智能矮采工作面收尾方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

◎崔天龍

一、自然情況簡(jiǎn)介

1.礦井概況。

鐵法能源有限責(zé)任公司曉南礦于1971年10月1日開工建設(shè)，1980年9月28日建成投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬噸/年，經(jīng)改擴(kuò)建后，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為210萬噸/年。曉南礦位于鐵法煤田的東南部，地處遼寧省北部調(diào)兵山市區(qū)境內(nèi)遼河北畔，東距鐵嶺市35 公里，南距沈陽市110 公里。曉南煤礦南北走向長5.47 公里，東西寬4.2 公里，面積為23 平方公里，是鐵法能源有限責(zé)任公司所屬的大型現(xiàn)代化礦井之一。

2.工作面概況。

N1-1406 工作面位于北一采區(qū)南部，西部為N1-1405 老空區(qū)，東側(cè)為工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，北部為北一14 層軌道中巷、回風(fēng)中巷，南部為SW1406、SW1407 老空區(qū)。采區(qū)內(nèi)工作面沿煤層的傾向布置，采區(qū)內(nèi)布置一條材料道與二水平北翼運(yùn)輸大巷相通，運(yùn)順與北一14 層皮帶中巷相通，回順與北一14 層軌道中巷相通。

N1-1406 工作面開采的煤層為下含煤段14#煤層。煤層總體為單斜構(gòu)造，煤層傾角4°～7°之間。工作面長173m，運(yùn)順長571m，回順長590m，回采長度480m，可采儲(chǔ)量25萬噸。煤層厚度 1.4m～2.1m 之間，平均 1.7m，發(fā)熱量（Qnet，ar）4147cal/g。

圖1 N1-1406 智能矮采工作面布置圖

二、工作面水文地質(zhì)情況

1.地表水情況。

工作面地表采動(dòng)影響范圍內(nèi)有沉陷積水區(qū)VI 區(qū)，面積為68900m2，積水量為 206700m3。

N1-1406 工作面最大采高為1.70m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為36m。地表水標(biāo)高為+62m，距N1-1406 老空區(qū)最小間距552m，保護(hù)層厚度為516m，地表水體對(duì)本工作面回采無影響。

2.含水層、隔水層。

工作面頂板為阜新組承壓含水層，富水性弱，采用相鄰431號(hào)孔抽水資料K=0.000179m/d，q=0.000434L/m·s。該含水層主要接受上部巖層垂直滲透補(bǔ)給，排泄條件差，徑流條件差。相鄰工作面生產(chǎn)實(shí)見主要以頂板滴淋水為主，對(duì)工作面生產(chǎn)影響小。

3.相鄰采空區(qū)情況。

工作面南側(cè)為 SW1406、SW1407、SW1401、SW1402 老空區(qū)，北一 15 層泄水道于 2019年 12月 3日～2020年 4月 1日對(duì)上述老空區(qū)內(nèi)積水進(jìn)行了探放，累計(jì)放出積水164281m3，剩余135669m3，積水標(biāo)高為-530m，老空區(qū)積水線與N1-1406 工作面最近距離80m，老空區(qū)積水對(duì)N1-1406 工作面回采無影響。

4.鉆孔情況。

工作面采動(dòng)影響范圍內(nèi)經(jīng)過417 號(hào)地質(zhì)鉆孔警戒區(qū)域，施工地質(zhì)鉆孔時(shí)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行封孔，封孔質(zhì)量合格。

三、設(shè)備布置情況

1.支護(hù)設(shè)備情況。

N1-1406 工作面共布置120 組液壓支架，其中端頭液壓支架 5 組 （ZYT6400/17/33D）， 過 渡 液 壓 支 架 4 組（ZYG5200/08/18D），中間液壓支架111 組（ZY5200/08/18D）。

N1-1406 工作面運(yùn)順超前支護(hù)布置2 組替棚支架（加長改造）、回順超前支護(hù)布置3 組替棚支架，替棚支架型號(hào)為ZY9200-19/35。

該工作面液壓支架及替棚支架由鐵煤集團(tuán)機(jī)械制造總公司設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造，結(jié)合天瑪公司裝配的電液控制系統(tǒng)，使液壓支架實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。

2.落煤、運(yùn)煤設(shè)備情況。

N1-1406 工作面落煤采用的是天地科技股份有限公司上海分公司生產(chǎn)的MG450/1050-WD 型交流電牽引采煤機(jī)。運(yùn)煤采用的是SGZ800/800 型刮板運(yùn)輸機(jī)、SZZ800/315 型轉(zhuǎn)載機(jī)以及PLM2000 型破碎機(jī)，它們均來自寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司。

四、智能矮采工作面收尾方案

1.工作面收尾工程存在的問題。

薄煤層工作面采高與兩順巷道高度通常存在差異。以曉南礦N1-1406 工作面為例，該工作面順槽巷道凈高為2.9m，工作面回采高度為1.7m，工作面拆除回撤設(shè)備的最低巷道高度為2.6m，該工作面所使用的MG450/1050-WD 型采煤機(jī)最大割煤高度為1.7m。由于采煤機(jī)的割煤高度無法達(dá)到回撤的巷道的高度，所以不能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)一次性成巷的目的。同時(shí)，由于采煤機(jī)在劈幫過程中采高較矮，打設(shè)支護(hù)錨桿、錨索也成為了難題。針對(duì)以上的問題，通過對(duì)工作面頂板狀態(tài)、工藝流程等分析，尋找到了適合薄煤層工作面的收尾方案。

2.解決方案。

（1）工作面劈幫頂板支護(hù)方案。

由于矮采工作面采煤機(jī)的劈幫高度有限，通常使用支護(hù)頂板的φ22mm×2200mm 全螺紋等強(qiáng)錨桿在施工過程中存在一定的難度。通過研究，決定采用φ21.8mm×2500mm 鋼絞線與φ21.8mm×5200mm 鋼絞線結(jié)合的方式對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。具體方案如下：頂板采用5 排Φ21.8mm×2500mm 錨索（以下簡(jiǎn)稱為短錨索）、2 排Φ21.8mm×5200mm 錨索（以下簡(jiǎn)稱為長錨索）及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。第1 排短錨索距支架頂梁前端0.1m；第5 排短錨索與水平方向成750 夾角，距煤壁0.3m；短錨索排距均為0.8m、間距均為1m；每孔錨固劑用量為CKZ23120 樹脂藥卷1 支。第1 排長錨索距支架頂梁前端1.2m，第2 排長錨索距煤壁1.1m，排距1.3m、間距2m；每孔錨固劑用量為CKZ2370 樹脂藥卷2 支。為減小施工難度錨桿鉆機(jī)采用短腿型號(hào)以方便錨索的打設(shè)。

圖2 工作面劈幫斷面圖

（2）面劈幫巷幫支護(hù)方案。

薄煤層工作面在收尾劈幫過程中通常以煤層頂板作為標(biāo)志層，如此一來，拆除巷道在完全達(dá)到2.6m 后，其巷幫上部分為煤層、下部分為巖層。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，制定了巷幫支護(hù)的方案。具體方案如下：煤壁采用3 排Φ22mm×2000mm 全螺紋等強(qiáng)錨桿及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。采煤機(jī)劈幫達(dá)到凈寬后，首先施工2排幫錨桿，錨桿左右間距為0.9m，上下排距為0.8m。第一排錨桿距頂板0.4m，在鐵托盤與煤壁間使用木托盤加強(qiáng)支護(hù)；每孔錨固劑用量為CKZ2370 樹脂藥卷1 支。工作面拉底凈高達(dá)到2.6m后，煤壁底部補(bǔ)打1 排幫錨桿，規(guī)格為Φ22mm×2000mm 全螺紋等強(qiáng)錨桿；左右間距為1.35m，距底板0.6m、距第2 排幫錨桿0.8m。

圖3 工作面劈幫剖面圖

（3）面鋪網(wǎng)方案。

為了確保工作面拆除期間兩順三角點(diǎn)及端頭支架處頂板的穩(wěn)定，保證施工的安全，決定對(duì)工作面前后各6 架進(jìn)行鋪網(wǎng)，引網(wǎng)采用2 寸（或4 寸）鐵管，首網(wǎng)與鐵管用12#鐵線捆綁，扣距不大于300mm。工作面前后金屬網(wǎng)各加掛3 排20kg/m 鐵道加強(qiáng)支護(hù)。第1 排鐵道距引網(wǎng)鐵管2.2m；3 排鐵道之間的排距為2m。支架頂梁上分布2 排，掩護(hù)梁上分布1 排。第3 排鐵道距頂梁前端1.2m。

圖4 工作面劈幫平面圖

（4）工作面劈幫方案。

由于采煤機(jī)的割煤高度有限，所以不能夠一次性完成全高度的劈幫，針對(duì)這個(gè)問題，決定將工作面的劈幫分為三個(gè)部分。

第一個(gè)部分為采煤機(jī)劈幫階段。該階段與以往的普采工作面劈幫方案相同，根據(jù)采煤機(jī)的采高及液壓支架的支撐高度對(duì)工作面進(jìn)行劈幫，隨著工作面的不斷推進(jìn)，按照頂板支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)支架到達(dá)既定位置后不再前移，運(yùn)輸機(jī)推移后，將工作面運(yùn)輸機(jī)與支架相連的推拉連接裝置拆除，改用鉸接梁推移運(yùn)輸機(jī)。當(dāng)利用鉸接梁推移運(yùn)輸機(jī)一遍后，將鉸接梁回收，改用單體液壓支柱推移運(yùn)輸機(jī)。當(dāng)工作面劈幫達(dá)到設(shè)計(jì)凈寬后，采用鏈環(huán)將運(yùn)輸機(jī)回牽至指定位置，對(duì)煤壁的上兩排支護(hù)進(jìn)行打設(shè)。

第二個(gè)部分為采煤機(jī)削底階段。當(dāng)采煤機(jī)完成第一個(gè)部分的劈幫階段后，此時(shí)的劈幫高度最高為液壓支架的最大支撐高度，相比設(shè)計(jì)劈幫凈高來說，還存在很大的差距。為了減小剩余劈幫的底板高度，為下面使用側(cè)卸式裝巖機(jī)提供方便的施工條件，采煤機(jī)采取削底的方式來減小剩余的底板高度。即采煤機(jī)進(jìn)行最大限度的拉底截割，當(dāng)工作面進(jìn)行一遍削底后，根據(jù)截深，將運(yùn)輸機(jī)再一次向前推移，采煤機(jī)進(jìn)行再一遍削底直至將運(yùn)輸機(jī)推移至劈幫凈寬位置。當(dāng)采煤機(jī)達(dá)到劈幫凈寬后，再將運(yùn)輸機(jī)回牽至液壓支架停止位置，回牽過程中采煤機(jī)同樣進(jìn)行遍遍削底作業(yè)。如此循環(huán)下去直至液壓支架無法繼續(xù)推移運(yùn)輸機(jī)。

第三個(gè)部分為側(cè)卸式裝巖機(jī)劈幫階段。采煤機(jī)劈幫結(jié)束后，拆除巷道還未達(dá)到設(shè)計(jì)凈高，剩余的巷道底板采用側(cè)卸式裝巖機(jī)進(jìn)行拉底，直到達(dá)到設(shè)計(jì)高度。遇到堅(jiān)硬巖石底板時(shí)可采取松動(dòng)爆破方式進(jìn)行破巖處理。

五、應(yīng)用效果及價(jià)值

1.采工作面收尾方案應(yīng)用效果。

曉南礦N1-1406 工作面在應(yīng)用該收尾方案后，達(dá)到了預(yù)期效果。在頂板支護(hù)方面，采取長、短錨索相互結(jié)合的方案施工后，頂板狀態(tài)穩(wěn)定良好，直至該工作面拆除結(jié)束，頂板未出現(xiàn)明顯的壓力顯現(xiàn)，確保了拆除施工過程中的安全穩(wěn)定。

施工錨索采用短腿錨桿機(jī)滿足了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的條件，能夠使員工進(jìn)行正常施工作業(yè)。若由于巷道施工高度限制釬桿不能正常使用時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)釬桿長度進(jìn)行縮短，以滿足各種高度的工作面。

2.經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

薄煤層工作面收尾方案的成功應(yīng)用，使得今后在布置薄煤層工作面時(shí)，可以不再布置拆除準(zhǔn)備道，因此減少了1 條巷道的掘進(jìn)成本及后期維護(hù)成本，與此同時(shí)也縮短了工作面的接續(xù)時(shí)間。

其次，若采用綜掘機(jī)進(jìn)行劈幫，還需要重新安設(shè)一整套綜掘機(jī)設(shè)備及配備相關(guān)施工隊(duì)伍。所以該收尾方案的成功實(shí)施，不僅在成本上節(jié)約了大量的成本，而且在時(shí)間成本上也節(jié)約了不少。

3.社會(huì)價(jià)值。

薄煤層工作面在曉南礦的首次成功收尾，給今后的薄煤層工作面收尾提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

4.安全價(jià)值。

由于減少了掘進(jìn)巷道工程、綜掘機(jī)劈幫工程等一系列衍生的工程，在某種程度上大大提高了安全系數(shù)，減少了工程量。

5.推廣價(jià)值高。

智能化矮采工作面收尾方案在曉南礦N1-1406 采煤工作面的成功應(yīng)用，證實(shí)了該方案的實(shí)用性，為薄煤層工作面的收尾方案提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為薄煤層工作面收尾方案的創(chuàng)新提供了有力依據(jù)。

六、存在的問題

液壓支架在達(dá)到預(yù)定位置后與運(yùn)輸機(jī)斷開連接，此后運(yùn)輸機(jī)的推移要借助鉸接梁、單體液壓支柱等加長桿進(jìn)行作業(yè)，該方法能夠滿足生產(chǎn)需要，但存在較大的工程量及安全風(fēng)險(xiǎn)。建議根據(jù)工作面所使用的液壓支架設(shè)計(jì)、制造出可與原推拉杠相連接的配套加長裝置。

七、結(jié)語

薄煤層儲(chǔ)量在眾多國有煤礦企業(yè)當(dāng)中占有很高的比例，矮采工作面將成為許多老礦井今后的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)薄煤層工作面的特點(diǎn)，制定合理的安全生產(chǎn)方案并得以成功應(yīng)用，是推動(dòng)薄煤層工作面在生產(chǎn)方面、安全方面、創(chuàng)新方面逐步提高的新鮮動(dòng)力。