瑞能煤業(yè)“110工法”工作面管理重點(diǎn)及實(shí)踐

何文帥，顏少波，田超超，魏勇強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；2.陜西瑞能煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 延安 727307)

0 引言

近年來，被稱為礦業(yè)界第3次技術(shù)革命的“110工法”采煤工藝技術(shù)已在陜西、四川、黑龍江、山西、河南等省的多家煤礦推廣應(yīng)用[1-3]?！?10工法”以切頂短臂梁理論為指導(dǎo)，采用恒阻錨索對(duì)巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，通過切頂卸壓自動(dòng)形成一條回采巷道，把采煤與掘進(jìn)統(tǒng)一起來，做到回采一個(gè)工作面只需掘進(jìn)一條回采巷道，將傳統(tǒng)的一面雙巷變成一面單巷，取消了區(qū)段煤柱，實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采。該技術(shù)有效解決了煤炭工業(yè)長(zhǎng)期面臨的“安全、資源回收和開采成本”3個(gè)突出瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了采區(qū)內(nèi)無順槽掘進(jìn)、無煤柱的采留一體化和連續(xù)安全生產(chǎn)[4-6]。新技術(shù)的應(yīng)用必然帶著自身利弊，對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)的同時(shí)提出了一些新穎的理論。從“121”傳統(tǒng)采煤法到“110工法”甚至到“N00工法”的應(yīng)用，對(duì)新建、在建礦井的盤區(qū)設(shè)計(jì)、巷道布置等具有較大影響，隨著礦業(yè)裝備技術(shù)水平日益變化，綜采工作面的管理重點(diǎn)、難點(diǎn)隨之發(fā)生變化。

瑞能煤業(yè)公司成功實(shí)施“110工法”，在降低成本、提高資源回收率等方面取得了明顯的效果。通過對(duì)“121工法”“110工法”下綜采工作面管理差異進(jìn)行對(duì)比分析，明確“110工法”綜采工作面管理的重點(diǎn)，以期為相似條件下綜采工作面管理提供一些參考經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

現(xiàn)開采盤區(qū)為121盤區(qū)，該盤區(qū)布置1個(gè)綜采工作面和0個(gè)掘進(jìn)工作面，采用長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤工藝和全部垮落法的頂板管理方式；井田內(nèi)唯一可采煤層為2號(hào)煤層，礦井煤層厚度一般在1.0～2.0 m。老頂以塊狀灰白色中-細(xì)粒巖屑石英砂巖為主，俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”，有時(shí)相變?yōu)榉奂?xì)砂巖互層或粉砂巖，巖性較堅(jiān)硬，厚層狀，不易垮落，全區(qū)分布，層位穩(wěn)定，厚度0.9～28.00 m，一般3～12 m。直接頂巖性變化較大，以黑色泥巖為主，局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖，呈厚層狀，有時(shí)與煤層直接接觸，厚度0.7～20.6 m不等，一般9 m左右，為不穩(wěn)定、易冒落頂板。偽頂主要為薄層狀泥質(zhì)粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，個(gè)別鉆孔顯示為碳質(zhì)泥巖，厚度均在0.5 m以下，有時(shí)與直接頂板在巖性上不易區(qū)分，但以其薄層狀及隨采隨落為特征。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)類型為中等類型。

2017年之前，121盤區(qū)采用“121工法”布置綜采工作面，每回采1個(gè)采煤工作面，需掘進(jìn)2條回采巷道、留設(shè)1個(gè)區(qū)段煤柱。2014年7月至2017年6月，完成了105、107、106、108綜采工作面回采工作。2017年6月，瑞能煤業(yè)率先在黃隴礦區(qū)采用“110工法”布置綜采工作面，即回采1個(gè)工作面，只需掘進(jìn)1條順槽，保留0個(gè)煤柱，在該盤區(qū)布置了117、115、113、111、109綜采工作面。2017年6月至2020年4月，瑞能煤業(yè)采用“110工法”布置綜采工作面并完成了117、115、113綜采工作面回采工作，累計(jì)完成留巷3 000 m以上。

2 兩種工法下綜采工作面差異對(duì)比

2.1 綜采工作面巷道布置

傳統(tǒng)“121工法”下綜采工作面巷道布置方式包括單巷布置、雙巷布置，其共同特點(diǎn)是區(qū)段間留設(shè)保護(hù)煤柱。“110工法”下首個(gè)綜采工作面形成需3條巷道，即2條進(jìn)風(fēng)巷道、1條回風(fēng)巷道，無區(qū)段保護(hù)煤柱，從第2個(gè)工作面起只需掘進(jìn)1條順槽即可形成1個(gè)綜采工作面[7-9]。按照巷道的用途，2種工法下綜采工作面的巷道用途區(qū)別較大。巷道布置如圖1、2所示。2種工法對(duì)工作面布置方式及后續(xù)采掘接續(xù)影響較大。采用“110工法”進(jìn)行工作面布置可有效降低巷道掘進(jìn)量，有效緩解采掘接續(xù)緊張，同時(shí)消除了工作面保護(hù)煤柱，提升了礦井資源回收率，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 綜采工作面巷道布置Fig.1 Roadway layout of fully mechanized mining face

圖2 “110工法”綜采工作面巷道布置Fig.2 Roadway layout of fully mechanized mining face with “110 construction method”

2.2 采煤工序差異

由于煤層的自然條件和采用的機(jī)械不同，完成回采工作各工序的方法也就不同，并且在進(jìn)行的順序、時(shí)間和空間上必須有規(guī)律地加以安排和配合。這種在采煤工作面內(nèi)按照一定順序完成各項(xiàng)工序的方法及其配合，稱為采煤工藝。礦井121盤區(qū)布置工作面均為綜采工作面，工藝為采煤機(jī)雙滾筒落煤、裝煤、刮板輸送機(jī)運(yùn)煤、液壓支架支護(hù)頂板。

“110工法”下綜采工作面在回采前需對(duì)留設(shè)巷道進(jìn)行恒阻大變形錨索施工、定向預(yù)裂爆破施工，回采過程中需對(duì)支架后方進(jìn)行擋矸支護(hù)、工作面后方巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，隨著工作面的推進(jìn)須對(duì)工作面后方150 m外的臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行拆除直至回采結(jié)束?？芍?種工法采煤工序最大區(qū)別在于“110工法”。綜采工作面在推采過程中需提前施工恒阻大變形錨索、定向預(yù)裂爆破、留巷擋矸支護(hù)、巷中臨時(shí)支護(hù)及拆除留巷段臨時(shí)支護(hù)?！?10工法”綜采工作面必須確保留設(shè)巷道能夠滿足下個(gè)工作面的通風(fēng)、運(yùn)料、行人需要?！?21工法”綜采工作面只需沿回采方向推進(jìn)即可。因此，“110工法”工作面現(xiàn)場(chǎng)管理的重點(diǎn)在于恒阻大變形錨索支護(hù)施工、定向預(yù)裂爆破施工、工作面后方擋矸支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)。

2.3 瓦斯管理差異

“121工法”綜采工作面采用“U”型通風(fēng)，隨著工作面的推進(jìn)，工作面后方為采空區(qū)，采空區(qū)頂板垮落后充填采空區(qū)，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)點(diǎn)為上下隅角、工作面。工作面采用上行通風(fēng)，工作面瓦斯容易積聚點(diǎn)為工作面上隅角。日常瓦斯管理的重點(diǎn)為工作面上隅角。

“110工法”綜采工作面采用“Y”型通風(fēng)，即兩進(jìn)一回，有利于稀釋工作面及兩順槽瓦斯，工作面無“上下隅角”，瓦斯容易由積聚點(diǎn)轉(zhuǎn)移至備采工作面切眼，瓦斯管理的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至備采工作面切眼[10-12]。由于留巷過程中對(duì)擋矸側(cè)只進(jìn)行擋矸支護(hù)未做漏風(fēng)處理，回風(fēng)流中向采空區(qū)漏風(fēng)增加，增加了采空區(qū)防滅火管理難度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，工作面留巷初期至留巷結(jié)束，工作面留巷段向采空區(qū)漏風(fēng)率由40%下降至15%。

“110工法”綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)瓦斯管理較“121工法”綜采工作面增加了留巷段瓦斯管理內(nèi)容，特別是下一個(gè)工作面切眼瓦斯管理。同時(shí)，需加強(qiáng)工作面后方漏風(fēng)管理，采取噴漿等方式對(duì)擋矸側(cè)進(jìn)行處理，減少向采空區(qū)漏風(fēng)，防止采空區(qū)煤層自燃。

2.4 采場(chǎng)應(yīng)力差異

“121工法”下采煤工作面前方煤壁端幾乎支承著采煤工作空間上方斷裂帶及其上覆巖層大部分重量，即工作面前方支承壓力遠(yuǎn)比工作面后方支承壓力大；采煤工作面煤壁及采空區(qū)垮落帶是隨工作面不斷推進(jìn)，隨時(shí)間向前移動(dòng)的，因而工作面前后方支承壓力帶也隨時(shí)間向前移動(dòng)。在該工法下，綜采工作面前方受到移動(dòng)支承壓力的影響，需加強(qiáng)超前30 m范圍內(nèi)支護(hù)管理，采場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)始終分布在超前工作面30 m范圍內(nèi)，并在5～15 m達(dá)到應(yīng)力最大值，工作面推采過程中只需加強(qiáng)超前應(yīng)力場(chǎng)范圍內(nèi)的頂板支護(hù)即可?！?10工法”下采煤工作面后方需要留設(shè)巷道，采煤工作面后方支承壓力會(huì)重新分布在巷道兩側(cè)，部分向底板傳遞，應(yīng)力場(chǎng)的分布范圍較“121工法”采煤工作面相對(duì)較大。

3 “110工法”工作面管理重點(diǎn)

3.1 恒阻大變形支護(hù)質(zhì)量管理

瑞能煤業(yè)自2017年6月實(shí)施“110工法”以來，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面從“121工法”到“110工法”的轉(zhuǎn)變，綜采工序由采煤機(jī)雙滾筒落煤、裝煤、刮板輸送機(jī)運(yùn)煤、液壓支架支護(hù)頂板、采空區(qū)處理演變?yōu)榛夭汕皩?duì)某條順槽進(jìn)行恒阻大變形支護(hù)、預(yù)裂切縫孔施工、采煤機(jī)雙滾筒落煤、裝煤、刮板輸送機(jī)運(yùn)煤、液壓支架支護(hù)頂板、采空區(qū)處理、后巷支護(hù)、成巷。采煤方法是采煤系統(tǒng)及采煤工藝的綜合及其在空間、時(shí)間上的相互配合?！?10工法”下的工作面采煤系統(tǒng)及采煤工藝在空間、時(shí)間上的相互配合已與綜采不同?！?10工法”工作面管理重點(diǎn)在于恒阻大變形錨索施工質(zhì)量管理。一是嚴(yán)格按照恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，間排距符合設(shè)計(jì)規(guī)定，預(yù)緊值一次達(dá)25 t。二是加強(qiáng)定向預(yù)裂爆破后恒阻大變形錨索二次緊固。對(duì)因預(yù)裂爆破施工后造成恒阻大變形錨索錨固力不足進(jìn)行二次緊固；對(duì)失效恒阻錨索進(jìn)行補(bǔ)打。三是加強(qiáng)留巷期間恒阻大變形錨索檢查，對(duì)損壞錨索進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)打。

3.2 加強(qiáng)預(yù)裂爆破管理

定向預(yù)裂爆破效果一定程度上決定了成巷質(zhì)量，施工過程中根據(jù)切縫率進(jìn)行最優(yōu)裝藥選擇。一是嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范及爆破相關(guān)管理規(guī)定進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破施工，尤其加強(qiáng)封泥質(zhì)量管理，現(xiàn)場(chǎng)施工表明,封泥質(zhì)量較高的預(yù)裂孔爆破后頂板能夠有效形成預(yù)裂切縫線，與留巷質(zhì)量直接相關(guān)。二是進(jìn)行多次試驗(yàn)確定最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)，爆破結(jié)束后采用鉆孔窺視儀進(jìn)行窺視，根據(jù)切縫長(zhǎng)度占比預(yù)裂孔深度進(jìn)行對(duì)比，選擇切縫率最高的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。三是加強(qiáng)爆破物品管理。隨著國(guó)家對(duì)民爆物品管理重視程度的提高，煤礦企業(yè)必須進(jìn)一步規(guī)范領(lǐng)用、使用民爆物品，嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》中爆破管理相關(guān)規(guī)定。

3.3 加強(qiáng)專業(yè)隊(duì)伍培養(yǎng)

人員素質(zhì)管理，尤其是實(shí)施留巷過程的職工管理。在實(shí)施“110工法”前期，瑞能煤業(yè)公司委托外委隊(duì)伍進(jìn)行留巷施工，而正常的回采工作則由本礦綜采隊(duì)負(fù)責(zé)，主要原因是無相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)的隊(duì)伍及工種。2017年6月至12月，該礦在做好回采勞動(dòng)組織管理的同時(shí)，安排綜采隊(duì)部分職工跟隨外委隊(duì)伍進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括：恒阻錨索施工、預(yù)裂爆破施工及巷旁側(cè)擋矸支護(hù)施工。2018年1月至今，瑞能煤業(yè)實(shí)施“110工法”完成了117、115、113綜采工作面的留巷及回采工作，其中留巷工作全部由前期留巷培訓(xùn)職工完成。綜采隊(duì)已將工作面回采及留巷工序在時(shí)間、空間上完美融合，且留巷效果日益提高，如圖3所示。先后有多家單位前來對(duì)標(biāo)學(xué)習(xí)，留巷效果得到廣泛好評(píng)。

圖3 留巷效果對(duì)比Fig.3 Comparison of roadway retaining effect

3.4 成巷維護(hù)管理

3.4.1 加強(qiáng)后巷維護(hù)管理

工作面后方受周期來壓影響，留巷段頂板、底板受到壓力多次影響，尤其在工作面后方150 m范圍內(nèi)，表現(xiàn)為巷道底鼓嚴(yán)重。當(dāng)工作面推過150 m后，需進(jìn)行成巷回撤后巷臨時(shí)支護(hù)單體后，巷道壓力重新進(jìn)行分布，表現(xiàn)為巷道底鼓、頂板恒阻錨索受壓增加。因此，需定期對(duì)后巷底板進(jìn)行拉底，經(jīng)常檢查頂板支護(hù)情況，確保巷道斷面尺寸滿足行人、運(yùn)輸、通風(fēng)要求。

3.4.2 加強(qiáng)文明生產(chǎn)管理

工作面底板主要為一套灰色團(tuán)塊狀粉砂質(zhì)泥巖，有時(shí)含粉砂質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、菱鐵礦鮞粒，頂部含植物根系化石，俗稱“根土巖”，呈團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，遇水膨脹，易發(fā)生底鼓，厚度一般0.38～5 m，工作面底板一般1～2 m，在施工恒阻錨索、切縫孔過程中必須對(duì)廢水進(jìn)行收集。

4 結(jié)論

(1)“110工法”下應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)組織管理，認(rèn)真理順各工序之間在時(shí)間、空間上的相互配合，合理分配各工序作業(yè)人員數(shù)量，優(yōu)化人力資源在綜采工作面的配置，發(fā)揮最大勞動(dòng)效率，提升綜采工效。

(2)加強(qiáng)職工教育、安全操作培訓(xùn)。通過安全生產(chǎn)教育提升職工安全素養(yǎng)，提高職工操作水平，從而提升施工質(zhì)量。

(3)加強(qiáng)后巷頂板、底板維護(hù)管理。重點(diǎn)加強(qiáng)留巷段支護(hù)質(zhì)量檢查、底板底鼓量檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，保證留巷質(zhì)量。

(4)加強(qiáng)爆破管理。一是加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)爆破管理，確保爆破施工質(zhì)量；二是加強(qiáng)爆破物品管理，規(guī)范使用爆破物品。

(5)加強(qiáng)工作面風(fēng)量、瓦斯?jié)舛燃捌渌泻怏w濃度檢測(cè)。對(duì)后巷巷旁側(cè)頂板未垮落嚴(yán)實(shí)的地方進(jìn)行噴漿處理，減少采空區(qū)漏風(fēng)。