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关于综采工作面回收煤柱过风桥技术的分析及实践
摘要：随着凤凰山矿开采年限的增加,煤炭储量日益减少,为提高煤炭资源回收率,减少煤炭丢失,凤凰山矿对盘区煤柱进行了回收。在总结传统过风桥技术的基础上,通过对凤凰山矿二水平煤柱回收综采工作面过风桥技术研究,提出了相应的解决措施和预防办法,保证了煤柱回收工作的正常回采,其研究结果为类似条件下的回采提供了借鉴。
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综采工作面过风桥是煤矿回收煤柱过程中常遇的一项技术难题。随着综采工作面向风桥不断推进,受超前支承压力影响,风桥围岩稳定性下降,易发生冒顶、压架等安全事故,同时会减缓综采工作面推进速度、延长循环周期,顶板来压显现,对顶板控制、巷道支护带来极大考验[1,2,3]。
1、概况
1.1矿井概况
凤凰山矿是一座年设计生产能力为400万t的现代化矿井,井田总面积为29.3485km2,采用斜井开拓方式,可采煤层3号、9号、15号,到2007年底,3号煤层回采结束;目前主采15号煤层,井下布置2个综采工作面和3个综掘工作面,矿井绝对瓦斯涌出量为22.56m3/min,相对涌出量为4.35m3/t,3号、9号煤自燃倾向性等级为Ⅲ级,不易自燃;15号煤自燃倾向性等级为Ⅱ级自燃。9号、15号煤尘均不具有爆炸危险性,水文地质类型为中等。目前,凤凰山矿因资源枯竭,已进入收尾末期,依据矿井规划,现阶段井下各系统正在进行阶段性收缩。
1.2工作面概况
二水平煤柱回收综采工作面设计一阶段可采长度:652.79m,可采宽度:113.95m;工作面煤层厚度为1.17～1.83m,平均厚度1.50m,煤层倾角为0～6°,平均3°。工作面煤层无伪顶,直接顶为K4上石灰岩,厚度0.12～0.45m,平均0.24m。老顶为细砂岩,厚度2.63～8.27m,平均5.31m。工作面采用“三进一回”的“W”型通风方式,其中二水平煤柱回收综采工作面轨道巷、二水平煤柱回收综采工作面胶带巷、二水平主胶带巷为进风巷,二水平煤柱回收综采工作面回风巷为回风巷,工作面采用走向长壁一次采全高全部垮落后退式综合机械化采煤法。如图1所示。
图1二水平煤柱回收综采工作面巷道布置
2、回采过程中存在问题
工作面推进至风桥段时,工作面出现了顶板来压、顶板破碎、底鼓、片帮等现象,无法保证正常循环进度。其表现主要有以下几点:
1)顶板来压明显。矿压显现速度较快,在短时间内顶板下沉量急剧加大,同时发生底鼓、片帮现象,造成安全出口不足,端头架拉移困难;巷道高度不足,破碎机、转载机等机电设备机身部分与顶板支护相接;超前支护段单体液压支柱变形,直线度和迎山角度无法保证[4]。
2)巷道原有超前支护遭到破坏。工作面推进至风桥段时,受前方支承压力影响,工作面进、回风巷原有超前支护发生弯曲、变形,支护力下降[5]。
3)大面积顶板破碎。风桥段处于支承压力高峰区,易造成顶板破碎,支架的反复升降操对顶板造成破坏,造成大量煤渣掉落,加大了职工劳动量,影响了推进进度[6,7]。
综上所述,工作面过风桥时的困难主要集中在两点:一是巷道支护无法保证,二是正常循环进度无法保证,二者相互作用,形成恶性循环,给正常生产造成不良影响[8,9,10]。
3、过风桥技术研究
3.1过风桥前期准备工作
为保证工作面推进至风桥期间作业安全,提前对风桥进行充填支护。现以IX1316回风横川(顶风桥)为例,具体如下:
1)IX1316回风横川煤层顶部以上巷道采用沿巷道底板铺设金属菱形网的方式制造人工假顶,采用10号铁丝编制而成的经纬形金属网,规格为JW10/50×50-1.6×6.0,网孔规格为50mm×50mm,网间采用对接形式,采用双股16号铁丝每隔100mm一道联紧。并在网下铺设直径不小于15.5mm钢丝绳,间距600mm,共铺设5根,每隔1m采用双股16号铁丝与经纬网联紧。采用在巷道帮部打注锚杆的方式固定金属菱形网假顶,锚杆采用MSGLW-400/18×750高强度螺纹杆锚杆,钻孔直径28mm,采用半支MSK2360型锚固剂,锚杆与巷帮垂直,间距3m,采用配套托盘、铁丝将金属菱形网假顶固定牢固。
2)IX1316回风横川与煤层交叉段采用沿煤层轮廓线架设无腿棚的方式制造人工假顶,无腿棚梁采用直径不小于200mm红松圆木,棚距1.5m,棚钩采用直径30mm的圆钢加工而成,长度1000mm,施工时无腿棚钩外露不大于200mm,棚梁搭在棚钩上长度为100～150mm,无腿棚钩与巷帮垂直打注,无腿棚下沿距煤层底板不大于2.2m。套好无腿棚后,在无腿棚上方铺设金属网,采用10号铁丝编制而成的经纬形金属网,规格为JW10/50×50-1.6×6.0,网孔规格为50mm×50mm,网间采用对接形式,采用双股16号铁丝每隔100mm一道联紧,并用耙钉、铁钉将金属菱形网与无腿棚固定牢固。如图2所示。
图2IX1316回风横川填充施工
3)对IX1316回风横川与二水平主胶带巷交叉处的风桥墙体进行拆除施工。拆除墙体时,先在横川风桥下、二水平主胶带巷内支设两排液柱板梁棚,棚梁采用直径不小于200mm的红松板梁,长度3.5m,保证一梁三柱;并支设两个木垛进行加强支护,如图3所示。
图3拆风桥墙体前加强支护示意(mm)
4)然后逐道拆除风桥墙体,每拆完一道后在原墙体位置支设一排单体柱板梁棚。棚梁采用直径不小于200mm的红松板梁,长度3.5m,保证一梁三柱。单体柱板梁棚与巷道帮部采用2m的板梁或背板进行背帮,背帮时,应避开柱芯与柱筒接触处。根据现场需要,棚梁梁头与煤体接触处采用风镐进行支挖开槽确保尺寸如图4所示。
图4拆风桥墙体后支护示意(mm)
5)IX1316回风横川煤巷段采用沿煤层顶板架设单体柱板梁棚的方式进行充填施工。板梁棚与回采方向平行,棚距750mm,板梁棚采用长4m或55m板梁,配合DW22-250/100X或DW25-250/100X型单体液压支柱支护,一梁三柱,工作面方向板梁棚悬臂500mm,如图5所示。
3.2过风桥期间施工要求
1)工作面距IX1316回风横川30m前,对风桥与巷道交叉点采用四架单体柱板梁棚进行加强支护,板梁采用长4m的红松板梁,配合DW22-250/100X或DW25-250/100X型号单体柱进行支护,保证一梁三柱。
2)在工作面回采距空巷20m时,进行放排瓦斯,拆除通风设施。同时测量空巷实际高度,将工作面采高与空巷高度随平,防止出现台阶,影响正常生产。
3)工作面距IX1316回风横川10m时,将工作面采高调整至2.0±0.1m,并对支架进行拔节,保证支护有效,空巷段与正常段交接处随平。同时调斜工作面至机头超前机尾3～10m,减小工作面一次揭露空巷面积。
4)过空巷前,在二水平煤柱回收综采工作面轨道巷内,IX1227巷向外10～15m备用2×5.5kW风机2台及配套设施,600mm风筒不少于100m(配套裤衩)。
图5IX1316回风横川煤巷段填充施工(mm)
3.3过风桥超高段期间技术要求
1)合理控制工作面推进速度,保持平行推进或机头慢机尾快地快速推进,以减少风桥揭露面积和时间。
2)在风桥揭露位置及巷道风桥位置挂警戒带拦人,防止无关人员进入。
3)割煤时,严禁有人进入风桥作业,揭露位置前后10m范围内不得进入煤帮侧作业,采煤机停机位置避开上述区域。如必须进入煤帮作业的,必须在工作面支柱背帮后进入。
4)采煤机割透风桥时,及时拉架将风桥内支设的棚梁用支架顶梁端住,然后一次性回取影响一次循环机组通过的单体柱,必要时可拉超前架端板梁棚。
5)工作面停产期间,由于片帮造成风桥内板梁棚梁头与工作面支架顶梁空顶距离在0.6m以下时,不需进行补强支护,距离超过0.6m时拉超前架保证空顶距离,拉架后仍超过0.6m时,在支架顶梁前支设单体柱维护顶板,单体柱支设在板梁梁头与支架正中处,每架支设两根单体柱,柱距0.75m。
6)过风桥时,如支架端无腿棚后支架无法升紧时,必须在无腿棚上进行勾顶,风桥内顶板出现破碎、离层、垮落造成支架不接顶时,必须在支架上勾顶保证支架接顶。
7)工作面过风桥时,要在风桥进风侧搭设风障进行控风,避免工作面风流短路。
8)过IX1316回风横川时,待工作面将风桥割透,造成IX1316回风横川巷道堵塞,风量不足时,开启风机,延伸风筒至距工作面不大于10m处,对IX1316回风横川进行供风,并在风筒出口前方设置栅栏,防止人员进入,防止割煤时顶板垮落造成IX1316回风横川无风微风导致通风瓦斯事故。
9)风桥开启后,现场三员进入风桥内检查支护、通风、积水等情况,有异常及时处理,处理后方可继续作业。
10)过风桥期间,工作面割煤作业时,要加强顶帮观察,机组司机远距离操作,对出现片帮预兆时,人员及时躲避,防止片帮伤人。
11)过风桥期间,空巷范围内的支柱要一次回取影响一个循环进度割煤的柱,尽量避免频繁进入风桥内作业。
3.4过风桥平巷段期间技术要求
1)过风桥平巷段期间,所有液压支架保证完好,严密接顶,初撑力达到额定值。
2)工作面要保证快速推进,减少在空巷下的停留时间,以免空顶大、时间长、造成漏顶事故。
3)严密监视老顶来压,如支架不接顶,应及时刹顶,防止漏顶事故发生。
4)机组司机严格控制采高,严禁留顶煤开采,避免支架接顶困难。
5)在拉架作业时,适当地减少工作面支架降架量,紧贴顶板进行带压拉架,最大限度降低拉架过程对顶板的破坏。
6)做好矿压观测,了解来压规律,对重点区域进行补强支护。
4、结语
由于二水平煤柱回收综采工作面总体长度较长,风桥较多,影响推进范围大,过风桥期间遇到诸多不利因素,在采取一系列措施后最终顺利通过风桥,在对推进过程中出现的问题进行总结,对以后出现类似过风桥时提出以下建议:
1)在揭露风桥之前,要对工作面和风桥内的顶、底板高程计算准确,根据计算结果,对过风桥困难区段实施重点管理和调整。机组要根据风桥情况合理调整采高,在风桥内将工作面底板调平。
2)根据生产和地质条件需要,在过风桥期间要保证推进的连续性,强化支护管理,减少空顶不利因素影响。
3)在需对风桥内制作人工假顶时,要对高冒区岩性充分了解,根据顶板岩性及煤层裂隙发育情况,及时调整支护方案,保证人工假顶达到足够的支护强度。
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基金:国家自然科学基金项目(51704154).
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2020-09-16
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