高瓦斯大采高综采工作面停采支护技术研究

王存权

(大同煤矿集团云岗矿,山西省大同市,037017)

★煤炭科技·开拓与开采 ★

高瓦斯大采高综采工作面停采支护技术研究

王存权

(大同煤矿集团云岗矿,山西省大同市,037017)

讨论了高瓦斯大采高综采工作面停采支护设计的关键问题。提出了停采过程中工作面的支护方案。该支护方案在云岗矿3个工作面进行了应用,实现了综采工作面的安全快速搬家。

高瓦斯煤层 厚煤层开采 综采工作面 工作面搬家 停采支护

AbstractThe author of this article discusses the key problems in the design of support for use in longwall coal face stoppages in highly gassy coal seams with big mining heights and the technical scheme for such support.The technical schemes for such support are tried out in three coal faces in Yungang Coal Mine.The application effects indicate that a safe and fast face move is realized by applying this application.

Key wordshighly gassy coal seams,thick coal seam mining,longwall face,face moving, support for face stoppage

1 矿井概况

云岗矿位于山西省大同市西郊云岗沟内,距大同市区18 km,开采大同侏罗纪煤层,井田南北长13.1 km,东西宽 5.75 km,面积59.0003 km2。矿井开拓方式为立井、斜井混合式开拓,主运输水平+980 m,辅助运输水平+1030 m。矿井通风方式为分区抽出式。目前,该矿主要开采煤层为井田南部12#煤层410盘区。

1.1 工作面概况

该矿410盘区大采高综采队已采出3个工作面,工作面基本情况见表1。

表1 工作面基本情况表

工作面的伪顶为碳质泥岩,局部层理节理较发育,厚度0.2～0.9 m;直接顶为灰白色中砂岩-粉细砂岩互层,厚21.44～14.6 m,含二硫化铁结核,水平层理发育,普氏硬度系数 f=7以上;直接底为灰白色细砂岩-粉细砂岩互层,层理发育,厚度5.96～3.31 m。

工作面煤层为一单斜构造,北高南低,局部有一层夹石,厚度0.85～0.5 m,平均0.6 m。8611工作面无断层及其他构造,81001和81003工作面有断层7条,落差从0.6～1.7 m,冲刷一处,冲刷地点煤层最薄处为3.0 m。工作面煤层距9#煤层约为39m,距7#煤层约为73 m,距3#煤层约为112 m。

1.2 工作面配套设备

3个工作面设备均配备MG800/2000-GWD型双滚筒采煤机1部、ZZ9900/29.5/50型支撑掩护式支架百余架、SGZ-1000/1050型刮板输送机1部、SZZ-1000/375型转载机1部、PCM-250型锤式破碎机1台、BRW500/31.5型乳化液泵2台,以及SSJ-1200/250×2型可伸缩带式输送机1部。

ZZ9900/29.5/50型支撑掩护式支架技术特征:支架初撑力7734 kN(P=31.4 MPa);支架工作阻力 9900 kN(P=40.2 MPa);支架支撑高度2.95～5.0 m;支架中心距1.75 m;支架重量31.5 t。

1.3 采煤工艺

采用倾斜长壁后退式综合机械化采煤工艺,采煤机落煤、装煤,采用刮板输送机运煤,液压支架支护工作面顶板,采用自然垮落法结合人工强制放顶管理采空区顶板,采高4.8 m,煤层厚度大于4.8 m时,见底板留顶煤开采,煤层厚度小于3.0 mm时,根据工作面实际情况割底或割顶开采,循环进度0.865 m。

2 停采支护设计方案

2.1 关键参数的选择

因大采高工作面采场空间大,断面大,采空区和机道顶板容易塌落,工作面煤壁容易产生深度片帮,在停采和撤架期间易发生冒顶事故。根据大采高工作面实际情况,在进行停采支护设计时,要充分考虑工作面的特点及撤退设备的需要,确定以下参数:

(1)明确合理的停采线位置,并对停采线附近顶板岩性、上覆状况等情况进行钻孔分析,以避免或减少顶板周期来压、上覆应力区等对收尾的影响;

(2)确定合理的采高、留顶煤或留底煤收尾及撤架机道宽度;

(3)确定铺设金属网长度、位置、金属网层数和规格;

(4)根据顶板岩性,确定锚索和锚杆支护的间排距、锚索长度;

(5)确定工作面煤壁护帮措施;

(6)考虑顶板难以支护及发生变化时的补强支护措施。

2.2 停采支护方式的选择

2.2.1 停采期间采高的确定

停采期间要选择合理的采高,主要有以下考虑:

(1)降低采高可缩小采场空间,有利于停采支护对顶板的有效维护;

(2)合理的采高应满足停采后撤架通道的高度和支架转向方便的需要;

(3)采高要留有余量,以防止因停采后和撤架期间工作面顶板压力逐渐增大,顶板下沉量也逐步加大,造成撤架通道高度降低和压架事故发生。

由于工作面使用ZZ9900型液压支架,支架支撑高度为2.95～5.0 m,支架主顶梁平面至侧护板下端的高度为0.6 m。因此,工作面停采期间的采高为最小支撑高度 (2.95 m),加上支架主顶梁平面至侧护板下端的高度 (0.6 m),再加上备用高度,根据生产过程中顶板来压及支架收缩情况,备用高度取0.65 m,因此采高确定为4.2 m。

2.2.2 停采期间割煤工艺的确定

由于工作面停采期间煤层厚度最低在5.1 m以上,且采高确定为4.2 m,故需要选择留顶煤还是留底煤割煤。考虑到停采过程中,直接顶不平整,顶煤在0.9～2.5 m之间变化,顶煤能够完整留住且采煤机可以割平顶板,保证顶煤平整,有利于支架接顶。同时,如果留底煤开采,则撤设备及支架时,由于底煤松软会出现凹凸不平现象,给设备的行走带来困难。如果留顶煤见底板停采,由于底板坚硬有利于设备快速撤走。因此,停采期间选择留顶煤见底板的割煤工艺。

2.2.3 撤架机道宽度的确定

根据工作面支架撤出时所需转向宽度的理论计算和现场实测,支架降到4.0 m时所撤支架要求机道宽度为4.3 m,考虑到外部原因和其它余量,确定撤架机道宽度为4.6 m。

2.2.4 工作面停采支护方法的确定

工作面停采过程中顶板采取“网+绳+梁+锚索”方式支护。

(1)金属网为1.95 m×5 m菱形网 (根据本支架定制),铺网长度17 m(前1.5 m落地段为单层,后面垂直段和铺顶段为双层),见图1。

(2)从距液压支架顶梁端0.5 m开始每隔0.8 m布置一根倾向钢丝绳,通过锚索将钢丝绳两端分别固定在工作面头尾端头,钢丝绳要拉紧绷直,中间每隔0.2 m用联网铁丝与顶网固定,见图1。

(3)液压支架顶梁上布置3排倾向梁,梁长4.5 m;每个支架中心线对正机道位置布置1根走向梁 (锚索梁),梁长4.8 m,钢梁两端打眼用锚索固定,见图2。

(4)液压支架顶梁及机道上方布置7排锚索,锚索直径15.24 mm、长6.0 m;其中机道上方可布置成3排锚索或补强为3排锚索与2排锚杆联合支护的方式,见图2。

工作面煤壁护帮支护方式为:金属网+4排锚索锚杆,从上往下分别为锚索、锚杆、锚索、锚杆,距顶板距离分别为0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.3 m,锚索长4.0 m,螺纹钢锚杆长1.7 m,其中最上面一排锚索要有仰角,锚固在顶板上。现场需要时,最上面的一排可补强为1 m的短锚索梁。2.2.5 停采期间“一通三防”

工作面采用一进一回的“U”形通风,工作面配风量为1800 m3/min。由于工作面瓦斯最大涌出量15 m3/min,当工作面开采至150 m后,上隅角瓦斯涌出量明显增大。采取的措施有:在工作面尾部安装了2道可伸缩式风帐;在回风巷安装JBT-52型 (功率2×11kW)抽出式通风机,用来排放工作面上隅角瓦斯;另外要保证瓦斯检测、监控设备的正常使用及维护。

根据工作面的开采工艺和防火经济指数,并参考该矿综放面的防火经验,决定采用喷洒阻化剂的工艺防止采空区遗煤自燃。喷洒方法是分别在上下巷道建立移动式阻化泵站,选用阻化效果好的工业氯化钙 (CaCL2·5H2O)作为阻化剂,向采空区喷洒阻化溶液,阻化溶液浓度必须达到 15%～20%。在生产过程中,重点为“三线一带”的喷洒,一周2次。距停采线40 m范围内,除在上、下隅角各20 m喷洒外,还在工作面中部进行加强喷洒。

2.2.6 设备回收方法

在工作面头、中、尾部分别安装45 kW双速绞车,在工作面回风巷 (设备撤出使用的巷道)超前位置打一设备吊装硐室用于设备装车。撤架过程采用机道布置两个掩护支架进行撤架,每撤1架支架,掩护架迈步前移1次,使用丛柱支护撤架三角区空间。

3 应用效果分析

通过该矿3个大采高工作面的停采搬家实践,应用多种支护技术的变化与组合,尤其是铺设钢丝绳与锚索网联合支护,对于撤架三角区与机道顶板的支护起到了较好效果。

双层金属网与倾向钢丝绳对破碎顶板的包裹效果好,不宜发生扯网现象。

倾向梁、锚索配合有效支护了支架上方顶板,并有利于撤架三角区的形成和加强临时支护,保证了撤架安全。

锚索与走向梁的配合使主动与被动支护融为一体,有效地将顶板加固为稳定的整体结构。

工作面煤壁通过锚网护帮,解决了煤壁片帮和顶板边角发生大的离层问题。

由于工作面采高在4.2 m,停采支护期间架梁、安装钢丝绳、安装托板、挂网挑网等均需登高作业,要使用专业凳子并在机道支设木支柱作为临时支护。

为防止工作面煤壁片帮扩大,护帮时采取先割顶刀并支护上半部煤壁,再割底刀并支护下半部煤壁,从而实现了有效护帮与操作安全。

4 结论

高瓦斯厚煤层大采高综采面停采支护技术,由于对顶板尤其是撤架通道上方顶板的强力支护,在投入上比一般综采工作面要大,但杜绝了回撤设备与支架期间的顶板下沉及破碎冒落、扯金属网、压架等事故,避免了后续顶板支护材料和工时投入。该方案在技术上可行,安全上可靠,使搬家总时间大幅缩短为12 d,提前10 d进入新工作面生产,为同类情况下的停采支护工作积累了宝贵的经验,有较大推广价值。

[1]朱庆文.大采高综采工作面成套技术 [J].煤炭技术, 2004(11)

[2]杨绪忠,李波,刘思佳.综采工作面拆除时的顶板管理 [J].煤矿开采,2002(4)

[3]田文良,朱加强.锚网支护技术在综采工作面收作中的应用 [J].煤矿现代化,2006(5)

[4]秦其智.大采高工作面停采顶板支护新方法 [J].科技信息,2009(23)

[5]邵玉峰.利用锚网锚索联合支护来实现综采工作面的快速回撤 [J].黑龙江科技信息,2009(17)

(责任编辑 张毅玲)

A research on the support for longwall face stoppage in highly gassy coal seams with big mining heights

Wang Cunquan

(Yungang Coal Mine,Datong Coal Mine Group Co Ltd,Datong,Shanxi province 037017,China)

TD355.44

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王存权 (1966-),男,山西大同人,硕士研究生,高级工程师,现任大同煤矿集团公司云岗矿矿长,长期从事煤矿生产管理工作。