110工法在綜采工作面尾巷支護技術中的應用

張金良,楊曉勇,張 志

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦,陜西 延安 716000)

0 引言

黃陵礦業公司一號煤礦始建于1991年,年生產能力600萬t,礦井采用平硐開拓,單水平盤區布置,主要大巷沿煤層布置,采用長壁后退式采煤工藝,全部垮落法管理采空區頂板,機械化程度100%。開采工藝采用傳統的“121”大煤柱開采技術[1],礦井年掘進工程量大,生產接續相對緊張問題日益凸顯,礦壓、瓦斯、防滅火等災害治理壓力大,已不能滿足礦井可持續發展的長期要求。為提高礦井生產效率、降低萬噸掘進率、提高資源回收率、延長礦井服務年限,解決生產接續緊張、災害治理時間不足等難題[2]。黃陵礦業公司對無煤柱開采技術研究與應用進行整體規劃安排,結合礦井生產接續實際,一號煤礦2020年確立實施無煤柱“110工法”開采技術研究與應用項目,2月份編制《一號煤礦無煤柱“110工法”開采技術研究與應用實施方案》,并計劃分2個階段開展項目。2020年6月已完成了第一階段——“1006工作面沿空留巷工業試驗”,現開始第二階段——“1009工作面‘110工法’開采技術應用”相關工作。已于2022年4月份在1009工作面進行實施。為保證沿空留巷工藝的實施效果,尾巷的支護成為重中之重,尾巷的成型及留巷效果都成為整個工藝成敗的關鍵因素?；诖?為了加強對尾巷的支護及降低職工的勞動強度,黃陵礦業公司一號煤礦聯合設備廠商研發引入垛式支架及支架搬運機器人來實現沿空留巷尾巷非穩定區支護及自動前移。

1 工作面煤層及頂底板概況

1.1 含煤地層及煤層特征

區內含煤地層為侏羅系中統延安組,全組厚度112.2～114.5 m,平均113 m,共含煤2層(組),自上而下依次編號為1號煤層、2號煤層,含煤系數2.57%。其中2號煤層為可采煤層,1號煤層(組)不可采。

1號煤層位于延安組第二段第Ⅱ旋回中部K2砂巖(七里鎮砂巖)之上。1號煤在鉆孔HK8、HK2鉆孔有揭露,根據鉆孔分布位置可知,1號煤主要分布在工作面回采區的東部和西部,煤層厚度0.4 m。

1.2 可采煤層

2號煤層位于延安組第一段(J2y1)的中上部,K2標志層以下,層位穩定,1009工作面2號煤層分布面積約674 920 m2,厚度2.05～2.35 m,平均2.2 m。煤層埋深304.46～418.75 m,底板標高為+849.5～+885.4 m。綜合HK2、HK8、X23鉆孔資料,1009工作面臨近HK2鉆孔,煤層綜合柱狀如圖1所示,1009工作面煤層頂底板巖性及物理力學參數見表1。

表1 1009工作面煤層頂底板巖性及主要物理力學參數

圖1 HK2鉆孔煤層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam with HK2 borehole

2 巷道支護設計

2.1 輔運順槽支護設計

1009輔運順槽巷5.2 m×3 m(寬×高),面積15.6 m2;頂部錨索梁采用“橫向梁+走向梁”的方式進行支護,橫向梁采用T140型鋼帶加工,梁長4 800 mm,一梁四索,排距1 000 mm,錨索均采用φ17.8 mm×10 300 mm防腐鋼絞線[3],靠切縫側走向梁錨索采用φ21.8 mm×10 300 mm防腐鋼絞線配合讓壓鎖具,走向梁距切縫側600 mm;梁長3 400 mm,一梁四索,錨索排距1 m;頂錨桿中間四排間距850 mm,靠兩側兩排排距為1 000 mm,“六-六”矩形布置,采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿;頂部掛塑鋼網,網孔50 mm×55 mm。幫錨桿間排距800 mm×1 000 mm,“四-四”矩形布置,回采留巷側(主幫側)錨桿為φ20 mm×2 500 mm玻璃鋼錨桿,非回采側(副幫側)錨桿為φ20 mm×2 500 mm高強度玻璃鋼錨桿,除使用配套托盤外每根錨桿均另增規格為350 mm×200 mm×50 mm木托板一塊[4];全斷面掛塑鋼網,網孔50 mm×55 mm[5]。

2.2 尾巷主體支護設計

1009輔運順槽尾巷主體采用ZQ1700/16/32型垛式單元支架支護,長度200 m,支護強度1 288～1 717 kN/m,垛式單元支架一排2架,每排支架間距2 800 m,切縫側支架排距1 200 mm,距切縫側巷幫900 mm支設,實體側支架排距2 400 mm,距實體側巷幫1 100 mm[6]。垛式單元支架隨1009工作面推采前移最后一排,始終保持尾巷主體支護長度200 m。1009輔運順槽尾巷主體支護平面、斷面如圖2、圖3所示。

圖2 1009輔運順槽尾巷主體支護平面布置Fig.2 Holistic support plane layout of 1009 auxiliary transportation crossheading tail roadway

圖3 1009輔運順槽尾巷主體支護斷面Fig.3 Holistic support section of 1009 auxiliary transportation crossheading tail roadway

2.3 垛式單元支架設計

2.3.1 系統組成

沿空留巷尾巷加強支護及支架搬運成套設備由支架搬運機器人、機器人輔助動力系統、單軌吊輔助運輸系統、液壓泵站、支架供/回液系統、自動化電液控系統以及跺式支架等組成,用于工作面實施沿空留巷尾巷非穩定區支護及自動前移。采用單軌吊+機械手運輸支架進行支架搬運作業[7]。

液壓系統采用DN系列接口,每個端頭支架主供液管路配置高壓截止閥,主回液管路配置回液斷路閥,主進液DN38,主回液DN51。端頭支架安裝照明、攝像頭、穩壓電源、綜合接入器、控制器固定架、主閥固定架等自動化裝置,端頭支架推移缸具有位移傳感器,立柱具有壓力傳感器。

整套設備由電氣系統實施智能控制,可自動完成沿空留巷內加強支護支架供/回液管的插拔和大循環搬運工作。1009輔運順槽尾巷支護系統配置如圖4所示。

圖4 1009輔運順槽尾巷支護系統圖配置Fig.4 Support system setup of 1009 auxiliary transportation crossheading tail roadway

2.3.2 搬運裝置

垛式單元支架搬運機械手配置有操縱閥、乳化液泵站、液箱以及電控箱等設備,同時集成激光測距傳感器、視覺相機、接近開關、位移傳感器、監控攝像機等多種傳感器,實現垛式單元支架的無人自動搬運[8]。

垛式單元支架作業過程中,通過設置在機械手頂部兩側的激光測距傳感器和視覺相機的信號反饋,由控制系統指揮單軌吊推動機械手運行到最后一架支架處停止,隨后撐頂千斤頂推出接頂,使機械手固定,機械臂旋轉90°后水平推進至支架下方,機械臂垂直提升,安裝在機械臂的進回液管噴射高壓水射流清潔支架頂梁接頭及自身接頭表面,兩接頭對接,支架放液同時提腿,機械臂下降后水平收回再回轉90°,撐頂千斤頂收回,單軌吊推動機械手將支架運至最前端,放架、安裝,單軌吊拉動機械手退回至最后一架支架處,完成一個支架搬運循環。支架搬運機械手示意如圖5所示。

2.3.3 單軌吊機車

成套設備與單軌吊機車共用一條軌道,并由單軌吊機車拖移完成支架的搬運工作。單軌吊負載設備約6～8 t,配置3個驅動部,驅動力為60 kN(單個驅動力20 kN)。根據單軌吊布置需要,需在1009輔運順槽自副幫第四列錨桿中部補打φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,補打錨桿間距2 000 m,與原有第四列錨桿間距350/650 mm,補打錨桿與原有第四列錨桿用于共同吊掛單軌吊,設計要求每根錨桿承載力≥200 kN,吊掛由U型吊環、圓環鏈及連接銷軸構成,其中圓環鏈規格22 mm×86 mm。1009輔運吊掛錨桿補打的平面布置如圖6所示。

圖6 1009輔運巷吊掛錨桿補打平面布置Fig.6 Plane layout of hanging anchor rod supplementing in 1009 auxiliary transportation roadway

2.3.4 尾巷巷旁支護設計

1009輔運順槽尾巷巷旁支護采用“可彎曲擋矸柱+金屬網+噴涂布+高分子材料”聯合支護方式,巷旁掛設φ6金屬網、噴涂布,網片搭接寬度200 mm,搭接點采用14#鐵絲綁扎,菱形綁扎,間距200 mm;支設U29型鋼,間距300 mm,距巷道原主幫400 mm支護,在巷道穩定區域噴高分子材料,噴厚50 mm,用于減少巷道漏風和瓦斯逸出[10]。1009輔運順槽尾巷巷旁支護平面布置如圖7所示。

圖7 1009輔運順槽尾巷巷旁支護平面布置Fig.7 Side support plane layout of 1009 auxiliary transportation crossheading tail roadway

3 垛式支架及支架搬運機器人應用的關鍵技術及存在問題

垛式支架在尾巷使用至關重要的一點是尾巷的巷道高度要滿足垛式支架的正常使用。垛式支架在初始狀態下高度為1.6 m,隨著采動壓力的影響,巷道出現底鼓,嚴重區域底鼓量最大可達到1 m,此種情況大大影響了垛式支架的安裝與使用,因此,在垛式支架安裝前必須對巷道進行落底作業,確保巷道高度滿足要求和使用效果。

根據設計的要求,垛式支架的工作壓力要達到24 MPa,由于巷道底板滲水加上施工爆破預裂孔導致的積水造成底板松軟,垛式支架存在下陷的問題,導致壓力自卸,影響頂板支護效果[9]。

垛式支架搬運機器人是為了解決傳統的搬運工藝復雜,搬運周期長,不能充分發揮支架的循環使用率等問題專門研發設計,該機器人本身結構緊湊、轉向靈活,配備了液壓單軌吊機車、支架搬運裝置及動力系統幾大部分。但在1009工作面實際應用過程中,由于巷道底鼓導致無法滿足搬運機器人2.8 m的使用高度要求。同時由于在垛式支架使用之前,巷道采用5排液壓單體的支護形式,導致尾巷空間小,搬運機器人安裝空間受限,安裝困難。

目前1009工作面尾巷使用垛式支架支護距離為200 m,經現場觀測支護效果良好,但爆破預裂孔方向頂板下沉量大,仍需繼續加強支護,加長動態支護距離。經煤礦與廠商的研究討論,決定再增加100 m的垛式支架動態支護距離,根據支護效果再進行下一步的方案制定[10]。

基于1009工作面尾巷實際情況,經過設計變更,臨時采用DQ25/0.5型氣動單軌吊車的方式來進行垛式支架的搬運。該裝置采用氣動的動力方式加上氣動葫蘆等起吊方式,更輕便更簡單,方便職工操作。但是此種方式需要每班安排1名職工專人操作進行垛式支架的循環搬運使用。目前廠商正在根據井下實際情況對搬運機器人進行設計改造,改造完成后機構更簡單、尺寸更小、現場適配性更好。垛式支架支護及氣動單軌吊現場使用效果如圖8、圖9所示。

圖8 尾巷垛式支架支護效果Fig.8 Supporting effect of tail roadway’s stack support

圖9 氣動單軌吊現場使用Fig.9 Actual application of air-driven monorail crane

后續沿空留巷工作面如果采用垛式支架加搬運機器人的支護方式必須要做好前期準備工作,包括提前對巷道進行拉底作業、提前做好規劃將垛式支架擺放至相應位置,另外安裝單軌吊軌道的錨桿孔要提前施工,減少后期施工錨桿孔導致的巷道積水造成底板松軟影響支護效果[11-12]。

4 經濟分析

隨著工作面的不斷回采,為了保證尾巷的動態支護,原來每個生產班需安排6人倒運并支護單體來滿足生產需求。隨著垛式支架與支架搬運裝置的使用,現在每個生產班只需安排3人操作倒運垛式支架8臺即可滿足當班生產需求。有效減輕了工人勞動強度,提高了工作效率,實現了減人提效的目的。此外1009工作面沿空留巷能夠有效減少礦井掘進工程量,1010工作面回采時可以少掘1條巷道,同時能夠回采原工作面間的安全保護煤柱,經計算,1009工作面留巷開采可產生4 265.4萬元經濟效益。

5 結論

(1)1009工作面自2022年4月份實施沿空留巷以來,目前已成巷900多米,在回采過程中,巷道留巷及成型良好,同時確保了安全生產,為后期一號煤礦全面實施沿空留巷技術提供了寶貴的經驗和數據參數。今后該技術如全面推廣應用,將大大降低煤礦萬噸掘進率,減輕職工勞動強度,降低掘進成本投入,實現礦井技術跨越發展。

(2)垛式支架在沿空留巷段使用情況良好,支護效果較液壓單體有了較大提升。但在使用過程中需保證巷道高度,及時落底,控制好巷道積水,保證巷道底板硬度。確保垛式支架大于24 MPa,滿足垛式支架的安裝使用要求。

(3)垛式支架搬運機器人的成功應用取決于巷道高度及空間等因素,同時需在工作面回采之前做好搬運機器人安裝的準備工作,施工好安裝孔、確定好安裝位置,再根據井下實際情況優化搬運機器人的結構及尺寸做好現場適配,搬運機器人的使用將大大降低職工勞動強度,實現減人增效的目的。