(qiáng)度升到7200kN。

(4)依次回采二號(hào)支巷煤房，直至二號(hào)支巷右翼煤房回收完，左翼煤房剩1個(gè)時(shí)，將A，B支架支撐強(qiáng)度升到設(shè)計(jì)要求，將連采機(jī)退出二號(hào)支巷。

(5)調(diào)整連采機(jī)進(jìn)入三號(hào)支巷，以相同工藝回采三號(hào)支巷煤房，直至三號(hào)支巷左翼煤房回收完，右翼煤房剩1個(gè)時(shí)，調(diào)整C，D液壓支架至膠運(yùn)巷1，2號(hào)煤房西側(cè)，并將支撐強(qiáng)度升到設(shè)計(jì)要求，按照順序回采膠運(yùn)巷1，2，3，4，5號(hào)煤房，最后將C，D液壓支架置于五號(hào)支巷末端，并將支撐強(qiáng)度升到設(shè)計(jì)要求。

(6)調(diào)整A，B支架至輔運(yùn)巷6，7號(hào)煤房西側(cè)，并將支撐強(qiáng)度升到設(shè)計(jì)要求，調(diào)整連采機(jī)至6，7號(hào)煤房處，按照順序回采6，7，8，9，10，11號(hào)煤房，最后將A，B液壓支架置于四號(hào)支巷末端。

2.5　通風(fēng)方式

工作面采用全風(fēng)壓結(jié)合局部通風(fēng)機(jī)增強(qiáng)供風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)，工作面主運(yùn)巷為進(jìn)風(fēng)巷，輔運(yùn)巷為回風(fēng)巷，新鮮風(fēng)流經(jīng)支巷、工作面，再經(jīng)邊界回風(fēng)通道進(jìn)入主運(yùn)巷，最終匯入回風(fēng)大巷[4-5]。工作面按最多作業(yè)人員數(shù)量、瓦斯涌出量、巷道要求最低風(fēng)速確定配風(fēng)量為616m3/min。選用一組型號(hào)為FBD№7.1/2×45型對(duì)旋軸流壓入式局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)，防止邊界回風(fēng)通道垮塌時(shí)工作面風(fēng)量不足，提高工作面供風(fēng)可靠性。風(fēng)筒采用直徑1000mm的柔性膠質(zhì)風(fēng)筒，局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)特征見(jiàn)表2。

表2　風(fēng)機(jī)技術(shù)特征

2.6　運(yùn)輸方式

工作面采用4臺(tái)膠輪車與刮板輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)聯(lián)合運(yùn)煤，裝載機(jī)輔助裝煤，膠輪車裝煤后將煤卸載至刮板輸送機(jī)上，經(jīng)刮板機(jī)轉(zhuǎn)載于膠帶輸送機(jī)最終進(jìn)入主運(yùn)輸膠帶，裝載機(jī)輔助將工作面灑煤運(yùn)至刮板輸送機(jī)。膠輪車卸煤后沿塊段主輔運(yùn)巷道聯(lián)巷調(diào)頭返回工作面接煤。運(yùn)輸過(guò)程中重載車輛與空載車輛分別沿不同路線進(jìn)出支巷，避免交叉運(yùn)行干擾。

3頂板控制技術(shù)

根據(jù)工作面地質(zhì)條件及連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采工藝要求，工作面主輔運(yùn)巷道、支巷及聯(lián)巷通常采用“錨—網(wǎng)—帶—索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，地質(zhì)條件較好時(shí)支巷兩幫不支護(hù)，條件較差及片幫嚴(yán)重時(shí)兩幫采用樹(shù)脂錨桿進(jìn)行支護(hù)[6]。頂板條件較差時(shí)，巷道交叉區(qū)及采硐開(kāi)口處應(yīng)力集中區(qū)采用梯子梁或工字鋼并補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)，如圖3所示。

圖3　支巷支護(hù)方式

連續(xù)采煤機(jī)回采過(guò)程中，采用行走式液壓支架跟機(jī)支護(hù)實(shí)現(xiàn)采硐口三角區(qū)的支護(hù)，該支架能夠有效支護(hù)三角區(qū)頂板，控制頂板垮落，隔離采空區(qū)，防止采空區(qū)冒落矸石對(duì)人員、設(shè)備的破壞[7]。由于5-2煤頂板完整性較好，回采過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨采隨冒，容易形成大面積懸頂，而采用留煤柱管理頂板時(shí)為保證頂板安全不得不留設(shè)大量煤柱，極大地影響了煤炭資源的回收。同時(shí)，留設(shè)的煤柱經(jīng)頂板長(zhǎng)時(shí)間作用后容易壓酥失穩(wěn)，失去支撐作用，從而造成采空區(qū)頂板大面積冒落形成颶風(fēng)威脅鄰近工作面安全[8]，另外，采空區(qū)內(nèi)大量的壓酥煤柱也為采空區(qū)發(fā)火提供了條件。

為此，采用局部爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)實(shí)現(xiàn)分段完全垮落法控制頂板。

3.1　爆破位置的確定

根據(jù)前期回采頂板來(lái)壓規(guī)律及離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合本煤層鄰近工作面回采經(jīng)驗(yàn)，工作面回采極限垮落面積為10000m2，為保證安全，工作面每回采4條支巷(采空區(qū)面積約8000m2)后如若頂板未垮落即進(jìn)行爆破強(qiáng)制放頂。炮眼呈“?！毙筒贾迷谥锟凇⒅鬏o運(yùn)輸巷道及聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，炮眼中心線距巷道中心線1m(靠采空區(qū)側(cè))。支巷口及主輔運(yùn)巷道內(nèi)炮眼孔距為2m，聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)炮眼孔距為5m。支巷口炮眼鉆孔呈扇形布置，夾角30°，聯(lián)巷內(nèi)炮眼鉆孔平行于主輔運(yùn)巷道中心線，如圖4所示。

圖4　爆破強(qiáng)制放頂

3.2　爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破后爆落矸石應(yīng)能充滿炮眼下方空區(qū)，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，結(jié)合施工隊(duì)組現(xiàn)有施工技術(shù)設(shè)備，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)如下[9]：

(1)炮眼參數(shù)本工作面平均采高h(yuǎn)為5.5m，頂板垮落厚度為h1，頂板的巖石碎脹系數(shù)k為1.32，為保證冒落頂板能完全充填采空區(qū)，計(jì)算h1=h/(k-1)=17.2m，現(xiàn)場(chǎng)取炮眼垂深18m。炮眼仰角確定為30°，則炮眼長(zhǎng)度為36m。張家峁煤礦現(xiàn)有鉆機(jī)為MYZ-150型全液壓坑道鉆機(jī)，鉆頭采用φ94mm合金鋼鉆頭，成孔直徑100mm。

(2)炸藥選擇采用礦用水膠炸藥，藥包規(guī)格為φ70mm×500mm，每包重1.8kg，雷管采用礦用毫秒延期雷管，裝藥系數(shù)為0.6，炮眼裝藥量為3.6kg/m，炮泥填裝系數(shù)為0.4，炮泥采用黃泥制作。

(3)裝藥炮眼采用連續(xù)耦合方式裝藥，并采用雙雷管雙導(dǎo)爆索引爆，其中1根導(dǎo)爆索延伸至炮眼底部，另一根導(dǎo)爆索與外側(cè)第一個(gè)藥包連接[10]，每一根導(dǎo)爆索均采用電雷管起爆，2個(gè)雷管在孔口采用并聯(lián)連接。

爆破操作時(shí)，先引爆邊界炮眼以改變?cè)许敯辶W(xué)參數(shù)，中部炮眼延期引爆，增強(qiáng)對(duì)頂板的破壞。爆破后，爆破區(qū)爆落矸石將空區(qū)充滿，空區(qū)剩余部分頂板整體性受到破壞，隨著時(shí)間的推移逐步冒落，避免了大面積垮落對(duì)工作面的沖擊影響。

4應(yīng)用效果

張家峁礦5-2煤北連采工作面采用連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)以來(lái)，支巷日掘進(jìn)量30～40m，日回采采硐8～10個(gè)，月均產(chǎn)量65kt，工作面采出率75%。采用邊界回風(fēng)通道后，工作面實(shí)測(cè)粉塵濃度低于3mg/m3，作業(yè)環(huán)境大大得到改善。局部爆破強(qiáng)制放頂后10～15d，采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表出現(xiàn)裂隙，裂隙落差最大100mm，寬10～30mm，驗(yàn)證了爆破對(duì)采空區(qū)懸頂?shù)母纳谱饔?，同時(shí)，工作面回采期間未出現(xiàn)來(lái)壓沖擊，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

5結(jié)論

(1)張家峁煤礦5-2煤層不規(guī)則塊段采用連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)，結(jié)合構(gòu)建邊界回風(fēng)通道和爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安全高效回采，為礦井類似條件煤炭資源的回收提供了切實(shí)可行的解決途徑。

(2)連續(xù)采煤機(jī)短壁回采時(shí)通過(guò)構(gòu)建邊界回風(fēng)通道，利用礦井全風(fēng)壓結(jié)合局部通風(fēng)機(jī)增強(qiáng)供風(fēng)，不僅保證了生產(chǎn)需求，也有效地改善了作業(yè)環(huán)境，為生產(chǎn)人員的健康提供了保障。

(3)工作面達(dá)到極限懸頂面積之前進(jìn)行局部爆破強(qiáng)制放頂，能夠使頂板逐步垮落，有效避免采空區(qū)大面積懸頂突然冒落對(duì)工作面造成沖擊，保證安全生產(chǎn)。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Short-wall Mining Technology of Anomalous Section in Thick Coal-seam with Continuous Miner

MIAO Yan-ping1,2，DU Tao3，WANG Bi-qing2，SHI Xiao-guang3

(1.Architecture & Civil Engineering School，Xi'an University of Science & Technology，Xi'an 710054，China； 2.Mining Technology Department，Shenmu Zhangjiamao Mining Co.，Ltd.,Shanxi Coal Group，Yulin 719300，China； 3.Taiyuan Research Institute Co.，Ltd.,China Coal Technology Engineering Group，Taiyuan 030006，China)

Abstract：For the characteristic of thick coalseam，shallow buried depth，unstable roof，this paper introduced application of continuous miner in anomalous section of thick coalseam from roadway arrangement，equipment configuration，mining technique and ventilation.In mining，the method of subsection blasting for forced roof caving was applied to avoiding roof large-area caving.By constructing boundary air-return way，mining operation environment was improved.Filed practice showed that continuous miner was adaptable for anomalous section of thick coalseam under stable roof and residual 5-2 coal northern anomalous section was mined safely and high efficiently.

Keywords：continuous miner；short-wall mining；thick coalseam；forced roof caving；boundary air-return way

[作者簡(jiǎn)介]苗彥平(1984-)，男，陜西神木人，采礦工程師，碩士研究生，現(xiàn)任生產(chǎn)技術(shù)部主任工程師，主要從事淺埋煤層開(kāi)采、多煤層配采等技術(shù)研究。

[基金項(xiàng)目]山西省青年科技研究基金項(xiàng)目(2012021022-2)；陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司自立科技項(xiàng)目(SMZJFH(2014)-015)

[收稿日期]2015-03-27

[中圖分類號(hào)]TD823.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0023-04