大傾角三軟不穩(wěn)定煤層綜放面推進緩慢原因與解決對策

贠東風(fēng)雷 奇伍永平陳廣平谷 斌杜榮華劉 柱張袁浩（.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,70054; 2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室,陜西省西安市,70054; .窯街煤電有限責(zé)任公司長山子煤礦,甘肅省張掖市,7400）

?

大傾角三軟不穩(wěn)定煤層綜放面推進緩慢原因與解決對策

贠東風(fēng)1,2雷 奇1伍永平1,2陳廣平3谷 斌1杜榮華3劉 柱1張袁浩1
（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室,陜西省西安市,710054; 3.窯街煤電有限責(zé)任公司長山子煤礦,甘肅省張掖市,734100）

摘要長山子煤礦1125綜放工作面回采大傾角三軟松散不穩(wěn)定煤層,頂板圍巖破碎且伴有淋水。工作面自初采以來4個月推進速度極其緩慢（機巷與風(fēng)巷分別累計推進僅20 m和38.3 m）,其主要原因是頂板淋水、煤層夾矸、支架傾倒以及綜采隊經(jīng)驗不足等。提出了解決1125工作面推進緩慢的對策。

關(guān)鍵詞大傾角煤層 三軟不穩(wěn)定煤層 綜放工作面 工作面推進 推進速度

1　工作面概況

窯街煤電集團有限責(zé)任公司長山子煤礦于2014年建成投產(chǎn),礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為0.60 Mt/a,主采煤層為大傾角軟頂軟底松散不穩(wěn)定煤層。1125綜放面位于井田11采區(qū)南翼,開采二－2煤層,煤容重為1.4 t/m3,煤層平均厚度6.8 m,煤層平均傾角32°,煤質(zhì)極松軟,普氏硬度系數(shù)f為0.8。煤層頂、底板巖性特征如表1所示。頂板巖石和底板巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值分別為48%～75%、36%～58%,煤層賦存不穩(wěn)定,屬軟頂軟底松散不穩(wěn)定煤層。

工作面走向長度300 m（由于煤層賦存不穩(wěn)定,此工作面煤層厚度適宜綜放開采的走向長度僅300 m）,傾斜長度70.9 m,平均采高2.6 m,設(shè)計平均放煤高度3.4 m,采放比1∶1.6,兩采一放,放煤步距1.2 m。工作面共安裝49架液壓支架,其中ZYF5000/18/32型基本支架47架, ZFG5600/19/32型過渡支架兩架,ZFT16000/20/ 32型端頭架一組。

表1　煤層頂?shù)装鍘r性特征

2　工作面推進緩慢原因分析

1125大傾角軟頂軟底松散不穩(wěn)定煤層綜放工作面于2015年5月22日初采。6月－8月3個月實際割煤天數(shù)僅為30 d,每天割煤僅一刀或不足一刀。截至2015年9月4日,機巷與風(fēng)巷累計推進分別僅為20 m和38.4 m。回采期間,工作面頂板發(fā)生淋水、煤層出現(xiàn)厚層砂巖夾矸,這在首采1121工作面未曾遇到。頂板淋水加劇支架下滑傾倒,厚層砂巖夾矸造成采煤機故障,支架傾倒嚴(yán)重,再加上因熟練操作工流失被迫重組綜采隊等諸多因素,嚴(yán)重制約了工作面推進速度,造成工作面在徘徊中艱難推進。本文主要從頂板淋水、煤層夾矸、支架傾倒和經(jīng)驗不足這4個方面綜合分析找出工作面緩慢推進的原因。

2.1頂板淋水

頂板淋水是影響和制約煤礦作業(yè)環(huán)境的主要因素之一。1125工作面在2015年6月9日機巷推進5.8 m,風(fēng)巷推進8.8 m時,1?！?8＃支架及43＃支架頂板處突發(fā)淋水,涌水量為6.7～10 m3/h,造成機巷在距離工作面100 m范圍以內(nèi)水和煤泥淤積嚴(yán)重,積水最深處達500 mm,行走、作業(yè)非常困難。經(jīng)分析,1125工作面以煤二層頂板新河組砂礫巖含水層為直接充水源。該含水層充水為孔隙裂隙水,是頂板淋水的直接來源。此段頂板巖石裂隙發(fā)育,但裂隙窄小,通過裂隙補給水量有限,淋水量不大,但淋水持續(xù)時間較長。頂板泥巖及頂煤被淋水長時間沖刷,使液壓支架頂部懸空,導(dǎo)致穩(wěn)定支架作用的摩擦力變小,且支架未達到額定初撐力,促使支架發(fā)生失穩(wěn),頂煤與頂板破碎漏冒。其中,8＃～20＃支架傾倒嚴(yán)重,支架傾角高達40°～58°。頂板淋水前與淋水中支架傾角變化如圖1所示。

圖1　頂板淋水前、淋水中支架傾角實測結(jié)果

頂板淋水持續(xù)37d,致使1125綜放面6月5日～7月23日機巷和風(fēng)巷累計推進分別僅為10.4 m和18.1 m,嚴(yán)重影響了工作面推進速度。

此外,遇水泥化的極軟末煤淤積堵塞運輸系統(tǒng),特別是煤泥固結(jié)成團堵住煤倉放煤口導(dǎo)致不能放煤而被迫爆破疏通。

2.2煤層夾矸

6月11日當(dāng)1125工作面機巷推進6.4 m,風(fēng)巷推進9.4 m時,煤層出現(xiàn)夾矸。經(jīng)現(xiàn)場實測, 1?！?2＃支架處夾矸較厚,約1.8 m,向上至22＃架處矸石厚度逐漸減小并尖滅;7月3日,機巷推進12.4 m,風(fēng)巷推進17.2 m時,1?！?0＃液壓支架前方煤壁再次出現(xiàn)夾矸,其中1?！?0＃架處矸石厚度較大,最大厚度為2.8 m,平均厚度為2.6 m。夾矸為中砂巖、粉砂巖,灰黑色,節(jié)理發(fā)育,硬度較大。工作面遇到夾矸初期,嘗試過采煤機直接截割夾矸,滾筒截齒磨損嚴(yán)重,每班必須更換磨鈍的截齒。更為嚴(yán)重的是到8月19日,因截割夾矸負載過大導(dǎo)致采煤機搖臂損壞,至24日搖臂才換好。煤層夾矸持續(xù)56 d,其中,7月3日－7月23日,工作面煤層夾矸和頂板淋水同時存在,工作面在這段時間推進緩慢,機巷和風(fēng)巷累計推進分別僅為5.6 m和11.5 m。

2.3支架傾倒

1125工作面設(shè)計采用“水平－圓?。瓋A斜”的過渡布置方式,如圖2所示,即機巷沿頂板布置,通過一水平段與圓弧段相連逐漸過渡到工作面傾斜段。

圖2　1125工作面布置方式

這種布置方式有效地遏制了開采設(shè)備的整體下滑,改善了支架受力狀態(tài),減少斜面基本支架傾角以及對端頭架的側(cè)向推力,能夠保證工作面下部出口暢通。但是,這種布置方式同時也帶來了為保持圓弧段曲率需要對圓弧段提底挑頂割煤問題,很容易造成支架傾倒。由于長山子煤礦煤層為不穩(wěn)定賦存特征,因煤層變薄導(dǎo)致圓弧段變短,曲率增大,圓弧段實際為折線段。因此造成處于折線段的5?！?＃液壓支架頂梁相互擠緊,圓弧段支架對工作面支架的下滑與傾倒的抑制作用喪失,結(jié)果造成折線轉(zhuǎn)折點處的支架嚴(yán)重傾斜。繼而折線轉(zhuǎn)折點以上的支架傾倒加劇,傾角平均達到47°。6月－8月間支架持續(xù)發(fā)生大范圍傾倒,6月期間,8＃～20＃支架傾倒嚴(yán)重,傾角高達40°～58°;7月－8月期間,中下部5?！?5＃支架傾倒嚴(yán)重,傾角高達40° ～60°,1＃～19＃支架尾部不同程度下擺;5?！?0＃支架不同程度空頂;隨后工作面進行調(diào)架,但調(diào)架中頂煤在支架的反復(fù)支撐下破碎、漏冒,造成支架空頂嚴(yán)重,支架依舊未能扶正。7月30日～8 月14日支架持續(xù)傾倒且程度加重,特別是8月14日處于工作面下部折線段轉(zhuǎn)折點的6＃支架傾角高達60°,導(dǎo)致整個工作面多次癱瘓。

1125工作面所用支架存在兩大缺陷:一個缺陷是由于該液壓支架是首采的1121工作面使用過的支架,支架升井后礦方進行過常規(guī)檢修并補焊了扶架拉環(huán)和單體支柱柱窩,但側(cè)護板伸縮不暢的故障仍未根本解決;另一個缺陷是由于支架伸縮前探梁伸出后相鄰前探梁間隙較大,碎末軟頂煤漏冒并向上擴展,造成支架接頂不實易傾倒。這兩大缺陷直接制約著拉架與調(diào)架速度和支架的穩(wěn)定性,導(dǎo)致工作面難以快速推進。

經(jīng)實測,6月－8月因支架傾倒導(dǎo)致機巷和風(fēng)巷累計推進分別僅為18.6 m和36.1 m。

2.4經(jīng)驗不足

近幾年煤炭市場持續(xù)低迷,盡管窯街煤電公司和長山子煤礦均采取了更為優(yōu)惠的政策吸引并留住人才,但綜放隊熟練技能工仍時有流失。1125綜放面初采時礦方被迫從開拓隊抽調(diào)20多名工人補充到綜放隊?，F(xiàn)在的綜放隊中具有大傾角煤層開采經(jīng)驗的熟練工嚴(yán)重不足,暫尚不能熟練駕馭大傾角三軟不穩(wěn)定煤層綜放面的生產(chǎn)。經(jīng)驗不足、操作不熟練直接影響工作面正常推進,整體出勤率較低,并形成惡性循環(huán)。

此外,工作面變短也造成了推進艱難。1125工作面設(shè)計為偽仰斜布置,即機巷超前風(fēng)巷9.5 m,減少工作面真傾角,以獲得推前溜時上竄量抵消下滑量。但在工作面實際推進過程中,煤壁片幫并誘發(fā)架前冒頂嚴(yán)重,后將工作面由偽仰斜逐漸調(diào)整為真傾斜,機巷與風(fēng)巷同步推進,再加上煤層傾角變大,導(dǎo)致工作面長度變短。因此,工作面于2015年7月8日和9月10日被迫進行兩次停產(chǎn)減架,分別將49＃、48＃架撤出工作面。因經(jīng)驗不足,撤架速度極其緩慢。

3　加快工作面推進的對策

基于上述工作面緩慢推進原因綜合分析,為扭轉(zhuǎn)工作面緩慢推進的被動局面,加快工作面推進速度,采取了以下對策。

3.1探導(dǎo)排頂板淋水

針對頂板淋水,結(jié)合現(xiàn)場煤層傾角大和頂板淋水主要發(fā)生在支架頂梁間的實際,主要采取超前鉆孔探放水和廢舊風(fēng)筒導(dǎo)水。超前鉆孔探放水是在超前工作面的機巷向頂板砂礫巖含水層打探放水鉆孔,提前疏放頂板積水,使采煤工作面形成弱水或無水帶。廢舊風(fēng)筒導(dǎo)水是在支架頂梁下方將廢舊風(fēng)筒布呈槽形懸掛,在下端頭將其與廢舊導(dǎo)水風(fēng)筒連接,收集頂梁處的淋水并引導(dǎo)至機巷臨時水倉后集中用潛水泵排出。經(jīng)現(xiàn)場實測,采用超前鉆孔探放水后,支架頂部淋水量降為0.6～1.1 m3/h,較探放水之前明顯減少;利用廢舊風(fēng)筒導(dǎo)水后工作面淋水得到控制,煤泥量大幅度減少,工作面環(huán)境得到明顯改善。

3.2爆破松動處理夾矸

本工作面夾矸賦存位置為煤層中下部,夾矸厚度1.4～3.8 m,平均厚度為2.6 m,巖性為中砂巖、粉砂巖。因采煤機直接切割矸石異常困難,就采用爆破松動處理。以夾矸厚度的1/3從夾矸底部向上布置雙排炮眼。炮眼排距為夾矸厚度的1/3,炮眼間距0.9 m,炮眼深度1.2 m。炮眼布置方式如圖3所示。

圖3　炮眼布置方式

爆破松動處理矸石獲得了良好的松動爆破效果,大幅度減小了采煤機截割矸石阻力,降低了采煤機故障率,加快了采煤機進刀速度,由每天僅勉強割煤1刀或不足1刀提高到每天割煤2刀或3刀。

3.3動態(tài)扶正傾倒支架

大傾角軟頂煤綜放面液壓支架最容易失穩(wěn),穩(wěn)定性控制難度大,特別是傾倒支架扶正因軟頂煤冒漏更加艱難,需采用動態(tài)扶架。動態(tài)扶架即“護－扶－移－穩(wěn)”,在扶起支架的同時將支架前移,使支架盡快進入實體煤以恢復(fù)支架頂部受力,從而實現(xiàn)支架的自穩(wěn)。

鑒于長山子煤礦首采的1121綜放面扶架過程遇到了支架上缺少連接鋼絲繩掛鉤拉環(huán)（當(dāng)時扶架時只好連接到千斤頂上或其他耳座上）和穩(wěn)固單體支柱柱窩導(dǎo)致安全隱患較大。針對這兩個缺陷,礦方對本工作面所用支架進行了改進,為安全扶架提供了良好條件。

采用動態(tài)扶架方法比較順利地扶正了傾倒支架,為工作面恢復(fù)生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

3.4工作面生產(chǎn)外包

針對綜放隊人員操作不熟練且短時間難以自主解決工作面緩慢推進的具體情況,經(jīng)統(tǒng)籌考慮后決定通過引進經(jīng)驗豐富綜采隊的外援方式,將長山子煤礦1125工作面生產(chǎn)承包給富有綜放開采大傾角厚煤層經(jīng)驗的靖遠煤業(yè)集團新疆伊犁公司,委托其負責(zé)工作面生產(chǎn)并技術(shù)指導(dǎo)長山子煤礦綜放隊。

外包之后,1125工作面生產(chǎn)被動的局面逐步好轉(zhuǎn),每日割煤從1刀提高到2刀或3刀,工作面安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化達到良好等級。在靖遠煤業(yè)集團新疆伊犁公司承包隊指導(dǎo)下,長山子煤礦綜放隊整體操作水平在逐步提高并不斷積累經(jīng)驗。

外包方式較好地解決了因長山子煤礦綜放隊工人操作不熟練導(dǎo)致的工作面生產(chǎn)被動局面。

至于支架側(cè)護板伸縮不暢和相鄰支架前探梁間隙漏煤矸的缺陷以及工作面變短等既成事實的問題尚難解決,建議將其列為專題并在下一個接替工作面投產(chǎn)之前集中攻關(guān)解決。

4　結(jié)論

（1）1125綜放面回采期間推進速度緩慢,其影響因素主要有頂板淋水、煤層夾矸、支架傾倒以及綜采隊經(jīng)驗不足等。工作面推進慢的問題直接影響了該礦的生產(chǎn)效率,是該礦現(xiàn)階段面臨的主要問題之一。

（2）采用超前探導(dǎo)排方式有效地控制了頂板淋水,抑制了頂板淋水導(dǎo)致支架傾倒和工作面環(huán)境的劣化。

（3）采用爆破松動處理煤層夾矸,顯著降低了采煤機負載和搖臂與截齒損壞故障。

（4）采用動態(tài)扶架方法,比較順利地扶正了傾倒支架,使液壓支架恢復(fù)自穩(wěn)。

（5）工作面生產(chǎn)對外承包是扭轉(zhuǎn)緩慢推進的直接舉措。礦綜放隊人員在外包隊指導(dǎo)下逐步提高操作水平,積累經(jīng)驗,為獨立自主掌握大傾角軟頂軟底松散不穩(wěn)定煤層綜放面開采技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻:

［1］沈杰,許輝.大傾角支架穩(wěn)定性理論分析［J］.中國煤炭,2003（3）

［2］李偉,孫廣義.含夾矸煤層綜采工作面高效回采實踐［J］.煤炭科學(xué)技術(shù),2011（4）

［3］鞏琦,劉建慧,萬昌.煤倉疏通技術(shù)及便攜式疏通機的研究［J］.中國煤炭,2008（8）

［4］孫曉冬,馮國春,馬兆瑞.大傾角極堅硬頂板易發(fā)火煤層綜放開采關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中國煤炭, 2015（11）

［5］程文東,王軍,贠東風(fēng)等.大傾角特厚煤層綜采放頂煤技術(shù)研究［R］.蘭州:靖遠煤業(yè)集團公司王家山煤礦等,2003

［6］贠東風(fēng),劉柱,程文東等.大傾角支架底調(diào)機構(gòu)應(yīng)用效果分析［J］.煤炭技術(shù),2015（5）

［7］贠東風(fēng),伍永平.大傾角煤層綜采工作面調(diào)偽仰斜原理與方法［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2001（2）

［8］宋高峰,任志成,孔德中等.大傾角煤層綜合機械化開采關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中國礦業(yè),2013（11）

［9］李強,付玉平.聚德煤礦8＃煤層頂板淋水探測與治理研究［J］.中國煤炭,2012（5）

［10］贠東風(fēng),劉志遠,伍永平等.三軟煤層大傾角綜放面倒架原因分析及扶架技術(shù)研究［J］.煤炭技術(shù), 2014（5）

［11］劉志遠.大傾角煤層綜放面倒架機理與再穩(wěn)定技術(shù)研究［D］.西安:西安科技大學(xué),2014

（責(zé)任編輯張毅玲）

Causes and measures of difficult advance in fully mechanized caving face in soft and unstable seam with large dip angle,soft roof and soft floor

Yun Dongfeng1,2,Lei Qi1,Wu Yongping1,2,Chen Guangping3,Gu Bin1, Du Ronghua3,Liu Zhu1,Zhang Yuanhao1
（1．School of Energy,Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2．Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention,Ministry of Education, Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 3．Changshanzi Coal Mine,Yaojie Coal and Electricity Co．,Ltd．,Zhangye,Gansu 734100,China）

AbstractThe No．1125 fully mechanized caving face of Changshanzi Coal Mine was in soft and unstable coal seam with large dip angle,soft roof and soft floor,and the roof was in broken surrounding rock with water seepage．In view of the very slow advance speed since the time of beginning mining that head entry advanced only 20 m and tail entry advanced only 38．3 m during the four months,the causes of that were analyzed．The results showed that the water seepage in the roof,the seam with partings,the inclined supports and the lack of working experience were the main causes．On this basis,the measures for solving the difficult advance in the No．1125 fullymechanized caving face were proposed．

Key wordscoal seam with large dip angle,soft and unstable seam with soft roof and soft floor,fully mechanized caving face,coal mining face advance,advance speed

中圖分類號TD823.8

文獻標(biāo)識碼A

作者簡介:贠東風(fēng)（1962－）,男,陜西臨潼人,1984年畢業(yè)于西安科技大學(xué)（原西安礦業(yè)學(xué)院）,現(xiàn)任教授、碩士生導(dǎo)師,主要從事巷道支護、復(fù)雜煤層開采與系統(tǒng)復(fù)雜性方面的教學(xué)與科研工作。