焦家溝煤礦綜采面采煤機(jī)擴(kuò)切眼工藝研究及應(yīng)用

杜正虎，杜君武，羊亮亮

(1.子長市中達(dá)焦家溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 717300；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

綜采工作面開切眼效率和質(zhì)量直接影響工作面正常采掘接續(xù)，是礦井安全高效生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，工作面開切眼主要用于布置采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等工作面回采設(shè)備。隨著我國煤礦開采技術(shù)水平和設(shè)備性能的不斷發(fā)展，常規(guī)綜采工作面開切眼斷面形狀已不適用，取而代之的是大斷面開切眼。然而，由于大斷面巷道斷面尺寸大，容易引發(fā)巷道應(yīng)力集中，造成頂板冒落、煤壁片幫、底板鼓起等問題[1-3]，導(dǎo)致礦井在開切眼期間需要不斷維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性，制約綜采工作面正常采掘接續(xù)，威脅人員和設(shè)備安全。目前，大部分綜采工作面采用綜掘機(jī)擴(kuò)切眼、一次成巷等方式進(jìn)行大斷面開切眼[4-6]，對(duì)切眼圍巖穩(wěn)定性影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)切眼圍巖變形破壞嚴(yán)重、支護(hù)難度增大等問題[7-9]。魏斌等采用邁步掘進(jìn)一次成巷技術(shù)進(jìn)行大斷面開切眼，提高了掘進(jìn)效率[10]。汪超等采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了大跨度開切眼巷道水平位移和垂直位移變化情況[11]。胡躍龍以南陽坡礦5#煤層307盤區(qū)8702工作面大跨度開切眼為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析與計(jì)算、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)寬9.30 m高3.80 m的開切眼圍巖應(yīng)力、位移變化規(guī)律進(jìn)行了研究，確定了不同寬度開切眼支護(hù)參數(shù)[12]。劉世峰等提出了分次成巷減小巷道跨度的開掘方案和采用“高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+工字鋼梁+單體”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效解決了厚沖積層薄基巖大斷面開切眼穩(wěn)定性控制難題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好[13]。王紅衛(wèi)提出并設(shè)計(jì)了以“錨桿+短錨索+長錨索+工鋼棚”的主動(dòng)與被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)的方式，有效解決了趙家寨礦厚煤層大跨距開切眼支護(hù)問題[14]。徐儀昌研究了綜采孤島工作面大斷面開切眼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并成功應(yīng)用于王坡煤礦3210孤島工作面[15]。李書民等過理論研究和現(xiàn)場(chǎng)勘查，探索了開切眼附近沖擊地壓發(fā)生的原因，提出了基于支承壓力估算的合理開切眼平面位置確定方法[16]。高士崗等研究了極近距離采空區(qū)下大斷面開切眼及相關(guān)硐室圍巖變形情況，通過理論計(jì)算得出無支護(hù)條件下頂板周期破斷距離為8 m，為開切眼架棚支護(hù)最大空頂距提供借鑒[17]。侯淵以磁窯溝礦11102切眼工作面作為研究對(duì)象，研究了該切眼工作面的施工工藝及支護(hù)參數(shù)，有效解決了近距離煤層大斷面開切眼支護(hù)問題[18]。楊涌等提出了“高強(qiáng)錨桿支護(hù)+大直徑錨索支護(hù)”為核心的軟弱泥巖頂板開切眼控制技術(shù)[19]。李紹良等研究了煤柱影響下的開切眼圍巖應(yīng)力環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)開切眼安全貫通提供了參考[20]。綜上所述。相關(guān)學(xué)者對(duì)采用綜掘機(jī)進(jìn)行大斷面開切眼的圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了大量研究，取得許多有益研究成果。然而，未見關(guān)于采用采煤機(jī)進(jìn)行擴(kuò)切眼方面的報(bào)道。因此，探索一種安全高效的擴(kuò)切眼工藝及支護(hù)技術(shù)，對(duì)提高綜采工作面開切眼質(zhì)量、施工效率和降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度意義重大。

本文針對(duì)目前大斷面綜采工作面綜掘機(jī)擴(kuò)切眼施工過程中存在不足，提出了采用采煤機(jī)擴(kuò)刷切眼工藝和“永久+臨時(shí)”支護(hù)相配合的方式進(jìn)行大斷面開切眼施工，并在焦家溝煤礦5307工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，應(yīng)用效果良好，可為類似條件大斷面開切眼和支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

焦家溝煤礦5307工作面位于礦井一水平三采區(qū)北翼，開采5#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，厚度1.7～2.1 m，平均1.9 m。煤層傾角0°～3°，為近水平煤層，采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法。5307工作面傾向長度150.5 m，走向長度1780 m，東側(cè)為5305采空區(qū)(留設(shè)20 m煤柱)，西側(cè)為設(shè)計(jì)開采的5309工作面。

5#煤層分布區(qū)域的地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層巖性較單一，巖體結(jié)構(gòu)多為厚層狀。5307工作面基本頂厚度3.42～22.99 m，巖性以細(xì)粒砂巖為主、中粒砂巖次之，強(qiáng)度較大。直接頂厚度5.33～21.54 m，巖性為油頁巖、泥巖等，強(qiáng)度較低。底板以泥巖為主，粉砂巖次之，強(qiáng)度較低。焦家溝煤礦5307工作面頂?shù)装鍘r性及強(qiáng)度見表1。

表1 焦家溝煤礦5307工作面頂?shù)装迩闆r

2 小斷面貫通工作面巷道

焦家溝煤礦5307綜采工作面貫通工作面兩巷的小斷面巷道(擴(kuò)切眼前)長度150.5 m，斷面尺寸為寬×高=3.6 m×2.6 m，頂板采用錨(桿)網(wǎng)+梯子梁聯(lián)合支護(hù)，兩幫采用樹脂錨桿支護(hù)。頂板螺紋鋼錨桿型號(hào)為?22 mm×2200 mm，錨桿間距×排距=800 mm×900 mm；高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索型號(hào)為?15.24 mm×7300 mm，單排居中布置，間距1800 mm，與頂板最中間錨桿對(duì)齊。工作幫距離切眼頂板800 mm布置一排型號(hào)為?18 mm×1500 mm的樹脂錨桿，排距為800 mm；邊界煤柱幫布置兩排型號(hào)為?15 mm×1500 mm的麻花錨桿，間距×排距=1000 mm×800 mm。螺紋鋼錨桿露出螺母長度10～100 mm，錨索露出鎖具長度150～250 mm，樹脂錨桿露出錨盤長度10～50 mm。每根錨桿使用CK2335型、K2360型錨固劑各一支。梯子梁由?14 mm的圓鋼焊成，頂部網(wǎng)片搭接為100 mm，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm，兩幫鋪設(shè)一排鋼筋網(wǎng)。5307工作面擴(kuò)切眼前小斷面巷道尺寸及支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 擴(kuò)切眼前巷道尺寸及支護(hù)方式(mm)

3 采煤機(jī)擴(kuò)切眼工藝和支護(hù)方式

3.1 擴(kuò)切眼施工工藝

3.1.1 擴(kuò)切眼設(shè)計(jì)尺寸

5307綜采工作面采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，主要設(shè)備型號(hào)為MG300/700-AWD型交流電牽引雙滾筒采煤機(jī)、SGZ764/400型刮板輸送機(jī)、ZY3200/15/29型液壓支架。擴(kuò)切眼前小斷面巷道尺寸為寬×高=3.6 m×2.6 m，顯然不能正常安裝以上設(shè)備，必須對(duì)之前的小斷面巷道進(jìn)行擴(kuò)幫。擴(kuò)切眼設(shè)計(jì)尺寸依據(jù)如下：

1)擴(kuò)切眼高度確定。焦家溝煤礦5307工作面擴(kuò)切眼高度計(jì)算公式為：

H=h1+h2+h3+h4+h

(1)

式中，H為擴(kuò)切眼高度，m；h1為液壓支架基面高度(包括軌道、道木、平板車高度)，m；h2為液壓支架收縮后的最小高度，m；h3為液壓支架運(yùn)輸安全間隙，m；h4為液壓支架頂梁底突出面至頂板最大處厚度，m；h為頂板下沉量，m。

2)擴(kuò)切眼寬度確定。焦家溝煤礦5307工作面擴(kuò)切眼寬度計(jì)算公式為：

B=L1+L2

(2)

式中，B為擴(kuò)切眼寬度，m；L1為支架安裝安全距離，m；L2為液壓支架長度，m；

根據(jù)焦家溝煤礦地質(zhì)及開采條件和液壓支架型號(hào)，h1=0.57 m，h2=1.5 m，h3=0.2 m，h4=0.15 m，h=0.05 m，L1=0.2 m，L2=5.2 m。將上述參數(shù)代入式(1)和式(2)得，擴(kuò)切眼的高度H=2.47 m，寬度B=5.4 m。

基于以上計(jì)算，為保證焦家溝煤礦5307工作面設(shè)備順利安裝，設(shè)計(jì)擴(kuò)切眼尺寸為寬×高=5.5 m×2.6 m，該空間能夠滿足ZY3200/15/29型液壓支架安裝要求。

3.1.2 擴(kuò)切眼施工設(shè)備

工作面擴(kuò)切眼施工采用MG300/700-AWD型電牽引雙滾筒采煤機(jī)割煤，截深600～700 mm，配SGZ-764/400刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，工作面運(yùn)輸巷使用SZZ-764/160型橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和DSJ1000/2×125型伸縮帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，支護(hù)設(shè)備選用MQT120風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)。

3.1.3 擴(kuò)切眼方法及工藝

1)采煤機(jī)割煤循環(huán)。根據(jù)擴(kuò)切眼設(shè)計(jì)尺寸，采煤機(jī)需要循環(huán)割煤3刀，其工序?yàn)椋孩?掛鉸接梁單體支護(hù)→割第一刀煤→錨桿支護(hù)→推移刮板機(jī)；② 割第二刀煤→錨桿和錨索支護(hù)→推移刮板機(jī)→掛鉸接梁單體支護(hù)；③ 割第三刀煤→錨桿支護(hù)→推移刮板機(jī)→掛鉸接梁單體支護(hù)→完成擴(kuò)切眼工程。

2)單體支柱臨時(shí)支護(hù)循環(huán)。采煤機(jī)擴(kuò)切眼前，應(yīng)先將運(yùn)輸巷帶式運(yùn)輸機(jī)、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)安裝好，再安裝工作面的刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)，并沿刮板機(jī)支設(shè)一排單體支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，單體支柱柱徑100 mm，支護(hù)間距1.5 m。鉸接頂梁距離邊界煤柱幫的距離為950 mm，鉸接頂梁長度1200 mm，單體支柱支設(shè)在鉸接頂梁550 mm位置處。采煤機(jī)采用斜切進(jìn)刀，第一刀從機(jī)尾向機(jī)頭保持在擴(kuò)切眼前的層位截割，每次割煤長度15～20 m，隨后采用錨桿進(jìn)行頂板永久支護(hù)，錨桿距離采煤機(jī)后滾筒不得大于2 m，每次循環(huán)支護(hù)完畢后，方可進(jìn)行下一循環(huán)，依次類推直至擴(kuò)切眼完畢。工作面擴(kuò)切眼單體支柱臨時(shí)支護(hù)循環(huán)方式如圖2所示。每次循環(huán)割煤后，頂板永久錨桿支護(hù)及時(shí)跟上，隨后在第一刀和第二刀煤中間進(jìn)行錨索支護(hù)。此外，推完刮板輸送機(jī)后隨即進(jìn)行單體支護(hù)。第三刀截深為700 mm，其余工序及支護(hù)流程與割第一刀煤和割第二刀煤相同。

圖2 工作面擴(kuò)切眼單體支柱臨時(shí)支護(hù)循環(huán)方式(mm)

3)刮板輸送機(jī)推移方式。擴(kuò)切眼期間，每割完一刀煤后，采用DW2.8或DW3.15單體液壓支柱配合加長腿的助推器進(jìn)行推移刮板機(jī)，推移刮板機(jī)期間距離采煤機(jī)10～15 m，刮板輸送機(jī)必須平直。割第三刀煤時(shí)的推移刮板機(jī)距離較第一刀煤和第二刀煤增加100 mm。

4)運(yùn)煤方式。工作面擴(kuò)切眼期間采用MG300/700-AWD型采煤機(jī)割煤，采用SGZ-764/400刮板輸送機(jī)裝運(yùn)煤，運(yùn)輸巷采用SZZ-764/160型橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和DSJ1000/2×125型伸縮帶式輸送機(jī)運(yùn)煤。

3.2 擴(kuò)切眼支護(hù)材料及支護(hù)參數(shù)

臨時(shí)支護(hù)采用DW2.8單體液壓支柱配DJB-1200鉸接頂梁“三梁二柱”的形式，并配鐵鞋進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。擴(kuò)切眼段頂板支護(hù)采用的螺紋鋼錨桿型號(hào)為?22 mm×2200 mm，錨桿間距×排距=600 mm×900 mm；高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索型號(hào)為?15.24 mm×7300 mm，兩根錨索間距2700 mm。擴(kuò)切眼后的巷道斷面形狀及支護(hù)方式如圖3所示。

圖3 擴(kuò)切眼后的巷道斷面形狀及支護(hù)方式(mm)

永久支護(hù)采用“螺紋錨桿(索)、錨網(wǎng)+梯子梁”聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿間排距為1100 mm×600 mm，每根錨桿安裝2根錨固劑，型號(hào)分別為MSCK2335和MSK2360。梯子梁采用規(guī)格為長×寬=3400 mm×70 mm；錨索布置方式與擴(kuò)切眼前的原錨索呈邁步式，每根錨索使用4根錨固劑進(jìn)行錨固，其中一根型號(hào)為MSCK2335的錨固劑，三根型號(hào)為MSK2360的錨固劑。擴(kuò)切眼期間的支護(hù)材料及參數(shù)見表2。

表2 擴(kuò)切眼期間的支護(hù)材料及參數(shù)

3.3 5307工作面設(shè)備安裝流程

焦家溝煤礦5307工作面擴(kuò)切眼期間設(shè)備安裝流程如下：布置液壓管路系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等→安裝工作面運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)和橋式裝載機(jī)→安裝SGZ764/400型中雙鏈刮板輸送機(jī)→安裝MG300/700-AWD型交流電牽引滾筒采煤機(jī)→沿刮板輸送機(jī)支設(shè)一排單體支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)→采煤機(jī)循環(huán)擴(kuò)切眼→永久支護(hù)→由工作面運(yùn)輸巷至工作面回風(fēng)巷逐根拆除單體支柱→及時(shí)跟進(jìn)安裝液壓支架。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

1)施工效率明顯提升。焦家溝煤礦5307工作面采用采煤機(jī)循環(huán)擴(kuò)切眼累計(jì)施工了2.5 d，即8個(gè)生產(chǎn)班，共割了3刀煤，高質(zhì)量完成了設(shè)計(jì)擴(kuò)切眼尺寸要求。同樣的工程量，傳統(tǒng)綜掘施工需要4 d，縮短了1.5 d，施工效率提升了37.5%。作業(yè)人員也由傳統(tǒng)綜掘施工的12人/班降至8人/班。

2)擴(kuò)切眼前后巷道圍巖變形實(shí)測(cè)規(guī)律。5307工作面采煤機(jī)循環(huán)割煤擴(kuò)切眼期間，分別在開切眼60 m(1#)和100 m(2#)位置處安設(shè)兩組圍巖觀測(cè)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用采煤機(jī)循環(huán)割煤擴(kuò)切眼，頂?shù)装逡平?00 mm左右，兩幫移近量60 mm左右，擴(kuò)切眼期間圍巖穩(wěn)定，無頂板破壞和煤壁片幫現(xiàn)象發(fā)生，圍巖穩(wěn)定性良好，有效保證了設(shè)備的正常安裝和安全開采。

5 結(jié) 論

1)采煤機(jī)循環(huán)割煤擴(kuò)切眼期間，采用“永久+臨時(shí)”支護(hù)的方式維護(hù)大斷面巷道穩(wěn)定性。采用螺紋錨桿(索)、錨網(wǎng)+梯子梁并配聯(lián)合的方式永久支護(hù)開切眼頂板，采用DW2.8單體液壓支柱配DJB-1200鉸接頂梁“三梁二柱”的形式進(jìn)行循環(huán)臨時(shí)支護(hù)，并配鐵鞋進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，擴(kuò)切眼期間圍巖移動(dòng)變形量較小，巷道穩(wěn)定，保證了工作面設(shè)備正常安裝和生產(chǎn)。

2)較同類尺寸綜掘機(jī)擴(kuò)切眼工程，采用采煤機(jī)擴(kuò)切眼工藝比傳統(tǒng)綜掘機(jī)施工縮短了1.5 d，施工效率提升了37.5%。作業(yè)人員也由目前綜掘施工的12人/班降至8人/班，減少了33.3%。

3)針對(duì)傳統(tǒng)綜掘機(jī)擴(kuò)切眼效率不高、施工質(zhì)量差、支護(hù)成本高和作業(yè)人員多等問題，提出了采用采煤機(jī)循環(huán)割煤擴(kuò)刷切眼工藝，在焦家溝煤礦5307工作面試驗(yàn)成功，可為類似條件礦井工作面擴(kuò)切眼提供借鑒。