大倾角综采工作面安全高效回采

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  目前,枣泉煤矿12采区生产接续的综采(放)工作面煤层倾角绝大部分在30°以上,即所谓大倾角开采。近水平、缓倾斜综采(放)开采,我矿有着较为成熟的生产经验和技术积累,已成为我矿近年来安全高效生产的基础,而大倾角煤层的开采,不论在技术设备上、生产工艺规程上、安全高产、高效上、管理上等方面都是空白,枣泉井田以南北走向向南倾伏,东西两翼对称的碎石井背斜主体构造,全长约35km,井田内长度19km。轴部地层产状3°~5°,两翼地层产状一般为15°~36°,东北角深部可达40°~45°。因此,大倾角综采(放)工作面安全高效回采技术的研究与应用,决定着枣泉煤矿每年1000万吨生产接续的正常和后期产能的均衡稳定,具有重要意义,亦成为当前集团公司安全生产的迫切需要。
  1 地质概况及回采工艺
  1.1 工作面概况
  12108工作面布置在12采区北翼第三区段的一煤煤层中。工作面设计走向长度531m,倾斜长度170m,煤层平均厚度3.4m,倾角29°~38°。一煤,黑色,稳定,块状,半暗型沥青玻璃光泽,间夹条带状亮煤。块状构造,煤层分布稳定,结构单一。一煤层顶板以粗砂岩、中粒砂岩为主,局部为粗砂砾岩。一煤底板为0.3~0.5米泥岩,较软,下部为粉砂岩,遇水极易膨胀变形。工作面采用走向长壁综合机械化采煤方法进行开采。
  1.2 回采工艺及设备
  该工作面采用单一煤层走向长壁综合机械化采煤方法。最大控顶距5.825m,最小控顶距5.025m,采空区顶板管理方法为全部垮落法。采煤机单向割煤,端部斜切进刀,循环进度0.8m。工作面采用MG450/1020-WD型双滚筒采煤机与1台SGZ960
  /1400型刮板输送机和1台SZZ1000/400型转载机配合使用,安装100架四柱支撑掩护式正四连杆大插板低位放顶煤液压支架(含94架ZF8600/18/35型基本架,6架ZFP8800/20/36D型排头支架),ZT20000/21/38型中置式放顶煤端头支架管理工作面顶板。
  2 大倾角工作面开采特点
  2.1 工作面设备状况
  1)工作面煤层倾角较大时,液压支架的重力沿煤层倾向的分力大于支架底座和底板间的摩擦力,便会产生侧向移动,出现下滑。随煤层倾角增大,支架重力的作用线超出支架底座宽度边缘时便会倾倒,倾角越大,支架重心偏移越远,支架越不稳定。此外,煤层倾角较大时,顶板移动方向偏离煤层顶底板的法线方向,也会使支架倾倒。
  2)调整工作面的伪斜时,磨刀处没有推进度,支架反复支撑顶板,破坏顶板的完整性,使顶板破碎,且极易出现输送机和支架的上窜下滑、挤架、咬架倒架等问题。
  3)工作面采高掌握不好,部分区域采高大于支架最大支撑高度,或工作面局部顶板冒空时,会因支架吃不上劲而歪斜。当顶板破碎起伏不平时,顶梁不能平整地和顶板接触,支架受力不均,产生偏心载荷而使支架失稳发生歪斜倾倒。
  4)垮落矸石沿底板的下冲作用,也会使支架在煤层平面内移动,使支架倾斜。
  5)当工作面底板松软或浮煤、浮矸过多时,造成支架底座下陷,压力不均,支架底座不能平整地和底板接触,支架稳定性降低,也易发生倒架事故。
  6)倒架事故往往发生在移架过程中,支架正常推移角度5°,因此必须注意观察移架时支架的工作状态和顶板变化情况;在调整支架时将支架的尾梁过分的向上调,造成支架尾梁上甩,支架的重力线偏移,造成支架倾倒歪斜。
  7)煤层倾角较小时,如果工作面高低不平,波浪起伏,人为地使工作面底板出现坡度,那么在坡度急陡的范围内也会使支架歪斜、倾倒和挤架。
  8)刮板机下滑严重时带动支架前桥及顶梁向下倾斜,尾梁上甩也容易出现倒架。
  9)采煤机上行到达上口斜切进刀段做机窝时爬坡、割煤困难,同时,采煤机在大倾角条件下,由于自重分力和制动性能差(不足),采煤机在下行时速度难以控制,容易造成采煤机下滑飞车;当采煤机停车或更换行走部件时,制动器的制动力矩不能满足采煤机在大倾角条件下的制动要求,将导致严重事故。
  2.2 人员作业环境
  1)支架人行通道内及支架前部顶梁掩护下的人员作业空间常受到上部工作面煤壁片帮、漏顶及采煤机割煤产生滚落的煤(矸),就会在运输机上或架前加速下行滚落或窜入支架人行通道内,给工作面作业人员的安全带来极大威胁。
  2)工作面下口机头处来回行人时,容易受到工作面滚落的煤(矸)而带来的威胁。
  3)人员在工作面支架内站立、行走、作业条件差,观察、操作各设备动作困难。
  通过以上分析,大倾角综采工作面具有显著的特殊性,必须在保证工作面设备正常工作条件下,采取科学合理技术方案、开采工艺和管理措施,才能够保证作业人员安全和工作面正常、高效开采。
  3 大倾角综采工作面安全高效回采关键技术研究与实践应用
  3.1 设备防滑、液压支架的防倒防滑技术
  1)工作面下端头前三架防倒防滑设施,必须按设计安装齐全。
  2)防倒防滑千斤顶的连接销轴、卸扣等安全件必须与所用千斤顶的拉力相匹配,防止断销、断链伤人。
  3)应有可靠的防倒防滑辅助设备。工作面自1#支架至10#支架范围内每相邻两台支架间装一个前梁防倒千斤;自1#支架至58#支架、72#至99#支架两段范围内每隔2台支架装一个防倒千斤(规格:Q100/70*700mm);工作面自5#支架至96#支架范围内每隔2台支架装一个防滑千斤(规格:Q100/70*700mm)。工作面2#支架、3#支架各装一个后调千斤,自5#支架至39#支架、83#支架至100#支架两段范围内每隔1台装一个后调千斤。根据生产过程中的现场变化情况,及时变更防滑千斤安装方法,以便防滑千斤能够有效工作。
  4)充分利用支架侧护板與各千斤顶调正支架摆角,使支架与运输机保持垂直、接顶严实。
  5)在刮板机机头处,设置三个观测点,第一个观测点是刮板机机头到胶带运输巷上帮煤壁的标准距离;第二个观测点是转载机到胶带运输巷上帮煤壁的距离;第三个观测点是转载机到胶带运输巷下帮煤壁的距离;综合分析三个观测点的数值判断刮板机上窜下滑情况。   6)工作面机巷从初采开始,应保持有明显的中线标志。每移完一次架,由专人负责测量一次机头第三架中距运输机巷中线距离、移架步距,每班要留有记录,记录交区队保存,以便分析工作面支架的移动趋势,发现问题及时处理。
  7)工作面支架侧护板每3架必须留有150㎜的间隙,移架必须注意调整支架的中心距,防止挤、咬、倒架现象。
  8)支架下滑或歪斜时,可利用防倒千斤顶、防滑千斤等进行辅助,在移架过程中给以扶正。工作面支架有侧倒倾向时,及时在该架顶梁上与该架往上第3架支架底座上设置斜拉千斤,并在该架下侧顶梁下斜撑单体支柱(單体支设角度为70°~80°),在移架过程中对支架进行调整及时将支架调正。
  9)工作面检修时,所使用大件移动设备(如电焊机、氧气瓶、乙炔瓶、单体支柱等)必须用大链和反光吊带捆绑固定在工作面液压支架立柱上。检修人员必须将随身携带的工器具保管好,在身上固定牢靠,避免掉落从工作面滑下伤人。
  10)工作面拆卸的设备配件(齿轨、护帮板、千斤等),必须用大链和反光吊带捆绑固定在液压支架两前立柱之间。
  11)加强工作面设备管理,支架侧护千斤要完好,移完支架后及时用侧护千斤配合调架千斤对支架进行调整,始终保持支架与煤壁垂直。保证刮板输送机、支架各成一条直线。
  12)加强工作面采场管理,工作中严格执行带压擦顶移架法,正常回采期间严格控制工作面采高(根据煤层厚度及起伏控制好采高,使之不超过支架最大支撑高度),沿顶板进行开采,若工作面局部压力大,顶板破碎有漏顶时,必须停机进行维护,工作面顶板、煤壁支护必须要满足要求,严格执行工作面顶板管理规定。
  3.2 大倾角综采(放)工作面输送机防滑技术
  1)工作面采用单向下行割煤,单向上行移溜方式防止输送机下滑。移机头前,在机头正前与下帮煤壁之间打一斜撑单体支柱,防止运输机下滑。
  2)每5架在支架底座和工作面运输机之间安一套配双向锁的液压防滑设施。防滑千斤顶固定在支架底座上,用溜子大链连接于千斤顶和溜子之间。防滑设施要经常保持拉紧状态。
  3)除使用机械防滑外,同时采用工作面机头超前机尾一定量的伪斜推进,超前量一般为15~18m为宜,并根据工作面煤层倾角变化随时调整。
  4)工作面支架、输送机上窜时调斜工作面,将原伪斜角度适量的减小,并从上往下推移输送机;工作面支架、输送机下滑时将原伪斜角度适量的增大,并从下向上推移输送机。
  3.3 采煤机防滑等稳定技术要求
  1)对采煤机制动性能的可靠性要求必须大,除具有能保证正常开采过程中采煤机的牵引和防止采煤机自动下滑自动制动系统外,还必须保证在更换采煤机行走部件(行走轮、滑靴、行走箱等部件)时,采用单电机牵引能正常运行,同时采用单制动器能够有效地制动采煤机,制动器自动解锁,不必停车另行启动,保证采煤机不自动下滑。
  2)采煤机下行割煤时,用慢速牵引;当煤层倾角较大采煤机下行速度较快时,司机要严格控制下行割煤速度。
  3)采煤机上行装煤后,必须及时追机推溜拉架,机组与移溜间距离不超过15m。
  4)工艺防滑,机头超前机尾,随着坡度增加,超前逐渐增多。
  5)采煤机上行割煤停机前一定要将上、下滚筒全部落地,以增加阻力;下行割煤时,滚筒要切入煤帮后再停机。
  6)采煤机行走部故障处理时,必须将采煤机行走部使用拉后溜千斤的链子捆绑到采煤机底座前端的设备孔内。
  7)开采过程中适当调整机头高度(500mm)来减小机头倾角,同时选用2240mm大滚筒,以此来保证刮板输送机的正常缷煤及机头三角煤割不透的问题。
  8)为有效防止采煤机上行做机窝时片帮煤从采煤机机身翻落到架前伤人和砸伤采煤机截割电缆。专门设计在采煤机机身加工液压式挡矸板,采煤机上行做机窝时将其打开,不上行割煤时将其关闭。
  3.4 采煤机电缆防滑技术
  1)工作面底槽电缆从刮板机中部槽穿到电缆槽上槽。
  2)在“电缆折返点”向上沿电缆槽5m处的一侧槽壁与电缆夹之间加设胶皮卡块。在以该胶皮卡块为起点,沿电缆槽向上每隔3m的同侧加设胶皮卡块,共安设卡块4个。其规格尺寸为240×60×40mm。卡块与槽壁间的连接,使用铁线即可连接牢固。
  3.5 防止“飞煤飞矸”和人员行走不便技术
  1)工作面8#支架以下及刮板机机头正对卸煤点采用单层钢丝绳护网(规格为1800mm×2400mm,用?12mm的钢丝绳、网孔80mm×80mm),护网上侧利用卸扣体固定在支架外侧顶梁下,护网下侧利用反光吊带捆绑固定在电缆槽外侧。
  2)工作面8#支架至97#沿工作面倾向凤翔府在支架外侧顶梁下挂设全断面封闭式挡煤(矸)网(规格为18000mm×2300mm,用?11.5mm尼龙、网孔100mm×100mm);工作面30#支架、60#支架、90#支架三台支架内上侧各挂设一片挡矸卷帘网(宽度1.6m,φ2mm的油丝绳编制,30*30mm菱形网孔)。防止大块煤(矸)窜入支架间或上方支架移架时架间漏煤(矸)滚落。
  3)工作面自4#架开始向上每间隔20台支架垂直煤壁设置吊挂一道钢丝绳挡煤(矸)网(规格为1800mm×2400mm,用?12mm钢丝绳、网孔80mm×80mm)和尼龙挡煤(矸)网(规格为1800mm×2400mm,用?11.5mm尼龙、网孔100mm×100mm),共计6道横向钢丝绳护网,防止煤壁片帮或移架时顶板漏矸产生飞块伤人,钢丝绳挡矸网上侧利用3T卸扣体固定在机道上方的支架顶梁耳子上,下部利用反光吊带捆绑在刮板链上,尼龙绳挡矸网上侧利用?12mm圆钢加工的卸扣体固定在支架立柱与电缆槽之间顶梁耳子上,下部利用?12mm圆钢加工的卸扣体固定在支架底座耳子和电缆槽推移耳子上,尼龙网与钢丝绳挡矸网长边利用反光吊带捆绑牢固,以保证挡矸效果良好。
  4)工作面下出口前溜正对转载机处靠下帮侧挡煤板必须加高或采用其它措施,防止飞块伤人,此处有人通过时必须将输送机闭锁并迅速通过。   5)工作面采用邻架操纵, 操作者站在上部支架进行操作,防止架间漏矸伤人。
  6)采煤机割煤、工作面移架时,作业地点下方3架支架不得有任何人在架前停留或行走,防止大块煤伤人。
  8)人员进入煤壁侧检修采煤机时,必须将采煤机两个滚筒落地,护帮板全部打靠好,并将工作面作业地点上方所有横向护网挂设到位,防止工作面片帮或上部飞块伤人。
  9)工作面推机头前,必须将采煤机停在距工作面下出口15m处作为作业人员的临时挡矸设施,并用4#架上侧悬挂的垂直于煤壁的金属挡矸网将采煤机机身上面、过煤口封严防止飞块窜下伤人,下端头工作未结束前严禁任何人起动采煤机。
  10)生产过程中,架前有大块煤、矸需处理,电缆槽内有大块煤、矸需要处理、更换支架连接十字头等情况时,人员进入架前处理前,必须将刮板机停电闭锁,采煤机停机并两滚筒落地,护帮板全部打靠好,并将作业地点上方所有横向护网挂设,防止工作面片帮或上部飞块伤人。处理大块煤、矸过程中,严禁任何人操作作业地点上方支架。
  11)在支架架间加装阶梯防滑踏板(角度适合煤层角度为宜,阶梯防滑踏板分三段,宽度500mm,高度200mm),同时在台阶踏板上焊Φ20mm的螺纹钢,间隔200毫米,并在每台液压支架前立柱上,分别设有带拉手的抱箍,以便人行走时拉住拉手,便于作业人员安全通过。
  3.6 其他措施
  3.6.1 基本管理措施
  1)加大员工的安全、技能培训力度,增强员工的安全责任意识及技能操作水平。
  2)加大设备管理制度的执行力度,对由于个人原因而造成的设备故障将严肃考核其本人及所在班组。
  3)安排分管副队长包班,队内技术员不定期下井到现场检查现场设备及采场情况及存在的问题并及时汇报给分管副队长落实处理。
  4)采场条件变化时,要及时向矿有关部门汇报并要求他们协助制定一些可行性措施(降低采高,采煤机更换小的滚筒,放炮配合采煤机割煤等)。
  3.6.2 操作管理措施
  1)严格执行液压支架的操作规程,正确使用较大倾角工作面支架配用的防倒装置。
  2)支架工与采煤机司机相互配合,控制好工作面的采高,管理好顶板,顶板破碎时及时跟机或超前移架,防止顶板漏空,支架不能接顶无法达到初撑力,从而引起支架失稳造成支架歪斜倾倒事故。
  3)测量和掌握好工作面的伪斜,控制好刮板机的上窜下滑,要严防刮板机下滑牵动支架前梁向下歪斜引发倒架。
  4)始终自工作面下部向上移架,以防采空区滚动矸石冲击支架尾部。
  5)支架工在拉移支架过程中及时调整支架,使支架尾梁偏下或垂直刮板机。
  6)采取间隔移架,防止拉移支架在支撑阶段时可能产生的下滑,并使支架保持合适的迎山角,以抵消顶板下沉时的水平位移量。
  7)及时调整支架支撑状态不符合要求的液压支架,支架移到位后及时调架并给足初撑力。
  8)支架工与采煤机司机相互配合,搞好工作面的工程质量,保证顶底板的平整度和支架、刮板机保持一条直线。
  9)工作面下端头排头支架的稳定是稳定中间架的关键因素之一,要采取特殊支护措施,确保排头支架的稳定。
  4 结束语
  通过综合分析大倾角综采工作面地质概况、煤层赋存情况及正常开采期间控制工作面设备稳定性及采用合理的开采工艺以及矿、区队两级严格执行大倾角工作面现场精细化管理标准,破解了大倾角条件下支架、刮板机上窜下滑,架前大块煤(矸)飞滚,设备负荷增加,劳动组织变更,不安全因素增加等难题,从现场精细管理和工程质量入手,通过了严格的作业标准检验,从而实现大倾角综采工作面安全高产高效生产,根据统计,我矿所回采的平均倾角28°的12106綜采工作面最高月单产15.8万吨,回采的平均倾角27°的12208综放工作面最高月单产33万吨,采的平均倾角36°的12108综采工作面最高月单产10.3万吨,同时随着大倾角工作面综采设备配套不断优化改造与应用,枣泉煤矿将填补在集团公司、乃至宁夏大倾角煤层的开采,生产工艺上的空白,同时为今后集团公司采购大倾角工作面综采配套设备,开采方案积累了宝贵的经验。
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  作者简介:
  胡全宏(1974-),男,工程师,1998年毕业于辽宁阜新矿业学院采矿工程专业,现任神华宁夏煤业集团有限责任公司枣泉煤矿生产副矿长
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