趙固一礦底分層工作面快速回采技術(shù)]的研究與應(yīng)用

王 優(yōu)

(焦作煤業(yè)集團(tuán)趙固(新鄉(xiāng))能源有限責(zé)任公司，河南 新鄉(xiāng) 453600)

0 引言

趙固一礦的二1煤層地質(zhì)條件比較復(fù)雜，存在巖層的基巖較薄、頂?shù)装逅急容^嚴(yán)重、煤層的頂板穩(wěn)定性也比較差的情況，位于礦井的東翼地區(qū)可以開(kāi)采的頂分層工作面大幅減少，需要對(duì)底分層工作面進(jìn)行開(kāi)采。根據(jù)趙固一礦的東翼地區(qū)前期頂分層工作面回采期間的礦壓分析，煤層頂板板梁結(jié)構(gòu)不明顯，上下順槽的超前巷影響范圍大，上覆基巖的自穩(wěn)性差，工作面架后冒落的矸石多為泥團(tuán)狀結(jié)構(gòu)。開(kāi)采11052底分層工作面時(shí)，工作面再生頂板完整性較差，頂?shù)装灞黄茐纳疃却?，安全回采難度也隨之增大，而目前國(guó)內(nèi)煤礦多采用放頂煤開(kāi)采工藝回采煤炭，類(lèi)似井田地質(zhì)條件下可借鑒底分層煤開(kāi)采技術(shù)經(jīng)驗(yàn)較少。本文就趙固一礦11052底分層工作面的開(kāi)采，對(duì)在水文條件復(fù)雜、基巖較薄、煤層頂板穩(wěn)定性差的情況下在底分層采煤工作面使用自動(dòng)化裝備、工作面頂板錨索加強(qiáng)支護(hù)、兩巷超前段的支護(hù)優(yōu)化及回采時(shí)的礦壓分析等技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 工程概況

1.1 工作面位置

11052工作面對(duì)應(yīng)的地面位置標(biāo)高+79.9～+81.4 m，地表東為石門(mén)河，西為趙固一礦工業(yè)廣場(chǎng)，趙固二礦鐵路和輝吳公路分別橫貫該工作面中部和南部。該工作面在礦井的-525 m水平，位于礦井東翼方向，所屬盤(pán)區(qū)為東一盤(pán)區(qū)，開(kāi)采煤層為二1煤層，二1煤層頂板(底分層區(qū)域?yàn)槿斯っ簩禹敯?標(biāo)高為-454.4～-489.1 m，該工作面長(zhǎng)1 240.0～1 247.5 m(上順槽長(zhǎng)1 240.0 m，下順槽長(zhǎng)1 247.5 m)，寬164.0 m，面積為203 953.97 m2。該工作面井下位置以及相鄰工作面開(kāi)采情況：11052為11051工作面的底分層工作面(另外該工作面南部的部分區(qū)域?yàn)轫敺謱庸ぷ髅?，北為東翼回風(fēng)、軌道、膠帶3條大巷，東為已回采完成的11071工作面，南為DF37斷層，西為已回采完成的11031-1工作面。

1.2 工作面相鄰區(qū)域采掘情況及其影響范圍

11052工作面為11051下分層工作面，采動(dòng)影響范圍和11051工作面一致。11052工作面走向長(zhǎng)度1 240.0～1 247.5 m，傾向長(zhǎng)度164 m，面積203 953.97 m2。11052工作面為東一盤(pán)區(qū)，工作面北為東翼回風(fēng)、軌道、膠帶三條大巷，東為已回采完成的11071工作面，南為DF37斷層，西為已回采完成的11031-1工作面。水平標(biāo)高為-525 m，地面標(biāo)高為+79.9～+81.4 m，井下標(biāo)高為-454.4～-489.1 m。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為1.14 m3/min，礦井瓦斯等級(jí)為低瓦斯礦井，煤層容重1.46 t/m3。正常工作面涌水量140.5 m3/h；最大工作面涌水量182.7 m3/h。工作面生產(chǎn)能力58.2萬(wàn)t·a-1，煤層硬度f(wàn)=1。工作面可采儲(chǔ)量為203 953.97×2.2×1.46×0.93=60.9萬(wàn)t。

地面相對(duì)位置地表東為石門(mén)河，西為趙固一礦工業(yè)廣場(chǎng)，趙固二礦鐵路和輝吳公路分別橫貫該工作面中部和南部。預(yù)計(jì)工作面回采對(duì)石門(mén)河、趙固二礦鐵路、輝吳公路和地面高壓線路有影響。

1.3 工作面地質(zhì)構(gòu)造情況

根據(jù)11051工作面掘進(jìn)和回采期間及11052工作面掘進(jìn)期間實(shí)際揭露的地質(zhì)資料和三維地震資料：11052工作面在回采范圍存在1條斷層(F13斷層)；該工作面附近存在4條斷層(F11、F12、F14和DF37斷層，該4條斷層在11052工作面掘進(jìn)期間均未被揭露)，其中DF37斷層上盤(pán)留設(shè)有144.7m的防隔水煤(巖)柱，可有效阻隔斷層水對(duì)工作面回采的威脅。斷層產(chǎn)狀特征如表1所示。

表1 斷層產(chǎn)狀特征表

1.4 工作面水文地質(zhì)情況

11052工作面的底板含水層為：O2、L2和L8灰?guī)r含水層。其中O2和L2灰?guī)r含水層距離二1煤層底板較遠(yuǎn)，正常開(kāi)采情況下對(duì)二1煤層基本沒(méi)有影響，但在斷裂溝通情況下會(huì)對(duì)該工作面產(chǎn)生比較大的威脅。

11052工作面的直接底板充水水源為L(zhǎng)8灰?guī)r水，L8灰?guī)r厚度為7.58～11.24 m，平均9.10 m，上方距二1煤底板達(dá)23.90～26.82 m，平均為25.53 m。在近三年，L8灰?guī)r含水層的水位最高值：+74.3 m，水壓：5.5～5.9 MPa，突水系數(shù)：0.205～0.247 MPa/m。

該煤層頂板上的含水層主要包括:基巖風(fēng)化帶含水層和二1煤層頂板砂巖含水層；新近系中、底部砂、礫石含水層；第四系含水層。其中工作面新近系和第四系的松散地層厚度是498.20～508.30 m，平均為503.25 m，中部有隔水性能良好并且厚度大的黏土層和砂質(zhì)黏土層，因此該工作面回采時(shí)淺部含水層充水無(wú)直接影響；新近系含水層底部為厚層黏土層，該工作面回采不會(huì)產(chǎn)出大的影響；風(fēng)化帶和二1煤頂板砂巖的含水層為弱富水性，對(duì)該回采工作面充水影響較小。

根據(jù)11052工作面回采時(shí)提供的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)11052工作面在回采時(shí)的正常涌水量140.5 m3/h，最大涌水量為182.7 m3/h。

2 工作面快速回采方案

2.1 采煤方法

11052工作面采用傾斜分層走向長(zhǎng)壁下行垮落采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，沿頂分層鋪設(shè)的人工假頂回采。工作面設(shè)計(jì)采高1.8～2.8 m，平均采高2.2 m，局部煤厚出現(xiàn)變化時(shí)，為保證刮板輸送機(jī)平直及支架頂梁錯(cuò)差不超過(guò)300 mm，可進(jìn)行托煤回采，托煤回采需要補(bǔ)充專項(xiàng)措施。該工作面采用雙向割煤，回采工藝為：采煤機(jī)破煤及裝煤，刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶輸送機(jī)運(yùn)煤，液壓支架支護(hù)頂板，單體液壓支柱支護(hù)工作面兩端頭及兩順槽超前段，采空區(qū)采用全部垮落法。

2.2 自動(dòng)化在采煤工作面的應(yīng)用

該工作面為趙固一礦第一個(gè)使用電液控液壓支架的工作面，ZZ9000/16/32D型液壓支架能夠?qū)崿F(xiàn)連接3架自動(dòng)移架、推槽作業(yè)，并能夠?qū)崿F(xiàn)間斷性自動(dòng)補(bǔ)液，在確保工作面支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)，又能夠快速跟機(jī)拉架，以往工作面拉架工配備4～5人，現(xiàn)在工作面最多配備2名拉架工，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化減人的目標(biāo)。

2.3 底分層工作面頂板錨索加強(qiáng)支護(hù)

該工作面初采期間，巷道壓力異常大，顛覆了趙固一礦底分層工作面壓力小的認(rèn)知，上下巷受礦壓影響，巷道底鼓、巷幫收縮，巷道變形嚴(yán)重地段巷寬收縮達(dá)到1.5 m，巷道底鼓量達(dá)到1.3 m，造成上巷轉(zhuǎn)載機(jī)壓死，無(wú)法正常打設(shè)超前支護(hù)，巷道的頂板支護(hù)強(qiáng)度下降造成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響工作面的正常推進(jìn)。為加大支護(hù)強(qiáng)度，在上下巷超前段對(duì)巷幫和頂板打設(shè)槽鋼梁錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在巷幫及頂板打設(shè)兩排走向槽鋼梁錨索，幫部錨索比較容易施工，頂板錨索打設(shè)比較困難，因該工作面為底分層工作面，頂板垮落后局部頂板深處出現(xiàn)空洞，頂板錨索施工初期，經(jīng)常出現(xiàn)打鉆期間突然打空，即使打好的錨索孔錨固時(shí)，鉆孔塌孔造成無(wú)法錨固，需要重新打眼施工，曾經(jīng)一個(gè)頂板孔打了三班才打成。經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)和嘗試，在頂板錨索孔淺部使用自制大鉆頭鉆進(jìn)并放置聚乙烯瓦斯抽放管固定孔口防止塌孔，中深部使用正常配套鉆頭施工，打鉆期間采取快進(jìn)快出，快速裝藥錨固的方法，最終頂板錨索打設(shè)成功，錨索預(yù)緊力達(dá)到200 kN，有效地增強(qiáng)了頂板支護(hù)強(qiáng)度。

2.4 超前支護(hù)優(yōu)化

以往超前支護(hù)使用的單體柱柱頭柱牙卡口內(nèi)寬為90 mm，礦用12#工鋼與柱頭接觸面寬95 mm，單體柱無(wú)法完全卡住工鋼梁，造成打設(shè)的單體柱柱牙受力或柱頭面與柱牙同時(shí)受力，由于接觸受力面較小，當(dāng)頂板壓力大時(shí)，極易造成單體柱滑脫崩出或柱牙壓裂、壓斷情況發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)有的12#工鋼頂梁的寬度，結(jié)合廠家設(shè)計(jì)一種能夠完全卡住工鋼頂梁的柱頭，將現(xiàn)有的單體柱柱頭進(jìn)行更換，柱頭與單體柱柱芯之間采用3個(gè)漲銷(xiāo)固定，相比更換整個(gè)單體相對(duì)簡(jiǎn)單且勞動(dòng)強(qiáng)度小。設(shè)計(jì)的新式單體柱柱頭與原柱頭外形尺寸一樣，只是將原有的4個(gè)柱牙直徑減小5 mm，原有的柱牙直徑為20 mm，減小5 mm直徑后2個(gè)柱牙寬度為100 mm，可以完全卡住95 mm的工鋼頂梁，工鋼頂梁與柱頭完全接觸柱牙后，垂直打設(shè)的單體柱柱牙幾乎不受力，所以不影響單體柱的正常使用。

更換新式柱頭后，超前支護(hù)后的單體柱柱頭能夠完全卡住工鋼頂梁，當(dāng)單體柱受力時(shí)，不會(huì)存在單體柱柱牙損壞或單體柱崩出的情況，有效降低了單體柱傷人的風(fēng)險(xiǎn)，為降低支護(hù)材料投入和提升安全效果奠定了基礎(chǔ)。

2.5 礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

11052工作面生產(chǎn)穩(wěn)定，回采速度較快，每天保持回采速度在10～12刀，礦壓顯現(xiàn)不明顯。在生產(chǎn)期間安排施工人員每班對(duì)液壓支架進(jìn)行補(bǔ)液，保證每個(gè)支架的初撐力達(dá)到要求，同時(shí)要求支架頂梁錯(cuò)超不得超過(guò)100 mm，保證頂梁平直，礦壓觀測(cè)曲線圖如圖1所示。

圖1 礦壓觀測(cè)曲線圖

由圖1可知：在觀測(cè)期間，工作面支架工作阻力大部分滿足要求，但仍存在壓力不足的現(xiàn)象，這主要是由于支架立柱卸載閥損壞，造成立柱持續(xù)卸載，從而造成壓力不足的現(xiàn)象。此外，在工作面生產(chǎn)期間，重點(diǎn)抓好工作面內(nèi)頂板及煤墻管理，及時(shí)拉架，減少片幫。采煤機(jī)回采后的區(qū)域及時(shí)采用支架伸縮梁支護(hù)，縮短端面空頂時(shí)間；采取跟機(jī)移架技術(shù)，嚴(yán)格控制支架與采煤機(jī)的距離，并盡量采取帶壓擦頂移架的方式，將頂板的冒落程度控制在最小。

3 結(jié)語(yǔ)

該工作面通過(guò)自動(dòng)化支架電液控裝置的使用、工作面頂板錨索創(chuàng)新式的加強(qiáng)支、超前段更新柱頭的支護(hù)優(yōu)化，工作面回采期間無(wú)嚴(yán)重煤壁片幫、大槽底鼓情況，液壓支架壓力泄壓閥數(shù)值保持正常，工作面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化程度提高，三機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，直線度高，有效保證了工作面的快速回采及均衡推進(jìn)。