高河能源W3305 工作面过Xw44 陷落柱技术方案优化研究

2023-12-09王鹏

山东煤炭科技 2023年11期

王鹏

（山西潞安化工集团高河能源有限公司，山西长治 047100）

陷落柱广泛分布在我国煤炭产区，陷落柱的存在直接影响了煤矿的安全高效生产[1]。为了使回采作业顺利进行，必须采用综采工作面过陷落柱相关技术方案[2]。本文重点介绍高河能源W3305 工作面过Xw44 陷落柱技术方案在超前探测、生产组织、注浆加固、设备检修方面的优化，为综采工作面安全高效通过陷落柱提供了方法和经验。

1 概况

W3305 工作面为高河能源西三盘区工作面，南北均为未采区，东面接+450 m 水平北翼大巷，西面为矿界。该工作面所采为3#煤层，煤厚5.25～8.4 m，平均厚度6.83 m，煤层最大倾角为9°，平均4°。W3305 工作面按三进一回布置，即胶带顺槽、进风顺槽、辅运顺槽进风，回风顺槽回风，胶带顺槽长2777 m，进风顺槽长2727 m，辅运顺槽长2780 m，回风顺槽长2830 m。W3305 工作面切眼长度320 m，可采长度为960 m。煤层顶底板赋存情况见表1。根据三维地震勘探及实际钻探结果，工作面推进至338 m 进度处将揭露Xw44 陷落柱。Xw44 陷落柱位于工作面中部，在工作面回采范围之内。该陷落柱长轴为东西方向，长轴长167 m，短轴为南北方向，短轴长48 m，如图1 所示，预计该陷落柱在工作面338～505 m 进度范围内，正规81#～121#架范围间揭露。

图1 W3305工作面Xw44陷落柱揭露范围平面示意图（m）

表1 W3305 工作面煤层顶底板赋存情况表

2 常见问题分析

煤矿综采工作面处理陷落柱，会根据陷落柱的揭露范围、形状、导水性、硬度等来确定回采方法，主要包括另开切眼和强行通过两种方法[3]。经前期探测，W3305 工作面Xw44 陷落柱呈椭圆形分布，不导水，不富水，柱体内岩性主要为泥质砂岩、中-细粒砂岩、泥岩等，胶结性好，硬度中等，预计正常涌水量5～10 m³/h，最大涌水量40～50 m³/h。强行回采过Xw44 陷落柱与另开切眼跨陷落柱回采相比较，增加回收煤炭资源45.9 万t。综合考虑，确定采用预裂爆破配合采煤机切割方式通过。

1）揭露范围的不确定性

回采过程中，陷落柱的揭露范围直接关系到预裂爆破、注浆加固、工序组织调整等方面，但目前常用的探测技术无法准确确定陷落柱的实际揭露范围，队组一般根据回采过程中的陷落柱的揭露情况，进行经验估计，以确定后期的组织安排。

2）顶板煤墙破碎情况严重

工作面推进至陷落柱区域时，存在煤墙片帮严重、顶板破碎冒落等情况，严重影响工作面的正常回采[4]。在煤墙片帮、顶板破碎情况发生后，一般采取注浆加固进行补救，但需提前支护，工序紧张，加固效果差，影响工程质量，且人员作业安全风险高。

3）工序繁杂，生产组织不稳定

预裂爆破配合采煤机切割方式通过陷落柱，包括有超前探测、打眼放炮、注浆加固、设备检修、机组割煤等主要工序，随着陷落柱揭露范围的扩大，各工序工作量也相应增加，由于各主要工序之间在空间和时间上存在相互影响的情况，如果没有合理的组织安排，必然造成进度滞后。

4）设备故障率高

过陷落柱期间，虽然陷落柱区域经过预裂爆破，岩体已大面积破裂，但存在留底及大块岩石残留的情况，需要采煤机进行破岩通过。但采煤机截割过程中，截齿磨损情况严重，各部位连接螺栓受振动影响易松动；前部刮板输送机运输过程中，受运输岩石影响，刮板两侧磨损情况严重，接链环、链条受拉存在变形开裂情况；转载机、破碎机运行过程中，受运输岩石影响，刮板磨损情况严重，破碎锤头易出现松动；液压支架由于放炮及推溜影响，千斤顶窜液、高压胶管漏液情况极易发生，影响正常推进；胶带输送机运输过程中，皮带面易受岩石冲击破损，卡扣磨损严重，托辊损坏数量增多[5]。以上问题直接影响设备的运行稳定性，如若发生故障，将导致进度停滞，影响整体推进。

3 技术方案的优化

3.1 陷落柱边界超前探测施工工艺

在工作面推进至距离陷落柱预测边界50 m 时，在陷落柱预测揭露段煤墙布置水平探眼，以确定陷落柱揭露位置及揭露范围变化趋势。陷落柱揭露后，每推进8 m，使用ZRS31 液压钻机在陷落柱揭露区域前后10 m 范围内各打设4 个探眼，要求探眼垂直煤墙，顺煤层倾角方向打设，孔径42 mm，开孔高度1.5 m，深8 m，间距2.5 m，如图2 所示。工艺流程：敲帮问顶→逼帮→准备打眼设备、工具→打眼→清理现场。若某一探眼见岩则停止施工，可根据眼深确定陷落柱边界距该处煤墙的距离，下一循环超前探中，该处不必进行探眼施工。通过陷落柱边界超前探测施工工艺，已探明推进方向8 m 范围内的陷落柱边界位置，为生产组织提供准确的预测数据。

图2 陷落柱边界超前探测示意图（m）

3.2 预注浆加固工艺

随工作面回采推进，预计陷落柱最先在正规94#～117#架处揭露。在工作面94#架至117#架段进行预注浆（晋安加固Ⅰ号）加固，并经现场揭露校正陷落柱边界，提前8 m 对陷落柱边界的煤岩分界处进行注浆。

1）注浆孔布置。使用ZQS-50/118S 风动煤钻，孔深8 m，孔径42 mm；下排孔距底板1.5 m，垂直煤墙或巷帮打设；上排孔距底板2.5 m，仰角30°（1 m 抬高0.5 m）打设；注浆孔水平间距3 m，三花布置，循环步距4 m。

2）注浆泵。长× 宽× 高为1000 mm×600 mm×1000 mm，整机质量120 kg，动力源为高压风动，进气压力0.4～0.6 MPa，注浆压力0～12 MPa。

3）注浆材料。采用潞安民爆的晋安加固I 号注浆材料（双组分A 料、B 料）。材料及浆液无毒、无味，不会被点燃，浆液凝胶时间可根据现场工程与水文地质情况进行调整，固结体有膨胀性。注浆过程中反应温度低于40 ℃，凝胶时间＜30 min。

4）工艺流程。首先按照设计的钻孔位置、参数和规定的施工顺序进行钻孔并检测钻孔质量，然后安装注浆管及封孔部件。在确保管路通畅、设备正常的情况下，准备浆液，开泵注浆，完成注浆工作。最后清洗注浆设备、管路附件系统。

5）施工工序。开启气源开关试运行注浆泵→开启搅拌机观察搅拌机是否运转正常→连接孔口混合器和注浆管→根据现场配置的吸浆设备容器，配料工将等量的A、B 料分别加入各自的吸浆桶内，并时刻关注其余量，及时加料→开泵注浆→待注浆压力达到12 MPa 或煤墙出现流浆的现象时，关闭气源开关、注浆泵结束单孔注浆→按同样的程序对剩余孔进行注浆→注浆完毕后，拆除孔口混合器和注浆管→在搅拌机中加入清水，开启注浆泵进行洗泵，至注浆管流出清水时继续清洗5 min 之后，方可停止。

3.3 生产组织优化方案

根据过陷落柱期间的各工序的先后顺序，充分考虑各工序间的影响范围，优化工序衔接，制定详细的施工工序：工作面陷落柱边界超前探测→工作面探测到陷落柱段煤岩分界处预注浆加固→陷落柱深孔预裂→采煤机配合放炮破岩的方式推进→工作面陷落柱煤岩分界点超前探测→下一个循环。

采用“三八”工作制，0 点班和4 点班生产，8点班检修。根据陷落柱揭露范围及时调整生产组织，以工作面30 m 揭露范围为界限。

1）当揭露范围≤30 m 时，该阶段陷落柱揭露区域需打眼放炮，机组截割破岩推进速度慢，同时检修、放炮作业交叉作业，为保证设备检修时间，每日4 点班开机时间延迟至18:30，次日0 点班停机时间10:00，生产班之间实行不停机交接班。圆班按两刀煤组织：8 点班检修、打眼放炮，4 点班和0 点班生产，4 点班生产任务0.5 刀，0 点班生产任务1.5 刀，要求每日0 点班交班机组停在150#架往机尾范围。

2）当30 m ＜揭露范围≤45 m 时，该阶段，陷落柱范围增大，放炮后机组截割通过岩石区域时间增加，打眼放炮时间增加，结合各工序用时调整生产组织。按照3 个圆班4 刀煤组织生产：第一天8 点班放炮后，4 点班向机头方向割煤（通过陷落柱1 次），交班机组停在30#架往机头；0 点班机头错两个刀，交班机组停在陷落柱机尾侧（过陷落柱1 次）；第二天8 点班放炮后，4 点班机组向机尾割煤，机尾错2 个刀，交班机组停在陷落柱机尾侧（未过陷落柱）；0 点班机组向机头割煤（过陷落柱1 次），机头错2 个刀，交班机组位置机头双刀；第三天不放炮，8 点班和4 点班前半个班检修，接班机组位置机头双刀，机组向机尾割煤（过陷落柱1 次），机尾错2 个刀，交班机组停在陷落柱机尾侧（机组由机头向机尾割煤通过陷落柱，为防止大块岩石不断通过机组机身对采煤机和输送机造成损伤，机组空刀行进至陷落柱机尾侧，由机尾侧截割至机头侧，最后空刀返至机尾侧），由4 点班后半个班和0 点班共同完成。生产组织情况如图3。

图3 W3305 工作面过陷落柱期间（30 m ＜揭露范围≤45 m）生产组织示意图

3）当揭露范围＞45 m 时，该阶段陷落柱全岩区域需要打设炮眼数量超过80 个，需分多次进行爆破，时长超过8 h，严重压缩检修时间和4 点班生产时间，且机组截割通过破岩区域用时过长。根据各工序现场实际实施情况，调整生产组织，圆班按1 刀煤组织生产，陷落柱区域推进进尺不得小于800 mm，每日8 点班打眼放炮，4 点班检修，0 点班割煤通过陷落柱，生产班交班机组停在150#架至机尾范围。

3.4 设备检修优化方案

W3305 工作面过Xw44 陷落柱期间，保证每日检修时间不小于8 h，充分利用检修时间，进行关键设备重点检修，保证过陷落柱期间设备运转的稳定性。

1）刮板输送机检修。在工作面打眼前进行刮板输送机的检修工作，检查输送机的链条、刮板和接链环是否损坏，链条应无断裂、扭曲、严重咬伤及变形；检查刮板情况，运转中刮板不能倾斜，刮板弯曲变形不得超过5 mm，数量不得超过3%，缺少数不得超过总数的2%，并且不得连续出现；检查中部槽间隙是否太大，中部槽是否下坠，哑铃连接销、限位销是否折断，保证连接平滑、紧密牢固、上下左右错差不超过30 mm；检查电机减速器对轮处梅花垫是否变形破裂；检查减速器是否漏油、渗油，紧固螺栓是否齐全完好。

2）转载机、破碎机检修。在工作面打眼前进行转载机、破碎机的检修工作，检查链条是否能顺利通过链轮，拨链器、小盖板是否齐全完好，不得有卡住现象；检查破碎机锤头有无缺失损坏；检查破碎机传动带有无破损痕迹；检查刮板有无弯曲变形现象，并及时紧固刮板丝。

3）采煤机检修。打眼工序开始后进行采煤机检修，针对采煤机截割破岩的情况，及时更换、补充损坏和缺少的截齿，检查滚筒齿座是否完整，有无开焊，连接销、涨紧销齐全牢固；检查各部螺栓，特别是行走部、机身对口丝易松动的部位螺栓是否紧固、齐全；紧固各部对口连接螺丝及各部与底托架连接螺栓，处理滑动靴紧固螺栓；检查和清洗过滤器，保持正常的过滤效果和润滑效果；检查采煤机启动、报警、闭锁、通信系统、监测控制系统是否工作正常。

4）液压支架检修。放炮前和放炮后进行液压支架检修，观察支架有无自动下降现象，及时更换相应损坏的部件；检查支架系统是否有漏液，不得出现漏液、窜液现象；检查支架立柱、千斤顶有无损伤和变形，保证合格，千斤顶动作正常；检查支架各部位连接情况，无脱销和断销情况。

5）胶带输送机检修。工作面设备开空后进行胶带输送机的检修作业，检查皮带卡口磨损情况，对于磨损严重、卡口开口大时必须重新打设卡口；检查储带仓直托辊、缓冲托辊、机尾装载段直托辊转动磨损情况，发现损坏及时更换；检查驱动装置、机尾段、张紧绞车及各滚筒的安装，定位螺栓是否齐全，不得有松动现象；检查清带器与胶带的接触情况，清带器固定是否紧固适度；检查皮带制动装置是否动作可靠。