綜采工作面回收煤柱過風(fēng)橋技術(shù)研究與應(yīng)用

白二權(quán)

(晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 鳳凰山礦，山西 晉城 048007)

綜采工作面過風(fēng)橋是煤礦回收煤柱過程中常遇的一項(xiàng)技術(shù)難題。隨著綜采工作面向風(fēng)橋不斷推進(jìn)，受超前支承壓力影響, 風(fēng)橋圍巖穩(wěn)定性下降,易發(fā)生冒頂、壓架等安全事故，同時(shí)會減緩綜采工作面推進(jìn)速度、延長循環(huán)周期，頂板來壓顯現(xiàn)，對頂板控制、巷道支護(hù)帶來極大考驗(yàn)[1-3]。

1 概 況

1.1 礦井概況

鳳凰山礦是一座年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為400萬t的現(xiàn)代化礦井，井田總面積為29.348 5 km2，采用斜井開拓方式，可采煤層3號、9號、15號，到2007年底，3號煤層回采結(jié)束；目前主采15號煤層，井下布置2個(gè)綜采工作面和3個(gè)綜掘工作面，礦井絕對瓦斯涌出量為22.56 m3/min，相對涌出量為4.35 m3/t，3號、9號煤自燃傾向性等級為Ⅲ級，不易自燃；15號煤自燃傾向性等級為Ⅱ級自燃。9號、15號煤塵均不具有爆炸危險(xiǎn)性，水文地質(zhì)類型為中等。目前，鳳凰山礦因資源枯竭，已進(jìn)入收尾末期，依據(jù)礦井規(guī)劃，現(xiàn)階段井下各系統(tǒng)正在進(jìn)行階段性收縮。

1.2 工作面概況

二水平煤柱回收綜采工作面設(shè)計(jì)一階段可采長度：652.79 m，可采寬度：113.95 m；工作面煤層厚度為1.17～1.83 m，平均厚度1.50 m，煤層傾角為0～6°，平均3°。工作面煤層無偽頂，直接頂為K4上石灰?guī)r，厚度0.12～0.45 m，平均0.24 m。老頂為細(xì)砂巖，厚度2.63～8.27 m，平均5.31 m。工作面采用“三進(jìn)一回”的“W”型通風(fēng)方式，其中二水平煤柱回收綜采工作面軌道巷、二水平煤柱回收綜采工作面膠帶巷、二水平主膠帶巷為進(jìn)風(fēng)巷，二水平煤柱回收綜采工作面回風(fēng)巷為回風(fēng)巷，工作面采用走向長壁一次采全高全部垮落后退式綜合機(jī)械化采煤法。如圖1所示。

圖1 二水平煤柱回收綜采工作面巷道布置

2 回采過程中存在問題

工作面推進(jìn)至風(fēng)橋段時(shí)，工作面出現(xiàn)了頂板來壓、頂板破碎、底鼓、片幫等現(xiàn)象，無法保證正常循環(huán)進(jìn)度。其表現(xiàn)主要有以下幾點(diǎn):

1) 頂板來壓明顯。礦壓顯現(xiàn)速度較快，在短時(shí)間內(nèi)頂板下沉量急劇加大，同時(shí)發(fā)生底鼓、片幫現(xiàn)象，造成安全出口不足，端頭架拉移困難;巷道高度不足，破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等機(jī)電設(shè)備機(jī)身部分與頂板支護(hù)相接;超前支護(hù)段單體液壓支柱變形，直線度和迎山角度無法保證[4]。

2) 巷道原有超前支護(hù)遭到破壞。工作面推進(jìn)至風(fēng)橋段時(shí)，受前方支承壓力影響，工作面進(jìn)、回風(fēng)巷原有超前支護(hù)發(fā)生彎曲、變形，支護(hù)力下降[5]。

3) 大面積頂板破碎。風(fēng)橋段處于支承壓力高峰區(qū)，易造成頂板破碎，支架的反復(fù)升降操對頂板造成破壞，造成大量煤渣掉落，加大了職工勞動量，影響了推進(jìn)進(jìn)度[6-7]。

綜上所述，工作面過風(fēng)橋時(shí)的困難主要集中在兩點(diǎn):一是巷道支護(hù)無法保證，二是正常循環(huán)進(jìn)度無法保證，二者相互作用，形成惡性循環(huán)，給正常生產(chǎn)造成不良影響[8-10]。

3 過風(fēng)橋技術(shù)研究

3.1 過風(fēng)橋前期準(zhǔn)備工作

為保證工作面推進(jìn)至風(fēng)橋期間作業(yè)安全，提前對風(fēng)橋進(jìn)行充填支護(hù)?，F(xiàn)以IX1316回風(fēng)橫川(頂風(fēng)橋)為例，具體如下：

1) IX1316回風(fēng)橫川煤層頂部以上巷道采用沿巷道底板鋪設(shè)金屬菱形網(wǎng)的方式制造人工假頂，采用10號鐵絲編制而成的經(jīng)緯形金屬網(wǎng)，規(guī)格為JW10/50×50-1.6×6.0，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)間采用對接形式，采用雙股16號鐵絲每隔100 mm一道聯(lián)緊。并在網(wǎng)下鋪設(shè)直徑不小于15.5 mm鋼絲繩，間距600 mm，共鋪設(shè)5根，每隔1 m采用雙股16號鐵絲與經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)緊。采用在巷道幫部打注錨桿的方式固定金屬菱形網(wǎng)假頂，錨桿采用MSGLW-400/18×750高強(qiáng)度螺紋桿錨桿，鉆孔直徑28 mm，采用半支MSK2360型錨固劑，錨桿與巷幫垂直，間距3 m，采用配套托盤、鐵絲將金屬菱形網(wǎng)假頂固定牢固。

2) IX1316回風(fēng)橫川與煤層交叉段采用沿煤層輪廓線架設(shè)無腿棚的方式制造人工假頂，無腿棚梁采用直徑不小于200 mm紅松圓木，棚距1.5 m，棚鉤采用直徑30 mm的圓鋼加工而成，長度1 000 mm，施工時(shí)無腿棚鉤外露不大于200 mm，棚梁搭在棚鉤上長度為100～150 mm，無腿棚鉤與巷幫垂直打注，無腿棚下沿距煤層底板不大于2.2 m。套好無腿棚后，在無腿棚上方鋪設(shè)金屬網(wǎng)，采用10號鐵絲編制而成的經(jīng)緯形金屬網(wǎng)，規(guī)格為JW10/50×50-1.6×6.0，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)間采用對接形式，采用雙股16號鐵絲每隔100 mm一道聯(lián)緊，并用耙釘、鐵釘將金屬菱形網(wǎng)與無腿棚固定牢固。如圖2所示。

圖2 IX1316回風(fēng)橫川填充施工

3) 對IX1316回風(fēng)橫川與二水平主膠帶巷交叉處的風(fēng)橋墻體進(jìn)行拆除施工。拆除墻體時(shí)，先在橫川風(fēng)橋下、二水平主膠帶巷內(nèi)支設(shè)兩排液柱板梁棚，棚梁采用直徑不小于200 mm的紅松板梁，長度3.5 m，保證一梁三柱；并支設(shè)兩個(gè)木垛進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，如圖3所示。

圖3 拆風(fēng)橋墻體前加強(qiáng)支護(hù)示意(mm)

4) 然后逐道拆除風(fēng)橋墻體，每拆完一道后在原墻體位置支設(shè)一排單體柱板梁棚。棚梁采用直徑不小于200 mm的紅松板梁，長度3.5 m，保證一梁三柱。單體柱板梁棚與巷道幫部采用2 m的板梁或背板進(jìn)行背幫，背幫時(shí)，應(yīng)避開柱芯與柱筒接觸處。根據(jù)現(xiàn)場需要，棚梁梁頭與煤體接觸處采用風(fēng)鎬進(jìn)行支挖開槽確保尺寸如圖4所示。

圖4 拆風(fēng)橋墻體后支護(hù)示意(mm)

5) IX1316回風(fēng)橫川煤巷段采用沿煤層頂板架設(shè)單體柱板梁棚的方式進(jìn)行充填施工。板梁棚與回采方向平行，棚距750 mm，板梁棚采用長4 m或55 m板梁，配合DW22-250/100X或DW25-250/100X型單體液壓支柱支護(hù)，一梁三柱，工作面方向板梁棚懸臂500 mm，如圖5所示。

圖5 IX1316回風(fēng)橫川煤巷段填充施工(mm)

3.2 過風(fēng)橋期間施工要求

1) 工作面距IX1316回風(fēng)橫川30 m前，對風(fēng)橋與巷道交叉點(diǎn)采用四架單體柱板梁棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，板梁采用長4 m的紅松板梁，配合DW22-250/100X或DW25-250/100X型號單體柱進(jìn)行支護(hù)，保證一梁三柱。

2) 在工作面回采距空巷20 m時(shí)，進(jìn)行放排瓦斯，拆除通風(fēng)設(shè)施。同時(shí)測量空巷實(shí)際高度，將工作面采高與空巷高度隨平，防止出現(xiàn)臺階，影響正常生產(chǎn)。

3) 工作面距IX1316回風(fēng)橫川10 m時(shí)，將工作面采高調(diào)整至2.0±0.1 m，并對支架進(jìn)行拔節(jié)，保證支護(hù)有效，空巷段與正常段交接處隨平。同時(shí)調(diào)斜工作面至機(jī)頭超前機(jī)尾3～10 m，減小工作面一次揭露空巷面積。

4) 過空巷前，在二水平煤柱回收綜采工作面軌道巷內(nèi)，IX1227巷向外10～15 m備用2×5.5 kW風(fēng)機(jī)2臺及配套設(shè)施，600 mm風(fēng)筒不少于100 m(配套褲衩)。

3.3 過風(fēng)橋超高段期間技術(shù)要求

1) 合理控制工作面推進(jìn)速度，保持平行推進(jìn)或機(jī)頭慢機(jī)尾快地快速推進(jìn)，以減少風(fēng)橋揭露面積和時(shí)間。

2) 在風(fēng)橋揭露位置及巷道風(fēng)橋位置掛警戒帶攔人，防止無關(guān)人員進(jìn)入。

3) 割煤時(shí)，嚴(yán)禁有人進(jìn)入風(fēng)橋作業(yè)，揭露位置前后10 m范圍內(nèi)不得進(jìn)入煤幫側(cè)作業(yè)，采煤機(jī)停機(jī)位置避開上述區(qū)域。如必須進(jìn)入煤幫作業(yè)的，必須在工作面支柱背幫后進(jìn)入。

4) 采煤機(jī)割透風(fēng)橋時(shí)，及時(shí)拉架將風(fēng)橋內(nèi)支設(shè)的棚梁用支架頂梁端住，然后一次性回取影響一次循環(huán)機(jī)組通過的單體柱，必要時(shí)可拉超前架端板梁棚。

5) 工作面停產(chǎn)期間，由于片幫造成風(fēng)橋內(nèi)板梁棚梁頭與工作面支架頂梁空頂距離在0.6 m以下時(shí)，不需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，距離超過0.6 m時(shí)拉超前架保證空頂距離，拉架后仍超過0.6 m時(shí)，在支架頂梁前支設(shè)單體柱維護(hù)頂板，單體柱支設(shè)在板梁梁頭與支架正中處，每架支設(shè)兩根單體柱，柱距0.75 m。

6) 過風(fēng)橋時(shí)，如支架端無腿棚后支架無法升緊時(shí)，必須在無腿棚上進(jìn)行勾頂，風(fēng)橋內(nèi)頂板出現(xiàn)破碎、離層、垮落造成支架不接頂時(shí)，必須在支架上勾頂保證支架接頂。

7) 工作面過風(fēng)橋時(shí)，要在風(fēng)橋進(jìn)風(fēng)側(cè)搭設(shè)風(fēng)障進(jìn)行控風(fēng)，避免工作面風(fēng)流短路。

8) 過IX1316回風(fēng)橫川時(shí)，待工作面將風(fēng)橋割透，造成IX1316回風(fēng)橫川巷道堵塞，風(fēng)量不足時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)，延伸風(fēng)筒至距工作面不大于10 m處，對IX1316回風(fēng)橫川進(jìn)行供風(fēng)，并在風(fēng)筒出口前方設(shè)置柵欄，防止人員進(jìn)入，防止割煤時(shí)頂板垮落造成IX1316回風(fēng)橫川無風(fēng)微風(fēng)導(dǎo)致通風(fēng)瓦斯事故。

9) 風(fēng)橋開啟后，現(xiàn)場三員進(jìn)入風(fēng)橋內(nèi)檢查支護(hù)、通風(fēng)、積水等情況，有異常及時(shí)處理，處理后方可繼續(xù)作業(yè)。

10) 過風(fēng)橋期間，工作面割煤作業(yè)時(shí)，要加強(qiáng)頂幫觀察，機(jī)組司機(jī)遠(yuǎn)距離操作，對出現(xiàn)片幫預(yù)兆時(shí)，人員及時(shí)躲避，防止片幫傷人。

11) 過風(fēng)橋期間，空巷范圍內(nèi)的支柱要一次回取影響一個(gè)循環(huán)進(jìn)度割煤的柱，盡量避免頻繁進(jìn)入風(fēng)橋內(nèi)作業(yè)。

3.4 過風(fēng)橋平巷段期間技術(shù)要求

1) 過風(fēng)橋平巷段期間，所有液壓支架保證完好，嚴(yán)密接頂，初撐力達(dá)到額定值。

2) 工作面要保證快速推進(jìn)，減少在空巷下的停留時(shí)間，以免空頂大、時(shí)間長、造成漏頂事故。

3) 嚴(yán)密監(jiān)視老頂來壓，如支架不接頂，應(yīng)及時(shí)剎頂，防止漏頂事故發(fā)生。

4) 機(jī)組司機(jī)嚴(yán)格控制采高，嚴(yán)禁留頂煤開采，避免支架接頂困難。

5) 在拉架作業(yè)時(shí)，適當(dāng)?shù)販p少工作面支架降架量，緊貼頂板進(jìn)行帶壓拉架，最大限度降低拉架過程對頂板的破壞。

6) 做好礦壓觀測，了解來壓規(guī)律，對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4 結(jié) 語

由于二水平煤柱回收綜采工作面總體長度較長，風(fēng)橋較多，影響推進(jìn)范圍大，過風(fēng)橋期間遇到諸多不利因素，在采取一系列措施后最終順利通過風(fēng)橋，在對推進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，對以后出現(xiàn)類似過風(fēng)橋時(shí)提出以下建議：

1) 在揭露風(fēng)橋之前，要對工作面和風(fēng)橋內(nèi)的頂、底板高程計(jì)算準(zhǔn)確，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對過風(fēng)橋困難區(qū)段實(shí)施重點(diǎn)管理和調(diào)整。機(jī)組要根據(jù)風(fēng)橋情況合理調(diào)整采高，在風(fēng)橋內(nèi)將工作面底板調(diào)平。

2) 根據(jù)生產(chǎn)和地質(zhì)條件需要，在過風(fēng)橋期間要保證推進(jìn)的連續(xù)性，強(qiáng)化支護(hù)管理，減少空頂不利因素影響。

3) 在需對風(fēng)橋內(nèi)制作人工假頂時(shí)，要對高冒區(qū)巖性充分了解，根據(jù)頂板巖性及煤層裂隙發(fā)育情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案，保證人工假頂達(dá)到足夠的支護(hù)強(qiáng)度。