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王庄煤矿综放工作面快速回撤全断面掩护支护研究

2024-06-12 58 上传者：管理员

摘要：针对王庄煤矿综放工作面回撤期间面临的工序繁琐、劳动强度大、支护材料难以回收重复利用、支护耗材易燃等难题，采用掩护支架代替架设圆木木桩、枕木木垛支护的全断面掩护支护，从数值模拟分析得出木垛和单体支柱的支护强度无法满足待支护区域对平均支护强度的要求，采用全断面掩护支护可以降低顶板下沉量，防止帮部裂隙的扩展贯通和保证煤岩体的完整性，使回撤通道得到很好的控制；将原有撤架工艺优化为绞车牵引全断面掩护撤架工艺，提高了回撤顶板支护机械化程度与作业安全性，缩短了回撤工期、减人提效。

关键词：
全断面掩护
工作面
快速回撤
数值模拟
矿井生产
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在矿井生产过程中，工作面的接替是一个必要的过程，综采工作面的搬家倒面是矿井实现高产高效的重要环节，综采面设备回撤速度的快慢在一定程度上影响了矿井生产效率。综采工作面的安全、快速回撤对矿井提高煤炭产量和经济效益具有重要意义[1]。

在现有的综放工作面回撤支护技术中[2,3,4],随着采煤工作面的支护设备趋向于大型化、重型化，造成回撤空间跨度大、支护困难、支架撤出时易发生压架、倾倒等现象，此外回撤工期过长易发生煤层自燃、顶板垮落等灾害[5]。在传统的采煤工作面回撤空间支护中，常用掩护支架配合木垛、掩护支架配合单体液压支柱这两种支护形式。上述两种支护方式共有的缺陷是在回撤断面上的支护形式与支护强度的不统一，无法及时支护液压支架撤回暴露的顶板，人为造成支护薄弱区域，该区域的施工难度大、作业危险性高；采用可燃的木垛支护时，木垛无法回收造成大量可燃木材遗留在采空区；采用单体液压支柱支护时，搬运、架设以及回收单体液压支柱作业过程需要投入大量劳动力[6]。

综上，现有回撤空间控制技术中，在回撤空间支护方面，存在以下缺陷：①回撤断面上的支护形式不统一、支护强度也不一致，人为地造成了顶板支护薄弱区、增加了支护施工难度与施工风险；②支护整体性不强、各个掩护支架不能相互支撑自移，掩护支架的牵引作业干扰其他回撤作业，影响施工进度。因此，亟需一种支护形式与支护强度统一，机械化程度高的回撤空间支护技术[7]。

本文旨在提供一种全掩护破碎顶板的撤架支护方法，掩护支架实现及时支护回撤顶板，提高支架回撤机械化程度与安全性；同时统一了回撤空间的支护形式与强度，杜绝可燃支护耗材遗留在采空区，防止回撤工期过长伴生的系列灾害；实现综放工作面回撤空间支护的机械化，缩短了回撤工期，减人提效，提升了煤矿经济效益[8,9,10]。

1、工程背景

1.1 工程地质概况

王庄煤矿7106外工作面位于71采区，工作面标高为496～524 m, 北、南为实体煤，西为8101、8102已采工作面，东为7106工作面里段。工作面进风巷长482 m(可采长度为356 m),回风巷长478 m(可采长度为355 m),运巷长478 m(可采长度为355 m);工作面切眼长240 m, 煤层总厚6.2 m, 容重为1.42 t/m3.工作面布置图见图1.

图1 工作面布置图

1.2 围岩地质特征

7106外工作面位于3号煤，该煤层赋存于二叠系山西组地层中下部，为陆相湖泊型沉积；在本工作面范围内，煤层厚度稳定，煤层下部夹矸最厚的一层为0.2 m, 预计总煤厚为6.2 m; 煤层可采指数Km=1,变异系数为8.42%.本工作面煤层为低磷、低硫，中灰，具粘性，高发热量，为优质动力用煤。煤(岩)层综合柱状图见图2.

2、传统液压支架回撤工艺分析

依据潞安化工集团王庄煤矿关于7106里放顶煤综采工作面回收设备情况、回收准备工作、设备回收工艺等方面的相关资料，液压支架回撤工艺可归纳为以下几个主要工序(如图3):①绞车安置；②抽架调向；③采空区支护；④转运支架；⑤牵引绞绳；⑥回柱放顶；⑦前移绞车。

图2 煤(岩)层综合柱状图

以上便是王庄煤矿7106外工作面液压支架主要回撤工艺过程，从工序间延续关系、支护材料损耗、机械化程度、人员作业强度、施工作业风险等角度分析该工艺过程，存在以下不足之处：抽架调向、回柱放顶、前移绞车3道工序之间干扰严重，耗费大量回撤工时；采空区支护、回柱放顶两道工序机械化程度低下、作业强度高、施工风险大；采空区支护工序中道木、圆木等支护材料会产生损耗；多种工序需要绞车牵引、绞绳连接作业繁杂；工艺中支护材料回收作业的安全性与支护材料遗留消耗的经济性矛盾对立。针对以上工艺缺陷，亟需进行工艺优化，实现液压支架回撤作业机械化升级，提供一种兼具作业安全、技术可行、经济高效的液压支架回撤工艺。

3、全断面掩护数值分析

综采工作面贯通期间，回撤通道围岩会长时间经受超前支承压力的作用，随着工作面前方剩余煤柱的采出，上覆岩层的载荷将主要作用于工作面支架和回撤通道支护体，原有液压支架回撤工艺见图3.采用离散元数值软件UDEC建立王庄煤矿7106外工作面回撤通道顶板结构数值模型，3号煤层平均厚度6.2 m, 埋深390 m, 为近水平煤层；模型中3号煤层上方岩层为泥岩、细砂岩、泥岩和细砂岩，厚度分别为2.4 m、6.20 m、4.3 m和 2.4 m.岩层物理力学参数见表1.

图3 原有液压支架回撤工艺

表1 岩层物理力学参数

图4主要模拟分析不同支护强度下的工作面围岩特征，模型建立中，在工作面范围内，建立不同支护方式的模拟单元，其中王庄煤矿工作面液压支架型号为ZFS-6000/17/33,其支护强度约为2.0 MPa, 木垛支护与单体支护强度分别为0.76 MPa与1.2 MPa.

图4 3种支护方式裂隙图

由模拟可知，相对于木垛支护跟单体支护，掩护支架支护情况下回撤通道顶板较为完整，裂隙扩展不明显，并且回撤通道帮补未形成贯彻裂隙。

由图5可知，随着木垛支护与单体支护区域顶板贯通裂隙的拓展，顶板应力较低，表明这部分顶板已经失去承载能力；回撤通道顶板受压应力，说明掩护支架支撑区域顶板整体仍具有承载能力，支护效果较好。

图5 3种支护方式应力图

4、全断面掩护撤架工艺

考虑到王庄煤矿回撤工程实施的实际工程，分析王庄煤矿回撤工艺所处发展阶段，结合经济投入与施工技术水平，充分考虑相关作业人员进行新工艺培训周期，权衡多种客观因素，因矿施策，提出将撤架工艺升级优化划分为绞车牵引全断面掩护撤架回撤工艺，实现王庄煤矿回撤工程撤后空间支护从人工支护到机械自动化支护的升级改造。

4.1 绞车牵引全断面掩护撤架工艺

为了优化王庄煤矿回撤工艺，实现撤后空间从人工支护到机械自动化支护升级改造，提出绞车牵引全断面掩护撤架工艺(图6),进行支架撤后空间支护形式的优化升级，采用掩护支架替代圆木木柱、木垛支护，形成全断面掩护支架支护(图7),减少支护损耗与用时，降低施工作业风险与劳动强度，掩护支架的行进方式为采用绞车依次牵引。

图6 绞车牵引全断面掩护支护

图7 绞绳与支架连接方式

回撤通道中的绞车牵引下抽出待撤支架并调向，在抽架过程中，时刻观察顶板情况，若顶板较为破碎时，随直接抽出时，立即将掩护支架伸缩梁、护帮板伸出，利用掩护支架伸缩梁、护帮板进行及时掩护顶板，待支架完全撤出后，依据从采空区到煤壁的顺序牵引掩护支架前移动，将绞绳与掩护支架推移千斤顶连接，采用邻架操作降下掩护支架立柱(100～200 mm)并收回伸缩梁、护帮板，启动绞车牵引掩护支架，并利用掩护支架侧护板微调掩护支架位置，待掩护支架牵引至距下一待撤支架500～1 000 mm时，停止牵引采用邻架操作升起立柱初撑力24 MPa以上，循环以上操作至完成所有掩护支架前移。

绞车牵引全断面掩护撤架工艺过程如图8所示，考虑到牵引绞车与掩护支架YH1～YH4的相对位置，YH1、YH2两个掩护支架行进方式为支架自移，即固定连接推移千斤顶后，通过伸缩推移千斤顶实现掩护支架行进；YH3、YH4两个掩护支架采用绞车牵引。当支架抽调出去后，进行掩护支架行进作业，行进距离大致为支架宽度和架间间隙的总和，约为1.6 m, 即YH1、YH2掩护支架需要进行两次行进，YH3、YH4掩护支架可一次性被牵引到位。

图8 绞车牵引全断面掩护撤架工艺

具体的回撤过程：中支架抽调过程中掩护支架YH1～YH3随即伸出伸缩梁(必要时伸出护帮板)对暴露的顶板及时支护(见图8(a)和图8(b));采用钢丝绳连接YH1掩护支架推移千斤顶和支架底座，降YH2掩护支架立柱并收伸缩梁(护帮板)和推移千斤顶0.8 m, 升立柱至初撑力解除钢丝绳(见图8(c));对YH2掩护支架行进操作如同YH1;采用绞车绞绳连接YH4掩护支架推移千斤顶后稍降立柱，启动绞车牵引YH4掩护支架1.6 m后升立柱至初撑力(见图8(e));YH3掩护支架牵引操作如同YH3,在牵引过程中可利用侧护板进行位置的微调；YH1、YH2掩护支架伸出推移千斤顶0.8 m(见图8(g));YH1、YH2掩护支架再次行进如同步骤移YH1、YH2,区别在于使用的钢丝绳的长度较短(1/2);进入下一支架的抽调(见图8(j))。

工艺特点：基于绞车牵引全断面掩护撤架工艺较于矿井原有的回撤工艺，采用掩护支架代替架设圆木木桩、枕木木垛支护，能够实现裸露顶板高且均等强度的及时支护，减少支护损耗与用时，降低施工作业风险与劳动强度。

4.2 工业性实验

王庄煤矿综合矿井实施条件、经济投入与施工技术水平等因素，确定7106外工作面回撤方案为绞车牵引全断面掩护撤架工艺(图9),自2022年11月3日(安置绞车)至2022年11月24日(撤出掩护支架),历时21 d完成了工作面全部支架回撤，回撤期间顶底板无显著变形、控制效果较好。

图9 绞车牵引全断面掩护撤架工艺现场施工图

5、结语

1) 通过数值模拟，得出木垛和单体支柱的支护强度无法满足待支护区域对平均支护强度的要求，而采用全断面掩护支架支护可满足待支护区域支护强度的要求，并且回撤通道顶板较为完整，帮部未形成贯通裂隙。

2) 针对东庄煤矿存在的问题，进行支架撤后空间支护形式的优化升级，提出了绞车牵引全断面掩护撤架工艺，采用掩护支架替代圆木木柱、木垛支护，形成全断面掩护支架支护，掩护支架的行进方式为采用绞车依次牵引。

3) 工业性实验结果表明，绞车牵引全断面掩护撤架工艺应用效果较好，回撤期间顶底板无显著变形、控制效果较好，实现了低位放顶煤综采工作面设备回收机械化升级、节支降本、节能降耗及改善施工作业环境。

参考文献:

[1]张在明.5台掩护支架在7 m大采高综采面支架回撤中的应用[J].煤炭工程,2017,49(4):46-48.

[2]蒙鹏科.大采高综采工作面设备快速回撤的现场应用[J].神华科技,2010,8(5):28-31.

[3]宋旭堂.综采工作面预掘回撤通道快速收尾技术[J].煤,2014,23(3):42-43.