雙向快速無煤柱結(jié)束工作面研究與實(shí)踐研究

周俊林

摘 要：21世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，煤炭等化石能源需求量也迅速增加，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占主體地位，但是煤炭是不可再生資源，如何能夠高效的利用煤炭是當(dāng)下研究的重要課題。

關(guān)鍵詞：雙向快速;無煤柱;煤炭資源

中圖分類號：TD327.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0123-02

0 引言

無煤柱開采有利于開發(fā)煤炭資源，提高煤炭回采率。據(jù)我國多數(shù)礦井應(yīng)用無煤柱開采技術(shù)數(shù)據(jù)表明，無煤柱開采一般可提高回收率10%-20%，同時(shí)能很大程度地消除易自燃煤層自燃發(fā)火根源，對于降低瓦斯涌出也有顯著效果，通常能使風(fēng)流中瓦斯含量減少30%-50%。峰峰集團(tuán)屬于老牌的煤炭生產(chǎn)基地，自成立至今已有一百多年的開采歷史，隨著資源儲量的不斷開采，很多礦井進(jìn)入了或即將進(jìn)入資源枯竭期，工作面布置多為回收邊角煤，地質(zhì)條件復(fù)雜，單面儲量小，搬家倒面次數(shù)多，為盡可能回收煤炭資源，延長礦井壽命，我們提出了雙向快速無煤柱結(jié)束工作面方案。

以往工作面結(jié)束均采用保留煤柱形式進(jìn)行結(jié)束，工作面在距聯(lián)絡(luò)巷或集中回風(fēng)巷20m左右位置結(jié)束，既不安全又浪費(fèi)煤炭資源，此次無煤柱結(jié)束工作面技術(shù)是在以往沿空留巷技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)2706工作面頂板特點(diǎn)以及以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行可行性分析，決定在新三礦162706工作面實(shí)施無煤柱結(jié)束工作面技術(shù)，本課題共分兩個(gè)方面：（1）頂板預(yù)加固，使得工作面結(jié)束期間頂板得到有效支撐，為拆除設(shè)備提供了安全保證。（2）拆除時(shí)利用液壓支架調(diào)移裝置快速結(jié)束工作面，通過這兩方面技術(shù)的研究應(yīng)用，為無煤柱結(jié)束工作面提供借鑒資料，提高煤炭資源回收率。

1 研究的目的和意義

工作面結(jié)束以后為了保護(hù)周圍巷道，往往采取留設(shè)區(qū)段保護(hù)煤柱的方式結(jié)束，雖然客觀上對巷道有一定的保護(hù)作用，但是對煤炭資源回收以及出支架期間頂板管理十分不利，經(jīng)過長期實(shí)踐和技術(shù)改革，實(shí)現(xiàn)了無煤柱結(jié)束工作面，并提高了工作面拆除支架期間頂板的可靠性。

（1）采用“槽鋼、錨索+木梁棚子+支架”聯(lián)合支護(hù)措施，成功保留聯(lián)絡(luò)巷，實(shí)現(xiàn)工作面無煤柱結(jié)束，多回收原結(jié)束方案預(yù)留的煤柱，提高煤炭資源回收率，延長回采時(shí)間，同時(shí)成功保留162706工作面的聯(lián)絡(luò)巷，可為掘進(jìn)162704底層工作面服務(wù)。（2）首次采用TYH-300型液壓支架調(diào)移裝置（機(jī)械手）回撤支架，降低工人勞動強(qiáng)度，每班出支架4個(gè)，全天出支架8架，提高效率33%以上，工作面出支架使用機(jī)械手，避免底板拖移支架期間，對周圍施工人員構(gòu)成威脅，保證作業(yè)環(huán)境可靠。（3）縮短所出支架提前靠聯(lián)絡(luò)巷上幫擺放，減少出支架用工投入，同于與錨索、槽鋼加固聯(lián)合支護(hù)，有效的控制巷道圍巖變形。

2 研究主要技術(shù)內(nèi)容

2.1 聯(lián)絡(luò)巷加固

為了保證工作面能夠正常推到聯(lián)絡(luò)巷，在工作面距聯(lián)絡(luò)巷不小于50m時(shí)，提前對聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行加固支護(hù)。162706 聯(lián)絡(luò)巷下幫鋼帶端頭和距鋼帶端頭1.1m位置打設(shè)兩排錨索并用工字鋼連鎖，間距0.6m。工字鋼采用長2.6m，孔距1.1m，錨索采用長度10m，直徑21.6mm的低延伸率鋼絞線。聯(lián)絡(luò)巷打錨索完成后，在下幫打設(shè)兩排單體對頂板加強(qiáng)支護(hù)，單體間距1m。工作面距離聯(lián)絡(luò)巷7m時(shí)，開始上網(wǎng)上繩。待工作面和聯(lián)絡(luò)巷推透后伸縮梁全部伸出護(hù)頂，支架前梁距聯(lián)絡(luò)巷上幫1-1.5m時(shí)，停止移支架，開始拆除工作面設(shè)備，進(jìn)行出支架工作。

工作面結(jié)束出支架直接在聯(lián)絡(luò)巷中進(jìn)行。為了保證聯(lián)絡(luò)巷能夠承受采動帶來的壓力影響，為完成此項(xiàng)技術(shù)工程順利進(jìn)行，我們準(zhǔn)備分二個(gè)階段來完成工作面的結(jié)束。第一階段：工作面聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行加固。聯(lián)絡(luò)巷長度75m，聯(lián)絡(luò)巷原錨索“三三”隔帶布置，按“三三”逐帶補(bǔ)齊錨索進(jìn)行加固，排距1.3m，聯(lián)絡(luò)巷打錨索完成后，在下幫打設(shè)兩排單體。第二階段：工作面結(jié)束后進(jìn)行出支架工作，隨著支架外運(yùn)，支架正上頂網(wǎng)隨頂板下垂成為擋砟網(wǎng)，可擋住正后老空區(qū)砟，提高工作面結(jié)束安全性。

2.2 沿空留巷支護(hù)工藝

借鑒以往無煤柱回采結(jié)束自切頂留巷成功經(jīng)驗(yàn)，將自然平衡拱與懸吊理論作為理論依據(jù)，確定科學(xué)合理的支護(hù)強(qiáng)度，頂板壓力計(jì)算如下：

（1）自然拱高度計(jì)算：

自然平衡拱高度計(jì)算根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊》深部巷道礦壓計(jì)算公式計(jì)算，巷道頂板破碎時(shí)：

b1===3.36m

式中：b1—巷道自然平衡拱高度;a—巷道跨度之半，取2.2m;h—巷道高度，取2.8m;φab、φ'd—巷道頂幫圍巖內(nèi)摩擦角，取45°。

（2）巷道頂板壓力計(jì)算：

Pd=2rdab1=2×25×2.2×3.36=369.6KN/m2≈ 0.37MPa

式中：Pd—巷道頂壓，KN/m2;rd—頂板巖石容重，取25 KN/m3;a—巷道跨度之半，取2.2m;b1—巷道自然平衡拱高度。

（3）支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算：

1）錨網(wǎng)梁支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算：選用錨索φ21.6mm，長度10m，已知錨索破斷力490KN，設(shè)計(jì)錨固力200KN。計(jì)算單根錨索所需錨固力：

Q固=Q÷N×K=539.1÷3×1=179.7kN

式中：Q一個(gè)步距巷道錨索支護(hù)頂板巖層冒落重力，539.1kN;N一個(gè)步距巷道支護(hù)所需錨索根數(shù)，3根;K—安全系數(shù)，取1。

單根錨索所需錨固力同時(shí)滿足Q

P'd=n×Rt=3×179.3=537.9kN/m2=0.53MPa>0.37 Mpa

2）木梁棚子支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算：

P'd=n×Rt=3×150=450kN/m2=0.45MPa>0.37Mpa

式中：P'd—實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度;n—單位面積內(nèi)單體液壓支柱數(shù)量，取3;Rt—單體液壓支柱額定支撐力，取150KN。

3）上幫支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算：

聯(lián)絡(luò)巷上幫頂板采用ZF2000/15/23輕放支架，支架初撐力1700-2087KN，支護(hù)強(qiáng)度：P'd=0.43～0.51Mpa>0.37Mpa。

沿空留巷施工工藝分為三部分：（1）超前煤壁50m對聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行加固，在聯(lián)絡(luò)巷上、下幫距鋼帶端頭0.8m位置各打設(shè)一排錨索配合槽鋼連鎖。（2）聯(lián)絡(luò)巷打錨索加固后，順巷道傾向使用直徑不小于18cm、長度不小于的木梁配單體支護(hù)頂板，一梁三柱，棚距1.6m，要求木梁靠工作面方向要頂緊煤幫，以便聯(lián)絡(luò)巷割透后支架前梁直接挑住支護(hù)木梁。（3）將上頭縮短所出支架，靠聯(lián)絡(luò)巷上幫沿走向依次擺放，與補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨索配槽鋼組成“聯(lián)合”支護(hù)。

2.3 出架方案

采用TYH-300型液壓支架調(diào)移裝置（機(jī)械手），實(shí)現(xiàn)快速回撤支架，工作面支架回撤采用雙向快速回撤支架，即外聯(lián)絡(luò)巷支護(hù)支架與工作面支架先后依次外調(diào)，走向支架作為出架通道臨時(shí)支護(hù)。

3 研究的思路及方法

3.1 研究方法

（1）現(xiàn)場調(diào)查法。通過現(xiàn)場調(diào)研，優(yōu)化工作面結(jié)束計(jì)劃，確定無煤柱開采研究方向;（2）理論分析與計(jì)算。基于自然平衡拱與懸吊梁理論科學(xué)計(jì)算沿空留巷頂板壓力，合理確定沿空留巷支護(hù)方案;（3）現(xiàn)場實(shí)測（礦壓觀測）法。項(xiàng)目實(shí)施過程中，通過現(xiàn)場礦壓觀測，驗(yàn)證沿空留巷支護(hù)方案可行性。

3.2 實(shí)施路線

現(xiàn)場調(diào)研確定無煤柱結(jié)束研究方向→理論分析與計(jì)算確定沿空留巷支護(hù)方案→市場考察，引進(jìn)TYH-300型液壓支架調(diào)移裝置（機(jī)械手），制定出架方案→工業(yè)性實(shí)驗(yàn)→礦壓觀測，驗(yàn)證支護(hù)方案可行性→項(xiàng)目實(shí)施效果分析總結(jié)→項(xiàng)目實(shí)施方案、工藝優(yōu)化→推廣應(yīng)用。

4 取得的主要成果

（1）實(shí)施無煤柱雙向快速結(jié)束方案，成功回收了原結(jié)束方案需要留設(shè)的煤柱，提高資源回收率。（2）采用“槽鋼、錨索+木梁棚子+支架”聯(lián)合支護(hù)，有效控制巷道圍巖變形，成功保留聯(lián)絡(luò)巷，大大減少巷道整修工作量，保證安全生產(chǎn)。（3）施工簡單方便，不影響工作面正常推進(jìn)，超前加固即可。對于回采工作無任何影響，上頭縮短出支架可放置聯(lián)絡(luò)巷上幫，作為臨時(shí)支護(hù)的同時(shí)也能緩解人員緊張。（4）回撤支架放頂前，只需擺木垛留假風(fēng)道，確保結(jié)束期間的正常通風(fēng)。（5）首次引進(jìn)機(jī)械手回撤支架，發(fā)揮科技創(chuàng)新優(yōu)勢，為其他工作面安全快速結(jié)束奠定基礎(chǔ)。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）應(yīng)用無煤柱雙向快速結(jié)束工作面方案，走向多推進(jìn)35m（L），平均采長60m（C），采高3m（H），容重1.45，煤價(jià)600元/噸（J）。計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益：S=L*C*H*1.45*J=35*60*3*1.45*600= 548.1萬元。

（2）加快支架回撤速度，節(jié)省人工成本。工作面結(jié)束出支架48架，以往三班出支架，每班出2架，每天用工30個(gè)，需要8天完成;現(xiàn)在兩班出支架，每班出4架，每天用工16個(gè)，實(shí)際6天完成，節(jié)省用工數(shù)144個(gè)，降低人工成本為144* 300=4.3萬元。

（3）減少材料損耗。上網(wǎng)、上繩位置推延4m，減少60m長鋼絲繩4條，10m礦用塑料網(wǎng)15卷，節(jié)省支護(hù)材料成本5萬元。累計(jì)直接經(jīng)濟(jì)效益：548.1+4.3+5=557.4萬元。

5.2 社會效益

（1）改變了以往出支架頂板隨即下沉影響安全的情況出現(xiàn)，提高了工作面結(jié)束安全系數(shù)和施工效率，解決了長久以來結(jié)束工作面頂板管理困難、容易出頂板事故的局面。（2）大大提高了資源回收率。留巷可實(shí)現(xiàn)無煤柱護(hù)巷開采，減少一條區(qū)段保護(hù)巷煤柱，提高煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)了煤柱全部回收，對緩和采掘接續(xù)緊張和延長礦壽命具有重大意義。

6 項(xiàng)目的應(yīng)用與推廣

雙向無煤柱結(jié)束技術(shù)一次性回收煤柱，避免區(qū)段煤柱損失，提高了單面產(chǎn)量，其工藝簡單，成本低、收益多、安全系數(shù)高，既能保證安全生產(chǎn)，又實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與社會效益雙贏，對于促進(jìn)煤礦安全高效生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)意義。該工藝在新三礦162706工作面應(yīng)用后，取得極大的經(jīng)濟(jì)效益，對此類條件下工作面結(jié)束有很好的借鑒意義，具有極大地推廣價(jià)值。