大倾角三软不稳定煤层综放面推进缓慢原因与解决对策

贠东风雷 奇伍永平陈广平谷 斌杜荣华刘 柱张袁浩（.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,70054; 2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西省西安市,70054; .窑街煤电有限责任公司长山子煤矿,甘肃省张掖市,7400）



大倾角三软不稳定煤层综放面推进缓慢原因与解决对策

贠东风1,2雷 奇1伍永平1,2陈广平3谷 斌1杜荣华3刘 柱1张袁浩1
（1.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054; 2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西省西安市,710054; 3.窑街煤电有限责任公司长山子煤矿,甘肃省张掖市,734100）

摘要长山子煤矿1125综放工作面回采大倾角三软松散不稳定煤层,顶板围岩破碎且伴有淋水。工作面自初采以来4个月推进速度极其缓慢（机巷与风巷分别累计推进仅20 m和38.3 m）,其主要原因是顶板淋水、煤层夹矸、支架倾倒以及综采队经验不足等。提出了解决1125工作面推进缓慢的对策。

关键词大倾角煤层 三软不稳定煤层 综放工作面 工作面推进 推进速度

1　工作面概况

窑街煤电集团有限责任公司长山子煤矿于2014年建成投产,矿井设计生产能力为0.60 Mt/a,主采煤层为大倾角软顶软底松散不稳定煤层。1125综放面位于井田11采区南翼,开采二－2煤层,煤容重为1.4 t/m3,煤层平均厚度6.8 m,煤层平均倾角32°,煤质极松软,普氏硬度系数f为0.8。煤层顶、底板岩性特征如表1所示。顶板岩石和底板岩石质量指标RQD值分别为48%～75%、36%～58%,煤层赋存不稳定,属软顶软底松散不稳定煤层。

工作面走向长度300 m（由于煤层赋存不稳定,此工作面煤层厚度适宜综放开采的走向长度仅300 m）,倾斜长度70.9 m,平均采高2.6 m,设计平均放煤高度3.4 m,采放比1∶1.6,两采一放,放煤步距1.2 m。工作面共安装49架液压支架,其中ZYF5000/18/32型基本支架47架, ZFG5600/19/32型过渡支架两架,ZFT16000/20/ 32型端头架一组。

表1　煤层顶底板岩性特征

2　工作面推进缓慢原因分析

1125大倾角软顶软底松散不稳定煤层综放工作面于2015年5月22日初采。6月－8月3个月实际割煤天数仅为30 d,每天割煤仅一刀或不足一刀。截至2015年9月4日,机巷与风巷累计推进分别仅为20 m和38.4 m。回采期间,工作面顶板发生淋水、煤层出现厚层砂岩夹矸,这在首采1121工作面未曾遇到。顶板淋水加剧支架下滑倾倒,厚层砂岩夹矸造成采煤机故障,支架倾倒严重,再加上因熟练操作工流失被迫重组综采队等诸多因素,严重制约了工作面推进速度,造成工作面在徘徊中艰难推进。本文主要从顶板淋水、煤层夹矸、支架倾倒和经验不足这4个方面综合分析找出工作面缓慢推进的原因。

2.1顶板淋水

顶板淋水是影响和制约煤矿作业环境的主要因素之一。1125工作面在2015年6月9日机巷推进5.8 m,风巷推进8.8 m时,1＃～28＃支架及43＃支架顶板处突发淋水,涌水量为6.7～10 m3/h,造成机巷在距离工作面100 m范围以内水和煤泥淤积严重,积水最深处达500 mm,行走、作业非常困难。经分析,1125工作面以煤二层顶板新河组砂砾岩含水层为直接充水源。该含水层充水为孔隙裂隙水,是顶板淋水的直接来源。此段顶板岩石裂隙发育,但裂隙窄小,通过裂隙补给水量有限,淋水量不大,但淋水持续时间较长。顶板泥岩及顶煤被淋水长时间冲刷,使液压支架顶部悬空,导致稳定支架作用的摩擦力变小,且支架未达到额定初撑力,促使支架发生失稳,顶煤与顶板破碎漏冒。其中,8＃～20＃支架倾倒严重,支架倾角高达40°～58°。顶板淋水前与淋水中支架倾角变化如图1所示。

图1　顶板淋水前、淋水中支架倾角实测结果

顶板淋水持续37d,致使1125综放面6月5日～7月23日机巷和风巷累计推进分别仅为10.4 m和18.1 m,严重影响了工作面推进速度。

此外,遇水泥化的极软末煤淤积堵塞运输系统,特别是煤泥固结成团堵住煤仓放煤口导致不能放煤而被迫爆破疏通。

2.2煤层夹矸

6月11日当1125工作面机巷推进6.4 m,风巷推进9.4 m时,煤层出现夹矸。经现场实测, 1＃～12＃支架处夹矸较厚,约1.8 m,向上至22＃架处矸石厚度逐渐减小并尖灭;7月3日,机巷推进12.4 m,风巷推进17.2 m时,1＃～30＃液压支架前方煤壁再次出现夹矸,其中1＃～10＃架处矸石厚度较大,最大厚度为2.8 m,平均厚度为2.6 m。夹矸为中砂岩、粉砂岩,灰黑色,节理发育,硬度较大。工作面遇到夹矸初期,尝试过采煤机直接截割夹矸,滚筒截齿磨损严重,每班必须更换磨钝的截齿。更为严重的是到8月19日,因截割夹矸负载过大导致采煤机摇臂损坏,至24日摇臂才换好。煤层夹矸持续56 d,其中,7月3日－7月23日,工作面煤层夹矸和顶板淋水同时存在,工作面在这段时间推进缓慢,机巷和风巷累计推进分别仅为5.6 m和11.5 m。

2.3支架倾倒

1125工作面设计采用“水平－圆弧－倾斜”的过渡布置方式,如图2所示,即机巷沿顶板布置,通过一水平段与圆弧段相连逐渐过渡到工作面倾斜段。

图2　1125工作面布置方式

这种布置方式有效地遏制了开采设备的整体下滑,改善了支架受力状态,减少斜面基本支架倾角以及对端头架的侧向推力,能够保证工作面下部出口畅通。但是,这种布置方式同时也带来了为保持圆弧段曲率需要对圆弧段提底挑顶割煤问题,很容易造成支架倾倒。由于长山子煤矿煤层为不稳定赋存特征,因煤层变薄导致圆弧段变短,曲率增大,圆弧段实际为折线段。因此造成处于折线段的5＃～8＃液压支架顶梁相互挤紧,圆弧段支架对工作面支架的下滑与倾倒的抑制作用丧失,结果造成折线转折点处的支架严重倾斜。继而折线转折点以上的支架倾倒加剧,倾角平均达到47°。6月－8月间支架持续发生大范围倾倒,6月期间,8＃～20＃支架倾倒严重,倾角高达40°～58°;7月－8月期间,中下部5＃～25＃支架倾倒严重,倾角高达40° ～60°,1＃～19＃支架尾部不同程度下摆;5＃～30＃支架不同程度空顶;随后工作面进行调架,但调架中顶煤在支架的反复支撑下破碎、漏冒,造成支架空顶严重,支架依旧未能扶正。7月30日～8 月14日支架持续倾倒且程度加重,特别是8月14日处于工作面下部折线段转折点的6＃支架倾角高达60°,导致整个工作面多次瘫痪。

1125工作面所用支架存在两大缺陷:一个缺陷是由于该液压支架是首采的1121工作面使用过的支架,支架升井后矿方进行过常规检修并补焊了扶架拉环和单体支柱柱窝,但侧护板伸缩不畅的故障仍未根本解决;另一个缺陷是由于支架伸缩前探梁伸出后相邻前探梁间隙较大,碎末软顶煤漏冒并向上扩展,造成支架接顶不实易倾倒。这两大缺陷直接制约着拉架与调架速度和支架的稳定性,导致工作面难以快速推进。

经实测,6月－8月因支架倾倒导致机巷和风巷累计推进分别仅为18.6 m和36.1 m。

2.4经验不足

近几年煤炭市场持续低迷,尽管窑街煤电公司和长山子煤矿均采取了更为优惠的政策吸引并留住人才,但综放队熟练技能工仍时有流失。1125综放面初采时矿方被迫从开拓队抽调20多名工人补充到综放队。现在的综放队中具有大倾角煤层开采经验的熟练工严重不足,暂尚不能熟练驾驭大倾角三软不稳定煤层综放面的生产。经验不足、操作不熟练直接影响工作面正常推进,整体出勤率较低,并形成恶性循环。

此外,工作面变短也造成了推进艰难。1125工作面设计为伪仰斜布置,即机巷超前风巷9.5 m,减少工作面真倾角,以获得推前溜时上窜量抵消下滑量。但在工作面实际推进过程中,煤壁片帮并诱发架前冒顶严重,后将工作面由伪仰斜逐渐调整为真倾斜,机巷与风巷同步推进,再加上煤层倾角变大,导致工作面长度变短。因此,工作面于2015年7月8日和9月10日被迫进行两次停产减架,分别将49＃、48＃架撤出工作面。因经验不足,撤架速度极其缓慢。

3　加快工作面推进的对策

基于上述工作面缓慢推进原因综合分析,为扭转工作面缓慢推进的被动局面,加快工作面推进速度,采取了以下对策。

3.1探导排顶板淋水

针对顶板淋水,结合现场煤层倾角大和顶板淋水主要发生在支架顶梁间的实际,主要采取超前钻孔探放水和废旧风筒导水。超前钻孔探放水是在超前工作面的机巷向顶板砂砾岩含水层打探放水钻孔,提前疏放顶板积水,使采煤工作面形成弱水或无水带。废旧风筒导水是在支架顶梁下方将废旧风筒布呈槽形悬挂,在下端头将其与废旧导水风筒连接,收集顶梁处的淋水并引导至机巷临时水仓后集中用潜水泵排出。经现场实测,采用超前钻孔探放水后,支架顶部淋水量降为0.6～1.1 m3/h,较探放水之前明显减少;利用废旧风筒导水后工作面淋水得到控制,煤泥量大幅度减少,工作面环境得到明显改善。

3.2爆破松动处理夹矸

本工作面夹矸赋存位置为煤层中下部,夹矸厚度1.4～3.8 m,平均厚度为2.6 m,岩性为中砂岩、粉砂岩。因采煤机直接切割矸石异常困难,就采用爆破松动处理。以夹矸厚度的1/3从夹矸底部向上布置双排炮眼。炮眼排距为夹矸厚度的1/3,炮眼间距0.9 m,炮眼深度1.2 m。炮眼布置方式如图3所示。

图3　炮眼布置方式

爆破松动处理矸石获得了良好的松动爆破效果,大幅度减小了采煤机截割矸石阻力,降低了采煤机故障率,加快了采煤机进刀速度,由每天仅勉强割煤1刀或不足1刀提高到每天割煤2刀或3刀。

3.3动态扶正倾倒支架

大倾角软顶煤综放面液压支架最容易失稳,稳定性控制难度大,特别是倾倒支架扶正因软顶煤冒漏更加艰难,需采用动态扶架。动态扶架即“护－扶－移－稳”,在扶起支架的同时将支架前移,使支架尽快进入实体煤以恢复支架顶部受力,从而实现支架的自稳。

鉴于长山子煤矿首采的1121综放面扶架过程遇到了支架上缺少连接钢丝绳挂钩拉环（当时扶架时只好连接到千斤顶上或其他耳座上）和稳固单体支柱柱窝导致安全隐患较大。针对这两个缺陷,矿方对本工作面所用支架进行了改进,为安全扶架提供了良好条件。

采用动态扶架方法比较顺利地扶正了倾倒支架,为工作面恢复生产奠定了坚实基础。

3.4工作面生产外包

针对综放队人员操作不熟练且短时间难以自主解决工作面缓慢推进的具体情况,经统筹考虑后决定通过引进经验丰富综采队的外援方式,将长山子煤矿1125工作面生产承包给富有综放开采大倾角厚煤层经验的靖远煤业集团新疆伊犁公司,委托其负责工作面生产并技术指导长山子煤矿综放队。

外包之后,1125工作面生产被动的局面逐步好转,每日割煤从1刀提高到2刀或3刀,工作面安全和质量标准化达到良好等级。在靖远煤业集团新疆伊犁公司承包队指导下,长山子煤矿综放队整体操作水平在逐步提高并不断积累经验。

外包方式较好地解决了因长山子煤矿综放队工人操作不熟练导致的工作面生产被动局面。

至于支架侧护板伸缩不畅和相邻支架前探梁间隙漏煤矸的缺陷以及工作面变短等既成事实的问题尚难解决,建议将其列为专题并在下一个接替工作面投产之前集中攻关解决。

4　结论

（1）1125综放面回采期间推进速度缓慢,其影响因素主要有顶板淋水、煤层夹矸、支架倾倒以及综采队经验不足等。工作面推进慢的问题直接影响了该矿的生产效率,是该矿现阶段面临的主要问题之一。

（2）采用超前探导排方式有效地控制了顶板淋水,抑制了顶板淋水导致支架倾倒和工作面环境的劣化。

（3）采用爆破松动处理煤层夹矸,显著降低了采煤机负载和摇臂与截齿损坏故障。

（4）采用动态扶架方法,比较顺利地扶正了倾倒支架,使液压支架恢复自稳。

（5）工作面生产对外承包是扭转缓慢推进的直接举措。矿综放队人员在外包队指导下逐步提高操作水平,积累经验,为独立自主掌握大倾角软顶软底松散不稳定煤层综放面开采技术奠定了基础。

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（责任编辑张毅玲）

Causes and measures of difficult advance in fully mechanized caving face in soft and unstable seam with large dip angle,soft roof and soft floor

Yun Dongfeng1,2,Lei Qi1,Wu Yongping1,2,Chen Guangping3,Gu Bin1, Du Ronghua3,Liu Zhu1,Zhang Yuanhao1
（1．School of Energy,Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2．Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention,Ministry of Education, Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 3．Changshanzi Coal Mine,Yaojie Coal and Electricity Co．,Ltd．,Zhangye,Gansu 734100,China）

AbstractThe No．1125 fully mechanized caving face of Changshanzi Coal Mine was in soft and unstable coal seam with large dip angle,soft roof and soft floor,and the roof was in broken surrounding rock with water seepage．In view of the very slow advance speed since the time of beginning mining that head entry advanced only 20 m and tail entry advanced only 38．3 m during the four months,the causes of that were analyzed．The results showed that the water seepage in the roof,the seam with partings,the inclined supports and the lack of working experience were the main causes．On this basis,the measures for solving the difficult advance in the No．1125 fullymechanized caving face were proposed．

Key wordscoal seam with large dip angle,soft and unstable seam with soft roof and soft floor,fully mechanized caving face,coal mining face advance,advance speed

中图分类号TD823.8

文献标识码A

作者简介:贠东风（1962－）,男,陕西临潼人,1984年毕业于西安科技大学（原西安矿业学院）,现任教授、硕士生导师,主要从事巷道支护、复杂煤层开采与系统复杂性方面的教学与科研工作。