华亭煤矿综放工作面末采阶段柔性网支护效果分析

陈 娜,林 飞,王 震

(华亭煤业集团有限责任公司华亭煤矿,甘肃 平凉 744100)

0 引言

采煤工作面设备回撤是井工煤矿开采中工序繁复、管理难度大的重点工程。与正常回采工作面相比,末采阶段的工作面需要加强上覆岩层的稳定性,留设的液压支架回撤通道具有无立柱支护空间大、紧邻后方采空区、顶板易冒落、停采时间长导致易发火等特点。因此,工作面末采阶段在提升回撤通道快速掘进的基础上,确保顶板支护质量可靠是决定工作面收尾期间能否顺利回撤设备的最关键因素[1-2]。

国内学者对采煤工作面回撤通道支护方面进行了大量研究。赵会波等[3]通过对王坡煤矿3314综采工作面末采支护工艺、回撤设备、回撤工艺、辅助运输系统等方面进行创新优化,安全高效完成3314综采工作面设备回撤工作;徐昕等[4]通过分析同忻矿8309工作面放煤阶段顶板活动规律,确定了该工作面末采期不放煤距离及停采位置,并采用高强聚酯纤维柔性网代替金属网铺顶工艺,创造了良好的社会、经济效益。彭林军等[5]以金鸡滩煤矿12-2108工作面回撤通道为工程背景,研究了该工作面末采阶段基本顶周期来压规律与顶板断裂位置,提出了恒阻大变形锚索+钢带十字链接按不同应力分区支护整体受力的新设计方法,并证明了支架撤出过程中恒阻锚索能够保持顶板临时稳定性,实现了8.2 m综采支架12 d整架回撤的技术突破。还有一些学者阐述综采工作面末采阶段利用高强聚酯纤维柔性网铺顶工艺代替金属网片铺网、联网工艺,简化收尾工序,提高工作面末采收尾效率,柔性网的成功应用为综采工作面安全高效回撤探索了新途径[6-10];李锐等[11]对大柳塔煤矿7.0 m大采高综采工作面末采阶段冒顶压架机理进行了分析,提出大采高综采工作面回撤阶段的冒顶压架防治的针对性措施,保障大采高综采面的高效回撤。

通过检索发现,由于综采工作面末采阶段顶板围岩控制对综采支架回撤起决定性作用而受国内学者的广泛关注。近10 a来,高强聚酯纤维柔性网铺顶工艺在综采面末采阶段具有顶板围岩控制效果突出、工序衔接紧凑、支护效率高、危险系数低的特点而得到推广应用。大多数文献重点阐述高强聚酯纤维柔性网施工工艺,通过华亭煤矿应用高强度聚酯纤维柔性网的实践经验,分析该工艺在实践中的应用效果,针对柔性网应用过程中存在的问题,提出柔性网应用的关键保障技术,旨在进一步提升高强聚酯纤维柔性网在综放面末采阶段的适用性。

1 工程背景

1.1 工作面概况

华亭煤矿250107-1综采面采长200 m,共有117付支架,其中7付过渡架(机头3付,机尾4付),110付放顶煤支架,综采面液压支架相关参数见表1。250107-1综采面平均煤层倾角5°～7°,采用倾斜分层长壁俯斜全部垮落采煤方法,平均分层煤厚12.1 m,设计采高3.5 m,采放比1∶2.46。

表1 250107-1综放面支架相关参数

1.2 末采方案

为了加快工作面推进速度,防止采空区发火,250107-1综采面在末采阶段拟使用高强聚酯纤维柔性网(简称柔性网,下同)进行铺顶,250107-1综采面所使用的一整片柔性网长55 m(工作面采长方向),宽22 m(工作面推进方向),共用4片,在工作面采长方向上每两片柔性网之间相互压茬搭接,压茬3.0 m。

在兼顾液压支架长度、回撤通道宽度、采空区压入网片深度的基础上,拟在工作面距离既定回撤通道15 m时开始挂网打设锚杆,锚杆间排距800 mm×800 mm,回撤通道宽度2.0 m(液压支架前梁至回撤通道煤壁的距离),回撤通道高度4.0 m,考虑到柔性网挂网期间存在扭曲摺叠现象,剩余1.0 m作为网片扭曲摺叠富余量。

2 柔性网的应用

2.1 柔性网应用前的准备工作

2.1.1 运网

工作面挂网前将柔性网运送至工作面回风巷超前支护前,需在工作面回风端头转角处安设导向装置。柔性网运输前采煤机从回风端头向运输端头清理工作面采煤机滑靴侧浮煤,清理浮煤后刮板输送机不推移,将采煤机停机至工作面机头,拉空刮板输送机上的浮煤,并检查、清理回风巷道及前部刮板输送机上的铁质杂物;与此同时调整好网片方向,确保网片进入刮板输送机后可向支架侧打开。运网时将刮板输送机作为动力来源(也可将采煤机作为动力来源),利用钢丝绳将柔性网牵引至工作面,柔性网运输期间刮板输送机低速运转,并分段专人检查运输情况,防止网片撕裂,待柔性网大部分进入工作面前部刮板输送机后解开钢丝绳,完全用刮板输送机运网至工作面机头,同样的方式将其余3整片柔性网运输至工作面。

需要说明的是运网的同时安排作业人员在液压支架上安设绞盘、定滑轮。柔性网片进入工作面既定位置后,确保整片柔性网在工作面采长方向上无摺叠,每2片柔性网重合压茬量符合方案要求,为高效挂网创造良好条件。

2.1.2 挂网

考虑到柔性网面积较大,为防止工作面因煤壁、顶板不直致使挂网后工作面在推进过程中柔性网出现摺叠或受拉现象,工作面挂网前需确保工作面煤壁直,顶板直。

挂网时先将柔性网适当铺开,以方便人工挑网。250107-1综放面挂网时液压支架前梁适当收缩,在支架前梁处顶板打眼,完成打眼后,用8#铁丝将柔性网边缘部位帮扎在支架护帮板上,利用液压支架护帮板的升降将柔性网挑起,然后利用长柄工具挑起柔性网,将柔性网边及绞盘钢丝绳端用U型环固定在锚杆托板下方,完成此项工作后支架前梁伸出,依次类推实施挂网工作,挂网过程中始终确保网片在工作面采长方向无扭曲摺叠。当挂网工作实施至网片接茬处时,用细铁丝将柔性网连接后进行挂网,避免高空连接网片,如图1所示。

图1 工作面挂网示意Fig.1 Diagram of hanging flexible net on fully mechanized caving face

2.2 柔性网施工工艺

250107-1综放面柔性网施工工艺步骤:推移刮板输送机(收网)→割煤→松网→移架→停电闭锁→支护。推移刮板输送机的同时利用绞盘将柔性网收紧,使其紧贴支架,避免采煤机割煤过程中截齿触及网片;待刮板输送机推移到位、网片收紧后开启采煤机割煤,滞后采煤机松网,拉移支架,待工作面割完一刀煤,并完成移架工序后对采煤机、刮板输送机进行停电闭锁,之后进行打锚杆支护。

工作面末采阶段打锚杆(索)支护是控制顶板的关键,柔性网铺顶与金属网铺顶工艺条件下的锚杆支护有所不同,250107-1工作面柔性网铺顶由于网片有一定的重量,网片紧紧挂靠在液压支架伸缩梁前端,网片与煤体有一定的距离,锚杆不易打设在预定位置,250107-1工作面末采阶段为确保锚杆打设质量,充分利用了支架伸缩梁、护帮板,柔性网铺顶条件下锚杆支护示意如图2所示。

图2 锚杆支护示意Fig.2 Diagram of bolt support

由图2可以看出,锚杆支护施工区相邻支架伸缩梁、护帮板伸出进行护顶护帮,而本架护帮板、伸缩梁均收回,这样使本架伸缩梁前端网片悬空,网片紧贴顶煤,同时为打设锚杆创造了空间条件,按照此种方式依次进行锚杆打设。

3 柔性网应用效果分析

3.1 柔性网的应用优势

基于华亭煤矿250107-1综放面末采阶段柔性网铺顶工艺应用效果,与传统的金属网相比,柔性网具有如下优势:一是从材质上相比较,柔性网是由高模量、高强度涤纶长丝捆绑编织而成,其质地柔软,具有耐腐蚀、抗酸碱、阻燃性能好、摩擦不易产生静电的特点。在250107-1综放面实践应用中柔性网材质的主要优势体现在质地柔软便于施工,与支架顶梁摩擦不易产生静电火花,也不会出现类似金属网锈蚀致使抗拉强度下降的现象。二是从施工工艺上相比较,250107-1工作面末采阶段仅使用4整片柔性网,可一次性铺顶,极大的减少了联网环节,也在一定程度上降低了架前煤壁片帮、冒顶对作业人员的伤害;从工艺实施过程中可发现推移刮板输送机、收网、割煤、松网、移架尽管有先后顺序,但均可同步进行,即采煤机在割煤的同时可进行分区域收网、松网、移架,其工序衔接紧凑;从工艺实施过程中的安全管理来看,柔性网的应用有效降低了煤壁片帮、冒顶等突发事件对作业人员的伤害。

打锚杆期间,作业人员站在柔性网片上向顶板打设锚杆,有效隔绝了作业人员与工作面煤壁的直接接触,使得架前冒顶、片帮煤块无法向作业空间抛射,一定程度上保障了作业人员的安全。

3.2 柔性网应用中存在的问题

柔性网的应用极大的提升工作面末采阶段作业效率、安全系数。然而,250107-1综放面工程实践中柔性网仍不可避免的存在重量大、前期架缝漏煤、护顶护帮滞后等问题,一定程度上制约了柔性网在综放工作面末采期间的高效应用。

250107-1综放面末采阶段所使用的柔性网在工作面推进方向上长度达22 m,这造成柔性网铺顶工艺实施前期绞盘、钢丝绳承载量大,收网、松网作业效率较低,同时柔性网铺顶前期收网后网卷直径大,致使采煤机割煤时截齿易触及网片;另外,由于液压支架前梁前端没有侧护板,相邻支架顶梁前端存在间隙,且柔性网包裹了支架前端,致使挂网后首次移架过程中液压支架前梁上方冒落的煤块从相邻支架前端的间隙掉落,使得柔性网、绞盘的负荷再次增大,增加了清煤工序。

与正常回采工作面不同的是末采阶段柔性网的应用增加了收网、松网工序。采煤机割煤后,由于柔性网包裹了液压支架前端,支架不能如正常回采工作面一样执行追击移架,只有当液压支架及邻近支架的网片完成松网后方可移架、伸护帮板进行护顶护帮。因此,松网工序使得工作面末采阶段护顶护帮更为滞后,工作面极易出现因护顶护帮不及时而冒顶、片帮。

4 提升柔性网应用效果的关键保障技术措施

通过对华亭煤矿250107-1综放工作面柔性网应用效果的分析以及柔性网的特点可发现,柔性网的应用有效提升了作业效率,一定程度上保障了作业人员的安全。但是柔性网应用过程中也存在柔性网卷重量大、前期架缝漏煤、护顶护帮滞后等问题,为确保柔性网在工作面末采阶段的高效应用,针对存在的问题提出了以下保障柔性网高效应用的技术措施。

4.1 柔性网尺寸的优化

从华亭煤矿250107-1综采工作面柔性网的实践应用来看,柔性网在工作面采长方向上足够长可减少或避免联网,但是柔性网过长不利于柔性网的运输。柔性网在工作面推进方向上长度大同样可减少或避免联网工序,但是柔性网应用前期网卷重量大,每付支架对应的绞盘及钢丝绳承载重,收网、松网速度慢;相反,柔性网在工作面推进方向长度小可使得网卷重量轻,收网、松网效率高,一定程度上缓解了因移架不及时架前顶煤及煤壁受压变酥的现象,但是在柔性网应用过程中增加了联网工序。

因此,在工作面末采阶段购置柔性网时要结合顶板条件、液压支架长度、柔性网压入采空区距离等因素统筹考虑柔性网铺顶距离,并兼顾柔性网重量、联网工序及运输能力确定多因素条件下柔性网的最优尺寸。另外,柔性网在动态铺顶过程中因工作面倾角变化、顶板平整程度、网片扭曲摺叠或受拉等因素也会造成柔性网的实际利用率出现变化。

4.2 金属网配合挂网技术

工程实践表明,柔性网在应用前期液压支架移架过程中,支架前端架缝漏煤增加了钢丝绳、绞盘的承载重量。针对此问题可结合金属网与柔性网的特点,金属网因网片小可单独联接,移架过程中架缝漏煤对金属网没有影响,可先挂金属网铺顶,待金属网片铺顶范围大于支架前端无侧护板范围,可将柔性网与金属网联接,联接时将金属垂下,直接与柔性网搭茬联接。这种配合金属网挂柔性网的方式有效的避免了柔性网应用前期移架时架缝漏煤对柔性网的影响,同时避免了柔性网因重量大,固定钢丝绳端头及挂网困难的问题。

4.3 挂网前综放面放煤工艺管理

根据放顶煤的工艺特点,顶煤的预破碎是综放工作面顺利实现开采的关键,综放工作面顶煤预破碎除了是支架支撑力、顶煤重力、老顶活动三者共同作用的结果外,其过程也是放煤过程本身。综放工作面顶煤预破碎工艺原理示意如图3所示。

图3 综放工作面顶煤预破碎工艺原理示意Fig.3 Diagram of top coal pre-crushing process principle on fully mechanized caving face

由图3可知,放顶煤开采过程中,支架上方顶煤依次存在支承压力区,顶煤破碎区、待放出煤体区,若顶煤破碎程度低,则支架放煤口无法充分回收支架尾梁上方的顶煤。因此,顶煤破碎程度越高,破坏后顶煤的块度越小,工作面液压支架利用放煤口回收的资源更多。在实际回采过程中,液压支架尾梁上方的顶煤破碎程度越高,则支架上方顶煤的完整性越差,其承载能力越弱,这不仅加剧了支架上方煤体的破碎程度,同时工作面前方煤体将承载更多来自上覆岩层的压力,随着工作面前方煤体抗载能力的弱化,工作面支承压力向工作面前方深处转移,致使待开采煤体破碎程度越高,煤壁片帮、架前冒顶的概率越高,形成恶性循环。

为了更好地控制末采阶段综放工作面顶板,减少煤壁冒顶、片帮,需要根据实际情况提前减少放煤或停止放煤,缓解支架上方煤体的破碎程度,提高顶煤的承载能力,减小支架前方煤体的支承压力,待工作面架前冒顶、片帮频率下降时进行挂网,为柔性网工艺实施创造良好条件,以加快末采期间工作面推进速度,减少采空区煤体氧化,确保工作面设备安全高效回撤。

4.4 挂网前综放面回采工艺管理

根据250107-1工作面实际生产经验,工作面为应对设备“上窜下滑”或避免回风隅角出现窝风、瓦斯集聚现象,在生产期间对工作面伪斜的调整较为频繁。由于工作面末采阶段使用的柔性网具有面积大的特点,工作面挂网后频繁调整工作面伪斜会使柔性网出现扭曲摺叠现象,从而弱化其护表能力;同时伪斜的调整会造成工作面实际长度出现变化,使得柔性网在工作面两端头出现冗余或短缺。因此,挂网前要预判挂网后工作面调整伪斜的可能性,在挂网前调整回采工艺,调好工作面伪斜,避免工作面末采阶段挂网后调整伪斜。

除此之外,顶板不平整也会造成柔性网出现扭曲摺叠或受拉现象,从而降低柔性网的应用效果。因此,工作面末采阶段柔性网应用过程中应加强回采工艺管理,提升工作面末采阶段工程质量,确保“三直两平”,是保障柔性网高效应用的关键。“三直”即液压支架直、刮板输送机直、煤壁直,只有液压支架直才能使刮板输送机直,由于刮板输送机是采煤机行驶的轨道,刮板输送机直能确保采煤机割煤后工作面煤壁直,煤壁直进而促进液压支架直,三者相辅相成,互相影响;“两平”即工作面顶、底板平直,这要求采煤机司机根据工作面倾角合理控制采煤机滚筒高度,避免采煤机摇臂大幅度升、降,确保顶、底板平直,为柔性网的工艺实施创造良好条件。

5 结论

(1)基于华亭煤矿250107-1综放面末采阶段柔性网铺顶工艺工程实践,总结了柔性网应用前相关准备工作及柔性网施工工艺。

(2)基于华亭煤矿250107-1综放面末采阶段柔性网铺顶工艺应用效果,柔性网与传统的金属网相比,指出柔性网具有质地柔软、耐腐蚀等优势以及工程实践中存在的问题。

(3)针对柔性网在应用过程中存在的问题,提出优化柔性网尺寸、配合金属网挂网、加强放煤与回采工艺管理的技术保障措施。