塔山礦特厚煤層綜放開采的實踐及展望

張有喜

(大同煤礦集團有限責(zé)任公司, 山西 大同 037003)

綜放開采技術(shù)因其高產(chǎn)高效、低能耗、經(jīng)濟效益顯著，已成為我國厚煤層開采的主要技術(shù)途徑。但對于厚煤層綜放開采的研究與實踐，一般僅限于煤層厚度小于10m。對于煤厚為15～25m的特厚煤層的綜放開采，目前我國還處于探索階段。對該類條件下綜放開采的巖層運移規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)特征及支架選型均處于研究階段。大同礦區(qū)石炭系特厚煤層的綜放開采，已在塔山礦的5個工作面進行了有益的嘗試。

1 塔山礦特厚煤層的地質(zhì)及開采技術(shù)條件

1.1 地質(zhì)條件

塔山礦現(xiàn)開采石炭二疊系太原組3～5#特厚煤層，煤層埋深400～520m，與上覆侏羅紀(jì)煤層間距為374～400m。3～5#煤層為合并層，煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化大，厚度在13～26m之間，平均厚度為18 m左右，是極復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層傾角2°～5°，平均3°。由于煌斑巖的侵入破壞，上部煤層受熱變質(zhì)或硅化，煤層結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，煤層由上至下節(jié)理、硬度不同，上部煤層結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理非常發(fā)育、質(zhì)軟易碎，普遍含3～9層夾矸。夾矸的巖性主要以高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥巖為主，局部為粉砂巖或細砂巖。下部煤層節(jié)理較發(fā)育，煤層堅固性系數(shù)f=2.7～3.7。開采區(qū)域頂板巖性變化大，主要是高嶺質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、細砂巖、煌斑巖、煤線、砂質(zhì)泥巖等組成的互層，分層厚度小，為典型的復(fù)合頂板，頂板巖石抗壓強度一般為29MPa～67MPa。但距煤層上部15～20 m，局部發(fā)育有較厚層的粉砂巖頂板，分層厚度在8～11m左右。底板為高嶺質(zhì)泥巖、碎屑高嶺巖和粉砂巖。瓦斯涌出量較大，瓦斯具有爆炸危險性，煤層自燃發(fā)火期短。

1.2 開采技術(shù)條件

已開采的8102、8103、8104、8202、8206等5個工作面，開采條件大致相同，工作面兩巷布置一進一回，并在煤層頂板中布置1條瓦斯高抽巷。工作面長度為230.5 m或207 m，機采高度為3.5 m，頂煤厚度為7.5～22.7 m，采煤工藝為頭尾端頭斜切進刀，雙向割煤，循環(huán)進度0.8m，采放工藝為一刀一放多輪順序放煤，頭尾過渡支架不放煤。

8102、8202兩工作面使用ZF10000/25/38低位放頂煤液壓支架， 8103、8104、8206工作面使用ZF13000/25/38支架，5個工作面使用的其他機電設(shè)備基本相同。

2 綜放開采的實踐

2.1 松軟破碎大斷面煤層巷道支護技術(shù)

塔山礦特厚煤層采用綜放采煤工藝，綜放工作面兩順槽巷道的支護出現(xiàn)以下新困難：①綜放工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進，巷道頂板是煤層。在同樣采高的條件下，煤層厚度越大，頂煤越厚。松軟、破碎煤層頂板顯著增加了巷道的支護難度。②隨著回采工作面設(shè)備的大型化，開采強度與產(chǎn)量的大幅度提高，為了保證正常的運輸、通風(fēng)及行人，要求的巷道斷面越來越大。塔山回采巷道寬度已達5～6m，高度3.3～3.6 m，斷面積達15～20m2，由此形成超高煤幫、特大斷面巷道。巷道高度的加大，顯著影響煤幫的穩(wěn)定性與變形，進而影響整個巷道圍巖的穩(wěn)定，給巷道支護帶來極大困難。

一般錨桿支護理論和現(xiàn)場實踐認(rèn)為：錨、網(wǎng)支護技術(shù)主要適用于單一煤層，不適用于特厚、巨厚煤層。近年來，隨著圍巖松動圈理論的發(fā)展和錨索支護技術(shù)的成功應(yīng)用，在厚煤層中錨桿、錨索技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過支護方案比較和技術(shù)論證，塔山礦特厚煤層巷道最終選用了錨桿、鋼帶、錨索、網(wǎng)聯(lián)合支護方式。具體支護參數(shù)、施工及監(jiān)測：①頂錨桿采用4級鋼筋制作的φ22～2400mm高強度錨桿，錨桿間排距均為900mm，樹脂加長錨固，錨桿托盤為100mm×100mm×8mm蝶形托盤，W鋼帶配合金屬網(wǎng)護頂，W鋼帶厚3mm，寬150mm，長5000mm。②錨索采用直徑為17.8mm的1×7股鋼絞線，長度8300mm，每三排錨桿打設(shè)3根錨索，錨索間排距分別為1600mm和2700mm，錨索托盤為300mm×300mm×10mm平托板。③在煤層條件變差時，錨桿排距調(diào)整為700mm。④內(nèi)側(cè)幫采用φ18～1800mm圓鋼錨桿，樹脂端部錨固，托盤為混凝土托板(內(nèi)置鋼筋)，長度500mm；外側(cè)幫采用φ22～2000mm左旋無縱筋高強錨桿，配合500mm長16#槽鋼，巷幫采用塑料網(wǎng)護幫。⑤施工時，使用機械緊固機具給錨桿螺母施加400N·m的預(yù)緊扭矩，主動支護系數(shù)達到了0.55，實現(xiàn)了高主動支護性。⑥錨桿托盤與螺母之間使用減磨墊圈，不使用金屬墊圈。⑦使用了頂板離層在線監(jiān)測報警系統(tǒng)。

由于采用了高主動性、高強度、高剛度的聯(lián)合支護技術(shù)，實現(xiàn)了巷道掘進的快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效，總結(jié)出了一套松軟破碎煤層中大斷面巷道的掘進支護經(jīng)驗，使大同礦區(qū)的軟巖巷道支護技術(shù)水平上了一個臺階。

2.2 工作面端面破碎頂煤的控制技術(shù)

現(xiàn)場生產(chǎn)實踐表明，特厚煤層綜放開采條件下，當(dāng)煤層為軟及中硬時，工作面端面頂煤的穩(wěn)定性的良好控制，對于支架能夠良好接頂，充分發(fā)揮支架工作阻力具有重要意義。

理論研究及生產(chǎn)實踐均表明，縮小端面距、提高支架初撐力、對端面頂煤及煤壁及時封閉、及時移架減少頂煤暴露后的無支護時間，是有效維護端面頂煤穩(wěn)定的有力措施。它們可以減小端面頂煤區(qū)域存在的拉應(yīng)力區(qū)域，減弱或消除端面頂煤的受拉破壞。

塔山礦特厚煤層綜放面雖然為中硬煤層，但下部煤層節(jié)理較發(fā)育，加之工作面推進過程中揭露的多條小斷層及侵入體構(gòu)造，使得煤層節(jié)理、裂隙更加發(fā)育，尤其在工作面頂板來壓時，進一步加劇了端面頂煤的破碎。8102綜放面曾多次發(fā)生機道頂煤漏冒，冒落高度一般在2.0m左右，最高見火成巖頂板。機道頂煤漏冒造成支架不接頂，繼而造成工作面頂板出現(xiàn)臺階下沉，極易造成壓死支架。

針對ZF10000支架維護端面頂煤較弱的情況，ZF13000支架在支架前梁上增加了伸縮梁(梁長600mm)，既使得端面距由458 mm減小到0，又對端面頂煤及煤壁能夠及時封閉，極大地改善了端面頂煤的穩(wěn)定性，現(xiàn)場使用效果良好。

2.3 工作面壓架防治技術(shù)

8102綜放工作面是同煤集團石炭系特厚煤層開采的第一個工作面，煤層厚度平均16.87m。工作面使用ZF10000支架，使用中頂板來壓時發(fā)生了嚴(yán)重的壓架事故，開采期間累計損壞立柱98根，處理壓架事故，造成工作面推進緩慢，嚴(yán)重影響正常安全生產(chǎn)，同時在處理壓架時,也帶來安全隱患。如何預(yù)防支架壓架事故成為工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

特厚煤層開采工作面采放厚度大，采空區(qū)的冒落高度相應(yīng)也較高，要使冒落巖石充滿采空區(qū)，使工作面上覆巖層形成平衡結(jié)構(gòu)，防止老頂沖擊來壓，這個高度最少也在40m以上。電視鉆孔、微地震監(jiān)測也證明了頂板的活動高度，在42～50m左右。這就相應(yīng)要求支架的工作面阻力，必須支撐平衡結(jié)構(gòu)以下的頂板巖石自重重量。計算表明，工作面開采煤層的平均厚度為17m左右時，頂板來壓時支架的最大工作阻力在1223～1412T，多數(shù)小于1300T。因此，研發(fā)了工作阻力13000kN的液壓支架，在塔山礦特厚煤層綜放開采的第二個工作面8103綜放面進行了使用。

但在8103工作面開采的前半段時間，即2007年10月～2008年6月(該面2007年9月1日正式生產(chǎn)，2009年2月結(jié)束)中，主要由于現(xiàn)場管理方面的原因，頂板來壓顯現(xiàn)仍較強烈，仍然經(jīng)常造成支架前移困難，并多次發(fā)生壓架事故(開采期間頂板來壓共計160次，壓架事故共發(fā)生36次，均發(fā)生于2007年10月～2008年6月)，嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)，處理壓架既費時又不安全，同時容易損傷支架。

通過技術(shù)攻關(guān)，先后從放煤工藝、支護質(zhì)量、推進度、液壓系統(tǒng)等方面進行了試驗研究，尋求防治工作面壓架的有效措施。

1)提高支架初撐力。研究發(fā)現(xiàn)，支架初撐力與支架活柱下縮量密切相關(guān)。支架初撐力的大小，很大程度上決定著支架立柱的實際運轉(zhuǎn)特性。提高支架初撐力，可以明顯降低頂板的早期下沉，減小來壓時支架活柱的縮量，有效預(yù)防壓架。

2)定期更換安全閥。研究發(fā)現(xiàn)，安全閥的完好率與支架壓架的可能性成明顯負相關(guān)。安全閥的完好、合格，可確保支架高工作阻力的正常發(fā)揮，消除“強支架”“弱支護”現(xiàn)象的發(fā)生。現(xiàn)場實施定期更換安全閥進行返廠校驗的措施，改變原來的被動更換損壞或開啟壓力降低的支架安全閥。

3)工作面均衡生產(chǎn)，推進度在4m/d以上非常必要。研究發(fā)現(xiàn)，工作面推進度在4m/d以下時，易引起支架行走困難。保證工作面均衡生產(chǎn)，推進度在4m/d以上非常必要。

4)更換濃縮液為乳化液，增強過濾功能，保證支架液壓系統(tǒng)的有效性。更換濃縮液為乳化液，消除對液壓元件的銹蝕現(xiàn)象；在支架液壓系統(tǒng)中增強過濾功能，防止液體中的小顆?？赡茉斐砂踩y開啟后關(guān)閉不嚴(yán)或長時間不能關(guān)閉。

通過采取上述措施后(2008年7月后)，8103、8104、8206工作面的開采，徹底避免了工作面壓架事故的發(fā)生，實現(xiàn)了塔山礦特厚煤層綜放開采的安全、高效。

2.4 支架適應(yīng)性

由特厚煤層放頂煤開采時頂板壓力及頂煤運移特征決定了特厚煤層綜放支架相對于一般支架而言，除了要對工作面進行有效支護外，還須具有良好的放煤功能、較強的防沖擊載荷性能及快速移架的功能。簡而言之，支架應(yīng)具備的性能為：“支得住、護得嚴(yán)、放得下、卸得快、移得快?！?/p>

1)“支”的適應(yīng)性。由文獻[6]可見，ZF10000支架適用于煤層厚度最大為17m，ZF13000支架適用于煤層厚度最大為20m。實際生產(chǎn)中，工作面來壓時，ZF10000支架多次發(fā)生嚴(yán)重的頂板下沉壓架事故，支架安全閥開啟頻繁，開采期間累計損壞立柱98根；而ZF13000支架在工作面來壓時，雖也發(fā)生過頂板下沉壓架事故，但壓架次數(shù)明顯減少，嚴(yán)重程度也大大減弱。因而ZF13000支架，較ZF10000支架對頂板來壓的適應(yīng)性已明顯增強。

2)“護”的適應(yīng)性。針對ZF10000支架維護端面頂煤較弱的情況，ZF13000支架在前梁上增加了伸縮梁(梁長600mm)，可對端面頂煤及煤壁能夠及時封閉，極大地改善了端面頂煤的穩(wěn)定性，現(xiàn)場使用效果良好。

3)“放”的適應(yīng)性。ZF10000及ZF13000支架的放煤機構(gòu)，均設(shè)計為尾梁并帶插板，尾梁擺角大，活動范圍大，使得支架后部的過煤空間達到1000mm，大塊煤回收率高；尾梁插板行程為700mm，既增加了放煤口的尺寸，又可對大塊煤起破碎作用，提高了放煤速度。

4)“防沖擊載荷”的適應(yīng)性。 為防止沖擊載荷對支架帶來的不利影響，2種支架立柱均配備了大流量安全閥，流量達200L/min，保證了有沖擊載荷出現(xiàn)時立柱的及時卸液，這樣既保護了立柱，也避免了支架結(jié)構(gòu)件的損壞。

5)“快速移架”的適應(yīng)性。工作面實際生產(chǎn)表明，移架時相鄰支架有明顯的阻力增大現(xiàn)象，一般增加1MPa～2MPa，這說明移架造成了移架區(qū)域及其周邊區(qū)域頂煤下沉量的急劇增大。為及時有效地控制頂煤的變形、下沉，應(yīng)盡可能縮短移架時間。

ZF13000及ZF10000支架的液壓系統(tǒng)，均采用了400 L/min的大流量操作閥，雙回路環(huán)形分段供液，前、后部供液系統(tǒng)各自獨立，互不影響，提高了移架速度，保證了支架的降、移、升循環(huán)不大于12s。這樣既縮短了移架時間，又為工作面實現(xiàn)高產(chǎn)高效提供了有利條件。

3 實踐效果及展望

3.1 效果評價及開采經(jīng)驗

5個綜放工作面的開采實踐證明，塔山礦在特厚煤層采用綜放開采技術(shù)是成功的。通過在特厚煤層放頂煤安全、高效開采等諸多方面進行的探索，獲得了許多有益的經(jīng)驗，對于今后同煤集團石炭系特厚煤層的安全、高效開采具有極佳的借鑒價值。

1)放頂煤開采技術(shù)對地質(zhì)條件復(fù)雜的特厚煤層具有良好的適應(yīng)性。塔山石炭系3～5#煤層頂煤冒放性良好，垮落角80°～95°，頂煤呈松散體易于放出，頂煤回收率達80%以上。

2)ZF13000支架較ZF10000支架大大地提高了支撐能力及防護端面頂煤漏冒的能力，對工作面的適應(yīng)性得到很大的增強；ZF13000及ZF10000支架在“放”、“防沖擊載荷”及“快速移架”等方面，具有良好的適應(yīng)性。

3)合理的推進速度，對頂板管理和采空區(qū)防滅火極為有利。8102、8103開采表明，日推進度小于3.2m時，工作面礦壓顯現(xiàn)強烈，易發(fā)生頂板下沉壓架事故，且推進速度對采空區(qū)的防火也影響很大。實踐證明，工作面推進速度應(yīng)不低于4.0m/d。

4)工作面必須實現(xiàn)大運量、大功率、高強度、高可靠性的選型配套。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)性能須相互匹配，對后部運輸機及配套的轉(zhuǎn)載機、破碎機要求高，轉(zhuǎn)載機的能力要滿足采煤機落煤能力和放煤能力的需要，破碎機的能力應(yīng)與工作面生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的大塊煤、巖等狀況相適應(yīng)，最大限度地保證采放平行作業(yè),減少彼此間的相互影響時間，保證工作面具有合理的推進速度。

5)提升工作面現(xiàn)場管理水平，對預(yù)防工作面壓架具有重要意義。現(xiàn)場實踐表明，嚴(yán)格工作面現(xiàn)場管理，提高支架初撐力、保持支架安全閥有效、實現(xiàn)工作面均衡生產(chǎn)，可有效杜絕工作面壓架事故。

3.2 展望

1)大采高綜放是解決特厚(20m)煤層一次采全厚的有效途徑。8102、8103 工作面支架設(shè)計支撐高度3.8m，采煤機割煤高度平均3.5m，放煤高度15～18 m，采放比局部達到1∶4以上，超過《煤礦安全規(guī)程》采放比不超1∶3規(guī)定。大采高單一煤層開采技術(shù)已經(jīng)成熟，把大采高綜采開采技術(shù)與放頂煤開采技術(shù)結(jié)合起來，是解決特厚(20m)煤層一次采全厚的有效途徑?！疤睾衩簩哟蟛筛呔C放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”做為國家“十一五”重大支撐項目，在塔山礦8105工作面進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，有望解決采放比超過1∶3的問題。

2)特厚煤層開采設(shè)備完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。塔山已采的5個工作面的主要機電設(shè)備，除支架國產(chǎn)外，采煤機、刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機等均為德國進口，綜放開采設(shè)備的國產(chǎn)化程度低。8105工作面將全部使用國產(chǎn)設(shè)備，其安全、高效開采的成功實踐，將使特厚煤層開采設(shè)備完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。

[1] 陸明心, 郝海金, 吳健. 綜放開采上位巖層的平衡結(jié)構(gòu)及其對采場礦壓顯現(xiàn)的影響 [J]. 煤炭學(xué)報, 2002 (6)：591-595.

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