“老矿深井”薄煤层智能化复采技术创效实践

2019-02-11胡继峰褚恒滨

中国煤炭工业 2019年6期

文/胡继峰褚恒滨

一、矿井基本情况

山东能源枣矿集团孙村煤矿位于新汶煤田中部，井田面积26.2km2，是一座具有百年开采历史的百万吨大型现代化矿井。解放前为小煤窑开采，1949年正式投产，设计生产能力60万吨/年，2019年核定生产能力112万吨/年。作为百年老矿，孙村煤矿系统复杂，高温、高地压、冲击地压等灾害因素对矿井安全生产提出了较高的要求；同时，矿井历史久、人员多、包袱重等因素，也对企业可持续发展提出了更高的要求。

二、颠覆创新，探索“老矿深井”薄煤层复采技术创效

1.颠覆式找煤挖潜，强化“薄煤层”创效

一是颠覆老矿开采思路，盘活薄煤层资源求“生存”。随着开采周期的不断延长，孙村煤矿中厚煤层等优质资源储量日渐下降，为推进矿井可持续发展，找煤扩量、存量挖潜成为大势所趋，浅部薄煤层、遗留煤柱等呆滞资源的复采研究成为矿井创新突破求生存的重点课题。

二是探索遗留煤层开采，打破旧枷锁求“发展”。本着“吃干榨尽”的原则，深入挖潜，论证遗留空白资源的可采性。其中，浅部三层煤作为前组遗留煤层，距二层煤的层间距仅为3～7m，平均层间距仅5m，平均煤层厚度1.03m、平均倾角16.3°，具有煤质好、精煤含量高、灾害威胁小、顶底板岩石硬度低等特点，可进行综合机械化采煤，具有较高的可采性和经济价值。同时，-800水平二采区三层煤作为距采空区极近的薄煤层，上覆二层煤、下伏四层煤均已开采，受二、四层采空区影响，沿空送巷极为困难；通过创新实践，注浆锚索全锚注支护可实现超薄层间距沿空送巷施工，技术可行、安全可靠、经济合理，成功解决了三层煤工作面设计及施工难题。

三是规划连续开采布局，解放三层煤创“首采”。本着“零压覆、全开采”的原则，创新二采区薄煤层布置方案、设计上下面连续开采格局、创新“Y”型通风模式，以注浆锚索为手段、以沿空留巷为依托，成功克服三层煤顶板破碎、锚固极为困难等问题，全面优化-800水平二采区三层煤设计方案，成功解放2317、2318、2319等薄煤层工作面，实现了首个三层煤工作面的顺利开采。

2.高效式安全开采，强化“智能化”提效

一是高效开采，创新电液控工作面应用。本着“宁花百万上装备、不花十万增一人”的原则，全力推进电液控高智能工作面的建设，工作面采用ZY3200/09/21D型电液控支架、MG300/700-AWDK型智能采煤机、SGZ-730/400型刮板运输机；通过开展“装备全新化升级、系统智能化运作、数据集成化传输、泵站无人化管理”等工作，综采工艺得到了全面革新；创新应用记忆截割的智能采煤机、远程控制的电液控支架、智能化配比供液的液压泵站，深化工作面“三机”智能配套，实现了工作面设备的“就地/集中/远程”三级网络管理。通过借助智慧化矿山信息平台，构建了工作面设备联合运行信息平台，为最终实现地面集控室一键遥控出煤、生产班无人的智能化开采奠定基础。

二是高效运输，创新无人化运输线管理。以“集成处理、智能运作”为引领，全面建设无人化运输线；通过自动化控制，实现胶带运输机单动、联动、数据上传，具有逆煤流起动、顺煤流停车功能；通过安装视频监控系统，结合工业物联网和视频分析技术，对大煤块、矸石、锚杆等进行实时检测识别，通过视频报警和联动装置停车，缩短突发事件影响时间；通过现场运输系统安装开机语言报警、扩音系统，并将井下设备语音系统并联入地面调度指挥中心，实现开机预警、地面控制、无人值守；通过井下Wifi无线局域网的全面覆盖，实现井下Wi-Fi和internet互联网通讯，开通井上井下的现场图像、视频传输及接打电话功能，健全自动化手机端控制系统。最终，全面创建了矿井皮带运输系统的“无人化”建设模式，有效保障了工作面后路系统的稳定、高效。

三是高效监测，创新顶板大数据动态管控。针对薄煤层破碎顶板治理的难题，依托矿井智能化建设、大数据平台，创新薄煤层顶板大数据管理理念，采用光纤顶板实时动态监测系统对薄煤层巷道顶板应力及离层情况进行动态监控，精度达到了0.1mm。通过大数据分析，优选最合理的巷道支护参数，降低单进成本，并通过超前补打超深加固锚索、安装顶板实时在线监测系统，优化了薄煤层工作面超前点柱布置方案，加强了顶板支护，替代了工作面超前液压点柱，最大限度降低工人劳动强度。下一步，将对全矿7万米在籍巷道顶板进行实时动态监控，设定顶板变化警戒值、实施24小时预警消息推送，减少巷道巡查人员，确保矿井实现动态化安全生产。同时，监测系统智能化为设计智能化提供信息反馈，收集全矿井的支护设计参数及相关数据，为不断优化支护设计提供依据，最终实现支护设计智能化的不断升级。

3.立体式安全保障，强化“全锚注”支护

通过全面剖析薄煤层、破碎顶板、极薄层间距巷道支护难题，以实践为平台、以数据为支撑、以实例为论证，深入研究破碎顶板注浆锚索锚注支护关键技术，全面构建采空区“三高锚注”支护体系。

一是实现高预紧力突破，强化破碎顶板治理。巷道施工导致围岩应力重新分布，煤岩体受到挤压破坏，呈松散破碎状态；锚杆通过螺纹螺帽紧固锚盘将预紧力施加于顶板，等强螺纹锚杆预紧力可达到1～3t，高强锚杆可达到5t左右，而注浆锚索锚注支护通过涨紧器涨拉索具将预紧力施加于顶板，预紧力可达到10t以上。通过对顶板施加高预紧力，强化了对薄煤层易破碎顶板的高强度紧固作用，削弱了三层煤顶板的破碎发育程度。

二是实现高锚固力突破，强化顶板浇筑再造。普通锚杆采用局部的端头锚固，其锚固力可达到10t。但随着开采条件的复杂化，松散破碎围岩提供的锚固力严重受限，存在锚固长度过短、锚固效果差等问题。三层煤高强锚注支护在结合锚杆支护优势的同时，又通过创新自加工自转式注浆锚杆，分浅部、中部、深部三个层位注水泥浆，分先后、分层位对破碎顶板裂隙进行充填加固，充分利用浆体将破碎围岩进行胶结、再造，实现注浆锚索的全长锚固，使之成为具有整体性的岩梁，仅靠注浆提供的锚固力就达到27t以上，全面增强了锚注支护的可靠性。

三是实现高破断力突破，强化顶板超强加固。随着开采延深带来的高地应力影响，锚杆、普通锚索破断现象时有发生；对比分析，通过注浆使锚索线与周围岩体胶结成为整体，形成“钢筋混凝土”结构，使其整体性、稳定性大幅度提高，减小围岩变形对注浆锚索的破坏率，大幅度增强支护构件的破断力。同时，通过采用长度3.0～8.0m全注浆锚索支护，通过增加锚深、扩大组合拱支护范围，将冒落拱以下围岩体加固在深层围岩上，成为组合整体，解决了锚杆支护跨度大的问题，同时加固矩形顶板，消除了矩形巷道围岩稳定性差的问题。

四是实现强弯曲性突破，强化小空间高深支护。巷道断面有限，施工现场的净高、净宽等因素限制了刚性锚杆施工的可能性。目前而言，锚杆的普遍长度为2m左右，局部可实现2.5m锚杆的施工，但无法满足支护压力拱的长度要求。相比锚杆，注浆锚索具有可弯曲性，长度约束小，能够在大部分薄煤层小空间巷道施工。

通过锚注支护实现的高预紧力、高锚固力、高破断力的“三高”力学特性，打破了目前三层煤沿空送巷锚杆、架棚等支护方式的局限性，是一种技术可行、安全可靠、经济合理的新型支护方式。

4.创新式布局设计、强化“连续性”开采

一是创新超薄层间距沿空留巷工艺，实现“留巷”新突破。创新超薄层间距采空区留巷“五步法”施工工艺。第一步，“强支护、拉得住”。通过超前补打注浆锚索加强破碎顶板支护，确保三层煤以上的3m岩柱“拉得住”。第二步，“梁支护、靠得住”。留巷采取架设钢梁棚，采用一梁四柱进行四岔口顶板加固，确保顶板安全可靠。第三步，“补支护、帮加固”。巷道巷帮采取补打注浆锚杆的方式注浆加固下肩窝，保证留巷后巷帮高强度管理。第四步，“封得住、靠得住”。滞后端头支架下帮垒切矸石袋控制风向，同时创新洗矸喷浆封堵技术，减少采空区漏风，消除通防隐患。沿空留巷示意图如图1所示。

二是创新超薄层间距一巷多用布局，实现“连采”新格局。树立“一条巷道开采整个采区”的理念，利用全注浆锚索锚注技术，结合钢梁加固和洗矸喷浆封堵技术，开创“注浆锚索+薄煤层开采+沿空留巷”工艺，实现一次成巷不返工，成为采空区之间薄煤层复采“110”工法高效应用的首个案例，全面打开了三层煤上下面“连续”开采的新格局。通过上下面连续开采、一条巷道开采整个采区，彻底改变了矿井的开拓布局，降低了万吨掘进率，缓解了矿井接续压力。

三是创新沿空留巷平行修复工艺，实现“接续”零误差。本着“接续管理零误差”的理念，创新回采开采、沿空留巷与留巷修复三并进平行施工管理，通过可移动胶带输送机与回采运煤系统搭接，实现修复矸石外送，同时留巷修复利用扒渣机、巷道修复机等小型修复设备，全面提高了沿空留巷的巷道修复效率，实现了上面结束、下面连续开采的零误差接续管理。工作面连续开采示意图如图2所示。

图1 沿空留巷示意图

图2 2317、2318、2319工作面连续开采示意图

三、效果显著，深化“老矿深井”资源挖潜可持续发展

1. 实现资源盘活

通过创新采空区近距离薄煤层复采工艺，盘活矿井“无效”三层煤储量100余万吨，有效延长了矿井服务年限，为企业长远可持续发展奠定了基础。截至目前，2317工作面已开采结束，2318智能化工作面正常推采，2319工作面作为接续面已经基本完成布置，有效保障了矿井经济效益。

2. 实现减人提效

以“智慧矿山”建设为目标，通过智能化工作面建设，大幅度减少了工作面劳动定员，为实现矿井“单班入井二百人”目标奠定了基础；同时，智能化工作面建设也加快了薄煤层推采速度，为破碎顶板薄煤层工作面的安全推采提供了保障。最终，通过优化劳动组织、“工艺、工序、工具”创新，薄煤层智能化综采工作面具备了月产5万吨的生产能力，彻底改变了传统的生产管理。