凤凰山矿煤柱回收工作面过空巷充填技术.pdf
收稿日期２０２０ ０４ ０８ 作者简介贾兆祥１９７３ － ꎬ男ꎬ山西襄汾人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿生产管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０７. ００９ 凤凰山矿煤柱回收工作面过空巷充填技术 贾兆祥 晋城煤业集团 ꎬ山西 晋城 ０４８００６ 摘 要为保障凤凰山矿二水平煤柱回收工作面安全通过空巷区域ꎬ结合工作面空巷赋存特征ꎬ确定采用 高水材料对空巷进行充填ꎬ现场应用结果表明工作面过充填空巷期间ꎬ液压支架的压力最大值为 ３０. ５ ＭＰａꎬ支架受力正常ꎬ煤壁无大范围片帮现象ꎬ空巷充填效果显著ꎮ 关键词煤柱回收ꎻ空巷ꎻ高水材料 中图分类号ＴＤ８２３ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５ ２７９８２０２００７ ００２８ ０２ １ 工程概况 晋城煤业集团凤凰山矿二水平煤柱回收工作面 开采 ９ 号煤层ꎬ煤层平均厚度 １. ５ ｍꎬ倾角 ０ ６ꎬ平 均 ３ꎬ含 １ 层 ０. ０８ ｍ 厚的泥岩夹矸ꎬ煤层直接顶为 石灰岩ꎬ厚度 ０. １２ ０. ４５ ｍꎬ平均０. ２４ ｍꎬ基本顶为 细砂岩ꎬ厚度 ２. ６３ ８. ２７ ｍꎬ平均５. ３１ ｍꎬ直接底岩 性为泥岩ꎬ厚度 ０. ４０ ２. ８４ ｍꎬ平均１. ６５ ｍꎬ老底岩 性为石灰岩ꎬ厚度０. ３ ０. ９２ ｍꎬ平均０. ６１ ｍꎮ 工作 面采用综合机械化采煤方法ꎬ采高为 １. ６５ ｍꎬ工作 面一阶段长度 １１３. ９５ ｍ、回采长度 ６５２. ７９ ｍꎻ二阶 段长度 ７０. １１ ｍ、回采长度 ３６０. ５７ ｍꎮ 二水平煤柱回收工作面回采范围内有 ＩＸ１３１６ 回风横川、五横川及 ＩＸ１３１４ 回风横川等 １０ 条空巷ꎬ 空巷断面形状为拱形和矩形ꎬ巷内的支护方式为锚 网梁支护或锚网喷支护ꎬ具体工作面位置及空巷分 布形态如图 １ 所示ꎮ 图 １ 工作面位置及空巷分布位置示意 ２ 空巷围岩变形机理 回采工作面过空巷时ꎬ主要存在两方面的问题ꎬ 一方面为基本顶出现超前破断ꎬ空巷被上覆岩层冒 落下来的矸石所充填ꎬ进而致使工作面在回采推进 至空巷区域时ꎬ无法正常推进通过ꎻ另一方面随着回 采工作面的推进使得工作面与空巷间的宽度逐渐减 小ꎬ当工作面与空巷间的宽度小于临界宽度时ꎬ煤柱 会不断积蓄能量ꎬ易使煤柱出现突变失稳现象ꎬ影响 工作面的正常回采推进ꎮ 根据理论研究与工程实践结果[１ －２]ꎬ空巷基本 顶超前破断是由于煤柱出现失稳ꎬ致使顶板岩层失 去了下部的支撑作用ꎬ基本顶所受的应力超过其极 限的抗拉强度ꎬ从而出现了超前破断ꎬ且基本顶的破 断位置主要与其自身的厚度、容重、强度和覆岩载荷 等因素有关ꎮ 基于上述分析可知ꎬ为防止基本顶发生超前破 断ꎬ需保障煤柱的稳定ꎬ应使空巷内部的支护阻力大 ８２ 实实用用技技术术 总第 ２５１ 期 于其所需最低支护阻力ꎬ以防止工作面与空巷间煤 柱的失稳ꎮ 现结合二水平煤柱回收工作面内空巷的 赋存特征ꎬ确定采用空巷充填的方式ꎬ保障上方基本 顶岩层的稳定ꎬ确保工作面正常回采通过空巷区域ꎮ ３ 空巷充填方案与效果 ３. １ 充填方案 １ 充填材料ꎮ 在保障技术满足要求的情况 下ꎬ基于经济考虑ꎬ本次空巷充填作业的材料选用高 水材料ꎬ材料由 Ａ 和 Ｂ 两种材料组成ꎬ两种材料的 使用比例为 １∶ １ꎬ确定材料的水灰比为 ４∶ １ꎬ初凝 时间为 １ ｈꎻ该水灰比下材料胶结 ２４ ｈ 后的单轴抗 压强度能够达到 ４. ２ ＭＰａ[３ －４]ꎬ可有效支撑空巷顶 板ꎮ ２ 充填方法ꎮ 根据二水平煤柱回收工作面 内空巷的赋存条件ꎬ充填方法采用分段阻隔充填 法[５ －６]ꎬ如图 ２ 所示ꎮ 该方法先根据空巷特征将巷 道划分为若干个区段ꎬ分别在每个区段分割线处构 筑止浆墙ꎬ根据二水平煤柱回收工作面特征ꎬ设置分 段长度为１５ ｍꎬ止浆墙体的厚度为１. ２ ｍꎬ在一个止 浆墙体构筑完成后 １ ｄꎬ进行空巷区域的充填作业ꎬ 随后依次根据划分分段进行筑墙与充填作业ꎮ 图 ２ 分段阻隔充填法示意 ３ 充填系统ꎮ 在进行充填作业时ꎬ充填材料 在井下进行搅拌制备ꎬ使用搅拌器将 Ａ、Ｂ 两种浆液 搅拌均匀ꎬ通过 Ａ 泵、Ｂ 泵及两趟高压管路进行浆 液的输送ꎬ在出浆口的位置处将浆液进行混合ꎬ插入 充填区域内进行充填作业ꎬ具体流程如图 ３ 所示ꎮ ３. ２ 效果分析 工作面液压支架型号为 ＺＺａ４０００ － １０/２１ 型普 通支架ꎬ支架的额定工作阻力为４ ０００ ｋＮꎬ工作面泵 站压力为３２ ＭＰａꎬ支架初撑力为２６ ＭＰａꎮ 在工作面 过空巷期间进行支架压力的监测作业ꎬ现以工作面 推进通过 ＩＸ１３１６ 回风横川空巷时的支架压力进行 分析ꎬ具体如图 ４ 所示ꎮ 由图 ４ 可知ꎬ随着工作面距离空巷距离的减小ꎬ 液压支架的压力逐渐增大ꎬ在工作面距离空巷 ５０ ｍ 的位置处ꎬ支架的压力为 ２９. ４ ＭＰａꎬ随着回采作业 的进行ꎬ支架的压力开始逐渐增大ꎬ当工作面推进至 空巷区域时ꎬ 液压支架的压力达到最大值ꎬ 为 ３０. ５ ＭＰａꎬ增长了 ３. ７％ꎬ此时支架压力与泵站提供 的压力之间仍存在着约 ４. ７％ 的富裕系数ꎮ 当工作 面推进通过空巷后ꎬ随着回采的进行ꎬ支架的压力逐 渐降低ꎬ大致回采推进过空巷 ５０ ｍ 的位置时ꎬ支架 压力恢复正常状态ꎬ表明空巷的存在对其前后 ５０ ｍ 范围内围岩体的应力分布产生影响ꎮ 另外结合回采 期间的现场观测结果可知ꎬ回工作面过其余空巷期 间ꎬ支架受力同样较为正常ꎬ支架无安全阀开启的现 象ꎬ煤壁未出现大范围的片帮现象ꎮ 基于上述分析 可知ꎬ工作面采用高水材料进行空巷充填开采取得 了良好的效果ꎮ 图 ３ 充填系统示意 图 ４ 工作面过充填空巷期间液压支架压力曲线 ４ 结 语 根据二水平煤柱回收工作面空巷赋存情况ꎬ通 过分析空巷围岩变形机理ꎬ确定采用高水材料空巷 充填技术ꎬ现场应用表明ꎬ空巷充填效果良好ꎬ保障 了工作面的安全回采ꎮ 参考文献 [１] 李俊堂. 工作面过空巷充填开采支护研究[Ｊ]. 采矿技 术ꎬ２０１９ꎬ１９５１６ －１９. 下转第 ５２ 页 ９２ ２０２０ 年 ７ 月 贾兆祥凤凰山矿煤柱回收工作面过空巷充填技术 第 ２９ 卷第 ７ 期 测速传感器采集到的真实胶带带速ꎬ转化为 ４ ２０ ｍＡ电流信号传输到 ＰＬＣ 模拟量输入模块中ꎬ在 胶带未出现打滑状态且不考虑误差的情况下ꎬ反映 胶带真实带速反馈信号的 ４ ２０ ｍＡ 电流值应与 ＰＬＣ 发送给变频器的模拟量信号输出 ４ ２０ ｍＡ 电 流值在理论上相等ꎮ 由于在实际生产中ꎬ直接使用 数据为工程量而非电流值ꎬ进一步推出ꎬ胶带真实带 速反馈信号的 ４ ２０ ｍＡ 电流值正比对应与变频器 频率给定 ０ ５０ Ｈｚ 的工程量ꎬ得到胶带反馈的转速 对应的频率比例系数为 ３. １２５ꎮ 由于此时已直接将 胶带速度值转换为相应的频率比例的值ꎬ因此可以 直接在程序中将该反馈频率的数值与 ＰＬＣ 输出的 频率数值作对比ꎬ如果反馈回来的频率值明显低于 变频器输出的频率值ꎬ即认为是胶带确实出现欠速 故障ꎮ 此时考虑到胶带电机为三相异步电机ꎬ与同 步转速差大约 ４％ꎬ因此将胶带欠速保护装置反馈 的比例频率值乘系数 ０. ９６ꎬ然后与变频器输出的频 率作对比ꎬ这样就稳定地解决了胶带在不同频率下 工作的过程中ꎬ确定何时为真实出现欠速故障的情 况ꎬ且不存在类似传统胶带在胶带刚启动的过程中 欠速保护信号会有一段时间误报警需要延时投用的 情况ꎮ 胶带欠速保护程序设计见图 １ꎮ 图 １ 胶带欠速保护程序 ２. ４ 设备调试 首先ꎬ将该防欠速保护装置功能编入程序ꎬ但仅 提供警报而不加入对胶带进行停车的功能ꎬ空载启 动运行胶带ꎬ观察胶带在不同控制频率的工作状态 下ꎬ是否会误触发欠速警报ꎬ进行数据比对ꎮ 经测试 完善ꎬ无误动作ꎬ投用该程序ꎮ 由于工业现场的模拟量电流信号通过控制电缆 传输ꎬ不可避免地存在阻值误差以及电磁干扰等现 象ꎬ导致参数略有变化ꎬ经过反复现场试验对比和参 数细微调整ꎬ最终获得最优参数ꎮ ２. ５ 实施效果 本套防欠速保护装置投用于陕西省宝鸡市郭家 河煤矿井上胶带输送机ꎬ实现了精确判断变频控制 胶带在各种运行状态下的打滑现象ꎬ该防护装置实 现了对变频胶带控制的防欠速防护目的ꎮ ３ 结 语 本套防欠速保护装置改变了传统防欠速保护控 制思路ꎬ利用动态情况下的实施胶带带速数据对比 与计算ꎬ良好地实现了在变频控制胶带稳定低速运 行和动态提升胶带带速过程中ꎬ精准判断胶带是否 出现欠速故障ꎬ且胶带运行过程中未出现误警报动 作停车ꎬ保障了现场生产ꎮ [责任编辑常丽芳] 上接第 ２９ 页 [２] 王素立ꎬ潘黎明ꎬ范志忠ꎬ等. 复杂地质条件下大采高综 采工作面过空巷技术[Ｊ]. 煤炭技术ꎬ２０１８ꎬ３７５ ９５ －９８. [３] 何向宁ꎬ陈 勇ꎬ秦征远. 综放工作面过空巷技术研究 及应用[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５６１２４ －１３０. [４] 曹其嘉ꎬ陈 勇ꎬ宋 坤. 深部工作面过空巷高水材料 充填技术研究及应用[Ｊ]. 煤炭技术ꎬ２０１７ꎬ３６６ ５５ －５７. [５] 刘士奇. 复采工作面过空巷群顶板煤岩结构及控制 [Ｄ]. 太原太原理工大学ꎬ２０１７. [６] 王俊杰ꎬ曹建波ꎬ吴怀国ꎬ等. 泵送充填式支柱在大采高 工作面过空巷支护应用研究[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１６ Ｓ２７６ －７９. [责任编辑常丽芳] ２５ ２０２０ 年 ７ 月 赵星杰煤矿胶带输送机防打滑保护改进 第 ２９ 卷第 ７ 期
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