薄-中厚煤層智能化綜采保障技術(shù)與裝備

高喜才， 馬騰飛， 王琪， 劉帥， 張錫琛，范凱， 唐建強(qiáng)， 胡彬

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638020；4.四川華鎣山廣能(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 廣安 638027)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)主采煤層以薄-中厚煤層為主，煤層厚度變化大、走向斷層發(fā)育、頂板破碎，存在開(kāi)采機(jī)械化程度低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題[1-4]。近年來(lái)，智能化綜采技術(shù)與裝備發(fā)展迅速[5-9]。范京道等[10]針對(duì)陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦薄煤層，設(shè)計(jì)了智能化無(wú)人開(kāi)采工作面系統(tǒng)集成配套方案，優(yōu)化了工作面智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工作面和巷道內(nèi)成套裝備智能化協(xié)同控制和采煤全過(guò)程自動(dòng)化無(wú)人生產(chǎn)。鄧濤等[11]通過(guò)監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)綜采工作面“三機(jī)”設(shè)備間聯(lián)動(dòng)控制，提出了一套薄煤層綜采遠(yuǎn)程可視化智能無(wú)人工作面開(kāi)采技術(shù)。王國(guó)法等[12]研制了薄煤層綜采機(jī)組、高強(qiáng)度支架、薄煤層三維多源信息可視化操控系統(tǒng)等配套裝備，形成薄煤層智能化無(wú)人開(kāi)采模式。目前，我國(guó)已建成490余個(gè)智能化綜采工作面，初步實(shí)現(xiàn)了相對(duì)簡(jiǎn)單地質(zhì)條件下遠(yuǎn)程自動(dòng)控制為主、人工干預(yù)為輔的智能化開(kāi)采模式[13-14]。然而，由于煤層賦存與開(kāi)采條件的多樣性和復(fù)雜性，自動(dòng)化工作面常態(tài)化運(yùn)行無(wú)法保障，復(fù)雜地質(zhì)條件下薄-中厚煤層智能化裝備適應(yīng)性、“三機(jī)”協(xié)同精準(zhǔn)控制、割煤工藝自動(dòng)化等方面仍需深入研究。本文以四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司龍灘煤礦為背景，提出了薄-中厚煤層智能化綜采保障技術(shù)與裝備，可為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件薄-中厚煤層綜采工作面安全高效開(kāi)采提供支撐。

1 工程概況

龍灘煤礦主采K1煤層，平均埋深為450～470 m，純煤厚度為1.0～2.27 m，平均厚度為1.5 m，傾角為3～7°，堅(jiān)固性系數(shù)為0.38～0.51，屬薄-中厚煤層且局部起伏變化大，頂板多以砂質(zhì)泥巖和砂巖為主，局部斷層發(fā)育，給工作面安全生產(chǎn)和巷道穩(wěn)定性帶來(lái)較大影響。

1.1 復(fù)合破碎頂板特征

K1煤層頂板巖層組合變化大，存在不同厚度呈無(wú)規(guī)律交錯(cuò)分布的砂巖和砂質(zhì)泥巖，煤層頂板復(fù)合、破碎特征明顯。頂板巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 頂板巖層柱狀圖

淺部巖層以砂巖及砂質(zhì)泥巖為主，0～0.62 m范圍內(nèi)砂巖完整性較好，0.63～1.18 m范圍內(nèi)砂巖及砂質(zhì)泥巖均較為破碎，1.19～1.23 m處存在砂質(zhì)泥巖夾層；中部砂巖層完整性一般，存在多處破碎區(qū)域。

1.2 工作面走向斷層發(fā)育

3124S綜采工作面位于312采區(qū)南翼，工作面運(yùn)輸巷范圍內(nèi)發(fā)育1組斷裂構(gòu)造，分別為3124SJ-1正斷層和3124SJ-2逆斷層，如圖2所示。其中3124SJ-1正斷層地層斷距為0.2～2.3 m，傾角為30～80°，傾向?yàn)?75～285°，斷層上下盤(pán)50 m范圍內(nèi)煤層破壞嚴(yán)重，斷層周圍頂板較為破碎，回采時(shí)易冒落。

圖2 工作面位置

2 斷層帶破碎頂板加固及沿空留巷耦合支護(hù)技術(shù)

2.1 斷層帶破碎頂板加固技術(shù)

針對(duì)3124S綜采工作面走向斷層切割工作面情況，在斷層上下盤(pán)破碎頂板實(shí)施注漿加固，鉆孔布置如圖3所示。注漿漿液選用水泥-水玻璃混合漿液，注漿壓力為4 MPa，擴(kuò)散半徑為10 m，封孔長(zhǎng)度取鉆孔長(zhǎng)度1/3，間隔20 m沿工作面傾向施工1組鉆孔，對(duì)斷層帶上下5 m范圍頂板進(jìn)行注漿，有效防止回采過(guò)程中發(fā)生煤壁片幫及頂板冒落。同時(shí)對(duì)過(guò)斷層帶巷道進(jìn)行挑頂改造，保證工作面平直度，改造后斷面及支護(hù)方式不變，挑頂后矸石回填底板，用水泥灌注硬化，降低工作面回采過(guò)程中綜采裝備推移困難度。

圖3 斷層帶頂板注漿鉆孔布置

2.2 沿空留巷耦合支護(hù)技術(shù)

針對(duì)3124S綜采工作面沿空留巷頂板易破碎、下沉量大等特點(diǎn)，將巷道圍巖變形區(qū)域分為原始風(fēng)巷支護(hù)區(qū)、超前爆破影響區(qū)、滯后留巷區(qū)、永久成巷區(qū)，提出了沿空留巷耦合支護(hù)技術(shù)，主要工藝參數(shù)如下：

(1)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。原始風(fēng)巷支護(hù)區(qū)采用的錨桿直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2 200 mm、間距為800 mm，錨索直徑為15.24 mm、長(zhǎng)度為7 500 mm、間距為1 600 mm。

(2)超前加固。超前爆破影響區(qū)采用錨索+14號(hào)槽鋼+W型鋼帶+單體支柱(DW35-250/100X)組成“一梁三柱”的超前加固支護(hù)結(jié)構(gòu)，施工單排長(zhǎng)度為9 200 mm的加強(qiáng)支護(hù)長(zhǎng)錨索，間距為1 600 mm。

(3)爆破切頂。沿巷道走向布置切頂預(yù)裂爆破孔，孔間距為500 mm，直徑為50 mm，孔深為9 m，切頂角度為15°。

(4)立柱掛網(wǎng)擋矸。滯后留巷區(qū)沿巷道走向布置立柱+鋼筋網(wǎng)+金屬網(wǎng)+戧柱進(jìn)行擋矸，立柱間距為800 mm，與采空區(qū)緊貼，8號(hào)鋼筋網(wǎng)懸掛于立柱上，間隔4 m布置戧柱，防止立柱倒滑，加強(qiáng)支護(hù)效果。

(5)滯后噴漿加固。對(duì)巷道采空區(qū)側(cè)進(jìn)行噴漿密閉，噴射混凝土標(biāo)號(hào)為C20，噴射砼厚度不得少于50 mm且必須保證遮蓋住錨桿托盤(pán)、塑鋼網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)等，保證復(fù)噴后采空區(qū)不漏風(fēng)、無(wú)空洞、墻體平整。

(6)收尾砌墻。永久成巷區(qū)著重加強(qiáng)碎石幫的整體強(qiáng)度和密閉性，收尾段采用0.5 m×0.15 m×0.2 m(長(zhǎng)×寬×高)的塊磚砌墻，墻體厚度為1.0 m，墻高以能夠接頂嚴(yán)實(shí)為準(zhǔn)，墻體采用灰漿對(duì)砌塊之間進(jìn)行勾縫，確保墻體的密封性。

3 破碎頂板橫向自移式超前支架組

從破碎頂板巷道圍巖控制和超前支架快速推進(jìn)角度出發(fā)[15]，設(shè)計(jì)了由8架1組的A型ZTHC2400/15/29.5D超前支架與2架1組的B型ZTHJ3600/15/30D端頭支架組成的橫向自移式超前支架組，布置如圖4所示。

圖4 橫向自移式超前支架組布置

A型超前支架的頂梁、底座均為整體箱型，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、接頂面積大，能夠適應(yīng)巷道破碎頂板、煤層傾向起伏變化。A型超前支架之間留空布置，收回狀態(tài)時(shí)留空800 mm，拉開(kāi)狀態(tài)時(shí)留空1 600 mm，如圖5所示。A型超前支架開(kāi)始時(shí)為拉開(kāi)狀態(tài)，隨工作面推進(jìn)從后至前各架逐個(gè)收回，留空800 mm步距，交替推移減少頂板反復(fù)支撐次數(shù)。

(a)拉開(kāi)狀態(tài)

橫向自移式超前支架組通過(guò)設(shè)置前后雙推移、底座雙千斤頂、可伸縮行人裝置，可實(shí)現(xiàn)工作面端頭頂板支護(hù)與超前支架快速推進(jìn)的協(xié)調(diào)配合，并配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集控中心對(duì)支架的遠(yuǎn)程控制和人工干預(yù)，大幅降低工人數(shù)量及勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 薄-中厚煤層智能化綜采成套裝備與割煤工藝

4.1 薄-中厚煤層智能化綜采工作面成套裝備

針對(duì)3124S綜采工作面煤層厚度變化大、局部存在走向斷層切割等地質(zhì)條件，提出了薄-中厚煤層智能化綜采工作面成套裝備。

(1)采用MG320/710-WD3型采煤機(jī)，采煤機(jī)為多電動(dòng)機(jī)橫向布置結(jié)構(gòu)，牽引方式為銷軌式無(wú)鏈牽引，配置φ1 250 mm×800 mm滾筒，采高為1.2～2.5 m，機(jī)頭臥底量約為132 mm，機(jī)尾臥底量約為83 mm，中部最大臥底量約為250 mm。通過(guò)降低機(jī)面高度，增加過(guò)煤空間，提高采煤機(jī)適應(yīng)性與穩(wěn)定性。

(2)液壓支架為ZY4000/12/25D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，采用電液控制，供液壓力為31.5 MPa，液壓支架中心距為1 750 mm，頂梁和掩護(hù)梁設(shè)單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，雙伸縮立柱帶保護(hù)套，通過(guò)支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)液壓支架遠(yuǎn)程控制。

(3)根據(jù)采煤機(jī)割煤能力和工作面參數(shù)確定刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ764/2×315，機(jī)頭鏈輪中心高度為550 mm，機(jī)尾鏈輪中心高度為660 mm，銷軌節(jié)距為126 mm，鏈條采用D級(jí)φ30 mm×108 mm圓環(huán)鏈，鏈條破斷負(fù)荷≥1 410 kN。

工作面運(yùn)輸巷側(cè)“三機(jī)”布置如圖6所示。當(dāng)工作面兩端采高小于巷道高度時(shí)，采用墊架支撐采煤機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾；將刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾超出煤壁長(zhǎng)度控制在800 mm，保證臥底量達(dá)97 mm，以及時(shí)清理浮煤；刮板輸送機(jī)機(jī)頭增設(shè)平行于底板的拖架，通過(guò)過(guò)渡支架輔助推移裝置直接整體推移刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾，解決采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)互相干涉難題。

圖6 工作面運(yùn)輸巷側(cè)“三機(jī)”布置

4.2 斷層帶主動(dòng)預(yù)防性智能割煤工藝

根據(jù)3124S綜采工作面走向斷層延伸產(chǎn)狀，結(jié)合工作面頂板壓力、傾角,液壓支架姿態(tài),采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等，在采煤機(jī)記憶割煤基礎(chǔ)上，提出了斷層帶主動(dòng)預(yù)防性智能割煤工藝，包括端部割三角煤跟機(jī)段工序(圖7)和中部斜切進(jìn)刀跟機(jī)段工序(圖8)，利用半截深、分次截割方式，可大幅提高斷層帶條件下采煤機(jī)安全割煤速度。

圖7 端部割三角煤跟機(jī)段工序

圖8 中部斜切進(jìn)刀跟機(jī)段工序

3124S綜采工作面中間支架有113架，面對(duì)煤壁，左側(cè)為運(yùn)輸巷，右側(cè)為回風(fēng)巷。工序1：左行割煤至工作面端頭，割透煤壁，支架滯后采煤機(jī)后滾筒跟機(jī)移架，不推刮板輸送機(jī)。工序2：右行掃底，清理底煤。工序3：左行清理浮煤。工序4：右行返刀，采煤機(jī)運(yùn)行至5號(hào)支架時(shí)，觸發(fā)1號(hào)支架向9號(hào)支架順序移架；采煤機(jī)運(yùn)行至20號(hào)支架時(shí)，1號(hào)支架向17號(hào)支架順序推刮板輸送機(jī)，推出蛇形段，推刮板輸送機(jī)行程為0.45 m。工序5：左行向端頭割三角煤斜切進(jìn)刀，采煤機(jī)運(yùn)行至6號(hào)支架時(shí)，觸發(fā)17號(hào)支架向10號(hào)支架順序移架。工序6：右行掃底，清理底煤。工序7：左行清理浮煤。工序8：右行返刀，采煤機(jī)運(yùn)行至5號(hào)支架時(shí)，再次觸發(fā)1號(hào)支架向9號(hào)支架順序移架；采煤機(jī)運(yùn)行至20號(hào)支架時(shí)，1號(hào)支架向17號(hào)支架再次順序推刮板輸送機(jī)，推出蛇形段，推刮板輸送機(jī)行程為0.45 m。工序9：左行端頭二次截割，采煤機(jī)運(yùn)行至6號(hào)支架時(shí)，再次觸發(fā)17號(hào)支架向10號(hào)支架順序移架；采煤機(jī)運(yùn)行至端頭4號(hào)支架時(shí)，10號(hào)支架開(kāi)始向機(jī)尾113號(hào)支架順序推刮板輸送機(jī)，推刮板輸送機(jī)行程為0.9 m。工序10：右行掃底，清理底煤。工序11：左行清理浮煤。工序12：右行割煤，割透煤壁，采煤機(jī)運(yùn)行至5號(hào)支架時(shí)，再次觸發(fā)1號(hào)支架向9號(hào)支架順序移架；采煤機(jī)運(yùn)行至22號(hào)支架時(shí)，18號(hào)支架開(kāi)始隨采煤機(jī)后滾筒跟機(jī)移架、1號(hào)支架隨采煤機(jī)順序推刮板輸送機(jī)。工序13：左行掃底，清理底煤。工序14：右行清理浮煤。工序15：左行中部斜切進(jìn)刀，采煤機(jī)運(yùn)行至99號(hào)支架時(shí)，觸發(fā)104號(hào)支架向113號(hào)支架順序移架。工序16：端部推刮板輸送機(jī)，右行割三角煤，采煤機(jī)運(yùn)行至92號(hào)支架時(shí)，95號(hào)支架向113號(hào)支架順序推刮板輸送機(jī)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)斷層帶破碎頂板進(jìn)行注漿加固、挑頂改造，以及對(duì)沿空留巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)+超前加固+爆破切頂+立柱掛網(wǎng)擋矸+滯后噴漿加固+收尾砌墻的耦合支護(hù)技術(shù)，大幅提升了破碎頂板巷道穩(wěn)定性。

(2)橫向自移式超前支架組由8架1組的A型ZTHC2400/15/29.5D超前支架與2架1組的B型ZTHJ3600/15/30D端頭支架組成，減少了頂板反復(fù)支撐次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了破碎頂板工作面端頭頂板支護(hù)與超前支架快速推進(jìn)的協(xié)調(diào)配合，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)薄-中厚煤層智能化綜采工作面成套裝備及其優(yōu)化布置解決了采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)互相干涉難題；斷層帶主動(dòng)預(yù)防性智能割煤工藝?yán)冒虢厣睢⒎执谓馗罘绞?，大幅提高了斷層帶條件下采煤機(jī)安全割煤速度。