综放工作面端头放煤工艺试验研究

   摘　要: 放顶煤开采技术已在杨村煤矿易自燃煤层不同地质条件下得到了广泛应用。为了提高采煤工作面采出率, 防止工作面端头和拐头遗留的碎煤自燃发火, 该矿进行了端头放顶煤试验研究, 并与端头不放顶煤进行了比较。试验证明端头放顶煤时工作面前方移动支承压力影响区范围将增加, 但矿压显现并不十分剧烈, 工作面采出率可提高2 %～817 % , 经济效益十分显著。
　关键词: 放顶煤开采; 端头放煤; 放煤工艺; 自燃发火煤层
   中图分类号: TD82314 + 9 　文献标识码: B 　文章编号: 1671 - 0959 (2005) 0920056203

　　杨村煤矿自2002 年3 月实行经济型综采放顶煤开采技术以来, 已先后回采了D13054、D13012、D11102 和D13071 四个不同条件下的采煤工作面, 有四分层、二分层和一次采全厚综放工作面。正在开采的D11023、D11063工作面属于三分层放顶煤工作面, 其开采2 - 3 缓倾斜厚煤层, 煤层倾角9～13°, 且厚度变化较大, 易自燃发火。当前综放开采存在的主要问题之一是采煤工作面采出率偏低(通常75 %～85 %) , 采煤工作面和采出率难以达到国家规定的标准, 这是由综放开采的特点所决定的。为保证工作面上、下出口的支护效果, 保护后部刮板输送机机头、机尾不被放出的顶煤埋住, 工作面回采时,在排头、排尾的3 架过渡架采用不放顶煤的方法进行护顶,当顶煤较厚时, 工作面煤炭将丢失几个百分点。如果工作面上下端头各3 架过渡架不放顶煤, 开采2 - 3 煤层的顶煤平均厚度5m , 按正常推进度计算, 则工作面每月损失煤炭近5 千t , 吨煤售价按200 元计算, 每月损失近100 万元。同时, 由于工作面两端头及上、下拐头顶煤不回收, 给工作面防灭火工作造成一定的困难; 在已经回采的几个工作面中均在临近停采线时, 上、下拐头出现明火, 存在极大的安全事故隐患, 影响工作面末采期间的生产和设备拆除工作。为了提高煤炭回收率, 防止工作面两端头顶煤发生自燃发火, 杨村煤矿从2003 年6 月, 在D11102 二分层综放工作面回采期间, 在工作面两端头进行了放顶煤工艺试验研究, 经过近几个月的试验, 效果较明显。
1 　工作面端头放顶煤试验
111 　试验工作面概况
试验工作面D11102 , 其顶分层综采工作面D11101 已采, 所以该工作面属于二分层综放工作面; 开采的2 - 3 煤层呈单斜构造, 煤层倾角9～13°, 剩余煤层厚度8～12m ,工作面走向长度700m , 倾向长度145m。工作面侧上方D1108 区段已开采, 侧下方为未开采的井田深部边界, 即工作面为井田最深部的一个工作面。该工作面内无影响生产的断层, 其上部煤层较薄, 下部煤层较厚。工作面采用ZFS2800/ 16/ 24D 型放顶煤基本支架, 机头和机尾各采用3 架ZFG3600/ 19/ 26H 型过渡支架。上下端头分别采用4 根4m 长和316m 长的花边工字钢抬棚支护, 一梁三柱形式, 交错长度不少于016m。上下抬棚随工作面推进交替迈步前移, 工作面上下端头铺设塑料顶网;上下顺槽巷道为梯形断面, 顶板铺设塑料网, 采用工字钢棚子金属支架支护后, 喷射混凝土封闭围岩, 预防巷道顶煤的自燃发火。
112 　端头放顶煤工艺
工作面端头放顶煤包括上下两端头和两拐头放顶煤。端头放顶煤遵循由简单到复杂, 先易后难的原则。由于工作面下端头靠近机头, 当放顶煤出现异常时便于和后溜子司机及时联系, 有效控制后部刮板输送机运行, 所以放煤时先放下部端头顶煤, 再放上端头顶煤。因工作面机尾设备较少, 上顺槽拐头没有机械设备, 上拐头放煤空间较大,放煤时容易操作, 所以拐头放煤时先放上拐头顶煤。试验期间放煤顺序为: 下端头上端头上拐头下拐头。下端头放煤试验首先从第三架支架开始, 用专用长柄工具将支架后尾梁处的塑料网剪开一个放煤口, 再逐渐收缩放煤插板, 增大放煤口; 根据放煤量大小逐渐伸出插板缩小放煤口, 控制放煤速度, 防止后部刮板输送机被压死。当顶煤上方出现放煤空洞, 顶煤放不下来时, 通过升降掩护梁千斤顶, 摆动掩护梁, 破坏放煤空洞后, 继续进行放煤; 然后反复收缩放煤插板, 直至见到顶板矸石时, 将放煤插板伸出, 关闭放煤口, 该支架放顶煤结束。随后放第二架过渡支架上的顶煤和第一架上的顶煤, 最后沿工作面全长按间隔放煤工艺从机头向机尾放煤。为了放上拐头顶煤, 先将工作面后部刮板输送机增加一节中部溜槽, 使机尾上移延长到距回风巷道上帮1m 左右。上拐头放煤时, 放煤口在上巷顶板正中心, 放煤口高出后部溜子约400mm , 剪开一个长600mm、高400mm 的放煤口, 人员站在机尾外侧安全的地方向外扒煤, 放煤结束后用荆笆将放煤口堵好, 并在棚梁中间用一根单体支柱加固顶板, 防止放煤口漏矸。下拐头放煤时, 放煤口滞后转载机机尾一排支架, 顶煤流入转载机机尾溜槽内, 由转载机将放落的顶煤直接运出。为了防止放顶煤时运动的顶煤将放煤口支架冲倒、冲垮, 在上、下巷道两帮各架设一排走向抬棚, 随工作面推进交替前移, 加强上下拐头巷道围岩的稳定性, 特别是放煤口处支架的稳定性。
2 　端头放顶煤时矿压显现规律
为了搞清端头放煤对工作面上下顺槽巷道支护的影响,进行了矿压观测, 主要观测端头不放顶煤和放顶煤时煤壁前方上下巷道的变形情况; 经过近5 个月的现场实测, 总结出上下拐头放煤后, 对上下巷道围岩变形的影响规律。
211 　上下顺槽巷道矿压显现规律
从图1 可见, 工作面端头不放顶煤时, 上顺槽超前采动影响范围较小, 约10m 左右; 但受端头及拐头放顶煤影响, 距工作面15m 时巷道顶底板移近速度稍大, 25m 以外顶底板移近速度受采动影响较小。从图2 看出, 工作面端头不放顶煤时, 下顺槽超前采动影响范围约15m , 当端头及拐头放煤时, 工作面前方20m 左右巷道及顶底板移近速度将增大, 28m 以外巷道顶底板移近速度受采动影响较小。总之, 端头放煤与否对上下顺槽巷道的矿压显现影响并不十分剧烈。
由于工作面端头及上下拐头均采用低位放煤方法, 放落的煤是采空区已垮落的顶煤, 而不是支架顶梁上方的顶煤, 放煤区内支架, 包括端头过渡支架和巷道棚子支架,在放煤时始终处于承压状态, 支架稳定性较好。
212 　上、下顺槽巷道断面变化特征
在矿压观测期间, 统计分析了工作面端头及拐头在不放煤和放煤两种条件下, 造成的工作面前方上下顺槽巷道断面变化情况。从表1 和表2 中可以看出, 端头放顶煤对上、下顺槽巷道围岩变形都有影响较大, 特别是对下顺槽的影响更加明显。由于上巷受端头及拐头放顶煤的影响,工作面前方支承压力影响区范围由10m 增加到25m , 煤壁处巷道的断面收缩率由2013 %增大到2910 %; 由于下巷受端头及拐头放顶煤的影响, 工作面前方支承压力影响区范围由15m 增加到30m , 影响区范围增加1 倍, 而煤壁处巷道的断面收缩率由2210 %增大到3114 % , 巷道高度和宽度难以满足设备运转和行人使用要求, 必须扩帮和卧底。
3 　放顶煤注意事项及存在问题
311 　端头放顶煤注意事项
工作面端头及拐头放煤试验效果明显,但在试验中也发现了一些问题, 需要在放煤过程中加强注意。
1) 上下端头过渡支架需要铺设顶网, 放煤时仅在后尾梁处割网放煤, 防止移架时顶煤流入后溜子, 埋住其电动机, 影响电机散热, 损坏电机。
2) 割网使用专用长柄工具, 经过多次试验、对比, 加工制作了一种“T”字形割网工具, 柄长2m , 内、外两侧均加工成刀刃, 可以割网, 也可以向老塘侧捣破顶网放煤。
3) 端头放煤时放煤网口不宜过大, 若放煤流量大, 放落的顶煤会发生埋电机或压死溜子现象, 处理非常困难。
4) 机头第一架过渡支架放煤时间不宜过长, 最好不要见矸。由于下顺槽放煤滞后溜子一排支架, 为了保证煤质,第一排支架上放煤口的放煤时间不宜过长, 以保证第二排和第三排下顺槽棚式金属支架的稳定, 为第二排、第三排支架上的放煤口顺序放煤奠定基础。
312 　上下拐头放煤注意事项
1) 加固上下拐头。在机头、机尾, 对上下顺槽的上、下两帮, 各打一排走向抬棚加固巷内支架, 提高巷内支架的整体稳定性, 防止顶煤的冲击压力冲垮上下拐头。
2) 合理确定放煤口位置。放煤口位置不宜过高或低。过高属于高位放煤, 会造成拐头上部顶煤提前垮落放出,由于顶板松软, 单体支柱工作阻力小, 支护强度低, 易发生冒顶事故; 放煤口过低, 会造成顶煤不能完全放出。经试验对比, 以放煤口高出转载机尾溜槽400mm 较合适。
3) 下拐头不宜过深。为了保证下顺槽放煤, 下拐头必须滞后后溜子一排支架, 若拐头过深, 工作面第一架过渡支架与下顺槽之间的煤不易维护, 且下顺槽放煤时, 易将工作面第一架支架采空区侧的矸石放出, 影响煤质。
4) 上拐头拉后部输送机机尾时应设地锚装置。由于后溜子机尾向上延长1～115m , 上拐头拉机尾时, 单靠过渡支架一侧设的拉后溜千斤顶, 不能将机尾推拉到预定位置,为此在上巷一帮安设地锚, 用拉机尾千斤顶拉机尾。地锚用长1m、宽013m、厚0105m 的钢板制成, 钢板上根据单体支柱底座直径, 焊接三个高0105m 的圆筒, 用三根单体支柱压住地锚装置; 地锚与后机尾之间用液压千斤顶和链条联接, 由液压千斤顶的收缩实现拉后溜子机尾工作。
5) 加强超前支护。根据实测矿压显现规律, 上下巷道应采用抬棚进行超前支护。上巷超前支护距离20m , 其中下帮双抬棚应小于10m; 下巷超前支护距离30m , 其中上帮双抬棚不应小于20m。超前支护的抬棚由3m 长工字钢顶梁和单体液压支柱组成, 一梁三柱支护形式。因巷道底板为膨胀性泥岩, 所以柱腿必须穿柱鞋。
313 　端头放煤效益及存在问题
端头和拐头放煤后, 上下拐头基本为碎矸石, 可有效地避免采空区遗留碎煤的自燃发火。采用端头放煤在不需要投入过多设备的情况下, 回收了端头煤, 降低了吨煤成本, 同时工作面的产量和采出率都有所提高, 经济和社会效益明显。如表3 所示, 端头放顶煤后, D11102 综放工作面月产量提高近3000t , 采出率最高值达到8517 % , 采出率提高2 %～817 %。工作面每推进1m 多回收约130t 煤炭,按吨煤售价200 元计算, 每推进1m 多创收216 万元。
在端头放煤过程中, 仍存在一些问题需要解决。
1) 上下拐头处巷道支护材料不易回收, 拐头处工人劳动强度大。放顶煤后, 易发生流煤埋住工字钢棚子, 部分工字钢顶梁难以回收, 甚至丢失。
2) 端头放煤后, 工作面超前支护压力增大, 巷道变形较明显。放煤后, 上下巷超前20m 范围内压力较大, 巷道断面由梯形变成矩形, 甚至变成倒梯形, 支架支护强度下降, 巷道两帮移近量达700～800mm , 对巷道的正常使用造成一定困难。