高瓦斯条件下大采高 300m工作面开采技术

王平虎

(晋城煤业集团寺河矿,山西晋城 048205)

高瓦斯条件下大采高 300m工作面开采技术

王平虎

(晋城煤业集团寺河矿,山西晋城 048205)

简要介绍了晋城煤业集团寺河矿在高瓦斯条件下,大采高 300m工作面的开采技术应用情况。重点介绍了 300m工作面的生产工艺、设备配套选型、瓦斯治理、顶板控制、矿压观测等应用情况。应用效果表明：通过采取一系列保障措施,300m工作面开采技术应用取得了良好的经济效益和社会效益,为高瓦斯条件下,矿井进一步提高高产高效水平及大采高开采技术奠定了理论和实践基础。

高瓦斯;大采高;300m工作面;开采技术

Technology of 300m-long Large-mining-height Face with High Methane Content

晋城煤业集团寺河矿是国家计委批准的“九五”时期国家重点建设项目,是国内惟一一座高瓦斯条件下开采的千万吨级大型现代化矿井。寺河煤矿投产几年来,在大采高工艺和综采工作面设备选型方面,进行了不断探索与研究,回采工作面采高由 5.2m提升到 5.5m再到 6.2m,工作面长度由225m加长到 300m,在大采高开采技术的推广和应用方面积累了一定的经验。

国外先进采煤国家的成功经验表明,不断加长工作面长度是矿井高产高效集中生产的主要技术方向之一。为进一步提高工作面单产,提高采出率,降低回采成本,寺河矿 300m工作面于 2009年 10月开始在东四盘区 4301工作面进行试验,截止2010年 7月底,4301工作面共推进 2353m,经历了初采、过陷落柱、过空巷、过大倾角、过断层、过薄煤层、正常回采、末采等几个阶段,共生产原煤 6.85Mt,平均日产 23540t,平均月产 685kt,最高月产 915.6kt,最高日产 35232t,可以说高瓦斯大采高 300m工作面的顺利实施,标志着寺河矿在大采高采煤技术、装备、安全管理等方面又上了一个新的台阶。

1 大采高 300m工作面生产概况

1.1 工作面地质条件及巷道布置

4301工作面为 3号煤一次采全高,工作面设计采高为 6.2m,工作面走向长 2353.53m。工作面回采时瓦斯绝对涌出量 60m3/min(经瓦斯抽放后)。工作面伪顶平均厚约 0.20m,直接顶为2.43m厚的砂质泥岩,直接顶坚固性系数 f=3～4,密度 2.75t/m3,单轴抗压强度 69.8MPa,直接顶为Ⅱ类稳定顶板。基本顶为中粒砂岩,平均层厚7.10m,节理发育。工作面采用 “四六”制作业(1个班检修,3个班生产),正规循环方式为生产班进 4个循环,日进 12个循环。

4301工作面为五巷布置 (三进两回),工作面南部为 3306工作面回采后留设的 2条巷道,作为主进风巷兼辅助运输巷,靠近工作面的一条巷为43011巷,另外一条为 43015巷。工作面北部有 3条巷道,靠近工作面的一条为辅助进风巷,即43013巷,兼工作面胶带巷,另外两条分别为43012巷、43014巷,作为工作面主要回风巷,43012、14巷在 4301工作面采过后留设为 4302工作面使用。4301工作面巷道布置和通风系统见图 1。

图1 4301工作面巷道布置和通风系统

1.2 工作面设备配套情况

工作面设备采用国产和进口相结合的配套方案,液压支架、胶带输送机、乳化液泵、液压支架以及负荷中心采用国产设备,采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机等全部为进口设备。

在装备上最大的调整是采用额定工作阻力为 2×6000kN的综采支架,支撑高度达到 6.2m,适应大采高 300m工作面的顶底板条件及矿压动力现象要求,为了检验支架适宜性,选择更合适的支架架型,本工作面同时布置了郑煤机 60架,北京煤机支架 74架,金鼎煤机 20架。同时配合电液控制系统 EEP可实现成组拉架、成组推溜、邻架操作等功能,可大大提高工作效率,降低操作事故。

2 大采高 300m工作面通风方式及瓦斯治理

2.1 通风方式

4301工作面通风系统为独立完善的全负压通风系统,采用 “三进两回”偏 Y型通风方式。在工作面推进过程中,随着回采进度及时封闭联通采空区的各个通道,对工作面 43012/13巷联络横川、43015正巷进行封闭,调整通风设施,确保工作面通风系统合理。

2.2 瓦斯治理

作为高瓦斯矿井,大采高工作面要实现高产高效,瓦斯治理是关键所在。在 4301工作面的瓦斯治理上,寺河矿采取采前预抽、边采边抽和采空区埋管抽放等多种瓦斯抽放措施;回采过程中配足风量,严格“以风定产”;加强瓦斯监测监控,确保瓦斯不超限等措施,为高瓦斯条件下 300m工作面的安全、高效开采提供了有力保障。

(1)在工作面两巷掘进过程时,利用进口千米钻机和国产MK系列普通钻机施工本煤层瓦斯预抽钻孔抽采工作面区域煤体瓦斯。4301工作面在回采前共抽放瓦斯 3.14145×107m3,从工作面初采至末采结束,累计抽放瓦斯 6.41631×106m3。从采前预抽到末采结束,4301工作面共抽放瓦斯3.783081×107m3,采面瓦斯抽放率达到 49%。

(2)4301工作面初采阶段总风量达到9300m3/min,保证主进风侧 43011/15巷风量达到5600 m3/min。在工作面正常回采期间,工作面区域配风量始终维持在 8000m3/min以上,主进风侧43011/15巷风量始终在 4500m3/min以上。

瓦斯抽采达标、配风量充足,保证了工作面在各阶段均没有受到瓦斯制约,瓦斯不超限,为工作面顺利回采创造了良好的通风条件。

(3)监测监控是瓦斯治理的有效手段,必须做到监控有效。为确保瓦斯监控到位,4301工作面较长,共安装瓦斯传感器 12台,实现了对工作面区域瓦斯连续实时监控。同时,加强瓦斯传感器的安装数量、位置、断电浓度、报警浓度、复电浓度、调校周期、吊挂标准、移动时间等监测监控事项的管理。

3 大采高 300m工作面矿压显现特征与顶板控制

3.1 工作面来压步距减少,动载系数不大

4301工作面加长后,与寺河矿 225m长工作面相比,顶板垮落特征有显著的差别,主要表现在以下几个方面：

(1)直接顶初次断裂步距约 20m,与 2307工作面基本一致,直接顶来压期间动载系数 1.28～1.34,支架受力以静载荷为主。

(2)基本顶初次断裂步距为 26.5～58.3m,工作面初次来压表现出了明显的不同步现象,工作面上端头来压步距最长,机尾次之,中部来压步距最短;来压期间动载系数约为 1.1～1.8,属于Ⅱ级来压明显顶板,支架的受载方式以静载荷为主,部分支架增阻明显,主要是因为初撑力低所致。

(3)大采高加长工作面基本顶周期来压呈分段性,工作面中部来压步距较短,约 12m,工作面上端头来压步距约 15m,工作面中部和机尾支架受载明显比工作面机头高。

3.2 综采支架受载显著增大,支架选型合理

统计分析表明,工作面长度增加后,支架受载显著增大。图 2为 4301工作面 (300m)和 3304工作面 (225m)支架工作阻力频度统计,支架工作阻力 83%不超过 6000kN,14.5%超过 6000kN,超过 7000kN的仅约 8.3%,主要出现在工作面下部,下部支架压力高于工作面中部和上部;4301工作面该阶段支架工作阻力 55.2%超过 6000kN,15.2%超过 9000kN,超过 10000kN的约为 5.9%,超过 6000kN的工作阻力主要出现在工作面中部,工作面两端头基本一致。可以看出工作面加长后,支架受载较短工作面有显著增加,顶板压力显著增大,特别是工作面顶板硬岩层复合破断时造成的动载作用,致使液压支架工作阻力急速增加,少数支架安全阀开启。

4301工作面经历了初采、过陷落柱、过空巷、过大倾角、过断层、过薄煤层、正常回采、末采等几个阶段,从使用情况看,工作面在顶板完整、正常推进的条件下,液压支架工作阻力保持在 6000～10000kN,支架完全能够起到很好的支护效果,配合电液控制系统,成组移动刮板输送机、拉架等功能能够满足生产需要。

工作面到地质构造时,支架工作阻力局部地段增大至 12000kN左右,安全阀开启,支架工作阻力能满足要求,对顶板起到很好的支护作用。同时4301工作面开采强度较大,工作面长度大,推进速度较快,循环时间短,升架管理困难,技术要求高,工作面难免存在部分支架升架时间不足,再加上阀组、管路等问题,致使部分支架阻力较低,部分支架阻力较高,因此,从大采高工作面顶板控制角度来讲,选择有一定富余量的综采支架,对确保大采高工作面顶板安全有利。

总之,4301工作面开采实践表明,12000kN的支架选型较为合适,具备较强的地质适应性,是确保大采高超长工作面安全回采的重要保障。

3.3 4301大采高加长工作面关键顶板控制措施

随着工作面长度的加大,工作面采场压力显现明显加大,顶板控制难度也进一步加大,4301工作面主要采取以下顶板控制措施：

(1)使用 12000kN的高工作阻力掩护式支架,并配合先进的电液控制系统,该支架有两级护帮和伸缩梁,护帮、护顶效果大大增强,为工作面生产过程中的顶板控制提供了保障。

(2)4301面主撤架通道内使用了工作阻力为12000kN的垛式支架,较原来的 7400kN的小阻力垛式支架支撑顶板能力大大提高,确保了工作面末采期间的顶板安全。

(3)工作面初采、过空巷、陷落柱、大倾角、末采等特殊阶段,制定专门的顶板控制专项措施,并严格落实。

(4)加强 43012,43014巷留巷巷道顶板控制,留巷必须超前工作面推进 200m以上,留巷巷道加强顶板和矿压监测,出现顶板下沉严重、矿山压力显现加剧时,必须及时采取打木垛维护顶板,对 43012,43014巷在陷落柱区域,采动影响前,提前采取打木垛和支设单体柱加强维护巷道顶板。

(5)工作面正常生产过程中,工作面泵站压力要达到规定要求,保证支架初撑力达标。加强支架等设备的检修,支架出现窜、漏液等现象时,必须及时进行处理。若工作面顶板破碎或支架梁端距超过规定时,必须采取超前拉架或打出伸缩梁及时控制顶板。采煤机司机与收护帮板人员配合作业,割一架收一架,严禁成组或超前收护帮板,要密切配合控制好煤壁片帮。

(6)末采前必须对紧靠工作面两侧巷道(43011,43013巷)距主撤架通道 100m范围内和4301工作面主撤靠工作面贯通侧全部注浆加固。

图2 工作面整面工作阻力频度

4 结束语

通过采取各种保障措施,4301工作面开采取得了良好的技术经济效益。

(1)工作面单产水平大大提高,矿井集中化程度显著提高。循环产量 2215t,高出 225m长工作面 540t;计划日产量 26580t,高出 225m长工作面 6570t;日循环数 12个,减少了 2个;平均日产23540t,最高日产达 35232t,高出 225m长工作面5448t;平均月产 706188t,最高月产达 915613t,高出 225m长工作面 133831t;单工作面总产量达6850031t,平均年产量可达 7.7Mt。

(2)工作面回采工效明显提高,工作面长度的增加,相对减少了进刀和端头维护时间,回采工效达 218t/工,较 225m长工作面提高了 21t/工。工作面采出率提高明显,300m较 225m长工作面有利于提高煤炭资源采出率,减少煤柱损失,同等条件下采出率可提高 5.7%。

(3)工作面回采成本大大降低,巷道掘进量和掘进费用降低,同等条件下每采 3个 300m长工作面,可减少 1个 225m长工作面,工作面推进长度按照 2000m计,减少回采巷道 6000m,可节约掘进费用 1252.5万元。搬家倒面次数减少,当工作面长度为 300m时,每年生产工作面个数为 1.62个,与 225m长工作面相比,每 3年可以减少 1次搬家倒面。

(4)节约大量零星准备工程,每 3个 300m长工作面就减少 1个工作面的机头硐室、巷道维护、运输线路维修等相关的零星工程和费用,经济效益显著。

(5)通过 300m长工作面的开采实践,积累了经验,锻炼了队伍,提高了生产技术和管理水平。该技术的推广应用,为矿井集中化程度的进一步提高,实现“国际一流、国内领先”的安全高效现代化矿井总体目标奠定了坚实的基础。

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[3]高圣元 .寺河煤矿大采高综采装备国产化之路 [J].煤炭科学技术,2007(5)：10-13.

[4]赵宏珠,戴秋梁.加大综采工作面几何参数对大采高支护设备发展的新要求 [J].煤矿开采,2009,14(6)：1-6,58.

[责任编辑：王兴库 ]

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1006-6225(2011)02-0038-03

2010-11-18

王平虎 (1963-),男,山西晋城人,博士,工程师,现任晋城煤业集团寺河矿矿长兼东大公司董事长。