“老礦深井”薄煤層智能化復采技術(shù)創(chuàng)效實踐

文/胡繼峰 褚恒濱

一、礦井基本情況

山東能源棗礦集團孫村煤礦位于新汶煤田中部，井田面積26.2km2，是一座具有百年開采歷史的百萬噸大型現(xiàn)代化礦井。解放前為小煤窯開采，1949年正式投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力60萬噸/年，2019年核定生產(chǎn)能力112萬噸/年。作為百年老礦，孫村煤礦系統(tǒng)復雜，高溫、高地壓、沖擊地壓等災害因素對礦井安全生產(chǎn)提出了較高的要求；同時，礦井歷史久、人員多、包袱重等因素，也對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提出了更高的要求。

二、顛覆創(chuàng)新，探索“老礦深井”薄煤層復采技術(shù)創(chuàng)效

1.顛覆式找煤挖潛，強化“薄煤層”創(chuàng)效

一是顛覆老礦開采思路，盤活薄煤層資源求“生存”。隨著開采周期的不斷延長，孫村煤礦中厚煤層等優(yōu)質(zhì)資源儲量日漸下降，為推進礦井可持續(xù)發(fā)展，找煤擴量、存量挖潛成為大勢所趨，淺部薄煤層、遺留煤柱等呆滯資源的復采研究成為礦井創(chuàng)新突破求生存的重點課題。

二是探索遺留煤層開采，打破舊枷鎖求“發(fā)展”。本著“吃干榨盡”的原則，深入挖潛，論證遺留空白資源的可采性。其中，淺部三層煤作為前組遺留煤層，距二層煤的層間距僅為3～7m，平均層間距僅5m，平均煤層厚度1.03m、平均傾角16.3°，具有煤質(zhì)好、精煤含量高、災害威脅小、頂?shù)装鍘r石硬度低等特點，可進行綜合機械化采煤，具有較高的可采性和經(jīng)濟價值。同時，-800水平二采區(qū)三層煤作為距采空區(qū)極近的薄煤層，上覆二層煤、下伏四層煤均已開采，受二、四層采空區(qū)影響，沿空送巷極為困難；通過創(chuàng)新實踐，注漿錨索全錨注支護可實現(xiàn)超薄層間距沿空送巷施工，技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟合理，成功解決了三層煤工作面設計及施工難題。

三是規(guī)劃連續(xù)開采布局，解放三層煤創(chuàng)“首采”。本著“零壓覆、全開采”的原則，創(chuàng)新二采區(qū)薄煤層布置方案、設計上下面連續(xù)開采格局、創(chuàng)新“Y”型通風模式，以注漿錨索為手段、以沿空留巷為依托，成功克服三層煤頂板破碎、錨固極為困難等問題，全面優(yōu)化-800水平二采區(qū)三層煤設計方案，成功解放2317、2318、2319等薄煤層工作面，實現(xiàn)了首個三層煤工作面的順利開采。

2.高效式安全開采，強化“智能化”提效

一是高效開采，創(chuàng)新電液控工作面應用。本著“寧花百萬上裝備、不花十萬增一人”的原則，全力推進電液控高智能工作面的建設，工作面采用ZY3200/09/21D型電液控支架、MG300/700-AWDK型智能采煤機、SGZ-730/400型刮板運輸機；通過開展“裝備全新化升級、系統(tǒng)智能化運作、數(shù)據(jù)集成化傳輸、泵站無人化管理”等工作，綜采工藝得到了全面革新；創(chuàng)新應用記憶截割的智能采煤機、遠程控制的電液控支架、智能化配比供液的液壓泵站，深化工作面“三機”智能配套，實現(xiàn)了工作面設備的“就地/集中/遠程”三級網(wǎng)絡管理。通過借助智慧化礦山信息平臺，構(gòu)建了工作面設備聯(lián)合運行信息平臺，為最終實現(xiàn)地面集控室一鍵遙控出煤、生產(chǎn)班無人的智能化開采奠定基礎。

二是高效運輸，創(chuàng)新無人化運輸線管理。以“集成處理、智能運作”為引領(lǐng)，全面建設無人化運輸線；通過自動化控制，實現(xiàn)膠帶運輸機單動、聯(lián)動、數(shù)據(jù)上傳，具有逆煤流起動、順煤流停車功能；通過安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和視頻分析技術(shù)，對大煤塊、矸石、錨桿等進行實時檢測識別，通過視頻報警和聯(lián)動裝置停車，縮短突發(fā)事件影響時間；通過現(xiàn)場運輸系統(tǒng)安裝開機語言報警、擴音系統(tǒng)，并將井下設備語音系統(tǒng)并聯(lián)入地面調(diào)度指揮中心，實現(xiàn)開機預警、地面控制、無人值守；通過井下Wifi無線局域網(wǎng)的全面覆蓋，實現(xiàn)井下Wi-Fi和internet互聯(lián)網(wǎng)通訊，開通井上井下的現(xiàn)場圖像、視頻傳輸及接打電話功能，健全自動化手機端控制系統(tǒng)。最終，全面創(chuàng)建了礦井皮帶運輸系統(tǒng)的“無人化”建設模式，有效保障了工作面后路系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效。

三是高效監(jiān)測，創(chuàng)新頂板大數(shù)據(jù)動態(tài)管控。針對薄煤層破碎頂板治理的難題，依托礦井智能化建設、大數(shù)據(jù)平臺，創(chuàng)新薄煤層頂板大數(shù)據(jù)管理理念，采用光纖頂板實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對薄煤層巷道頂板應力及離層情況進行動態(tài)監(jiān)控，精度達到了0.1mm。通過大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)選最合理的巷道支護參數(shù)，降低單進成本，并通過超前補打超深加固錨索、安裝頂板實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)化了薄煤層工作面超前點柱布置方案，加強了頂板支護，替代了工作面超前液壓點柱，最大限度降低工人勞動強度。下一步，將對全礦7萬米在籍巷道頂板進行實時動態(tài)監(jiān)控，設定頂板變化警戒值、實施24小時預警消息推送，減少巷道巡查人員，確保礦井實現(xiàn)動態(tài)化安全生產(chǎn)。同時，監(jiān)測系統(tǒng)智能化為設計智能化提供信息反饋，收集全礦井的支護設計參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)，為不斷優(yōu)化支護設計提供依據(jù)，最終實現(xiàn)支護設計智能化的不斷升級。

3.立體式安全保障，強化“全錨注”支護

通過全面剖析薄煤層、破碎頂板、極薄層間距巷道支護難題，以實踐為平臺、以數(shù)據(jù)為支撐、以實例為論證，深入研究破碎頂板注漿錨索錨注支護關(guān)鍵技術(shù)，全面構(gòu)建采空區(qū)“三高錨注”支護體系。

一是實現(xiàn)高預緊力突破，強化破碎頂板治理。巷道施工導致圍巖應力重新分布，煤巖體受到擠壓破壞，呈松散破碎狀態(tài)；錨桿通過螺紋螺帽緊固錨盤將預緊力施加于頂板，等強螺紋錨桿預緊力可達到1～3t，高強錨桿可達到5t左右，而注漿錨索錨注支護通過漲緊器漲拉索具將預緊力施加于頂板，預緊力可達到10t以上。通過對頂板施加高預緊力，強化了對薄煤層易破碎頂板的高強度緊固作用，削弱了三層煤頂板的破碎發(fā)育程度。

二是實現(xiàn)高錨固力突破，強化頂板澆筑再造。普通錨桿采用局部的端頭錨固，其錨固力可達到10t。但隨著開采條件的復雜化，松散破碎圍巖提供的錨固力嚴重受限，存在錨固長度過短、錨固效果差等問題。三層煤高強錨注支護在結(jié)合錨桿支護優(yōu)勢的同時，又通過創(chuàng)新自加工自轉(zhuǎn)式注漿錨桿，分淺部、中部、深部三個層位注水泥漿，分先后、分層位對破碎頂板裂隙進行充填加固，充分利用漿體將破碎圍巖進行膠結(jié)、再造，實現(xiàn)注漿錨索的全長錨固，使之成為具有整體性的巖梁，僅靠注漿提供的錨固力就達到27t以上，全面增強了錨注支護的可靠性。

三是實現(xiàn)高破斷力突破，強化頂板超強加固。隨著開采延深帶來的高地應力影響，錨桿、普通錨索破斷現(xiàn)象時有發(fā)生；對比分析，通過注漿使錨索線與周圍巖體膠結(jié)成為整體，形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，使其整體性、穩(wěn)定性大幅度提高，減小圍巖變形對注漿錨索的破壞率，大幅度增強支護構(gòu)件的破斷力。同時，通過采用長度3.0～8.0m全注漿錨索支護，通過增加錨深、擴大組合拱支護范圍，將冒落拱以下圍巖體加固在深層圍巖上，成為組合整體，解決了錨桿支護跨度大的問題，同時加固矩形頂板，消除了矩形巷道圍巖穩(wěn)定性差的問題。

四是實現(xiàn)強彎曲性突破，強化小空間高深支護。巷道斷面有限，施工現(xiàn)場的凈高、凈寬等因素限制了剛性錨桿施工的可能性。目前而言，錨桿的普遍長度為2m左右，局部可實現(xiàn)2.5m錨桿的施工，但無法滿足支護壓力拱的長度要求。相比錨桿，注漿錨索具有可彎曲性，長度約束小，能夠在大部分薄煤層小空間巷道施工。

通過錨注支護實現(xiàn)的高預緊力、高錨固力、高破斷力的“三高”力學特性，打破了目前三層煤沿空送巷錨桿、架棚等支護方式的局限性，是一種技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟合理的新型支護方式。

4.創(chuàng)新式布局設計、強化“連續(xù)性”開采

一是創(chuàng)新超薄層間距沿空留巷工藝，實現(xiàn)“留巷”新突破。創(chuàng)新超薄層間距采空區(qū)留巷“五步法”施工工藝。第一步，“強支護、拉得住”。通過超前補打注漿錨索加強破碎頂板支護，確保三層煤以上的3m巖柱“拉得住”。第二步，“梁支護、靠得住”。留巷采取架設鋼梁棚，采用一梁四柱進行四岔口頂板加固，確保頂板安全可靠。第三步，“補支護、幫加固”。巷道巷幫采取補打注漿錨桿的方式注漿加固下肩窩，保證留巷后巷幫高強度管理。第四步，“封得住、靠得住”。滯后端頭支架下幫壘切矸石袋控制風向，同時創(chuàng)新洗矸噴漿封堵技術(shù)，減少采空區(qū)漏風，消除通防隱患。沿空留巷示意圖如圖1所示。

二是創(chuàng)新超薄層間距一巷多用布局，實現(xiàn)“連采”新格局。樹立“一條巷道開采整個采區(qū)”的理念，利用全注漿錨索錨注技術(shù)，結(jié)合鋼梁加固和洗矸噴漿封堵技術(shù)，開創(chuàng)“注漿錨索+薄煤層開采+沿空留巷”工藝，實現(xiàn)一次成巷不返工，成為采空區(qū)之間薄煤層復采“110”工法高效應用的首個案例，全面打開了三層煤上下面“連續(xù)”開采的新格局。通過上下面連續(xù)開采、一條巷道開采整個采區(qū)，徹底改變了礦井的開拓布局，降低了萬噸掘進率，緩解了礦井接續(xù)壓力。

三是創(chuàng)新沿空留巷平行修復工藝，實現(xiàn)“接續(xù)”零誤差。本著“接續(xù)管理零誤差”的理念，創(chuàng)新回采開采、沿空留巷與留巷修復三并進平行施工管理，通過可移動膠帶輸送機與回采運煤系統(tǒng)搭接，實現(xiàn)修復矸石外送，同時留巷修復利用扒渣機、巷道修復機等小型修復設備，全面提高了沿空留巷的巷道修復效率，實現(xiàn)了上面結(jié)束、下面連續(xù)開采的零誤差接續(xù)管理。工作面連續(xù)開采示意圖如圖2所示。

圖1 沿空留巷示意圖

圖2 2317、2318、2319工作面連續(xù)開采示意圖

三、效果顯著，深化“老礦深井”資源挖潛可持續(xù)發(fā)展

1. 實現(xiàn)資源盤活

通過創(chuàng)新采空區(qū)近距離薄煤層復采工藝，盤活礦井“無效”三層煤儲量100余萬噸，有效延長了礦井服務年限，為企業(yè)長遠可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎。截至目前，2317工作面已開采結(jié)束，2318智能化工作面正常推采，2319工作面作為接續(xù)面已經(jīng)基本完成布置，有效保障了礦井經(jīng)濟效益。

2. 實現(xiàn)減人提效

以“智慧礦山”建設為目標，通過智能化工作面建設，大幅度減少了工作面勞動定員，為實現(xiàn)礦井“單班入井二百人”目標奠定了基礎；同時，智能化工作面建設也加快了薄煤層推采速度，為破碎頂板薄煤層工作面的安全推采提供了保障。最終，通過優(yōu)化勞動組織、“工藝、工序、工具”創(chuàng)新，薄煤層智能化綜采工作面具備了月產(chǎn)5萬噸的生產(chǎn)能力，徹底改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理。

3. 實現(xiàn)工藝革新

通過采空區(qū)近距離薄煤層復采工藝的不斷創(chuàng)新，孫村煤礦實現(xiàn)了“一次成巷不返工”“取消架棚支護”“上、下面連續(xù)生產(chǎn)”“優(yōu)化超前支護模型”“打造智能化生產(chǎn)基地”等諸多工藝的新理念、新模式，保證了“老礦深井”的安全生產(chǎn)，更為礦井的長遠可持續(xù)發(fā)展提供了保障。