采煤工作面调斜与旋转技术的应用

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  摘要:煤矿随着开采深度的增加,资源逐渐匮乏,地质条件更为复杂,开采煤层赋存不稳定,受相邻工作面采动和地质条件影响,为避开地质构造带,工作面两巷掘进过程中不平行,出现拐弯现象,需实施工作面调斜和旋转,以发挥出综采工作面高产高效的优势,提高工作面单产水平。经实践检验,表明只要根据具体的条件,采取可行的技术措施,加强现场管理,大角度调斜、旋转技术在工作面推进过程中是可行的,并且具有极大的 经济效益,煤炭产量显著提高,为复杂地质条件下综采工作面高产高效找到了一条新路。
  关键词:复杂地质条件;资源枯竭矿井;工作面调斜;旋转;提高单产水平
  引言
  综采工作面以其机械化程度高、安全性能高、生产效率高著称,但随着采掘深度的增加,矿井资源逐渐枯竭,浅部煤层资源开采困难,特别是一些煤柱工作面或边角煤,由于受井田设计或回采地质条件限制, 工作面在回采过程中为躲避采空区、断层等构造带,导致工作面布置方式不是条带形状,工作面大多呈不规程形状布置,为了提高煤炭质量和煤炭资源回收率,减少搬家倒面次数,实现生产的连续性,保证资源枯竭型矿井的持续高产、稳产,从设计上就应该考虑生产过程中的一切情况,要求从生产技术上克服困难,就不可避免的涉及到工作面调斜和旋转技术,本文以冀中能源新屯矿14249(外)轻放工作面为例,讲述工作面调斜和旋转技术应用过程中的遇到的一些问题和解决方法,阐述了复杂地形条件下采煤技术选择和可行性,以期发挥出综采工作面高产高效的优势,提高工作面单产,为资源枯竭型矿井找到了一条新路,使复杂地形条件下采煤技术日趋成熟。
  一、采煤工作面调斜与旋转技术应用条件
  回采工作面在开采过程中时常遇到调斜和旋转开采的问题,通常转角小于45°时,称为工作面调斜或调采,大于45°时称为工作面旋转。综采工作面高产高效要求,地质条件简单,煤层赋存稳定,不受相邻工作面采动影响,但对于在复杂地质条件下,在上下两巷拐弯多的煤层中布置的工作面,尤其是在煤柱和断层边缘带设计的工作面,如何采用工作面调斜和旋转技术,发挥出高产高效的优势,提高工作面单产,成为一个重要课题。此种工作面一般储量较少,衔接困难,对矿井产量来说是个严峻的考验,因此如何解决复杂地质条件下工作面两巷调斜问题,在煤炭开采中具有重要意义。
  (一)工作面调斜和旋转方法的选择工作面调斜和和旋转范围实中心和虚中心两种,确定旋转中心是应考虑以下因素:最好以工作面输送机机头为旋转中心旋转机尾端,以保证旋转期间工作面输送机机头与顺槽转载机能正常搭接,以保证运输顺畅;。旋转中心顶板要稳定,地质构造要简单,不受或少收其他采空区采动影响。
  1、实中心调斜。实中心调斜的工艺过程为:采煤机完成调斜前的最后一刀煤时,旋转中心端停移输送机,另一端则移够一个截深,并将输送机调成一条直线,然后采煤机割煤,其所割的每一刀煤都是一个小扇形。实中心调斜对设备损坏较少,工艺简单,调斜范围较小,由于旋转端至中心的移架步距变小,支架对订房反复支撑此时逐渐增多,中心附近顶板管理困难,适用于顶板稳定,调斜教的小的工作面。
  2、虚中心线调斜。为改善旋转中心附近的顶板管理状况,可采用虚中心线调斜,为保证割煤质量每一短刀的切割线平行于长刀切割线,每次切割之后再工作面出现拐点,每个拐点的弯曲角度应大于刮板输送机实际允许的弯曲角度,拐点的问去角度与整个契合循环的转角相等。
  (二)调斜和旋转技术在工作面中的应用。新屯矿井田面积狭小,地质条件复杂,断层发育完全,工作面掘进工程量大,储量少,衔接紧张,资源逐渐匮乏。截至目前该矿已经破产,度过了出煤的高峰期,而对于一个逐渐走向衰落的矿井来说,前景不容乐观。如何保持矿井高产、稳产,使原煤产量保持在80万吨,再创辉煌,提高工作面的单产成为当前尤为突出的问题。鉴于以该矿轻放工作面调斜技术日趋成熟,在多个工作面开采中采用调斜技术,均取得了成功,其中最有代表性的当属14249(外)轻放工作面实施的工作面旋转开采技术。下面以该工作面为例,介绍工作面调斜与旋转技术的应用。
  二、工作面概况简介
  (一)工作面位置。14249(外)地面位于磨岗坡西南部300m左右,地表除一冲沟外皆为农田。本工作面西部为屯薛边界断层;北部为14249(顶、中、底)及14249煤柱采空区;东部为14247、14245采空区。
  (二)开采范围及赋存状态:
  (三)地质构造:
  1、构造情况简述:该工作面煤层属宽缓背斜构造,煤层走向:344~60?、倾向:254~330?、倾角:5?。所见断层均为该工作面运料道、溜子道、切眼实见所得,分别为:f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9、f10,共10条断层。其中f2、f5、f8、f10断层对工作面回采有较大的影响。其中f2断层在运料道34号测点揭露,H=3.0米,向溜子道方向延伸。f5断层从运料道44号测点揭露,顺运料道下帮延伸至48号测点,H=4.3米。f8 H=1.0~1.7米、f10 H=0.6米在切眼揭露。
  2、断层情况表:
  3、煤层特征:
  煤层产状及稳定性、节理、裂隙、夹矸情况
  4、本区煤层厚度基本稳定,平均5.5米,由于受到老巷道影响,储量计算煤厚取5.3米。工作面掘进时共揭露断层10条。断层具体情况详见断层情况表。煤层结构复杂,含有两层夹矸石,结构为:0.5(0.05)3.4(0.15)1.4。
  5、围岩特性:岩性、厚度、节理、级别等
  该面直接顶为砂质页岩,厚度3.8m,深灰色,含碳质与植物化石,局部有砂质结核,老顶为细砂岩,厚度12.0m,灰色、质坚,以石英为主。因采用轻放工艺,工作面留煤顶开采处应尽量找一层较稳定的硬煤为工作面顶板,以利于顶板管理工作。直接底为砂质页岩,厚度10.9m,深灰、灰黑色,含有植物化石碎片,顶部局部为细砂岩,质坚,局部有矽质结核。直接顶Ⅱ类。老底为细砂岩,厚度3.4m,浅灰色,中部有砂页岩与结核。   6、瓦斯、煤尘、自然发火情况:本地区为高瓦斯地区,瓦斯绝对涌出量为4.0 m?/min,煤尘有爆炸性,煤层三类不易自燃。回采时要将顶煤回收干净,工作面结束后要及时封闭采空区,防止自然发火。
  7、水文地质情况:本工作面充水水源为顶板砂岩水。预计正常涌水量:0.2m?/min,最大:0.35m?/min。(不包括水窝内泄水孔的水)。由于本工作面无放水巷,回采期间要加强工作面防水工作,在运料道安设排水设施,排水设施的最大排水能力应大于最大涌水量。
  三、本项目主要技术要求
  本工作面地质条件复杂,影响较大的断层有四条,在推进过程中需过11条老洞子,受断层和老洞子影响,巷道顶板压力大,严重变形,工作面顶板较破碎,在调斜过程中工作面不同程度破底,加上受老巷影响,煤壁有片帮现象。如何解决调斜过程中,工作面大面积片帮、顶板流砟,支架顶空,支架倾斜不正规,成为此次调斜研究的主要目的。
  四、项目实施过程
  (一)工作面布置选择。考虑道本工作面是煤柱工作面,四周为采空区和断层边缘带,原准备设计成两个工作面,分别为:
  Ⅰ#方案。12491#工作面沿倾向开采,溜子道作为进风巷,运料巷回风不变,工作面切眼长65米,工作面上52架,走向55.2米,推至结束剩余35架43.6米、工作面可采储量41514吨。工作面可避开f5、f6 、f7三条断层、特别是f5断层、落差4.3米,对工作面影响较大,推进困难,预计推进两个月可结束工作面。另外工作面拆除大约需要1个月左右,对后续工作面衔接不利。不予采纳。
  Ⅱ#方案。2492#工作面沿走向下山开采,工作面切眼需重新走一条141米的切眼,溜子道、回风道不需改动,此时工作面长141米,走向81.31米,工作面上114架,推至结束不需要加架或延长工作面输送机,工作面可采储量92232吨。切眼准备、工作面安装整个工程大约需要3个月。可避开14249顶层工作面老巷。这样布置工作面开采安全系数有一定提高。但此段老巷比较集中,最多达9条,老巷基本与工作面处于同层位,顶板较难控制,推进困难。不予采纳。
  Ⅲ#方案:工作面最终方案选择。第三种方案就是把以上两个工作面合并为一个工作面开采。14249外轻放面沿倾向开采,切眼长度65米,为满足调斜需要,把调斜分成两个阶段;第一阶段先在工作面溜子道掘一条长30米配巷,重新铺设一台溜子,此工作与工作面推进同时进行,并随推进逐渐甩架、缩短工作面输送机至50米,调斜角度32度。第二阶段先平推14.5米后,然后随工作面调斜、加架、延长工作面输送机至141米,第二阶段共需加架80架,调斜角度58度。由于本工作面老巷较多,加上断层影响,整个调斜过程约2个月,调斜角度90度。
  鉴于新屯矿第二、第三水平各煤层基本采完,储量逐渐减少,只剩下一些煤柱工作面,采用以上方案条带开采煤炭丢量大,不利于资源回收,另外布置工作面掘进工程量大,衔接周期时间过长,很难完成矿井生产任务。从1997年新屯矿在14242工作面,第一次在全局采用轻型放顶煤综采支架以来,有很多工作面巷道呈不规则形状,多数工作面涉及调斜技术,在实践应用中调斜技术已经趋向成熟。从而决定把两个工作面并为一个工作面开采,这样可缩短工作面衔接时间3个月,并可多回收原煤5万多吨。但这样工作面必须完成90度调斜任务。对装备和管理水平是极大的考验。
  (二)调斜技术及进度介绍。本工作面从10年2月15日开始调斜,调斜比例为1:4,即溜子道进1米,运料巷进4米。第一阶段至3月2日期间运料道进了48米,溜子道进了13米。在此段时间主要抓好工作面甩架及工作面下头三岔口管理工作,调斜期间需要调架,以保证支架时刻垂直煤壁和顶底板。由于工作面下头推进较慢,顶板破碎严重。采取在20#以下支架由于调架原因顶板破碎段铺双层塑料网,很好的解决了顶板不完整的问题。第一阶段完成后大约需平推14米,正好用于工作面调整。从3月10日开始第二阶段调斜。调斜比例确定为1:7,调斜期间,主要抓好工作面上架和调架工作,由于工作面运料巷斜度过大,上架宽度不够,为保证上架宽度采取在运料巷上帮采取扩帮措施,尽量保证上架进度,减少上高档段支护面积。截止4月15日工作面已顺利完成调斜过程。整个调斜角度达90度,为以后工作面布置,采用调斜技术提供了宝贵经验。
  (三)注意事项:
  (1)调斜期间要保证工作面直率,工作面在割煤期间采用斜切进到方式,机组长短刀交替进行,斜茬 25米以上调斜比例控制在1:4以内最为合适。
  (2)工作面调斜期间注意控制机头长短,以保证机头搭接合理。可适当扩帮,摆动转载机位置,一般采用点柱赶溜子,机头过长或过短时,采用向机尾和机头赶溜子的办法解决搭接问题。
  (3)工作在调斜期间要保证工程质量,特别是支架要垂直煤壁与顶、底板,采取班班调架措施。
  (四)调斜过程中采取措施
  (1)绘制大量施工图样,在调斜期间按计划严格按比例调斜,标明每天的进度点;制定切实可行的安全技术措施,及时对职工进行培训;保证工作面机头长度与顺槽输送机搭接合理;便于管理人员随时掌握情况,做到心中有数,保证安全生产。
  (2)严格现场跟班管理制度,实现工作面正规循环;加强断层和洞眼处的顶板管理,工作面输送机必须顺直;班班调架,保证工作面工程质量,不得出现挤架、倒架、咬架和支架压死情况;;此外加强重点地区的管理,特别是下半部配巷顶板管理。
  (3)严抓正规操作,搞好职工培训;抓好机电设备的检修、运转工作,抓好支架运输与工作面延长缩短、加架环节,做好岗前确认,坚决杜绝三违和重大事故的发生。
  (4)精心组织,保证每道工序、每个环节都要按计划进行;明确分工,跟班区队长密切合作,现场指导协调工作,严格落实责任制,保证调斜顺利进行,   (五)效果评价:
  优点:
  (1)缩短工作面衔接时间2个月,减少了工作面衔接掘进工程量,与工作面衔接次数。
  (2)吃下一块三角煤,解除了丢煤可能引发的自然发火现象,多回收原煤50184吨,直接经济效益1505万元,有效的回收了边角煤,提高了资源利用率和煤炭回收率。
  (3)采用支架支护,减小高档段的支护面积,安全系数大大提高,有效的提高了劳动生产效率。
  (4)节约人工、设备和坑木塘材费用约200万元,节约坑木塘才消耗,使原煤成本进一步降低。
  缺点:
  (1)工作面不同程度破底。加上受老巷影响,煤壁有片帮现象,造成工作面直率差,支架顶空,支架倾斜,支架稳定性较差,而同时由于顶板破碎,工作面大面积进行调架造成流煤严重,给管理工作带来一定困难
  (2)加架、调架工作繁重,调斜比例不恒定,工作面机头搭接不好控制,增加职工了工作量和劳动强度工作。
  五、技术创新点
  14249(外)煤柱轻放工作面大角度旋转技术的成功应用,表明只要根据具体的条件,采取可行的技术措施,加强现场管理,大角度调斜是可行的,并且具有极大的 经济效益,煤炭产量显著提高,可以预见在复杂地质条件下矿井中,掘进巷道曲折多变的巷道布置的工作面中,调斜技术一定会大显身手,为以后此类条件下的采煤工艺积累了宝贵的经验。
  六、推广应用前景
  我们峰峰集团开采历史悠久,河北地区地质条件较复杂,从另一个角度来讲能源是不可再生资源,特别是一些老矿和濒临破产的矿井,资源逐渐匮乏,而对于一个逐渐走向衰落的矿井来说,前景不容乐观,在这种性情况下,如何设计一个工作面,提高煤炭回收率,保证工作面的正常衔接,成为当前尤为凸出的问题,从以往的经验来说,条带开采是最为经济实惠的开采方式,但对于复杂地形的矿井,一切还要从实际出发,必须找出一条新路,开辟蹊径,革新现有的采煤工艺,找出最为经济实惠的采煤新方法,提高矿井的服务年限。根据新屯矿使用轻放支架以来,据经验来看,再合适的地段,设计的巷道能满足条带开采的条件,但想要获得利益最大化,就要采用一定的转角,不可避免的涉及到工作面的调斜。从1997年新屯矿在14242工作面,采用轻型放顶煤支架以来,工作面大多呈不规则状态,延长加架实施调斜技术成为开采以后重要的工作内容。实践证明采用调斜技术可减少工作面衔接时间和掘进工程量,可有效的回收边角煤,提高煤炭回收率和工作面单产水平,节约坑木塘才消耗,使原煤成本进一步降低;轻放工作面调斜可减小高档段的支护面积,安全系数大大提高,有效的提高了劳动生产效率。综上所述,调斜技术具有极大的推广价值和社会经济效益。
  参考文献:
  《煤矿总工程师手册》 煤炭工业出版社2007年版
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