大傾角厚煤層綜采放頂煤采煤關(guān)鍵技術(shù)

元松明

(潞安集團(tuán) 潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

煤炭資源作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主要能源之一，在我國(guó)一次性能源生產(chǎn)與消費(fèi)中長(zhǎng)期占據(jù)著較大的比例[1]。

隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源多年持續(xù)增量開采，近水平開采條件的老井工礦井正面臨資源枯竭，有的已經(jīng)關(guān)井，有的采取縮減產(chǎn)能的措施來(lái)延長(zhǎng)礦井壽命。為延續(xù)已有產(chǎn)能，地質(zhì)條件差、開采難度大的傾斜煤層，以至還有35～55°的大傾角煤層已陸續(xù)被開采[2]。大傾角煤層成煤環(huán)境復(fù)雜，安全高效開采難度較大，截至2018年10月，通過(guò)各類不同的非機(jī)械化方法來(lái)開采大傾角煤層的礦井仍占較大比例[3]，這就造成大多數(shù)開采大傾角煤層的礦井產(chǎn)量與效率低下，安全事故頻發(fā)，故探究適應(yīng)于此類煤層的開采技術(shù)方法成為亟待解決的問(wèn)題。而傳統(tǒng)式“倉(cāng)儲(chǔ)式采煤法”因其回采率低，安全風(fēng)險(xiǎn)大，煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重等原因，已于2008年底被國(guó)家安監(jiān)總局列為禁止井工煤礦使用的工藝，被煤炭開采業(yè)所淘汰[4]。目前國(guó)內(nèi)甘肅、寧夏、山東等省份已有部分礦井在嘗試大傾角煤層賦存條件下傾斜長(zhǎng)壁綜合放頂煤采煤方法，而就大傾角煤層長(zhǎng)壁工作面巖層控制角度而言，其還需要克服以下關(guān)鍵技術(shù)難題[5]：①煤層傾角大，裝備難自穩(wěn)；②傾向礦山壓力非對(duì)稱顯現(xiàn)；③下端頭支架穩(wěn)定性控制困難；④綜放開采頂煤區(qū)化破碎；⑤大采高開采煤壁片幫頻發(fā)，更有國(guó)內(nèi)各煤田區(qū)域不同，煤層厚度、煤質(zhì)硬度和開采深度等地質(zhì)條件也不盡相同，這都對(duì)探尋大傾角厚煤層的開采方法技術(shù)體系帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。本文以潞寧孟家窯煤礦井下大傾角松軟特厚5號(hào)煤層綜采實(shí)踐中所形成的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 大傾角綜放工作面巷道設(shè)計(jì)與設(shè)備布置

1.1 煤層地質(zhì)條件概述

潞寧孟家窯煤礦位于山西省寧武縣境內(nèi)，開采寧武煤田石炭系2號(hào)和5號(hào)煤層，煤層傾角在18～43°，平均傾角為25°，煤層層間距平均為66.19 m。兩個(gè)煤層采取聯(lián)合布置分層開采工藝，2號(hào)煤層厚度2.1～4.59 m，平均厚度3.6 m，5號(hào)煤層厚度8.4～16.8 m，平均厚度13 m，均采用一次采全高綜采放頂煤工藝。

1.2 工作面巷道設(shè)計(jì)

切眼沿煤層傾角方向布置，切眼長(zhǎng)度選擇150 m；回風(fēng)巷道和運(yùn)輸巷道沿煤層走向布置，回風(fēng)巷道布置在上部，運(yùn)輸巷道布置在下部，高差60～80 m，切眼按偽傾斜布置，用來(lái)減緩切眼傾角，一般設(shè)計(jì)回風(fēng)巷道尾滯后運(yùn)輸巷道尾15～20 m。頂板采用全錨網(wǎng)(索)支護(hù)，用直徑D22 mm×3 300 mm，間排距1.0 m×1.0 m基本支護(hù),錨索張拉力200 kN，和D22 mm×8 300 mm,間排距1.8 m×2.0 m補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索張拉力250 kN，巷幫支護(hù)錨桿采用D22 mm×2 400 mm，間排距0.8 m×1.0 m高強(qiáng)度螺紋鋼支護(hù)，錨固力180 kN。

表1 工作面回采巷道斷面及支護(hù)

1.3 工作面設(shè)備布置

切眼內(nèi)布置前后刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架和采煤機(jī)。切眼內(nèi)刮板運(yùn)輸機(jī)呈下運(yùn)狀態(tài)。運(yùn)輸巷道內(nèi)布置膠帶機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)，以及巷道超前支架，超前支架前在布置20 m單體加鉸接梁支護(hù)。轉(zhuǎn)載機(jī)前部150 m布置電纜和電氣列車懸吊及拖移裝置，該套系統(tǒng)與膠帶輸送機(jī)平行，懸掛在單軌吊梁上。供液系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程供液，在膠帶機(jī)頭段或車場(chǎng)布置三泵兩箱自動(dòng)配液和反沖洗供液設(shè)備，運(yùn)輸巷道布置進(jìn)回液管路。兩巷道輔助運(yùn)輸系統(tǒng)為蓄電池單軌吊機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

表2 工作面設(shè)備列

1.4 工作面設(shè)備特點(diǎn)

1.4.1 大傾角液壓支架

架構(gòu)上增設(shè)側(cè)護(hù)板、底調(diào)機(jī)構(gòu)裝置、防倒防滑裝置。側(cè)護(hù)板采用調(diào)護(hù)并舉的雙側(cè)雙活箱型結(jié)構(gòu)，使支架側(cè)護(hù)板緊貼并主動(dòng)防滑，當(dāng)工作面長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)起調(diào)整間隙和掉向作用，頂梁選用整體結(jié)構(gòu)。

1.4.2 大傾角采煤機(jī)

選擇牽引功率大、制動(dòng)能力強(qiáng)、強(qiáng)制潤(rùn)滑技術(shù)。電控系統(tǒng)采用交流四象限變頻調(diào)速控制器，行走部齒輪和滑靴采用特殊熱處理技術(shù)，提高強(qiáng)度和韌性，刮板輸送機(jī)齒軌和齒軌座軌均采用高強(qiáng)度特殊工藝，滑靴采用鍛焊結(jié)構(gòu)；每個(gè)牽引部安裝2套制動(dòng)器，整臺(tái)機(jī)組安裝4套制動(dòng)器。在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)機(jī)械防滑裝置，使大傾角采煤機(jī)具有二級(jí)防滑機(jī)構(gòu)進(jìn)而提高制動(dòng)可靠性；搖臂采用強(qiáng)制潤(rùn)滑和飛濺潤(rùn)滑，在搖臂第三軸處安裝齒輪泵向高位泵油；機(jī)身大架無(wú)托架積木式組合，各大部件之間聯(lián)接采用高強(qiáng)度液壓螺母，方便檢修。

1.4.3 超前支架(端頭支架)

中置式兩架一組端頭，端頭支架頂梁設(shè)計(jì)為鉸接結(jié)構(gòu)，分為前、中、后三段，支架中間布置轉(zhuǎn)載機(jī)，前端與轉(zhuǎn)載機(jī)相連，主要用于運(yùn)輸巷道處的頂板支護(hù)，支架具備有效的自移、防倒、護(hù)頂、調(diào)架功能，并具有遮護(hù)轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾功能，具有支撐切眼內(nèi)機(jī)頭過(guò)渡液壓支架功能。

2 大傾角厚煤層綜放工作面采煤關(guān)鍵工藝技術(shù)

2.1 工作面采放循環(huán)工藝

工作面采用“全頂鋪網(wǎng)，單向下行割煤，以放煤為核心的采煤工藝”。依據(jù)煤墻軟硬情況，采用“一采一放或兩采一放”生產(chǎn)循環(huán)。工作面生產(chǎn)循環(huán)工藝為：掛網(wǎng)—采煤機(jī)端尾斜切進(jìn)刀—下行割煤—分段追機(jī)移架—割通機(jī)頭—采煤機(jī)掉向返刀清理浮煤—機(jī)頭向機(jī)尾方向依次頂前部刮板輸送機(jī)—后尾梁破網(wǎng)放頂煤—拉后溜—掛網(wǎng)—采煤機(jī)端尾斜切進(jìn)刀，進(jìn)入下一輪循環(huán)。工作面割煤高度控制在約2.8～3.2 m，放煤高度5.2～14.6 m，采煤步距0.8 m，日推進(jìn)度4刀，日產(chǎn)量約8 000 t。頂部掛雙層金屬網(wǎng)，網(wǎng)片型號(hào)為10 m×1.5 m,網(wǎng)孔5 cm×5 cm。勞動(dòng)組織采取“三八制”，兩班生產(chǎn)一班檢修。通常8點(diǎn)班為檢修班，接班后前半個(gè)班進(jìn)行后溜放煤，前部刮板輸送機(jī)聯(lián)網(wǎng)2排，后半個(gè)班檢修設(shè)備；4點(diǎn)班和0點(diǎn)班為生產(chǎn)班，每班割煤兩刀，鋪網(wǎng)一排，見圖1。

圖1 工作面采放循環(huán)工藝流程

2.2 幾種極端情況的原因分析和處理

2.2.1 刮板輸送機(jī)上竄

刮板輸送機(jī)上竄的直接原因：液壓支架尾部向下頭部向上傾斜角度變大，使得支架推移塊與前部刮板輸送機(jī)底座連接耳夾角逐漸增大，推移桿向上的分力大于刮板輸送機(jī)下滑力，造成刮板輸送機(jī)上竄。間接原因：在切眼上半段遇到地質(zhì)變化，推進(jìn)困難的情況，由于重產(chǎn)量輕質(zhì)量的管理模式，造成切眼下半段推進(jìn)多，上半段推進(jìn)少，采煤工程質(zhì)量有所下降；第二情況為切內(nèi)眼煤層傾角增大，工作面長(zhǎng)度相應(yīng)增加，支架擺向調(diào)整不及時(shí)，刮板輸送機(jī)機(jī)頭卸載位置距離轉(zhuǎn)載機(jī)中心遠(yuǎn)，出現(xiàn)搭接不上的情形，刮板輸送機(jī)開始上竄。

刮板輸送機(jī)上竄會(huì)造成卸載困難，拉回煤嚴(yán)重，大鏈和刮板阻力加大，容易造成底鏈卡阻甚至斷鏈?zhǔn)鹿省?/p>

調(diào)整方法：調(diào)整工作面采斜，多割機(jī)尾少割機(jī)頭，改變頂溜順序，從機(jī)尾向機(jī)頭方向頂溜，同時(shí)通過(guò)液壓支架側(cè)護(hù)使支架擺向，液壓支架尾部向上，頭部向下，逐步增大推移桿與前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭方向夾角，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)向下移動(dòng)。調(diào)整過(guò)程中，可根據(jù)溜槽搭接情況選擇在機(jī)頭增加溜槽，或機(jī)尾減少溜槽，調(diào)整完成后將機(jī)頭拆除增加的溜槽等工序環(huán)節(jié)，若因工作面長(zhǎng)度變長(zhǎng)造成端尾支架距上幫煤墻超過(guò)1.5 m，需要及時(shí)考慮增加液壓支架數(shù)量確保端尾頂板有效支護(hù)，見圖2。

圖2 上竄支架調(diào)整示意

2.2.2 刮板輸送機(jī)下滑

刮板輸送機(jī)下滑的原因與刮板輸送機(jī)上竄的原因相反(這里不再敘述)，刮板輸送機(jī)下滑的結(jié)果是刮板輸送機(jī)機(jī)頭距離轉(zhuǎn)載機(jī)中心近，甚至靠近轉(zhuǎn)載機(jī)溜槽下幫，使得卸載困難，同時(shí)影響后溜拉出來(lái)的煤或矸石的通路，需采取抬高前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭，或者縮溜等措施。另外刮板輸送機(jī)下滑，還可能造成轉(zhuǎn)載向下靠，超前架緊靠運(yùn)巷下煤幫現(xiàn)象，造成超前架移架困難，甚至需要擴(kuò)巷工程，來(lái)解決走架寬度不夠的問(wèn)題。

調(diào)整方法與刮板輸送機(jī)上竄調(diào)整的方法相反。

2.2.3 支架擠架

切眼中間段局部液壓支架側(cè)護(hù)間隙伸縮為零，支架頂梁出現(xiàn)擠架無(wú)法移架現(xiàn)象。間接原因?yàn)榍醒燮露炔皇侵本€而是變?yōu)橄掳蓟【€，底座間隙大頂梁間隙?。换蚬ぷ髅鏅C(jī)頭機(jī)尾兩頭推進(jìn)多，中部推進(jìn)少，出現(xiàn)后凹弧線，見圖3。

圖3 凹形工作面支架調(diào)整示意

調(diào)整方法：①遇下凹弧線，低凹段采取吊溜墊木料方式，從低洼處向兩頭逐步調(diào)整,調(diào)整過(guò)程中將液壓支架側(cè)護(hù)伸縮量保持在150～200 mm,最終將刮板輸送機(jī)和支架調(diào)成一條直線；②遇后凹弧線，采取采斜方式從機(jī)尾開始向上調(diào)架，加大中部推進(jìn)量，逐步將刮板輸送機(jī)和支架調(diào)成一條直線，調(diào)整過(guò)程中將液壓支架側(cè)護(hù)伸縮量保持在150～200 mm。

管理措施上，要強(qiáng)化采煤機(jī)司機(jī)的工作質(zhì)量考核，越是遇構(gòu)造等條件困難時(shí)，越要保證整刀推進(jìn)，降低產(chǎn)量銜接安排，減少推進(jìn)循環(huán)刀數(shù)，以工程質(zhì)量為主要考核對(duì)象，堅(jiān)持整刀推進(jìn)，保證刮板輸送機(jī)、支架、煤墻“三直兩平”。

2.2.4 支架傾斜甚至倒架

支架傾斜的可能原因有：①采高超過(guò)規(guī)定，支架結(jié)不了頂，支架本身在斜面上，初撐力不足造成傾斜加重；②頂煤漏冒，支架結(jié)頂不實(shí)，也會(huì)造成支架傾斜；③底板松軟，噴霧水流沖刷，支架底座觸底不實(shí)，初撐力不足造成傾斜；④切眼底板局部遇構(gòu)造，底煤留不住，支架站不穩(wěn)，造成傾斜；⑤局部底板鼓起，刮板輸送機(jī)底板、支架底座也隨之鼓起，支架頂板組合弧線拉長(zhǎng)變長(zhǎng)，頂梁間隙大于底座間隙，造成支架傾斜。

支架傾斜角度超過(guò)42°或以上，且初撐力達(dá)不到規(guī)定值，就認(rèn)為支架發(fā)生倒架事故。支架傾斜甚至倒架造成工作面推進(jìn)困難，設(shè)備變形，作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)太大，影響時(shí)間一般長(zhǎng)達(dá)連續(xù)3～6月，有時(shí)會(huì)更長(zhǎng)。

發(fā)生支架傾斜采取的調(diào)整措施：①分段人工造假頂，鋪網(wǎng)、上木料、注充填料或加固料，配合打設(shè)長(zhǎng)錨索吊頂，采用油缸、大鏈、防倒防滑吊裝耳，人工向前走架，走架后繼續(xù)采用防倒防滑裝置固定，防止支架下滑。

發(fā)生倒架采取的調(diào)整措施：工作面分段人工二次擴(kuò)切眼，采用錨桿、錨索、雙層金屬網(wǎng)支護(hù)；坡度較大區(qū)域增加鋼絲繩，按照工作面回撤措施進(jìn)行支護(hù)。其次，將支架推移與刮板輸送機(jī)連接銷摘開，人工頂溜，逐架扶架拉架，拉架過(guò)程中確保每次支架初撐力逐漸增加，不發(fā)生二次傾倒。二次擴(kuò)切眼每次步距2.0 m，長(zhǎng)度10～20 m，一般需要3輪前進(jìn)6 m，才能將支架鉆入頂?shù)装逯g，才能將支架扶起。

2.2.5 采煤機(jī)下滑

采煤機(jī)下滑的原因有：①制動(dòng)器摩擦片已磨損超限，制動(dòng)力不足造成采煤機(jī)下滑。②切眼坡度變大采煤機(jī)上行驅(qū)動(dòng)力不足，變頻器工作狀態(tài)由第一象限轉(zhuǎn)向第四象限時(shí)，液壓制動(dòng)時(shí)限配合不好，造成采煤機(jī)下滑；③變頻器沒(méi)有工作，液壓抱閘已發(fā)令打開，操作失誤，造成采煤機(jī)下滑。采煤機(jī)下滑可能造成牽引電纜拉脫，行走部齒規(guī)輪扳齒等事故。

采取措施：周期性檢查和試驗(yàn)采煤機(jī)液壓制動(dòng)，輕微下滑或制動(dòng)不了應(yīng)立即查明原因，更換損壞配件。遇坡度較大采煤機(jī)上行困難時(shí)，不再?gòu)?qiáng)行爬坡，采用人工擴(kuò)切眼方法替代采煤機(jī)割煤，采煤機(jī)司機(jī)必須嚴(yán)格按照采煤機(jī)操作規(guī)程作業(yè)，防止誤操作造成采煤機(jī)下滑事故，另外，在采煤機(jī)行走過(guò)程中，必須安排專職電纜看護(hù)工對(duì)履帶進(jìn)行看護(hù)，防止履帶夾被掛住或者電纜突然下滑造成電纜損壞和人身傷害事故。

3 綜合關(guān)鍵性預(yù)防措施

大坡度綜采面工作面出現(xiàn)的刮板輸送機(jī)上竄、下滑，液壓支架擠架、傾斜、甚至倒架，均為較大生產(chǎn)事故，但是調(diào)整工作面和處理該類事故時(shí)間之長(zhǎng)，影響之大，處理過(guò)程中的難度和復(fù)雜程度均超乎想象，頻繁加減溜槽、加減支架、人工掘進(jìn)，人工扶架等給安全帶來(lái)很大的事故隱患。因此，超前預(yù)防，超前調(diào)整，采取有效關(guān)鍵性預(yù)防措施才是關(guān)鍵。以下為大傾角工作面采煤的主要預(yù)防措施：

1) 嚴(yán)格落實(shí)采高管理，特別是新安裝工作面出切眼找底板時(shí)的采高管理。

2) 嚴(yán)格鋪?lái)斁W(wǎng)聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量，走架過(guò)程中保護(hù)網(wǎng)片不要掛網(wǎng)撕網(wǎng)，防止出現(xiàn)頂煤漏冒現(xiàn)象。

3) 嚴(yán)格控制前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接位置距離，根據(jù)工作面坡度變化及時(shí)采取調(diào)小斜，提前改變支架擺向角度，以及推溜順序，防止刮板輸送機(jī)的上竄與下滑。

4) 嚴(yán)格落實(shí)“三直兩平”工程質(zhì)量管理。工作面越是遇困難條件(過(guò)斷層、過(guò)陷落柱、過(guò)夾矸)，越不能繞著走，更要采取綜合管理措施，整刀推進(jìn)。

5) 嚴(yán)格落實(shí)支架初撐力的管控。泵站系統(tǒng)必須能夠不間斷正常工作，乳化液濃度和壓力達(dá)到規(guī)定要求，工作面使用的水質(zhì)符合要求，條件允許使用純凈水供液。每組支架均安裝壓力表，壓力必須達(dá)到規(guī)定值要求。每班安排專人進(jìn)行補(bǔ)液增壓作業(yè)。

6) 嚴(yán)格落實(shí)放煤管理。工作面采取多輪分段放煤，既要保證放煤回收率，也要防止將矸石放出，最主要是要防止放煤過(guò)量造成支架頂空切頂線前移。

以上措施都是在11204、11205、11506等工作面回采過(guò)程中，出現(xiàn)多次刮板運(yùn)輸機(jī)上串下滑，斷鏈、及擠架、倒架的事故中不斷摸索和吸取國(guó)內(nèi)大傾角工作面采煤成功經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)在11505工作面的全面應(yīng)用，從未發(fā)生倒架現(xiàn)象，而且工程質(zhì)量大幅度提升，已形成平均每天推進(jìn)4刀，產(chǎn)量穩(wěn)定在8 000 t水平。

4 結(jié) 語(yǔ)

雖然我國(guó)在大傾角煤層開采技術(shù)與裝備層面還存在諸多難題，但只要深入不懈的研究，大傾角采煤工作面的幾種極端不利因素就是可以預(yù)防和控制的。潞寧孟家窯煤礦大傾角厚煤層綜采放頂煤采煤關(guān)鍵技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中已得到了良好的應(yīng)用，具有一定的推廣性。而對(duì)于未來(lái)大傾角厚煤層的開采，還需要更多的研究者與生產(chǎn)技術(shù)人員立足于不同礦井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，深入探索和不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高此類煤層開采安全性與高效性。