双错联合布置支护工艺在采煤工作面的研究与应用_刘馨元.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2022-01-04修回日期：2022-01-04作者简介：刘馨元（1988-），男（汉族），黑龙江肇东人，工程师，现从事煤矿开采管理工作。双错联合布置支护工艺在采煤工作面的研究与应用刘馨元*（冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056000）摘要：为了解决三角煤回收效率低、提高煤炭回收率、克服工作面超前支护施工困难、施工人员劳动强度大等诸多问题，经过进行长期的探索、反复论证和多次改进，成功探索出适用于峰峰集团本部所属矿井的双错联合布置支护工艺，此项工艺可以有效提高综放工作面三角煤回收效率，提高工作面超前支护支护强度，减少职工劳动强度。关键词：采煤技术；支护强度；联合支护；劳动强度中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0120-041概述目前厚煤层采煤工作面主要采用走向长壁后退式采煤法，采煤工艺为综合机械化放顶煤工艺，回采巷道为摸顶掘进，工作面摸底回采，长期以来工作面端头三角底煤的丢失问题，一直制约着煤炭回收效率。通过不断探索，逐步采取在采煤工作面上端头使用过渡支架、端头支架顶梁上增设增高箱体和安装增高支架等一系列的方式提高三角煤回收效率，但仍不能全部回收三角煤，且操作繁琐，施工工序多，还需摆架褙顶，原架型上增设增高箱体、增高支架，支架重心不稳定，安全上存在支架倾倒等风险。回收三角煤后工作面上、下端头高度达到4m以上，采用铰接梁、单体液压支柱的超前支护工艺施工困难、工序繁琐、劳动用工多且安全系数低。而且工作面单班作业人员受限于 煤矿井下单班作业人数限员 之规定，如何优化采煤工艺，提高超前处理工艺机械化，减少劳动强度，做到减人提效，实现矿井安全、高效、可持续生产亟待解决的问题。2研究过程2.1研究的目的和意义为了解决峰峰集团本部矿井放顶煤工作面三角煤回收效率低、提高煤炭回收率、克服工作面超前支护施工困难、施工人员劳动强度大等诸多问题，研制相应的端头及超前支护双错联合布置装备和先进的生产工艺。2.2研究主要技术内容（1）提出并且实现回采工作面摸顶掘进，工作面切眼褙顶摸底回采的不丢三角煤初采初放方案。（2）通过不断改进研究，确定了通过增加端头支架的支护高度，采煤机上行至端头代替人工卧底的方法，从而解决端头三角煤丢失的难题。（3）通过对下顺槽设备的合理布局，通过两次超前卧底，达到机头一次采全高效果，首次研究综放工作面两巷端头专用端头支架和超前支架之间的应用关系。（4）通过研究工作面超前支护工艺和施工工序，确定使用液压支架代替铰接梁、单体液压支柱的传统支护方式，研究液压支架的布置方式并进行支护型的合理验算。（5）研究超前支护的支护方式与专用端头支架之间的空间关系，提出综放工作面端头及超前支护双错联合布置工艺理论。3实施过程3.1实施地点通过综合考虑，选择在大淑村矿172402综放工作面和羊东矿8267工作面实施双错联合布置支护工艺,在九龙矿15240工作面上顺槽使用门式支架加强超前支护段支护强度，本文仅论述172402综放工作面双错布置实施方案及效果。3.2工作面切眼施工方式工作面切眼设计规格为8m5.5m，以安全、高效、经济为目的，提出切眼分两次施工掘出全断面，第一次靠老空帮摸煤层顶板掘进，巷宽巷高为4m4m，永久支护完毕后，对工作面帮进行扩帮4m以达到巷宽8m，然后将挖掘式装载机退出原切眼上口掘进位置，进行1202023年第2期西部探矿工程褙顶施工，褙顶高度2.5m，褙顶超前于卧底6m，卧底高度2.5m，切眼卧底后高度达到5.5m。3.2.1永久支护（1）顶板支护：切眼顶板采用锚杆、锚索、梯子梁、槽钢联合支护。紧贴顶板铺设双抗塑料网，规格：5.0m1.0m，每间隔200mm用专用塑料联网绳联接一道。锚杆采用20mm2.4m的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每孔注1支CK2345和1支K2345型树脂锚固剂，螺母扭矩200Nm，锚固力100kN，拉拔力100kN(13.8MPa)。锚索采用21.6mm8m的钢绞线，每根锚索注1支CK2345和2支K2345型树脂锚固剂，预紧力150kN(25MPa)，锚固力200kN(33.3MPa)。槽钢采用长度4m的16#b热轧普通槽钢，每条槽钢上布置四个孔，孔间距1.2m，全部打设锚索。采用长度4m的梯子梁，梯子梁钢筋直径16mm，宽度80mm，每条梯子梁6组眼，梯子梁孔间距700mm，全部打设锚杆。(2)两帮支护：扩帮后两帮使用锚杆、锚索、梯子梁配塑料网护帮，其中2#、3#、4#眼位打设锚索,其余眼位打设锚杆。锚杆规格为：18mm2.0m，托盘采用150mm150mm10mm 的钢托盘，每根锚杆注 1 支CK2345 和 1 支 K2345 型树脂锚固剂，锚杆抗拔力60kN，锚固力60kN(8.3MPa)，螺母扭矩140Nm。锚索采用 L=4m，17.8mm 钢绞线,预紧力80kN(13.3MPa)，锚固力100kN(16.7MPa)。锚杆(锚索)间距0.8m，排距1.0m。梯子梁14mm，宽度80mm，垂直巷道掘进方向布置。卧底后，两帮采用锚杆、梯子梁、塑料网联合支护。采用长度1.7m梯子梁搭接使用，梯子梁14mm，宽度 80mm，孔间距 0.8m，梯子梁横向使用，第一排梯子梁打设距原巷道最下一排锚杆0.8m，锚杆间排距 0.8m0.8m，最下一排锚杆距底板大于500mm时再打设一排梯子梁，小于500mm时不再进行封帮，如图1和图2所示。3.2.2切眼褙顶施工工序：打设吊挂锚索上槽钢或轨道(作为底面)在第二层摆两面平圆木第三层往上逐层摆板梁、订扒锯加固板梁接顶、组成木垛预紧锚索卧底达到设计要求打设点柱。褙顶时由切眼上端头向下端头方向进行施工，紧贴工作面帮，按照间距1.4m、排距2.5m打设吊木垛锚索。锚索采用21.6mm5.0m 的钢绞线，锚索外露2.65m，然后利用槽钢或轨道作为木垛底层逐层摆好高度为2.5m的木垛。最后对锚索预紧使木垛贴顶。木垛每间隔1.4m摆设一组。木垛底层选用12#槽钢或22kg的轨道，长度3m，顺切眼巷道摆设和垂直切眼巷道呈井字型摆设。顺巷道摆设的槽钢或轨道位于最下层共布置三组孔，孔间距为1.4m，垂直切眼巷道摆设的槽钢或轨道布置两组孔，孔间距2.5m，槽钢搭设时正反对扣(轨道横向摆设，搭接时面与底同侧)，搭接处槽钢或轨道端头孔位对齐。木垛第二层，采用两面平松木，松木采用直径18cm，长度3.4m的优质红松木，顺切眼巷道方向摆设，间距1.6m左右，松木与底面槽钢或轨道采用双股12#铁丝捆绑连接。第三层以上直至接顶采用直径16cm的一面平板梁，第三层板梁长2m，第四层板梁长1.8m，板梁平面朝下(第三层第二排垂直切眼方向摆设的板梁往上不再进行摆设)，每组木垛上下图1172402工作面切眼两帮支护侧视图图2172402工作面切眼顶板支护平面示意图1212023年第2期西部探矿工程两层呈“井”字型摆设(一层沿切眼巷道掘进方向1.8m板梁，另一层垂直于切眼工作面煤壁2m板梁)依次分层摆放直至接顶，木垛每层板梁四角搭接、搭接处（松木和板梁、板梁和板梁）使用扒锯钉牢，木垛顶层与顶板要用木寨子或搪材褙实,每层之间的板梁均匀布置，层与层之间板梁垂直布置，摆设板梁进行褙顶时确保接顶严实。3.3工作面双错工作面总体布置的设计方法3.3.1上端头双错布置情况工作面在上端头布置3架ZFG6400/20/40型过渡支架1架ZFG5000/20/35型过渡支架，巷道内布置2架ZQT6800/26/55 型端头支架，配合上巷布置 32 架ZQ1800/19/40型门式支架，形成上端头双错布置。其中ZFG6400/20/40型过渡支架摸底回采，支架顶部托顶煤1.5m左右，ZQT6800/26/55型端头支架摸顶、摸底回采，与ZFG6400/20/40型过渡支架之间使用特制侧护板进行封帮，实现托顶煤摸底回采的顶板错落布置。同时，上端头三个支架通过铺设塑料网，与原煤壁侧塑料连锁，形成二次防护，保证顶煤稳定。ZQT6800/26/55型端头支架布置在巷道上端，摸煤层底板，ZQ1800/19/40型门式支架布置在原掘进巷道（即运料巷超前支护），与ZQT6800/26/55支架在底板存在1.52m落差，形成底板错落布置。端头支架与门式支架动态搭接，随工作面回采往外进行运移架作业。目前，上超前支护门式支架采用支架运输车进行外运移架，已经使用3个工作面，取得非常好实际效果。3.3.2下端头双错布置情况工作面下端头双错布置主要由以下几个主要特征：工作面下顺槽皮带及转载机布置与以往不同。由于巷道内布置端头支架，转载机布置在下巷下帮。该布置的主要特点是将下端头支架管理与工作面支架进行统一管理，实现工作面支架与端头支架协调一致，便于下端头管理。工作面在下端头布置3架ZFG6400/20/40型过渡支 架，巷 道 内 布 置 1 架 ZQT5000/26/55 和 1 架ZQT6800/26/55 型过渡支架，配合下超前布置 15 架ZQ1100/20/45 型门式支架，形成下端头双错布置格局。工作面机头ZFG6400/20/40型过渡支架摸底回采，支架顶部托顶煤 1.5m 左右，ZQT6800/26/55 和ZQT5000/26/55 型端头支架摸底回采，与 ZFG6400/20/40型过渡支架之间使用特制侧护板进行封帮闭锁，实现托顶煤摸底回采的顶板错落布置。下超前使用ZQ1100型超前门式支架，布置在超前支护人行道侧，与ZQT6800/26/55和ZQT5000/26/55型端头支架底板落差1.0m左右，形成底板错落布置。下端头实现双错布置工艺的关键因素在转载机超前 处 理 方 面。为 了 能 够 保 证 ZQT6800/26/55 和ZQT5000/26/55型端头支架摸底回采，需要将转载机布置在巷道底板上，这样需要超前对桥式转载机进行卧底处理，保证转载机摸底拉移。3.4超前支护的布置方案工作面上顺槽安装有25架超前支护门式支架，该支架型号为ZQ1800/19/40，最低支撑高度1900mm，最高支撑高度4000mm，横梁宽度500mm，立柱滑靴宽长600mm，宽400mm，横梁最小支撑巷道宽度2600mm，最大支撑巷道宽度4000mm，初撑力1600kN。支架配套配件：支架运输车、轨道和轨道铁枕等。工作面下顺槽煤壁往外至20m范围采用ZQ1100/20/45型门式超前支架，门架往外至50m范围靠上下帮采用单体液压支柱配合铰接梁支护顶板（一梁一柱，单体液压支柱间距1m）。上顺槽煤壁往外至20m范围采用ZQ1800/19/40型门式超前支架，门架往外至50m范围靠上下帮采用单体液压支柱配合铰接梁支护顶板。该型号支架具有：结构简单、组装简单、工作阻力大、安全系数高等优点，减少了人工抬运点柱的工作量，同时减少了抬运期间的风险，减少了挂梁期间人员高空作业的风险，在使用过程中，该型号支架移动简单，在生产过程中即可完成超前支架的移设（如图3所示）。图3型门式支架示意图4效益分析4.1经济效益172402工作面采用端头及超前支护双错联合布置工艺后，在下列应用效果中取得的经济效果为：172402工作面在安装设计过程前期进行了大量的论证研究，在充分保证安全顺利回采的基础上进行了安全高效安1222023年第2期西部探矿工程装。172402工作面切眼采用“摸顶掘进+培顶卧底”方式实现一次摸底安装工艺。该工艺也是第一次在我矿创新使用，极大程度地提高了资源回收率。172402综放工作面掘进期间，以安全、高效、经济为目的，掘成巷道后切眼进行卧底培顶，将切眼卧到巷道底板上，顶上使用锚索吊挂板梁原木培顶，初步计算，通过该方式可以回收资源:Q精煤=L1L2L31.550.8=702.681.550.8=1805（t）按照目前精煤市场价格1000元/t，切眼摸底成巷创造效益：M1=18051000=180（万元）172402工作面通过摸底安装，直接实现了摸底回采。极大降低了传统综放工作面初采初放期间丢煤情况，通过计算该方式可回收资源：Q精煤=L1L2（5