華亭煤礦綜放工作面末采階段柔性網支護效果分析

陳 娜,林 飛,王 震

(華亭煤業集團有限責任公司華亭煤礦,甘肅 平涼 744100)

0 引言

采煤工作面設備回撤是井工煤礦開采中工序繁復、管理難度大的重點工程。與正?；夭晒ぷ髅嫦啾?末采階段的工作面需要加強上覆巖層的穩定性,留設的液壓支架回撤通道具有無立柱支護空間大、緊鄰后方采空區、頂板易冒落、停采時間長導致易發火等特點。因此,工作面末采階段在提升回撤通道快速掘進的基礎上,確保頂板支護質量可靠是決定工作面收尾期間能否順利回撤設備的最關鍵因素[1-2]。

國內學者對采煤工作面回撤通道支護方面進行了大量研究。趙會波等[3]通過對王坡煤礦3314綜采工作面末采支護工藝、回撤設備、回撤工藝、輔助運輸系統等方面進行創新優化,安全高效完成3314綜采工作面設備回撤工作;徐昕等[4]通過分析同忻礦8309工作面放煤階段頂板活動規律,確定了該工作面末采期不放煤距離及停采位置,并采用高強聚酯纖維柔性網代替金屬網鋪頂工藝,創造了良好的社會、經濟效益。彭林軍等[5]以金雞灘煤礦12-2108工作面回撤通道為工程背景,研究了該工作面末采階段基本頂周期來壓規律與頂板斷裂位置,提出了恒阻大變形錨索+鋼帶十字鏈接按不同應力分區支護整體受力的新設計方法,并證明了支架撤出過程中恒阻錨索能夠保持頂板臨時穩定性,實現了8.2 m綜采支架12 d整架回撤的技術突破。還有一些學者闡述綜采工作面末采階段利用高強聚酯纖維柔性網鋪頂工藝代替金屬網片鋪網、聯網工藝,簡化收尾工序,提高工作面末采收尾效率,柔性網的成功應用為綜采工作面安全高效回撤探索了新途徑[6-10];李銳等[11]對大柳塔煤礦7.0 m大采高綜采工作面末采階段冒頂壓架機理進行了分析,提出大采高綜采工作面回撤階段的冒頂壓架防治的針對性措施,保障大采高綜采面的高效回撤。

通過檢索發現,由于綜采工作面末采階段頂板圍巖控制對綜采支架回撤起決定性作用而受國內學者的廣泛關注。近10 a來,高強聚酯纖維柔性網鋪頂工藝在綜采面末采階段具有頂板圍巖控制效果突出、工序銜接緊湊、支護效率高、危險系數低的特點而得到推廣應用。大多數文獻重點闡述高強聚酯纖維柔性網施工工藝,通過華亭煤礦應用高強度聚酯纖維柔性網的實踐經驗,分析該工藝在實踐中的應用效果,針對柔性網應用過程中存在的問題,提出柔性網應用的關鍵保障技術,旨在進一步提升高強聚酯纖維柔性網在綜放面末采階段的適用性。

1 工程背景

1.1 工作面概況

華亭煤礦250107-1綜采面采長200 m,共有117付支架,其中7付過渡架(機頭3付,機尾4付),110付放頂煤支架,綜采面液壓支架相關參數見表1。250107-1綜采面平均煤層傾角5°～7°,采用傾斜分層長壁俯斜全部垮落采煤方法,平均分層煤厚12.1 m,設計采高3.5 m,采放比1∶2.46。

表1 250107-1綜放面支架相關參數

1.2 末采方案

為了加快工作面推進速度,防止采空區發火,250107-1綜采面在末采階段擬使用高強聚酯纖維柔性網(簡稱柔性網,下同)進行鋪頂,250107-1綜采面所使用的一整片柔性網長55 m(工作面采長方向),寬22 m(工作面推進方向),共用4片,在工作面采長方向上每兩片柔性網之間相互壓茬搭接,壓茬3.0 m。

在兼顧液壓支架長度、回撤通道寬度、采空區壓入網片深度的基礎上,擬在工作面距離既定回撤通道15 m時開始掛網打設錨桿,錨桿間排距800 mm×800 mm,回撤通道寬度2.0 m(液壓支架前梁至回撤通道煤壁的距離),回撤通道高度4.0 m,考慮到柔性網掛網期間存在扭曲摺疊現象,剩余1.0 m作為網片扭曲摺疊富余量。

2 柔性網的應用

2.1 柔性網應用前的準備工作

2.1.1 運網

工作面掛網前將柔性網運送至工作面回風巷超前支護前,需在工作面回風端頭轉角處安設導向裝置。柔性網運輸前采煤機從回風端頭向運輸端頭清理工作面采煤機滑靴側浮煤,清理浮煤后刮板輸送機不推移,將采煤機停機至工作面機頭,拉空刮板輸送機上的浮煤,并檢查、清理回風巷道及前部刮板輸送機上的鐵質雜物;與此同時調整好網片方向,確保網片進入刮板輸送機后可向支架側打開。運網時將刮板輸送機作為動力來源(也可將采煤機作為動力來源),利用鋼絲繩將柔性網牽引至工作面,柔性網運輸期間刮板輸送機低速運轉,并分段專人檢查運輸情況,防止網片撕裂,待柔性網大部分進入工作面前部刮板輸送機后解開鋼絲繩,完全用刮板輸送機運網至工作面機頭,同樣的方式將其余3整片柔性網運輸至工作面。

需要說明的是運網的同時安排作業人員在液壓支架上安設絞盤、定滑輪。柔性網片進入工作面既定位置后,確保整片柔性網在工作面采長方向上無摺疊,每2片柔性網重合壓茬量符合方案要求,為高效掛網創造良好條件。

2.1.2 掛網

考慮到柔性網面積較大,為防止工作面因煤壁、頂板不直致使掛網后工作面在推進過程中柔性網出現摺疊或受拉現象,工作面掛網前需確保工作面煤壁直,頂板直。

掛網時先將柔性網適當鋪開,以方便人工挑網。250107-1綜放面掛網時液壓支架前梁適當收縮,在支架前梁處頂板打眼,完成打眼后,用8#鐵絲將柔性網邊緣部位幫扎在支架護幫板上,利用液壓支架護幫板的升降將柔性網挑起,然后利用長柄工具挑起柔性網,將柔性網邊及絞盤鋼絲繩端用U型環固定在錨桿托板下方,完成此項工作后支架前梁伸出,依次類推實施掛網工作,掛網過程中始終確保網片在工作面采長方向無扭曲摺疊。當掛網工作實施至網片接茬處時,用細鐵絲將柔性網連接后進行掛網,避免高空連接網片,如圖1所示。

圖1 工作面掛網示意Fig.1 Diagram of hanging flexible net on fully mechanized caving face

2.2 柔性網施工工藝

250107-1綜放面柔性網施工工藝步驟:推移刮板輸送機(收網)→割煤→松網→移架→停電閉鎖→支護。推移刮板輸送機的同時利用絞盤將柔性網收緊,使其緊貼支架,避免采煤機割煤過程中截齒觸及網片;待刮板輸送機推移到位、網片收緊后開啟采煤機割煤,滯后采煤機松網,拉移支架,待工作面割完一刀煤,并完成移架工序后對采煤機、刮板輸送機進行停電閉鎖,之后進行打錨桿支護。

工作面末采階段打錨桿(索)支護是控制頂板的關鍵,柔性網鋪頂與金屬網鋪頂工藝條件下的錨桿支護有所不同,250107-1工作面柔性網鋪頂由于網片有一定的重量,網片緊緊掛靠在液壓支架伸縮梁前端,網片與煤體有一定的距離,錨桿不易打設在預定位置,250107-1工作面末采階段為確保錨桿打設質量,充分利用了支架伸縮梁、護幫板,柔性網鋪頂條件下錨桿支護示意如圖2所示。

圖2 錨桿支護示意Fig.2 Diagram of bolt support

由圖2可以看出,錨桿支護施工區相鄰支架伸縮梁、護幫板伸出進行護頂護幫,而本架護幫板、伸縮梁均收回,這樣使本架伸縮梁前端網片懸空,網片緊貼頂煤,同時為打設錨桿創造了空間條件,按照此種方式依次進行錨桿打設。

3 柔性網應用效果分析

3.1 柔性網的應用優勢

基于華亭煤礦250107-1綜放面末采階段柔性網鋪頂工藝應用效果,與傳統的金屬網相比,柔性網具有如下優勢:一是從材質上相比較,柔性網是由高模量、高強度滌綸長絲捆綁編織而成,其質地柔軟,具有耐腐蝕、抗酸堿、阻燃性能好、摩擦不易產生靜電的特點。在250107-1綜放面實踐應用中柔性網材質的主要優勢體現在質地柔軟便于施工,與支架頂梁摩擦不易產生靜電火花,也不會出現類似金屬網銹蝕致使抗拉強度下降的現象。二是從施工工藝上相比較,250107-1工作面末采階段僅使用4整片柔性網,可一次性鋪頂,極大的減少了聯網環節,也在一定程度上降低了架前煤壁片幫、冒頂對作業人員的傷害;從工藝實施過程中可發現推移刮板輸送機、收網、割煤、松網、移架盡管有先后順序,但均可同步進行,即采煤機在割煤的同時可進行分區域收網、松網、移架,其工序銜接緊湊;從工藝實施過程中的安全管理來看,柔性網的應用有效降低了煤壁片幫、冒頂等突發事件對作業人員的傷害。

打錨桿期間,作業人員站在柔性網片上向頂板打設錨桿,有效隔絕了作業人員與工作面煤壁的直接接觸,使得架前冒頂、片幫煤塊無法向作業空間拋射,一定程度上保障了作業人員的安全。

3.2 柔性網應用中存在的問題

柔性網的應用極大的提升工作面末采階段作業效率、安全系數。然而,250107-1綜放面工程實踐中柔性網仍不可避免的存在重量大、前期架縫漏煤、護頂護幫滯后等問題,一定程度上制約了柔性網在綜放工作面末采期間的高效應用。

250107-1綜放面末采階段所使用的柔性網在工作面推進方向上長度達22 m,這造成柔性網鋪頂工藝實施前期絞盤、鋼絲繩承載量大,收網、松網作業效率較低,同時柔性網鋪頂前期收網后網卷直徑大,致使采煤機割煤時截齒易觸及網片;另外,由于液壓支架前梁前端沒有側護板,相鄰支架頂梁前端存在間隙,且柔性網包裹了支架前端,致使掛網后首次移架過程中液壓支架前梁上方冒落的煤塊從相鄰支架前端的間隙掉落,使得柔性網、絞盤的負荷再次增大,增加了清煤工序。

與正?；夭晒ぷ髅娌煌氖悄┎呻A段柔性網的應用增加了收網、松網工序。采煤機割煤后,由于柔性網包裹了液壓支架前端,支架不能如正?；夭晒ぷ髅嬉粯訄绦凶窊粢萍?只有當液壓支架及鄰近支架的網片完成松網后方可移架、伸護幫板進行護頂護幫。因此,松網工序使得工作面末采階段護頂護幫更為滯后,工作面極易出現因護頂護幫不及時而冒頂、片幫。

4 提升柔性網應用效果的關鍵保障技術措施

通過對華亭煤礦250107-1綜放工作面柔性網應用效果的分析以及柔性網的特點可發現,柔性網的應用有效提升了作業效率,一定程度上保障了作業人員的安全。但是柔性網應用過程中也存在柔性網卷重量大、前期架縫漏煤、護頂護幫滯后等問題,為確保柔性網在工作面末采階段的高效應用,針對存在的問題提出了以下保障柔性網高效應用的技術措施。

4.1 柔性網尺寸的優化

從華亭煤礦250107-1綜采工作面柔性網的實踐應用來看,柔性網在工作面采長方向上足夠長可減少或避免聯網,但是柔性網過長不利于柔性網的運輸。柔性網在工作面推進方向上長度大同樣可減少或避免聯網工序,但是柔性網應用前期網卷重量大,每付支架對應的絞盤及鋼絲繩承載重,收網、松網速度慢;相反,柔性網在工作面推進方向長度小可使得網卷重量輕,收網、松網效率高,一定程度上緩解了因移架不及時架前頂煤及煤壁受壓變酥的現象,但是在柔性網應用過程中增加了聯網工序。

因此,在工作面末采階段購置柔性網時要結合頂板條件、液壓支架長度、柔性網壓入采空區距離等因素統籌考慮柔性網鋪頂距離,并兼顧柔性網重量、聯網工序及運輸能力確定多因素條件下柔性網的最優尺寸。另外,柔性網在動態鋪頂過程中因工作面傾角變化、頂板平整程度、網片扭曲摺疊或受拉等因素也會造成柔性網的實際利用率出現變化。

4.2 金屬網配合掛網技術

工程實踐表明,柔性網在應用前期液壓支架移架過程中,支架前端架縫漏煤增加了鋼絲繩、絞盤的承載重量。針對此問題可結合金屬網與柔性網的特點,金屬網因網片小可單獨聯接,移架過程中架縫漏煤對金屬網沒有影響,可先掛金屬網鋪頂,待金屬網片鋪頂范圍大于支架前端無側護板范圍,可將柔性網與金屬網聯接,聯接時將金屬垂下,直接與柔性網搭茬聯接。這種配合金屬網掛柔性網的方式有效的避免了柔性網應用前期移架時架縫漏煤對柔性網的影響,同時避免了柔性網因重量大,固定鋼絲繩端頭及掛網困難的問題。

4.3 掛網前綜放面放煤工藝管理

根據放頂煤的工藝特點,頂煤的預破碎是綜放工作面順利實現開采的關鍵,綜放工作面頂煤預破碎除了是支架支撐力、頂煤重力、老頂活動三者共同作用的結果外,其過程也是放煤過程本身。綜放工作面頂煤預破碎工藝原理示意如圖3所示。

圖3 綜放工作面頂煤預破碎工藝原理示意Fig.3 Diagram of top coal pre-crushing process principle on fully mechanized caving face

由圖3可知,放頂煤開采過程中,支架上方頂煤依次存在支承壓力區,頂煤破碎區、待放出煤體區,若頂煤破碎程度低,則支架放煤口無法充分回收支架尾梁上方的頂煤。因此,頂煤破碎程度越高,破壞后頂煤的塊度越小,工作面液壓支架利用放煤口回收的資源更多。在實際回采過程中,液壓支架尾梁上方的頂煤破碎程度越高,則支架上方頂煤的完整性越差,其承載能力越弱,這不僅加劇了支架上方煤體的破碎程度,同時工作面前方煤體將承載更多來自上覆巖層的壓力,隨著工作面前方煤體抗載能力的弱化,工作面支承壓力向工作面前方深處轉移,致使待開采煤體破碎程度越高,煤壁片幫、架前冒頂的概率越高,形成惡性循環。

為了更好地控制末采階段綜放工作面頂板,減少煤壁冒頂、片幫,需要根據實際情況提前減少放煤或停止放煤,緩解支架上方煤體的破碎程度,提高頂煤的承載能力,減小支架前方煤體的支承壓力,待工作面架前冒頂、片幫頻率下降時進行掛網,為柔性網工藝實施創造良好條件,以加快末采期間工作面推進速度,減少采空區煤體氧化,確保工作面設備安全高效回撤。

4.4 掛網前綜放面回采工藝管理

根據250107-1工作面實際生產經驗,工作面為應對設備“上竄下滑”或避免回風隅角出現窩風、瓦斯集聚現象,在生產期間對工作面偽斜的調整較為頻繁。由于工作面末采階段使用的柔性網具有面積大的特點,工作面掛網后頻繁調整工作面偽斜會使柔性網出現扭曲摺疊現象,從而弱化其護表能力;同時偽斜的調整會造成工作面實際長度出現變化,使得柔性網在工作面兩端頭出現冗余或短缺。因此,掛網前要預判掛網后工作面調整偽斜的可能性,在掛網前調整回采工藝,調好工作面偽斜,避免工作面末采階段掛網后調整偽斜。

除此之外,頂板不平整也會造成柔性網出現扭曲摺疊或受拉現象,從而降低柔性網的應用效果。因此,工作面末采階段柔性網應用過程中應加強回采工藝管理,提升工作面末采階段工程質量,確?！叭眱善健?是保障柔性網高效應用的關鍵?！叭薄奔匆簤褐Ъ苤?、刮板輸送機直、煤壁直,只有液壓支架直才能使刮板輸送機直,由于刮板輸送機是采煤機行駛的軌道,刮板輸送機直能確保采煤機割煤后工作面煤壁直,煤壁直進而促進液壓支架直,三者相輔相成,互相影響;“兩平”即工作面頂、底板平直,這要求采煤機司機根據工作面傾角合理控制采煤機滾筒高度,避免采煤機搖臂大幅度升、降,確保頂、底板平直,為柔性網的工藝實施創造良好條件。

5 結論

(1)基于華亭煤礦250107-1綜放面末采階段柔性網鋪頂工藝工程實踐,總結了柔性網應用前相關準備工作及柔性網施工工藝。

(2)基于華亭煤礦250107-1綜放面末采階段柔性網鋪頂工藝應用效果,柔性網與傳統的金屬網相比,指出柔性網具有質地柔軟、耐腐蝕等優勢以及工程實踐中存在的問題。

(3)針對柔性網在應用過程中存在的問題,提出優化柔性網尺寸、配合金屬網掛網、加強放煤與回采工藝管理的技術保障措施。