大采高智能化工作面闭采工艺及安全管理
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摘要:为克服大采高工作面设备尺寸大、矿山压力显现明显、安全风险点多等难题，实现高效安全闭采，黄陵二号煤矿416工作面在闭采施工期间将智能化系统与移架工艺进行统一协调并实践应用。在明确工程背景和闭采工艺流程后，重点介绍了实际停采位置及采高的确定、柔性聚酯纤维网的设计、智能化与闭采工艺的融合、锚索施工顺序优化等工艺;详述了顶板控制、片帮及单体滑移预防等安全措施，并分析了闭采过程中存在的主要问题及改进措施。416大采高智能化工作面闭采作业取得了采高最大、质量最佳、周期较短的成绩，可为同类型智能化工作面闭采作业提供借鉴。
关键词:大采高;智能化工作面;闭采工艺;安全措施
0引言
大采高工作面因其设备尺寸大、矿山压力明显、安全风险点多等因素［1－3］，闭采作业施工难度较大;另一方面，为实现高效安全闭采，陕西黄陵二号煤矿416智能化工作面闭采期间将智能化融入其中，对闭采施工提出了更高的要求。通过实践，416大采高智能化工作面闭采突破部分技术和安全管理难题，取得了较为理想的效果。
1工程概况
1．1工作面概况
陕西黄陵二号煤矿有限公司416大采高智能化工作面所采煤层为侏罗系中统延安组2号煤层，煤层具有自燃倾向性，属高瓦斯工作面。工作面范围内煤层厚度5．6～5．8m，一次采全高，煤层倾角0°～2°，平均0．5°，工作面长300．5m，设计停采线为250m，直接顶为细粒砂岩，厚度1．1～6m，老顶为粉砂岩，厚度9～14．15m，周期来压步距约15．6m，来压显现强烈。工作面布置ZY10800/28/63D型支撑掩护式液压支架及配套端头支架175台，选用MG900/2210－GWD型电牵引采煤机往复割煤。
1．2闭采工艺简述
使用柔性聚酯纤维网隔绝顶部矸石，距停采线18m时，将柔性聚酯纤维网网边固定于顶板上，正常推采16．2m至采空区冒落的矸石将网边压实，使柔性聚酯纤维网全断面包围液压支架。随后停止拉移支架，使用运输机配合煤机扩刷4．1m的回撤通道，扩刷期间使用锚网索支护通道顶板及煤帮，为工作面回撤奠定基础。
2重点工艺及安全措施
2．1重点工艺
实际停采位置的确定:保护煤柱的留设主要预防动压对大巷造成破坏，设计停采线仅作为参考数值，工作面实际停采位置应根据周期来压、顶底板情况、工程质量及其他实际情况调整［8－10］，以满足闭采需要。根据二号煤矿经验，416大采高工作面设计停采线300m，但由于生产接续紧张，第一次将停采线调整至250m，并提前对大巷进行加强支护。当推采临近250m线时，因未能有效避开周期来压，第二次对停采位置进行微调，最终按照238m停采位置实施，经后期观测及采后评价，停采距离基本满足大巷保护需求。柔性聚酯纤维网的设计:①柔性聚酯纤维网的特点。柔性聚酯纤维网具有高强度、高延展性特点，近年来在各闭采工作面广泛应用，网片设计尺寸、强度综合需考虑工作面顶底板岩性、采高、重量、支架规格及回撤通道宽度等综合因素;②柔性聚酯纤维网的选择。416工作面液压支架顶梁+掩护梁+掩护梁距地高度(闭采采高5m)11．8m，采空区压网长度3m，回撤通道4．1m，故柔性聚酯纤维网最小宽度18．9m，鉴于压网时网片可能破损，需富裕一定量的网片以便网片破损后能继续推采压网，故本工作面网片宽度选22m;416工作面宽度300．5m，两顺槽总宽10m，网长至少310．5m，考虑推采过程中网片向中部紧缩及顶板不平网片消耗，按照314m设计，由于网片过重，运网、展网等工序困难，采取两张柔性网搭接使用的方式减轻单张网片重量，网片搭接4m，最终本工作面选用两张22m×159m的聚酯柔性网;③尺寸及钢丝绳布置。因回撤期间采空区大块煤矸对柔性聚酯纤维网冲击力较大，为防止网片破损矸石窜出，沿柔性网纬向布置27道21．5mm的钢丝绳，增加柔性网强度。闭采采高的确定:大采高工作面采高具有较大的可调性，但需兼顾采煤机通行最小高度、人员挂网作业难易程度、锚索施工时钻机的伸缩高度等因素。416工作面正常推采期间平均采高5．8m，采煤机顶面线高2．8m，初期柔性网堆叠直径约1m，采煤机机面上方支架侧护板最大厚度1．2m，故采高至少保证在5m，方能保证煤机正常穿梭。但此闭采高度高于钻机最大支护高度，且对挂网作业带来不便。为解决这一矛盾，416工作面采取“单向割煤、底部留台”的作业方式降低作业困难程度，即挂网、支护作业前一循环，采煤机割顶不割底，底部留设0．9m(采煤机一个截深)×1．6m的煤台，人员搭设脚手架作业，具体如图3所示。智能化与闭采工艺的融合:液压支架自动跟机作业可减少人员作业强度，且可靠程度高，416工作面闭采期间，二号煤矿将智能化与闭采工艺进行糅合，对电液控参数进行修改使之满足闭采需要。①增大了支架自动降架高度。挂网后，柔性网铺设在顶板上，适当增大降架高度防止顶梁刮扯网片，设置支架移架前降架时间不少于5s，降架高度500mm以上;②修改支架动作顺序。正常推采时，液压支架依次按照收护帮→降架→抬起架→移架→伸护帮的顺序动作，闭采作业中，因使用临架护帮板将柔性网提前挑起，需人工配合支架共同完成，其工艺如下:超前采煤机前滚筒3架使用手动绞盘将柔性网起吊至顶梁下(人工)→临架伸护帮板将网片挑起(自动)→临架伸护帮板将网片挑起(自动)→本架收护帮(自动)→本架降架(自动)→本架抬起架(自动)→本架移架(自动)→本架伸护帮(自动)→临架收护帮板→滞后采煤机后滚筒3架使用手动绞盘将柔性网放下(人工);③屏蔽自动推移运输机功能。因部分施工环节需留设煤台，屏蔽自动推移运输机功能，防止损坏设备。锚索施工顺序优化:416工作面回撤通道顶板采用“锚网索”联合支护，通道支护图如图4所示。由于“一梁两索”需滞后一个步距方可张紧，为防止顶板离层后注锚困难，在本刀煤割过后，要求“一梁两索”前部锚索必须施工完毕，待后部锚索施工完毕后即可张紧，提高注锚成功率。
2．2安全措施
防灭火管理:由于2号煤层具有自燃倾向性，自然发火周期约55d，闭采期间工作面推采速度放缓加之回撤周期较长，采空区可能出现自然发火，闭采前，距停采线500m时在进回风巷向采空区各延伸一趟光缆监测采空区温度分布，同时，采取在采空区喷洒阻化剂并增加架前及架间工业盐的使用量，清理工作面浮煤，封堵上下隅角等措施，防止采空区自然发火。顶板控制:闭采的安全顺利实施直接取决于顶板完整性，若闭采挂网及停架前顶板切顶掉矸、离层，一方面人员进入机道作业，安全无法有效保证;另一方面，顶板离层，回撤通道支护困难，形成恶性循环。416工作面闭采前，收集了大量现场顶板数据，统计掌握周期来压步距，并在顶板来压后，立即实施挂网作业，将闭采放在两次来压间;另外，挂网及停架前，在部分切顶区域支架架间施工21．8mm×6300mm锚索加强支护，有效控制顶板下沉离层，工作面闭采期间，未出现大面积的离层情况，保证人员作业安全和通道支护的顺利完成。片帮预防:通过分析全国同种闭采工艺的安全事故可知，82%的闭采安全事故主要发生于煤墙片帮伤人和停架后推移运输机时的单体崩飞伤人。因闭采期间工作面断面大，控顶距离成倍增加，矿压显现较为明显，顶帮围岩变形剧烈，但闭采期间仍需人员进入机道挂网及支护，突出特征为人员劳动密集，风险系数高，制定针对性的防片帮安全技术方案具有重要意义。二号煤矿根据自身特点，主要采取以下措施:①留设煤台以减小下部煤帮压力，降低上部煤墙片帮危害;②停架后，支架护帮板无法有效护帮，故在支架架间施工贴帮单体液压支柱护帮;③分段作业，少割快打。为防止顶板空顶时间过长，回撤通道支护时，严格执行单次割煤不超过50架，待区段支护完毕后，方可继续割煤进入下一支护循环，保证顶帮完整;④加强支架检修，投入一定的人力、物力支架杜绝自降，防止后期支架自降导致顶板支护强度不足。单体滑移预防:停架后，需将支架与运输机分离，采用单体液压支柱将运输机推移一定步距，因支柱两端无插销固定，易侧滑崩飞，此项作业安全隐患高，风险大。本次闭采作业中，特加工制作单体推移防滑装置，该装置为一套状中空结构，一端与运输机推移杆连接，另一端将单体卡紧，推移过程中，单体始终禁锢在内，与推移框架杆连为一体，闭采期间，未发生一起单体滑移的涉险事故，保证作业安全。
2．3存在的主要问题及改进
挂网、吊网困难:416工作面使用的柔性网尺寸及卷入钢丝绳的数量超过同类型工作面所使用的柔性网，聚酯柔性纤维网过重，挂网作业消耗过多人力、物力，且初期人工起吊网片困难，推采速度缓慢。加强闭采工程质量管理，可减少柔性网3m富余长度和钢丝绳数量，另外因回撤通道使用锚索支护，通道内顶板钢丝绳承力较小，根据回撤期间现场观测，柔性网强度可满足要求，可取消敷设的钢丝绳，416工作面回撤通道4．1m，合计可减少钢丝绳10根。闭采期间工程质量波动:作为对闭采施工影响最大的因素，工作面工程质量对展网质量、顶帮完整情况等影响较大，间接影响施工安全和强度。本工作面闭采期间因调整工作面采高过于急切，致使工作面顶板切顶掉矸出现，导致后期工作面重新提高采高，顶板切顶，迫使施工补强锚索，增加了工程量。故在闭采作业前，必须加强工程质量管理，保证闭采期间工程质量平稳。
3结语
闭采施工是一项系统工程，作业时间紧凑，各工序衔接紧密，工艺复杂，需综合考虑各项影响因素方能有条不紊。416大采高智能化工作面闭采作业历时10d，取得了采高最大、质量最佳、周期较短的成绩，可为后续推广智能化的同类型工作面闭采作业提供经验。
作者:肖曲 曹哲哲 单位:陕西黄陵二号煤矿有限公司
