梁北礦極軟雙突厚煤層大采高綜采技術(shù)研究與實(shí)踐

在具有突出風(fēng)險(xiǎn)的厚煤層開采中，《煤炭安全規(guī)則》明確規(guī)定，不允許執(zhí)行頂板煤開采。特別是在軟煤條件下，很難有效解決屋頂和茅墻等圍巖控制問題，這是煤炭生產(chǎn)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。梁北煤礦開采的二1煤層屬極軟較薄厚煤層,并具有較強(qiáng)的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。原回采工藝是沿頂限采高普通綜采,存在頂板和煤壁難于控制、局部瓦斯積聚、回采工效低和資源丟失嚴(yán)重等問題。河南神火煤電公司與中國礦業(yè)大學(xué)合作,在梁北礦11041綜采面開展了以設(shè)備配套、工藝技術(shù)、巖體活動(dòng)規(guī)律及控制技術(shù)、瓦斯治理和水患防治等為主要內(nèi)容的極軟雙突厚煤層大采高開采技術(shù)課題研究。1菌株地層及煤層地質(zhì)特征梁北煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a,主采二1煤層。礦井開拓方式為立井單水平上下山開采,走向長壁后退式采煤法采煤,工作面均沿煤層走向偽傾斜布置,采用“一進(jìn)一回”通風(fēng)方式,兩巷均沿煤層頂板布置。二1煤層賦存于二疊系下統(tǒng)山西組底部下石盒子組,煤層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,煤層傾角8～12°,煤層厚度0～10.79m,平均4.18m,屬較薄厚煤層。煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.15～0.25,全層極軟。煤層直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖互層,層理發(fā)育,巖體穩(wěn)定性較差。煤層底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖、泥巖互層,巖體穩(wěn)定性差,起伏變化大。煤層具有較大的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,且屬于難抽放煤層,其破壞類型屬Ⅲ類、Ⅳ類,煤層瓦斯含量X=4.73～12.46m2/t,煤層原始瓦斯壓力P=0.60～3.65MPa,瓦斯放散初速度ΔP=12～26。煤層主要受底板寒武系灰?guī)r強(qiáng)含水層威脅,水壓大且煤層底板導(dǎo)水裂隙發(fā)育,突水可能性較大。礦井正常涌水量約1500m3/h,最大涌水量2500m3/h,回采工作面涌水量多在200m3/h以上。2走向上,土壤中多態(tài)性nmf梁北礦11041工作面首次采用5.0m大采高綜采一次采全高工藝。該面煤層厚度3.7～5.7m,平均厚度4.6m,走向長941m,傾斜長166m,可采儲(chǔ)量102萬t。工作面主要配備MGTY300/730-1.1D型采煤機(jī)1臺(tái)、ZY6000/25/50型掩護(hù)式液壓支架106架、ZYG6000/25/50型端頭液壓支架6架、SGZ764/2×315型輸送機(jī)1臺(tái)、SZZ-764/160型轉(zhuǎn)載機(jī)1臺(tái)和PLM1000型破碎機(jī)1臺(tái)。3突出防治特點(diǎn)分層開采雖然是開采較薄厚煤層比較成熟的采煤方法,但它存在開采成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作面單產(chǎn)低、萬噸掘進(jìn)率高等缺點(diǎn)。本次實(shí)施的臺(tái)階式大采高一次采全厚綜采回采工藝,具有安全高效、萬噸掘進(jìn)率低、材料消耗少等優(yōu)點(diǎn),能較好地控制煤壁片幫和端面冒頂,并為煤與瓦斯突出防治創(chuàng)造了有利條件。采煤機(jī)雙向進(jìn)刀割煤,進(jìn)刀方式為端頭斜切進(jìn)刀。每一回采作業(yè)循環(huán)均采用臺(tái)階式割煤,即先割出煤壁上部2.2～2.5m厚煤炭,支架及時(shí)伸出伸縮前梁支護(hù)新暴露的頂板,二級(jí)護(hù)幫板及時(shí)伸出護(hù)幫,留出的下臺(tái)階作為下一防突作業(yè)施工平臺(tái),然后采煤機(jī)下調(diào)滾筒割下部煤,同時(shí)隨機(jī)推溜移架。每推進(jìn)3.5m為一個(gè)防突循環(huán),實(shí)施防突措施和防突效果檢驗(yàn),直到防突指標(biāo)不超標(biāo)后方可進(jìn)行下一回采作業(yè)循環(huán)。工作面循環(huán)作業(yè)圖表如圖1所示。工作面采用“三八”制作業(yè),“兩采一準(zhǔn)”,即兩班生產(chǎn)、一班檢修。檢修班同時(shí)進(jìn)行局部防突、消突措施施工?；夭上锏莱爸ёo(hù)采用DZ-4200(3500)型單體液壓支柱配合1000mm金屬鉸接頂梁支護(hù)形式,同時(shí)回收原工字鋼棚支護(hù)材料,超前支護(hù)長度不少于20m。4采區(qū)圍巖控制采面圍巖控制特別是防治工作面端面冒頂和煤壁片幫是大采高開采工藝必須解決的難題之一。4.1頂板壓力規(guī)律課題組沿綜采面面長方向分別布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),在對(duì)應(yīng)支架的立柱上安設(shè)圓圖壓力自記儀,對(duì)支架的工作阻力進(jìn)行跟蹤記錄,并觀測(cè)每條測(cè)線處的煤壁片幫、端面冒頂情況。采面各部位基本頂來壓規(guī)律見表1。大采高綜采面的周期來壓現(xiàn)象明顯,整個(gè)工作面頂板來壓具有明顯的不一致性:工作面上下部活動(dòng)劇烈,而中部活動(dòng)相對(duì)緩和;工作面上端頭與中下部頂板壓力基本相等,中部頂板壓力最大,中上部頂板壓力最小。大采高綜采面必須提高工作面兩端及中部的支護(hù)質(zhì)量,另外,提高支架初撐力有利于工作面直接頂?shù)目刂啤?.2煤壁塑性破壞程度臺(tái)階式割煤工藝由于下臺(tái)階煤體對(duì)上臺(tái)階特別是上臺(tái)階底部煤體的水平變形起到一定的約束作用,使煤壁區(qū)域的水平應(yīng)力比無臺(tái)階時(shí)大,工作面超前支承應(yīng)力的極限平衡區(qū)寬度減小,極限平衡區(qū)內(nèi)的壓力增大,從而減緩了煤壁變形(臺(tái)階式割煤時(shí)煤壁水平位移比無臺(tái)階時(shí)小1～2mm)。因此,煤壁破壞程度小,煤壁區(qū)域煤體承載能力增強(qiáng)。上下臺(tái)階比為1∶2時(shí)煤壁塑性破壞程度最小,上下臺(tái)階比為1∶1時(shí)次之。考慮到采煤機(jī)滾筒直徑2000mm,把梁北礦的臺(tái)階式割煤工藝上下臺(tái)階比定為1∶1。4.3工作面超前承接壓力分布規(guī)律工作面支承壓力觀測(cè)采用KS型鉆孔應(yīng)力計(jì)。在回風(fēng)巷靠工作面一側(cè)的煤壁內(nèi)距切眼100,120m處,垂直于巷幫和沿煤層傾斜方向分別布置1個(gè)支承壓力觀測(cè)站,每個(gè)觀測(cè)站各施工觀測(cè)鉆孔2個(gè),按不同深度共布置鉆孔應(yīng)力計(jì)13塊。工作面超前支承壓力分布規(guī)律如圖2所示。梁北礦綜采面支承壓力分布規(guī)律的特征:影響范圍比較大,塑性區(qū)寬度較大,而支承壓力峰值較小。其主要原因是:①在極軟煤層條件下,煤體強(qiáng)度比較低,導(dǎo)致工作面超前支承壓力塑性區(qū)范圍增大,支承壓力峰值變小,支承壓力影響范圍增大;②大采高開采條件下,一般超前支承壓力峰值將前移,塑性區(qū)范圍增大,支承壓力峰值變小,使支承壓力影響范圍增大。4.4支護(hù)系統(tǒng)及支架連桿機(jī)構(gòu)ZY6000/25/50型掩護(hù)式液壓支架的頂梁為整體頂梁帶800mm行程的伸縮梁,伸縮梁前端設(shè)有二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)。當(dāng)采煤機(jī)割出上部煤后,支架可及時(shí)伸出伸縮前梁支護(hù)新暴露的頂板,同時(shí)伸出二級(jí)護(hù)幫板護(hù)幫,保證了圍巖控制的及時(shí)性。支架連桿機(jī)構(gòu)為雙連桿,提高了支架的穩(wěn)定性。支架實(shí)測(cè)初撐力平均值為2856.944kN/架,是額定初撐力(5067kN/架)的56.38%,支架初撐力普遍偏低;支架時(shí)間加權(quán)平均工作阻力為3432.600kN/架,與最大工作阻力(6000kN/架)的比值為57.21%。因此,支架在保證采面支護(hù)安全可靠的情況下,其額定工作阻力仍有較大的富余量,可以滿足大采高綜采面的支護(hù)要求。5安全返回措施5.1工作面淺孔抽放采用采前預(yù)抽和邊采邊抽的區(qū)域性防突措施:回采前利用采動(dòng)壓力在工作面前方形成的卸壓區(qū),在工作面前方10～20m范圍內(nèi)施工順層抽放鉆孔實(shí)現(xiàn)采前卸壓預(yù)抽放;回采期間采用工作面淺孔抽放配合煤層中高壓注水、頂板高位鉆孔和采空區(qū)埋管等局部防突措施。通過采取幾種瓦斯綜合抽放措施,采面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.20%～0.50%,平均0.34%,上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.30%～0.70%,消除了瓦斯突出和超限現(xiàn)象。5.2底板水壓下降對(duì)寒武系灰?guī)r強(qiáng)含水層采取疏堵結(jié)合,即區(qū)域性疏水降壓和采面煤層底板注漿加固相結(jié)合的綜合防治水措施,使工作底板水壓由原始?jí)毫?.2MPa降到2.2MPa,無突水危險(xiǎn)。5.3采出液壓(1)及時(shí)追機(jī)移架,采煤機(jī)過后立即伸出伸縮梁,并打開二級(jí)護(hù)幫板。(2)臺(tái)階式割煤工藝,即先采出上臺(tái)階,并及時(shí)護(hù)頂、護(hù)上部煤幫,再采下臺(tái)階。(3)煤厚超過支架的最大支護(hù)高度時(shí),采用底煤加固方法,向底煤高壓注入馬麗散,效果檢驗(yàn)合格后循環(huán)抬刀割煤,循環(huán)抬刀量不得大于100mm。(4)移架時(shí)若出現(xiàn)支架歪斜倒架現(xiàn)象,及時(shí)用單體支柱和半圓木處理;發(fā)現(xiàn)片幫漏頂,及時(shí)采取圓木絞架接頂。6高效采空液壓、工效及改造效果極軟雙突厚煤層大采高綜采技術(shù)在梁北礦11