綜采工作面快速回撤技術(shù)及其應(yīng)用

丁 佳，盧少帥

(陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦綜采工作面配套設(shè)備回撤是一項(xiàng)任務(wù)艱巨、工序繁瑣的系統(tǒng)工程，在綜采工作面進(jìn)入末采階段，回撤通道受應(yīng)力集中影響[1]，會(huì)出現(xiàn)頂板下沉、片幫嚴(yán)重等現(xiàn)象。因此，對回撤通道規(guī)避周期來壓、貫通工程質(zhì)量、圍巖控制效果、安全回撤技術(shù)等方面要求較高，是礦井接續(xù)的后續(xù)保障，也是安全管理的難點(diǎn)和重點(diǎn)，能否安全高效撤出工作面所有設(shè)備對工作面接續(xù)意義重大。因此，綜采工作面進(jìn)入末采階段，回撤通道圍巖控制是關(guān)鍵[2]。

工作面回采結(jié)束，均面臨綜采設(shè)備配套安全快速回撤的難題，如何解決在回撤通道圍巖控制、回撤工藝和技術(shù)革新等方面技術(shù)難題，提高回撤效率，保障安全作業(yè)[3-4]，一直以來是韓家灣煤炭有限公司在末采回撤工程技術(shù)探索的方向之一。以3401綜采工作面安全快速回撤為背景[5]，采取回撤通道聯(lián)合支護(hù)措施及其安全快速回撤施工法，該項(xiàng)技術(shù)對類似礦井回撤工作面回撤具有借鑒和指導(dǎo)作用。

1 工程概括

3401綜采工作面位于3-1煤東翼，其上部為2-2煤層三盤區(qū)2303及四盤區(qū)2401綜采采空區(qū)。其南部為3402準(zhǔn)備工作面，西部為3-1煤東翼回風(fēng)巷，東部為井田邊界。3401工作面走向長度265 m，傾斜長度2 353 m，可采面積629 905 m2。工作面煤層平均厚度為2.7 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角1.5°，屬于穩(wěn)定煤層。巖層柱狀如圖1所示。

圖1 3401工作面巖層柱狀圖

2 回采工藝及礦壓監(jiān)測分析

2.1 采煤方法及工藝

3401綜采工作面采用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板。采用MG500/1130-AWD雙滾筒采煤機(jī)雙向割煤，采用端部斜切進(jìn)刀方式。溜子彎曲段長度為21 m，采煤機(jī)全長為13 m，端部斜切進(jìn)刀總長度為47 m。3401綜采工作面共布置155臺(tái)(ZY12000/18/33D型)支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)工作面頂板，兩巷超前采用DW3.15型單體液壓支柱支護(hù)頂板。支架參數(shù)見表1。

表1 ZY12000/18/33D型液壓支架支護(hù)技術(shù)參數(shù)

2.2 礦壓監(jiān)測分析

3401工作面通過采用綜采工作面頂板壓力在線式監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測支架阻力數(shù)據(jù)，并對回采期間的特殊時(shí)段，對工作面的壓力、出水、推進(jìn)度及采高等情況進(jìn)行記錄，及時(shí)掌握工作面生產(chǎn)現(xiàn)狀。

3401工作面在15個(gè)工作周期內(nèi)同一時(shí)間工作面上、中、下部支架工作阻力歷史數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 支架工作阻力數(shù)據(jù)分析曲線

通過上述頂板壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，3401工作面在回采期間，平均周期來壓步距為17.9 m，平均周期來壓強(qiáng)度為29.4 MPa。在工作面剩余50 m時(shí)，通過采取停采讓壓的措施，一方面能合理規(guī)避頂板壓力，為后期剩余50 m推采緩解壓力；另一方面是頂板斷裂形成的導(dǎo)水裂縫將上覆巖層中的含水層疏干排放，極大地緩解了貫通后頂板淋水情況，為后期回撤工作提供便利條件。

3 回撤通道聯(lián)合支護(hù)措施

3.1 回撤通道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

根據(jù)韓家灣地質(zhì)構(gòu)造特征，在綜采工作面回撤通道頂部采用錨桿、網(wǎng)片、木托板、錨索加鋼帶聯(lián)合支護(hù)，幫部采用錨桿、網(wǎng)片、木托板聯(lián)合支護(hù)。回撤通道圍巖支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 回撤通道圍巖支護(hù)方案

頂部支護(hù)方案：錨桿采用φ20 mm×2 200 mm圓鋼，錨桿托板采用蝶形托板加木托板，規(guī)格分別為150 mm×150 mm×8 mm和300 mm×200 mm×50 mm，間排距1 000 mm×900 mm；錨索采用φ17.8 mm×8 000 mm鋼絞線，錨索托板制作采用300 mm×300 mm×10 mm的Q235鋼板，錨索間排距1 800 mm×1 800 mm，3根/排，每排錨索與BHW-4000-250-4型鋼帶配套使用；距幫450 mm單列布置一排錨索，間距為1 800 mm；錨固劑均采用CK3540型樹脂錨固劑；網(wǎng)片采用鐵絲網(wǎng)片，規(guī)格為6 700 mm×2 000 mm，網(wǎng)目為40 mm×40 mm。

幫部支護(hù)方案：錨桿采用φ16 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，錨桿托板采用蝶形托板加木托板，規(guī)格分別為150 mm×150 mm×8 mm和300 mm×200 mm×50 mm；網(wǎng)片采用鐵絲網(wǎng)片，規(guī)格為2 000 mm×2 200 mm(寬×高)，網(wǎng)目為40 mm×40 mm。

聯(lián)排垛式支架布置方式：垛式支架采用雙排布置法如圖4所示，第1排垛架間距為500 mm，距回風(fēng)巷側(cè)煤壁300 mm；第2排垛架間距為1 000 mm，距工作面?zhèn)让罕?00 mm，第1排兩排垛架架間距為500 mm；垛架與頂板之間墊設(shè)2根1 m長方形道木，方木規(guī)格為150 mm×150 mm×1 200 mm或2 400 mm。為保護(hù)錨索不被破壞，在支架上部墊方木2根。該方法很好地控制了頂板來壓，回撤時(shí)更加容易組織施工，同時(shí)提高了安全性。

圖4 回撤通道垛式支架布置圖

回撤通道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案：頂部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)采用單點(diǎn)錨索進(jìn)行支護(hù)，共打3根(以現(xiàn)場標(biāo)定為準(zhǔn))，錨索規(guī)格φ21.6 mm×6 000 mm，錨索托盤300 mm×300 mm×10 mm蝶形，樹脂藥卷CK2360型，錨索外漏150～250 mm。幫部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)錨索15.24 mm×3 000 mm+H梁+W鋼帶，間排距2 800 mm×1 500 mm；錨索托盤300 mm×300 mm×10 mm蝶形，樹脂藥卷CK2360型；縱向增加H梁，橫向增加W鋼帶，“井”字式鋪設(shè)。

回撤巷頂部對支護(hù)錨索掛防護(hù)網(wǎng)，防止回撤期間錨索托盤及鎖具因頂板壓力掉落傷人。防護(hù)網(wǎng)采用條帶式柔性網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為0.5 m×10 m，防護(hù)網(wǎng)沿錨索縱向鋪設(shè)，錨索外露部分要穿過柔性網(wǎng)孔，柔性網(wǎng)片與頂板鐵絲網(wǎng)采用細(xì)扎絲綁扎，連網(wǎng)間距300 mm，網(wǎng)片縱向搭接深度為100 mm，共鋪設(shè)3排網(wǎng)片。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果如圖5所示。

圖5 回撤通道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果

3.2 設(shè)高強(qiáng)度聚酯纖維密度柔性網(wǎng)片

3401綜采工作面推采至掛網(wǎng)支護(hù)位置時(shí)，使用規(guī)格為270 m×12 m的礦用高強(qiáng)度聚酯纖維網(wǎng)片，該網(wǎng)片在回撤期間能夠起到很好的擋矸作用，特別是對回撤三角區(qū)內(nèi)的漏矸有一定的阻擋作用。

工作面煤壁推采至上網(wǎng)線后，提前準(zhǔn)備卡箍、手動(dòng)絞盤及定滑輪安裝在液壓支架上，其中卡箍、手動(dòng)絞盤安裝在支架立柱上，定滑輪安裝在液壓支架的起重環(huán)上，每隔5架，指派專人配合綜采隊(duì)人員在推采貫通前，介入收放網(wǎng)環(huán)節(jié)中，防止煤機(jī)割破損壞柔性網(wǎng)。

在上柔性網(wǎng)期間，待周期來壓過后，站位機(jī)道內(nèi)支護(hù)錨桿上固定環(huán)時(shí)，一是及時(shí)處理幫部片幫煤并做好護(hù)幫的安全防護(hù)工作；二是準(zhǔn)備支護(hù)設(shè)備時(shí)，推薦可采用風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)，有輕便靈活，支護(hù)速度快、效率高等特點(diǎn)；三是在進(jìn)入貫通環(huán)節(jié)后，待第1排垛架撤出后，及時(shí)將網(wǎng)片末端連接在回撤通道頂板處，并做好綁扎工作。

3.3 綜采面推采機(jī)道與回撤通道實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)貫通

綜采工作面機(jī)道與回撤通道貫通質(zhì)量在一定程度上會(huì)影響到撤架效率，若局部高差較大，在回撤支架階段，需要起底處理底板，同時(shí)貫通口頂板落差較大也不利于現(xiàn)場安全管理工作。故在掛網(wǎng)工序完成后，開始推采工作面期間始終沿煤層底板進(jìn)行推采，安排專人現(xiàn)場進(jìn)行工作面寫實(shí)，并把每次寫實(shí)的技術(shù)參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析及預(yù)測，特別是遇見起伏較大的坡段，要實(shí)測現(xiàn)場通道高差情況。嚴(yán)格控制推采高度，確保推采工作面與回撤通道貫通后保持頂?shù)装逶谝粋€(gè)平面上。同時(shí)當(dāng)工作面推采剩余5 m時(shí)，指派富有現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的煤機(jī)司機(jī)親自操作，及時(shí)調(diào)整走刀誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)貫通。此次3401綜采工作面全長265 m，貫通難度較大，經(jīng)過現(xiàn)場寫實(shí)及技術(shù)分析，采煤工作面與回撤通道頂?shù)装逭`差幾乎不超100 mm。工作面末采機(jī)道高度示意，如圖6所示。

圖6 工作面末采機(jī)道高度示意

4 安全高效快速回撤方法

4.1 “提前介入四步流程”施工法

做好回撤通道頂板、幫部及交叉口補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，提前安排施工人員進(jìn)駐綜采工作面，①了解綜采所有回撤設(shè)備的工況情況，對初撐力不足的支架進(jìn)行定位跟蹤記錄；②當(dāng)推采剩余15 m后，提前介入機(jī)頭機(jī)尾傳動(dòng)部、運(yùn)輸部、轉(zhuǎn)載部等區(qū)域的固定螺絲，采取涂抹松動(dòng)劑等措施，對銹蝕的螺栓進(jìn)行松動(dòng)處理，為后期拆解提供便利條件；③進(jìn)入末采掛網(wǎng)階段后，每班派駐4名支架工參與工作面推采，并做好收放網(wǎng)的相關(guān)工作；④回撤前對所需的特種車及相關(guān)輔助工器具進(jìn)行加工和完善。

4.2 “三組交叉兩同步”施工法

三組交叉：由于綜采工作面設(shè)備回撤后部分設(shè)備需升井檢修，部分設(shè)備用于新安裝工作面，因此對回撤工程采用分組分段、交叉作業(yè)的方法，推進(jìn)工程整體進(jìn)度。分為3個(gè)回撤小組，第1組負(fù)責(zé)設(shè)備列車、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、自移機(jī)尾、刮板運(yùn)輸機(jī)、超前支護(hù)單體支柱、單軌吊、高壓電纜、高壓膠管、膠帶運(yùn)輸機(jī)的回撤；第2組負(fù)責(zé)液壓支架及垛式支架的回撤；第3組為運(yùn)輸組，負(fù)責(zé)運(yùn)輸所有設(shè)備。

兩同步：回撤設(shè)備列車及高壓電纜→回撤單軌吊→回撤轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、自移機(jī)尾→回撤刮板運(yùn)輸機(jī)→回撤采煤機(jī)→回撤第2排垛式支架→布置回撤絞車→采用“雙頭”回撤法，形成掩護(hù)架→回撤液壓支架與第1排垛式支架(同步進(jìn)行)。

4.3 支架快速回撤過程

根據(jù)工作面的現(xiàn)場情況，初步定于78#架處斷開，由中部向機(jī)頭、機(jī)尾方向利用雙掩護(hù)支架配合絞車回撤。首先回撤77#架，倒運(yùn)出工作面，然后利用76#架和78#架形成機(jī)頭雙掩護(hù)架。待機(jī)頭掩護(hù)架形成后，利用同樣的方法回撤80#架，利用79#架與81#架形成機(jī)尾雙掩護(hù)架。待機(jī)頭、機(jī)尾掩護(hù)架形成后，依次回撤剩余液壓支架。如圖7所示。

圖7 回撤工作面支架布置示意

5 回撤工作實(shí)施效果分析

5.1 回撤工期及其人員管理

3401綜采工作面全長265 m，需要回撤155臺(tái)液壓支架、109臺(tái)垛式支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)、順槽膠帶輸送機(jī)、所有監(jiān)測控制系統(tǒng)、設(shè)備列車及纜線等，總用時(shí)9.5 d，正式撤架共用時(shí)5 d，日平均回撤31臺(tái)，單日最高回撤支架記錄36臺(tái)，創(chuàng)歷史新高。

參與此次3401回撤工程共計(jì)68人，其中介入支架回撤，協(xié)調(diào)外部支援15人，劃分3個(gè)班組，按照機(jī)頭段、機(jī)尾段、順槽段區(qū)域，將班組施工人員化整為零，投入人員占比較少，工效較高。

5.2 材料消耗及其經(jīng)濟(jì)效益分析

3401回撤實(shí)際消耗1.2 m道木6102根，廢舊圓木200根?；爻非熬C采隊(duì)移交3.15 m單體36根，回收36根，回收率100%，柱靴、柱帽及保險(xiǎn)帶全部回收，此次回撤中未出現(xiàn)設(shè)備配件遺漏丟失現(xiàn)象，利用廢舊圓木替換回撤三角區(qū)域單體，較同期相比，節(jié)省單體30根，約7萬余元。降低了材料消耗，消除了三角區(qū)冒頂傷人的重大安全隱患。

此次擬定回撤工期為20 d，僅耗時(shí)9.5 d完成所有回撤任務(wù)，按照公司內(nèi)部結(jié)算單價(jià)，此次回撤創(chuàng)造產(chǎn)值共計(jì)700萬元，人均產(chǎn)值10萬余元。

6 結(jié)論

(1)在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面支架阻力，平均周期來壓步距為17.9 m，來壓強(qiáng)度為29.4 MPa，現(xiàn)場在回采距離貫通剩余50 m時(shí)，通過人為技術(shù)干預(yù)，經(jīng)停采等待周期來壓后，上覆巖層頂板斷裂，待壓力穩(wěn)定后，再實(shí)行推采。

(2)根據(jù)韓家灣地質(zhì)構(gòu)造特征，在綜采工作面回撤通道頂部采用錨桿、網(wǎng)片、木托板、錨索加鋼帶聯(lián)合支護(hù)，幫部采用錨桿、網(wǎng)片、木托板聯(lián)合支護(hù)。3401綜采工作面全長265 m，貫通難度較大，經(jīng)過現(xiàn)場技術(shù)分析，采煤工作面與回撤通道頂?shù)装逭`差幾乎不超過100 mm。

(3)采取“提前介入四步流程”施工法和“三組交叉兩同步”施工方法能夠安全高效地實(shí)施快速回撤工作，經(jīng)濟(jì)效益顯著。