大采高智能化工作面閉采工藝及其安全管理措施

肖 曲，曹哲哲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

大采高工作面因其設(shè)備尺寸大、礦山壓力明顯、安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多等因素[1-3]，閉采作業(yè)施工難度較大；另一方面，為實(shí)現(xiàn)高效安全閉采，陜西黃陵二號煤礦416智能化工作面閉采期間將智能化融入其中，對閉采施工提出了更高的要求。通過實(shí)踐，416大采高智能化工作面閉采突破部分技術(shù)和安全管理難題，取得了較為理想的效果。

1 工程概況

1.1 工作面概況

陜西黃陵二號煤礦有限公司416大采高智能化工作面所采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組2號煤層，煤層具有自燃傾向性，屬高瓦斯工作面。工作面范圍內(nèi)煤層厚度5.6～5.8 m，一次采全高，煤層傾角0°～2°，平均0.5°，工作面長300.5 m，設(shè)計(jì)停采線為250 m，直接頂為細(xì)粒砂巖，厚度1.1～6 m，老頂為粉砂巖，厚度9～14.15 m，周期來壓步距約15.6 m，來壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。工作面布置ZY10800/28/63D型支撐掩護(hù)式液壓支架及配套端頭支架175臺，選用MG900/2210-GWD型電牽引采煤機(jī)往復(fù)割煤。

1.2 閉采工藝簡述

使用柔性聚酯纖維網(wǎng)隔絕頂部矸石，距停采線18 m時(shí)，將柔性聚酯纖維網(wǎng)網(wǎng)邊固定于頂板上，正常推采16.2 m至采空區(qū)冒落的矸石將網(wǎng)邊壓實(shí)，使柔性聚酯纖維網(wǎng)全斷面包圍液壓支架。隨后停止拉移支架，使用運(yùn)輸機(jī)配合煤機(jī)擴(kuò)刷4.1 m的回撤通道，擴(kuò)刷期間使用錨網(wǎng)索支護(hù)通道頂板及煤幫，為工作面回撤奠定基礎(chǔ)[4-7]，閉采及回撤通道布置如圖1所示。

圖1 閉采及回撤通道布置圖

2 重點(diǎn)工藝及安全措施

2.1 重點(diǎn)工藝

實(shí)際停采位置的確定：保護(hù)煤柱的留設(shè)主要預(yù)防動壓對大巷造成破壞，設(shè)計(jì)停采線僅作為參考數(shù)值，工作面實(shí)際停采位置應(yīng)根據(jù)周期來壓、頂?shù)装迩闆r、工程質(zhì)量及其他實(shí)際情況調(diào)整[8-10]，以滿足閉采需要。根據(jù)二號煤礦經(jīng)驗(yàn)，416大采高工作面設(shè)計(jì)停采線300 m，但由于生產(chǎn)接續(xù)緊張，第一次將停采線調(diào)整至250 m，并提前對大巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)推采臨近250 m線時(shí)，因未能有效避開周期來壓，第二次對停采位置進(jìn)行微調(diào)，最終按照238 m停采位置實(shí)施，經(jīng)后期觀測及采后評價(jià)，停采距離基本滿足大巷保護(hù)需求。

柔性聚酯纖維網(wǎng)的設(shè)計(jì)：①柔性聚酯纖維網(wǎng)的特點(diǎn)。柔性聚酯纖維網(wǎng)具有高強(qiáng)度、高延展性特點(diǎn)，近年來在各閉采工作面廣泛應(yīng)用，網(wǎng)片設(shè)計(jì)尺寸、強(qiáng)度綜合需考慮工作面頂?shù)装鍘r性、采高、重量、支架規(guī)格及回撤通道寬度等綜合因素;②柔性聚酯纖維網(wǎng)的選擇。416工作面液壓支架頂梁+掩護(hù)梁+掩護(hù)梁距地高度(閉采采高5 m)11.8 m，采空區(qū)壓網(wǎng)長度3 m，回撤通道4.1 m，故柔性聚酯纖維網(wǎng)最小寬度18.9 m，鑒于壓網(wǎng)時(shí)網(wǎng)片可能破損，需富裕一定量的網(wǎng)片以便網(wǎng)片破損后能繼續(xù)推采壓網(wǎng)，故本工作面網(wǎng)片寬度選22 m；416工作面寬度300.5 m，兩順槽總寬10 m，網(wǎng)長至少310.5 m，考慮推采過程中網(wǎng)片向中部緊縮及頂板不平網(wǎng)片消耗，按照314 m設(shè)計(jì)，由于網(wǎng)片過重，運(yùn)網(wǎng)、展網(wǎng)等工序困難，采取兩張柔性網(wǎng)搭接使用的方式減輕單張網(wǎng)片重量，網(wǎng)片搭接4 m，最終本工作面選用兩張22 m×159 m的聚酯柔性網(wǎng)；③尺寸及鋼絲繩布置。因回撤期間采空區(qū)大塊煤矸對柔性聚酯纖維網(wǎng)沖擊力較大，為防止網(wǎng)片破損矸石竄出，沿柔性網(wǎng)緯向布置27道φ21.5 mm的鋼絲繩，增加柔性網(wǎng)強(qiáng)度，聚酯柔性纖維網(wǎng)尺寸及鋼絲繩布置如圖2所示。

圖2 聚酯柔性纖維網(wǎng)尺寸及鋼絲繩布置圖

閉采采高的確定：大采高工作面采高具有較大的可調(diào)性，但需兼顧采煤機(jī)通行最小高度、人員掛網(wǎng)作業(yè)難易程度、錨索施工時(shí)鉆機(jī)的伸縮高度等因素。416工作面正常推采期間平均采高5.8 m，采煤機(jī)頂面線高2.8 m，初期柔性網(wǎng)堆疊直徑約1 m，采煤機(jī)機(jī)面上方支架側(cè)護(hù)板最大厚度1.2 m，故采高至少保證在5 m，方能保證煤機(jī)正常穿梭。但此閉采高度高于鉆機(jī)最大支護(hù)高度，且對掛網(wǎng)作業(yè)帶來不便。為解決這一矛盾，416工作面采取“單向割煤、底部留臺”的作業(yè)方式降低作業(yè)困難程度，即掛網(wǎng)、支護(hù)作業(yè)前一循環(huán)，采煤機(jī)割頂不割底，底部留設(shè)0.9 m(采煤機(jī)一個(gè)截深)×1.6 m的煤臺，人員搭設(shè)腳手架作業(yè)，具體如圖3所示。

圖3 工作面留設(shè)臺階作業(yè)示意圖

智能化與閉采工藝的融合：液壓支架自動跟機(jī)作業(yè)可減少人員作業(yè)強(qiáng)度，且可靠程度高，416工作面閉采期間，二號煤礦將智能化與閉采工藝進(jìn)行糅合，對電液控參數(shù)進(jìn)行修改使之滿足閉采需要。①增大了支架自動降架高度。掛網(wǎng)后，柔性網(wǎng)鋪設(shè)在頂板上，適當(dāng)增大降架高度防止頂梁刮扯網(wǎng)片，設(shè)置支架移架前降架時(shí)間不少于5 s，降架高度500 mm以上；②修改支架動作順序。正常推采時(shí)，液壓支架依次按照收護(hù)幫→降架→抬起架→移架→伸護(hù)幫的順序動作，閉采作業(yè)中，因使用臨架護(hù)幫板將柔性網(wǎng)提前挑起，需人工配合支架共同完成，其工藝如下：超前采煤機(jī)前滾筒3架使用手動絞盤將柔性網(wǎng)起吊至頂梁下(人工)→臨架伸護(hù)幫板將網(wǎng)片挑起(自動)→臨架伸護(hù)幫板將網(wǎng)片挑起(自動)→本架收護(hù)幫(自動)→本架降架(自動)→本架抬起架(自動)→本架移架(自動)→本架伸護(hù)幫(自動)→臨架收護(hù)幫板→滯后采煤機(jī)后滾筒3架使用手動絞盤將柔性網(wǎng)放下(人工)；③屏蔽自動推移運(yùn)輸機(jī)功能。因部分施工環(huán)節(jié)需留設(shè)煤臺，屏蔽自動推移運(yùn)輸機(jī)功能，防止損壞設(shè)備。

錨索施工順序優(yōu)化：416工作面回撤通道頂板采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)，通道支護(hù)圖如圖4所示。由于“一梁兩索”需滯后一個(gè)步距方可張緊，為防止頂板離層后注錨困難，在本刀煤割過后，要求“一梁兩索”前部錨索必須施工完畢，待后部錨索施工完畢后即可張緊，提高注錨成功率。

圖4 416工作面回撤通道支護(hù)圖

2.2 安全措施

防滅火管理：由于2號煤層具有自燃傾向性，自然發(fā)火周期約55 d，閉采期間工作面推采速度放緩加之回撤周期較長，采空區(qū)可能出現(xiàn)自然發(fā)火，閉采前，距停采線500 m時(shí)在進(jìn)回風(fēng)巷向采空區(qū)各延伸一趟光纜監(jiān)測采空區(qū)溫度分布，同時(shí)，采取在采空區(qū)噴灑阻化劑并增加架前及架間工業(yè)鹽的使用量，清理工作面浮煤，封堵上下隅角等措施，防止采空區(qū)自然發(fā)火。

頂板控制：閉采的安全順利實(shí)施直接取決于頂板完整性，若閉采掛網(wǎng)及停架前頂板切頂?shù)繇?、離層，一方面人員進(jìn)入機(jī)道作業(yè)，安全無法有效保證；另一方面，頂板離層，回撤通道支護(hù)困難，形成惡性循環(huán)。416工作面閉采前，收集了大量現(xiàn)場頂板數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)掌握周期來壓步距，并在頂板來壓后，立即實(shí)施掛網(wǎng)作業(yè)，將閉采放在兩次來壓間；另外，掛網(wǎng)及停架前，在部分切頂區(qū)域支架架間施工φ21.8 mm×6 300 mm錨索加強(qiáng)支護(hù)，有效控制頂板下沉離層，工作面閉采期間，未出現(xiàn)大面積的離層情況，保證人員作業(yè)安全和通道支護(hù)的順利完成。

片幫預(yù)防：通過分析全國同種閉采工藝的安全事故可知，82%的閉采安全事故主要發(fā)生于煤墻片幫傷人和停架后推移運(yùn)輸機(jī)時(shí)的單體崩飛傷人。因閉采期間工作面斷面大，控頂距離成倍增加，礦壓顯現(xiàn)較為明顯，頂幫圍巖變形劇烈，但閉采期間仍需人員進(jìn)入機(jī)道掛網(wǎng)及支護(hù)，突出特征為人員勞動密集，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，制定針對性的防片幫安全技術(shù)方案具有重要意義。二號煤礦根據(jù)自身特點(diǎn)，主要采取以下措施：①留設(shè)煤臺以減小下部煤幫壓力，降低上部煤墻片幫危害；②停架后，支架護(hù)幫板無法有效護(hù)幫，故在支架架間施工貼幫單體液壓支柱護(hù)幫；③分段作業(yè)，少割快打。為防止頂板空頂時(shí)間過長，回撤通道支護(hù)時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行單次割煤不超過50架，待區(qū)段支護(hù)完畢后，方可繼續(xù)割煤進(jìn)入下一支護(hù)循環(huán)，保證頂幫完整；④加強(qiáng)支架檢修，投入一定的人力、物力支架杜絕自降，防止后期支架自降導(dǎo)致頂板支護(hù)強(qiáng)度不足。

單體滑移預(yù)防：停架后，需將支架與運(yùn)輸機(jī)分離，采用單體液壓支柱將運(yùn)輸機(jī)推移一定步距，因支柱兩端無插銷固定，易側(cè)滑崩飛，此項(xiàng)作業(yè)安全隱患高，風(fēng)險(xiǎn)大。本次閉采作業(yè)中，特加工制作單體推移防滑裝置，該裝置為一套狀中空結(jié)構(gòu)，一端與運(yùn)輸機(jī)推移桿連接，另一端將單體卡緊，推移過程中，單體始終禁錮在內(nèi)，與推移框架桿連為一體，閉采期間，未發(fā)生一起單體滑移的涉險(xiǎn)事故，保證作業(yè)安全。

2.3 存在的主要問題及改進(jìn)

掛網(wǎng)、吊網(wǎng)困難：416工作面使用的柔性網(wǎng)尺寸及卷入鋼絲繩的數(shù)量超過同類型工作面所使用的柔性網(wǎng)，聚酯柔性纖維網(wǎng)過重，掛網(wǎng)作業(yè)消耗過多人力、物力，且初期人工起吊網(wǎng)片困難，推采速度緩慢。加強(qiáng)閉采工程質(zhì)量管理，可減少柔性網(wǎng)3 m富余長度和鋼絲繩數(shù)量，另外因回撤通道使用錨索支護(hù)，通道內(nèi)頂板鋼絲繩承力較小，根據(jù)回撤期間現(xiàn)場觀測，柔性網(wǎng)強(qiáng)度可滿足要求，可取消敷設(shè)的鋼絲繩，416工作面回撤通道4.1 m，合計(jì)可減少鋼絲繩10根。

閉采期間工程質(zhì)量波動：作為對閉采施工影響最大的因素，工作面工程質(zhì)量對展網(wǎng)質(zhì)量、頂幫完整情況等影響較大，間接影響施工安全和強(qiáng)度。本工作面閉采期間因調(diào)整工作面采高過于急切，致使工作面頂板切頂?shù)繇烦霈F(xiàn)，導(dǎo)致后期工作面重新提高采高，頂板切頂，迫使施工補(bǔ)強(qiáng)錨索，增加了工程量。故在閉采作業(yè)前，必須加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，保證閉采期間工程質(zhì)量平穩(wěn)。

3 結(jié)語

閉采施工是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，作業(yè)時(shí)間緊湊，各工序銜接緊密，工藝復(fù)雜，需綜合考慮各項(xiàng)影響因素方能有條不紊。416大采高智能化工作面閉采作業(yè)歷時(shí)10 d，取得了采高最大、質(zhì)量最佳、周期較短的成績，可為后續(xù)推廣智能化的同類型工作面閉采作業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)。