綜采放頂煤工作面常見問(wèn)題及處理方法

姬 東，汪萬(wàn)里，崔 風(fēng)，白振華

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦，陜西 韓城 715405)

0 引言

煤礦采煤工藝的機(jī)械化是當(dāng)今煤礦開采的主流發(fā)展趨勢(shì)，綜采放頂煤開采作為一項(xiàng)綜合性的采煤技術(shù)，已經(jīng)得到很好地利用，特別是在一些厚煤層的適宜條件下[1-3]。下峪口煤礦應(yīng)用綜采放頂煤技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，通過(guò)幾個(gè)綜放工作面的成功回采已取得一定經(jīng)驗(yàn)。但是受開采地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層賦存條件差等因素的影響，工作面在回采過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)煤壁片幫、漏頂、支架歪斜、倒架、瓦斯?jié)舛却蟮纫幌盗袉?wèn)題，嚴(yán)重影響工作面的正常回采和安全生產(chǎn)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)常見問(wèn)題的深入分析，制定了相應(yīng)的安全技術(shù)措施及處理辦法，確保了工作面的順利回采。為此，針對(duì)極其復(fù)雜地質(zhì)和煤與瓦斯突出礦井中綜采放頂煤過(guò)程遇到的常見問(wèn)題進(jìn)行分析并對(duì)處理辦法作以歸納梳理。

1 下峪口煤礦放頂煤開采概況

1.1 工作面概況

下峪口煤礦3號(hào)煤層厚3.0～6.0 m，平均厚度為4.7 m左右，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上部為粉末狀或黃土狀，透氣性差，下部為碎塊狀或粉末狀，煤層中局部含有一層0.1～0.2 m的泥巖夾矸，煤層變異系數(shù)γ=0.97。其中3號(hào)煤進(jìn)風(fēng)順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道采用錨網(wǎng)索梁進(jìn)行支護(hù)，斷面凈寬4 600 mm，凈高3 000 mm。進(jìn)風(fēng)順槽用于進(jìn)風(fēng)、行人及煤炭運(yùn)輸?；仫L(fēng)順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道采用錨網(wǎng)索梁進(jìn)行支護(hù)，矩形斷面凈寬4 200 mm，凈高3 000 mm，回風(fēng)順槽用于回風(fēng)、行人、物料運(yùn)輸。工作面頂板采用ZF4000/14/28型液壓支架和ZFG4800/19/30型端頭液壓支架支護(hù)，支架最大支撐高度2.8 m，最小支撐高度1.4 m。工作面長(zhǎng)度一般布置在150 m，采高2.0 m，頂煤厚度2.7 m，采放比為1∶1.35，回采率93%。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式俯斜開采，綜合機(jī)械化放頂煤采煤，每割一刀煤，放一次頂煤，實(shí)行“一采一放”作業(yè)方式，全部垮落法管理頂板。目前已經(jīng)成功的采面有23304工作面、21326采面、21312采面、21316采面等多個(gè)采面，為礦井放頂煤開采積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。

1.2 放頂煤的工藝流程

綜放工作面采用端部斜切進(jìn)刀單向割煤，落煤采用雙滾筒采煤機(jī)雙向割煤，前滾筒割上部煤，后滾筒割下部煤，落煤通過(guò)前部刮板輸送機(jī)運(yùn)出，余煤在推溜過(guò)程中由鏟煤板鏟入工作面前部刮板輸送機(jī)，頂煤在礦山壓力的作用下，沿支架切頂線破碎冒落，并通過(guò)支架尾梁放煤口自溜自裝放入后部刮板運(yùn)輸機(jī)。端頭維護(hù)→機(jī)電檢修→煤層注水→收護(hù)幫板、割煤→前探支護(hù)、打開護(hù)幫板→推前部輸送機(jī)→收伸縮梁、移架(不拉后部輸送機(jī))→放頂煤→拉后部輸送機(jī)，完成上述采放全部工序?yàn)橐粋€(gè)放頂采煤工藝循環(huán)。

1.3 放頂煤的工藝特點(diǎn)

放頂煤開采是下峪口煤礦推廣使用的一種新采煤方法，適于5～20 m厚的煤層一次全高開采。這種新采煤方法只在下部煤層中布置采煤工作面，上部的煤從支架上的放煤口放出。放頂煤開采一次性將煤采出，替代了原來(lái)厚煤層需分層多次開采，實(shí)現(xiàn)了一次性采出中厚煤層的目的。放頂煤開采具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)效益上有著巨大的優(yōu)勢(shì)，使采煤方法產(chǎn)生了根本性的變革。但是，放頂煤開采新技術(shù)對(duì)工作面采場(chǎng)圍巖的破壞范圍大，回采率低，瓦斯涌出量加大，針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域容易出現(xiàn)自然發(fā)火嚴(yán)重、煤塵超標(biāo)等技術(shù)和安全問(wèn)題。針對(duì)煤層賦存條件，實(shí)施上述相應(yīng)的技術(shù)，一般可在原頂煤放出率的基礎(chǔ)上，再提高5%～10%，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2 放頂煤開采常見問(wèn)題

2.1 煤壁片幫、漏頂現(xiàn)象比較嚴(yán)重

放頂煤工作面由于煤層厚度相對(duì)較厚，煤機(jī)割煤后由于煤質(zhì)松軟，煤壁容易發(fā)生片幫，造成端面距過(guò)大，頂煤冒落，導(dǎo)致漏頂現(xiàn)象發(fā)生[4-6]。煤壁片幫、漏頂主要是因?yàn)槊嘿|(zhì)松軟易自然垮落、煤機(jī)割煤后沒(méi)能及時(shí)打開護(hù)幫板支護(hù)煤壁；此外，支架下扎初期頂煤較薄不易托住，拉架時(shí)頂煤自然冒落；采高超高，支架接頂不實(shí)也會(huì)引起煤壁片幫、漏頂。

2.2 支架倒架現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生

采煤工作面發(fā)生倒架，主要是由于支架頂?shù)捉佑|不實(shí)，受力不平衡，相鄰支架不能相互制約造成的[7-9]。采高超高易造成局部頂煤片幫，移架時(shí)未帶壓貼頂移架容易引起倒架；采煤機(jī)割煤過(guò)后，未及時(shí)拉架支護(hù)而引起漏頂?shù)辜?；操作后手把未及時(shí)回到零位，支架繼續(xù)升高、下降、移動(dòng)，導(dǎo)致支架上下重疊交錯(cuò)[10-12]。過(guò)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域、斷層、頂板破碎帶時(shí)，局部頂?shù)装宀黄秸醇皶r(shí)用圓木接頂，部分支架輕微歪斜，個(gè)別的支架未及時(shí)調(diào)架或不按規(guī)定的程序作業(yè)，而引起歪斜倒架。煤質(zhì)松軟，大面積片幫造成大面積漏頂；空頂時(shí)開采進(jìn)度慢，大面積頂板長(zhǎng)時(shí)間暴露，剎頂不及時(shí)而引起漏頂?shù)辜堋?/p>

2.3 絕對(duì)瓦斯涌出量不斷增加

在一般情況下，厚煤層的放頂煤開采沿煤層的底板或煤層某一厚度范圍內(nèi)的底部布置一個(gè)采高為2～3 m的采煤工作面。下峪口煤礦屬于高瓦斯礦井，煤層中瓦斯含量較高，雖然在開采前會(huì)在煤層中打鉆對(duì)本煤層瓦斯進(jìn)行抽放，但由于煤層煤質(zhì)松軟，煤體破碎，煤體中吸附的瓦斯含量較高，本煤層瓦斯抽放效果不足以徹底解決瓦斯問(wèn)題。因此，在回采過(guò)程中煤體破碎后，煤體中的瓦斯釋放后容易引起回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛仍黾?，且頂板垮落不充分，易形成懸頂，?dǎo)致采空區(qū)瓦斯積聚，如果不及時(shí)采取措施則會(huì)造成上隅角瓦斯超1.0%，瓦斯電閉鎖啟動(dòng)對(duì)正產(chǎn)回采造成影響。

2.4 采出率不高和含矸率的增加

一般情況下，設(shè)備條件限制引起的綜采放頂煤工作面的煤炭損失大約會(huì)占到10%～20%；放煤工藝造成的損失大約會(huì)占到損失量的一半以上。工作面的設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)受限引起的損失大約會(huì)占到20%左右，比如放頂煤放煤步距與采用支架放煤口的尺寸不匹配，會(huì)在一定程度上造成一部分頂煤的損失。綜采放頂煤工作面上下兩端頭支架不能夠放煤，在一定程度上也會(huì)造成頂煤損失。

3 解決綜采放頂煤?jiǎn)栴}的相關(guān)對(duì)策

針對(duì)下峪口煤礦斷層多、地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層傾角大等諸多因素的影響，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析、研究，根據(jù)實(shí)際情況制定出了一系列切實(shí)可行的方案。

3.1 煤壁片幫、漏頂?shù)目刂拼胧?/h3>

3.1.1 防治思路

工作面煤壁發(fā)生片幫、漏頂時(shí)，要立即停止作業(yè)，采取措施處理。當(dāng)工作面發(fā)生大面積片幫引發(fā)漏頂現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)采用圓木配合板皮剎頂，確保支架接實(shí)頂板。為了增加松軟煤體的粘結(jié)性，每天零點(diǎn)班采用煤層注水濕潤(rùn)煤體。放頂煤工作面煤機(jī)割煤后應(yīng)該及時(shí)打開護(hù)幫板支護(hù)煤壁，增加煤壁支護(hù)面積。支架下扎初期，可采取人工開幫小循環(huán)下扎，能有效控制頂煤。放頂煤工作面回采期間一定要嚴(yán)格控制工作面采高，不能超過(guò)支架的最大支撐高度。

3.1.2 帶壓移架

超前移架：當(dāng)發(fā)現(xiàn)片幫或頂板破碎嚴(yán)重時(shí)，不等采煤機(jī)割煤，就進(jìn)行超前移架，再進(jìn)行其它操作。破碎地段能超前移架的必須超前移架，不能超前移架的，移架緊跟采煤機(jī)前滾筒進(jìn)行，割一架移一架。支架嚴(yán)禁超高，采取一定的措施保證支架達(dá)到規(guī)定初撐力，控制支撐壓力進(jìn)一步往煤壁前方移動(dòng)。

帶壓擦頂移架：首先將支架拉移手把打到拉移位置，一、二級(jí)護(hù)幫板收到垂直位置，然后操作降架手把進(jìn)行降架，當(dāng)支架向前移動(dòng)時(shí)，立刻將降架手把恢復(fù)“零”位，使支架拉移到位。

護(hù)幫降架移架：首先將護(hù)幫板，支架前梁伸出，支護(hù)住面前煤幫，然后降架，使支架頂梁與前梁處于水平位置時(shí)，拉移支架，當(dāng)出現(xiàn)支架底座移動(dòng)，頂梁不動(dòng)時(shí)，緩慢操作前梁插板收，使支架拉移到位，升架使支架立柱壓力達(dá)到24 MPa時(shí)停止升架。

3.1.3 煤體注水

通過(guò)每個(gè)圓班進(jìn)行一次煤層注水，煤體濕潤(rùn)后，割煤時(shí)可有效控制煤塵，注水也可增加煤的粘結(jié)性和抗壓性，回采期間能有效控制頂煤。布置方式分淺孔和深孔2種。工作面煤層淺孔注水時(shí)，注水孔采用三花眼布置，第1排孔距底板1.2 m，垂直煤墻布置，孔深6 m，孔間距6 m；第2排孔距底板1.7 m，仰角45°，孔深6 m，孔間距6 m，工作面長(zhǎng)160 m，每次共施工52個(gè)注水孔。超前工作面30 m在進(jìn)、回順槽內(nèi)深孔注水，注水孔利用順槽正幫的抽放孔進(jìn)行注水(不再另行打眼)，注水時(shí)，靠近正在抽放的抽放孔5 m不進(jìn)行注水，用黃泥、棉紗等將閑置的抽放孔孔口封閉嚴(yán)實(shí)。工作面采用MRBZ-200/31.5注水泵(單獨(dú)配備2泵1箱)進(jìn)行注水，采用ZSQJ90/2.4手持式氣動(dòng)鉆機(jī)打眼，釬頭直徑φ43 mm，釬桿采用φ42 mm×1 000 mm的麻花釬桿，注水時(shí)，截止閥與封孔器間采用φ10 mm×2 mm×10 mm總成管連接。封孔器直徑φ38 mm，長(zhǎng)度1.5 m，封孔器加1.0 m長(zhǎng)焊管，確保注水效果。

3.1.4 限制采高

嚴(yán)格控制采高在2.0 m±50 mm，嚴(yán)禁超高回采。加強(qiáng)工作面工程質(zhì)量驗(yàn)收管理工作，必須保證工作面基本支護(hù)齊全有效。工作面煤機(jī)割煤后應(yīng)該及時(shí)打開護(hù)幫板支護(hù)煤壁，增加煤壁支護(hù)面積，防止片幫。

3.1.5 木垛剎背接頂

當(dāng)中支架下扎初期，可采取人工開幫小循環(huán)下扎，能有效控制頂煤。當(dāng)工作面發(fā)生支架梁端冒頂時(shí)，先加固好周圍15 m范圍內(nèi)的支護(hù)，然后由外向里由兩邊向中間，用2.4 m圓木架設(shè)“#”字型木垛、鉸接梁配合單體支柱架設(shè)抬棚或懸臂梁，由外向里逐架進(jìn)行處理，懸臂梁架設(shè)時(shí)，同一地點(diǎn)不得少于2架，架設(shè)牢固可靠。

3.2 發(fā)生倒架的控制措施

工作面一旦發(fā)生倒架現(xiàn)象，支架工要及時(shí)調(diào)架。如情況比較嚴(yán)重時(shí)，要制定安全措施，集中力量處理，防止問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.2.1 扶架方法

拉頂梁扶正：在倒架上方調(diào)出空間，用單體支護(hù)支撐頂梁向上扶正。

邊拉邊扶正：對(duì)倒架嚴(yán)重，頂板破碎段煤巖壓住頂梁的，原地扶架困難時(shí)，可開幫拉架，采取邊拉架邊扶正的辦法扶架。

3.2.2 扶架注意事項(xiàng)

工作面一旦發(fā)生大面積倒架時(shí)，扶架前一定要維護(hù)好頂幫，尤其是支架前方和上方頂板。破碎頂板段要?jiǎng)x嚴(yán)、剎頂，必要時(shí)人工開幫用金屬網(wǎng)配合圓木、單體鋪設(shè)人工假頂。一般按從上到下的順序依次扶正。每扶好一架須背好頂墊好底，將支架升緊接實(shí)頂板。

3.3 回采過(guò)程中瓦斯防治措施

針對(duì)回采落煤過(guò)程中煤體中的瓦斯大量釋放后容易引起回風(fēng)上隅角瓦斯超限的問(wèn)題，除了采取常規(guī)的機(jī)尾超前機(jī)頭(不少于5 m)擺采方式外，超前退錨桿、錨索，還采用深孔預(yù)裂、端頭封堵，預(yù)埋抽放管抽瓦斯，施工釋放孔等多種舉措，保證了正?；夭芍械耐咚构芾怼?/p>

3.3.1 深孔預(yù)裂

預(yù)裂孔布置在工作面煤壁向運(yùn)順的延伸線上，深孔預(yù)裂爆破必須在煤壁延伸線上執(zhí)行，預(yù)裂孔孔深6 000 mm，孔間距500 mm，每班施工5個(gè)預(yù)裂孔，預(yù)裂孔與頂板夾角80°，眼底朝老塘側(cè)，水平夾角70°～80°；隨著工作面的推進(jìn)，提前采用退錨器和錨桿剪切器將工作面溜子機(jī)頭至切頂線范圍的錨索、錨桿托板盡可能退掉，保證落頂效果。

3.3.2 端頭封堵

回采期間，工作面老塘瓦斯涌出量大及兩順槽端頭頂板不垮落或垮落不充分，且懸頂深度達(dá)3 m(10 m2)以上時(shí)，在工作面兩端頭機(jī)頭支架與老塘側(cè)頂板冒落不實(shí)時(shí)，用尼龍袋裝浮煤壘墻(每袋裝2/3左右)，由下向上依次壘起直至頂板進(jìn)行封堵，并用黃泥將縫隙充填嚴(yán)實(shí)。每生產(chǎn)班回采前，進(jìn)行封堵一次。

3.3.3 預(yù)埋抽放管抽瓦斯

每次封堵前，將安裝在副幫伸入采空區(qū)的第1節(jié)φ400 mm的抽放管掐開，運(yùn)至回順距工作面100 m以外寬敞處待回收。然后在抽放管頭接上短接，將抽放管延至采空區(qū)。

3.3.4 施工釋放孔

制定釋放孔的施工標(biāo)準(zhǔn)，即在距底板1 m的高度垂直煤壁開孔，孔深為2.5 m，孔間距為1.5 m。釋放孔按措施執(zhí)行到位后，煤體中的瓦斯經(jīng)過(guò)8 h的釋放，有效緩解了回采過(guò)程中回風(fēng)順槽上隅角瓦斯超限的問(wèn)題以及瓦斯電閉鎖對(duì)回采工作造成的影響。

3.4 提高采出率、降低含矸率

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇一個(gè)合理的放煤步距，頂煤回收率能提高10%～15%，含矸率降低20%～30%，且放煤步距與頂煤冒落步距協(xié)調(diào)一致，頂煤回收率才能達(dá)到最高。提高工作面的采出率、降低含矸率可以從以下幾個(gè)方面入手。

3.4.1 支架的選型

正確掌握好液壓支架放煤口位置與頂煤采出率的關(guān)系非常重要。放頂煤液壓支架放煤口位置分高、中、低位3種，高、中位放頂煤液壓支架，由于放煤口位置高，低于放煤口底部邊緣的煤放不出來(lái)，頂煤回收率低。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，低位放頂煤液壓支架是頂煤采出率最高的架型，其特點(diǎn)是放煤口位置低，放煤能連續(xù)進(jìn)行，放煤口大、不易堵塞，放煤效果好，支架的尾梁可擺動(dòng)，插板可切大塊度煤。

3.4.2 放煤步距

放煤步距是影響放煤效果的重要參數(shù)，約60%以上的煤由支架放煤口放出。如果放煤步距太大，在采空區(qū)側(cè)留有三角煤放不出來(lái)，造成大量丟煤；放煤步距太小，靠近采空區(qū)方向的矸石到達(dá)放煤口時(shí)，頂部的煤來(lái)不及到達(dá)放煤口，按見矸關(guān)門的原則，這部分煤將被關(guān)在放煤口以外而丟失，如不關(guān)放煤口，大量采空區(qū)矸石會(huì)涌入工作面。

3.4.3 放煤頻率

工作面采取低位放頂煤，由專人依次分別放單號(hào)、雙號(hào)支架頂煤。其中一人操作單數(shù)支架(5、7、9、…)放煤，另一人操作雙數(shù)支架(4、6、8、…)放煤，直至見矸(端頭支架不放頂煤)，工作面兩端頭過(guò)渡支架支護(hù)段嚴(yán)禁放頂煤。放煤時(shí)要控制好放煤速度，全工作面同時(shí)打開的放煤口最多不得超過(guò)2個(gè)，以防壓死運(yùn)輸機(jī)，放煤時(shí)見矸立即封口，嚴(yán)禁放出矸石。保證大塊矸石(直徑≥250 mm)不上溜，確保煤質(zhì)符合要求。

3.4.4 放頂煤開采厚度

按照礦井支架選型，工作面采高控制在2.0 m，頂煤厚度2.7 m，采放比為1∶1.35。煤質(zhì)中硬時(shí)最大頂煤厚度不超過(guò)6.0 m為宜。當(dāng)采煤機(jī)截割高度2 m時(shí)，采放比為1∶1.35左右為宜。

3.4.5 放煤工藝

放煤工藝與煤層厚度、放煤步距、支架放煤口高度有密切關(guān)系。煤層厚度大、支架放煤口高度小、放煤步距也小時(shí)，無(wú)論是單輪或雙輪放煤，其放煤流動(dòng)不暢，在采空區(qū)造成大量丟煤。因此，在采放比、放煤步距、支架選型等合理的條件下，正確選擇放煤工藝，可大大提高頂煤回收率。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層傾角大等諸多因素對(duì)回采過(guò)程中的影響，闡述了如何處理綜采放頂煤工作面頂板結(jié)構(gòu)與支架圍巖關(guān)系，以及如何提高煤炭回收率、加快推進(jìn)速度、提高煤炭產(chǎn)量等，以此達(dá)到提高煤礦開采效率的目的。目前綜采放頂煤方法依舊存在很多問(wèn)題需要共同去探索和解決，為了保持有十足的后勁和良好的發(fā)展勢(shì)頭，后期可以采用引進(jìn)超前的擋矸支架、留頂煤安裝等一系列舉措，進(jìn)一步發(fā)展礦井的綜采放頂煤技術(shù)，同時(shí)為地質(zhì)條件相似的煤與瓦斯突出生產(chǎn)礦井今后的放頂煤開采積累和提供一些參考和幫助。