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超长壁大采高大倾角俯采工作面成功开采技术研究 刘正茂 国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿 安徽 阜阳 236234 摘要 刘庄煤矿 151301 工作面在开采初期， 通过在实践中多次创新传统施工工艺， 围绕大采 高大倾角俯采工作面“支架稳定性、 老搪防窜矸及调整俯采施工工艺等” 进行技术创新， 成功 在 151301 综采工作面近 100 米局部倾角平均坡度达到 23， 局部最大倾角达到 28的条件下 回采成功。该技术的成功探索， 为后期我矿区大采高大倾角综采工作面俯斜开采提供了成功 的技术和实践基础。 关键词 大采高大倾角支架稳定性顶板管理防窜矸回采工艺 中图分类号 TD823． 4 2 文献标识码 A文章编号 1006 － 0898 2012 04 － 0017 － 05 1概况 151301 工作面为刘庄煤矿西一采区第一个 回采工作面， 工作面胶带顺槽和轨道顺槽可采走 向长均为 898． 1m， 可采倾向长为 350． 1m， 煤层 最大倾角 28， 平均煤厚 5． 61m， 平均可采斜面积 为 322 351． 6m2， 工作面生产能力为 48 万 t/月。 该面选用后退式单一倾斜长壁采煤方法下行开 采， 采用综合机械化设备， 一次采全高， 全部垮落 法管理顶板， 可开采 6 个月。工作面储量见表 1; 工作面地质见表 2; 工作面设备配置见表 3。 表 1工作面储量概况 斜面积 /m2倾角 / 平均煤厚 /m 密度 /tm － 3 地质储量 /万 t回采率 / 可采储量 /万 t 322351． 6145． 611． 37247． 793230． 4 表 2工作面地质概况 顶、 底板名称岩石名称厚度 /m平均厚度 /m特征 老顶细砂岩3． 90 ～ 14． 389． 77 灰白色 ～ 浅灰色， 成份以石英长石为主， 含白云母小碎片及暗色矿 物，局部区域发育有石英砂岩。 直接顶泥岩0． 60 ～ 2． 761． 78灰色 ～ 深灰色， 致密， 性脆， 断口平坦。 煤层13 － 1 煤2． 60 ～ 6． 405． 61 黑色， 顶部以块状为主， 下部以粉末状为主， 含少量块煤， 由亮煤， 暗 煤及少量镜煤组成， 内生裂隙发育， 条带结构明显， 玻璃光泽， 属半 亮型煤。 底板泥岩1． 55 ～ 8． 124． 99 灰色， 致密， 含大量植物化石碎片， 底部富集大量菱铁鲕粒。局部含 砂。 2俯采相关技术难题 对于俯斜综采工作面， 在平均采高达 5． 6m、 支架最大控顶距达 6． 1m、 局部平均倾角达 23、 最大倾角达 28的条件下， 其开采技术难度比较 大。刘庄煤矿 151301 工作面在开采前期， 通过 充分理论论证， 认为该面开采存在技术难题 ① 受工作面倾角及大采高影响， 支架稳定性差; ② 工作面在俯采时矿压显现较为明显; ③老搪窜 矸、 移架时支架顶板及架间窜矸， 易冲击封闭墙 及支架; ④煤机装煤效果差， 推溜时溜槽易上漂， 采煤机易向煤壁一侧倾倒。 3支架稳定性分析 3． 1支架稳定性机理 大倾角工作面支架不仅受支承压力的作用， 而且受倾斜方向支架重力分力的作用。同时， 大 倾角煤层的顶板不是沿法向移动， 而是沿一条逐 渐接近重力作用方向的曲线移动， 顶板越不稳 定， 其移动曲线偏离法线越远。顶板移动的法线 分量对支架产生垂直作用力可增加支架的摩擦 阻力， 有利于支架的稳定。而顶板移动的切向分 量对支架产生侧向力， 可导致支架倾倒。因此， 顶板运动方向与煤层法向夹角的变化对支架抗 71 第 4 期 2012 年 12 月 水力采煤与管道运输 HYDRAULIC COAL MINING ＆ PIPELINE TRANSPORTATION No． 4 Dec． 2012 倒能力的影响是显著的， 顶板运动轨迹对支架的 滑动稳定性影响也很大。 表 3工作面设备配置 序 号设备名称型 号数量 /台 架 1液压支架ZZ13000 － 27 /60 2端头支架ZT13800 /29 /551 3采煤机SL5001 4刮板输送机SGZ1000 /3 10001 5转载机SZZ － 1200 /7001 6破碎机PLM － 3500 /250B1 7乳化液泵BRW550 /31． 53 泵 2 箱 8喷雾泵KPB315 /16 125KW2 泵 1 箱 9皮带机DSJ － 1400 /2 4502 10自动化系统PROMOS1 11电液控系统蒂芬巴赫1 12胶带顺槽自移支架ZT2 3200 /24 /454 13轨道顺槽自移支架ZT2 4000 /23 /504 14 胶带顺槽无极绳绞车JWB － 110J 1 15 轨道顺槽无极绳绞车JWB － 132BJ 1 3． 2支架稳定性分析 3． 2． 1支架防滑受力分析 支架受力如图 1 所示。支架防滑受力分析如 下。 图 1支架受力示意图 Gcosa N1 N2 1 Gsina N2 f N1 f 2 式中 N1为顶板对支架的压力; N2 为底板对支架 的支撑力; a 为工作面俯采倾角; f 为煤层底、 顶板 与 支 架 的 静 摩 擦 系 数 一 般 取 值 为 0． 35 ～ 0． 40 ; G 为支架自重， ZZ13000 － 27 /60 取 47t， 即 470kN。 则 a 临界值必须符合 tga f N1 N2 / N2－ N1 即 tga f ［ 1 2N1/Gcosa］ 3 初撑力满足要求时， 即 ZZ13000 － 27 /60 支 架在液压达到 22． 4MPa 时， 其支架支撑力达到 11 400kN 时， 代入公式 3 ， 其 α 值远大于 28。 因此， 151301 工作面在俯采期间， 在初撑力满足 要求时， 支架稳定性理论上和实际生产中是可行 的。 如采取降架移架， N1取 0， 则 α arctg0． 35 19． 3， 最大俯采坡度只能满足 19． 3。因此， 151301 工作面在俯采最大角度达到 28时必须 带压移架， 严禁大幅度降架移架， 以确保移架安 全。 3． 2． 2支架防倒力矩分析 工作面顶板垮落时， 如图 2 所示， 支架受顶 板一斜向应力 R 作用， 在 R 与支架自重 G 的共同 作用下， 支架的稳定条件为 R h2sinθ － l1cosθ ≤G l2cosa － h1sina R F2 W1 21 /2 θ arctg F/W1 由于顶板 F 增大引起 θ 和 R 增大， 从而使 R h2sinθ － l1cosθ也增大， 即 F 越大， 上述关系式 就难以成立。因此煤层倾角越大， 顶板来压时， 从合力 R 和重力可以看出， 减小支架重心 h1相 对于支架稳定性是有很大作用的。 图 2顶板垮落量支架受力示意图 通过以上理论分析可知， 在工作面俯采时， 其影响支架稳定性的因素有 ①工作面回采倾角 越小， 稳定性越好; ②顶、 底板与支架摩擦阻力越 大， 支架稳定性越好; ③支架初撑力越大， 稳定性 越好; ④工作面采高越低支架重心越矮， 支架稳 定性越好; ⑤回采进度越快， 支架受顶板压力越 小， 支架稳定性越好; ⑥支架越重， 稳定性越好。 3． 3回采期间稳架的安全技术措施 81 2012 年 12 月 水力采煤与管道运输第 4 期 ①提高支护阻力。理论分析和实践经验表 明， 较大的支架工作阻力对保持支架稳定性是有 益的， 要保证泵站有足够的压力， 确保较大的初 撑力。正常回采时支架如按规程要求支撑力达 到 11 400kN 22． 4MPa 时， 其支架稳定性比较 好。 ②确保支架与顶底板间的摩擦系数。煤层 底板浮煤清理不彻底、 顶板破碎、 底板积水等， 都 会降低支架与顶底板间的摩擦系数。因此， 应提 高采煤机截割质量， 确保顶、 底板平整， 移架前必 须清理干净架前浮煤， 确保支架底座与底板严密 接触， 顶板破碎时要做好超前支护， 确保顶、 底板 与支架之间的摩擦系数。 ③严格控制采高， 适当提高推进速度。控制 采高可降低支架重心， 有效保持支架的稳定性; 适当提高推进速度， 及时支护， 既可以有效控制 冒顶和控顶距的增加， 又可以减轻支架的压力。 ④支架的滑移主要是发生在卸载降架、 移架 的时候， 此时抗滑力仅依靠支架自重， 移架时采 用“带压移架” 的方式， 做到“少降快拉” 。 3． 4拉移支架的安全技术措施 大采高大倾角俯采支架的降架拉移时支架 容易载头倾倒， 为防止支架载头倾倒， 移架和支 架前探梁护帮板护住煤壁， 移架时略收侧护板， 先降后立柱再略降前立柱， 边拉架边收伸缩梁和 护帮板， 带压擦顶移架少降快拉， 移够步距后立 即升架， 先升前立柱后升后立柱， 并将护帮板护 住煤壁， 将侧护板及时伸到位。采煤机割煤后， 及时伸出支架的伸缩梁护住煤顶。采用防倒千 斤顶将端头支架与中间架相连接， 防止拉架时端 头支架歪斜。 4矿压显现规律研究 大采高俯斜开采工作面随着采高和倾角的 变化， 其矿压显现呈一定的规律。通过理论计算 和现场数据收集， 超前掌握工作面矿压显现规 律， 有利于工作面在大倾角、 大采高回采条件下 安全管理。 4． 1工作面顶板来压步距理论分析 俯斜开采初次来压前， 基本顶可视为四边固 支的矩形倾斜薄板; 周期来压时可视基本顶为三 边简支一边自由的矩形倾斜薄板。在研究老顶 岩层破断规律时， 用沿短跨方向上截取的岩梁来 代替倾斜矩形薄板， 可得基本顶的来压步距。 L0 h q2sin2α 8σqcos 槡 α － qsinα 2qcosα 4 Lz 1 6 h 12σ qcosα tg2 槡 α tgα 5 式中 q 为作用于岩梁上的集度苛载， kN/m; h 为 老顶岩梁的厚度， m;σ 为老顶岩层的极限抗拉 强度， kPa; α 为煤层倾角; L0为基本顶初次来压 步距， m; Lz为基本顶周期来压步距， m。 由冒 落 岩 层 范 围 确 定 直 接 顶 的 高 度 为 13． 75m， 工 作 面 直 接 顶 实 际 厚 度 1． 92m ＜ 13． 75m。故位于直接顶上的基本顶岩层也将在 一定范围内冒落。根据基本顶上覆岩层对基本 顶的荷载作用公式判断， 作用于基本顶的荷载为 厚度6． 37m的细砂岩， 将其值以及 σ 4． 12MPa、 h 6． 37m， α 28分别代入式 4 和 5 ， 得 L0 34． 4m， Lz 13． 6m。 4． 2工作面顶板实际来压步距 通过对液压支架阻力变化的观测， 可知工作 面基本顶初次来压步距为 35m， 周期来压步距为 16m，与理论计算值基本吻合。因此超前计算工 作面初次来压及周期来压理论数据， 并及时预 报， 提前对工作面来压期间的相关安全技术措施 的落实， 有效地确保工作面下上出口及工作面支 架的强度， 确保了俯斜开采工作面来压期间的安 全。 4． 3工作面超前压力分析 为了及时了解大倾角大采高俯采工作面超 前压力规律， 以确定工作面合理的超前支护形式 及范围。在 151301 工作面回采期间， 对工作面 两巷进行相关数据收集并进行分析， 结果如图 3。 由图 3 可见， 在距煤壁 3m 范围之内为应力 降低区， 煤壁前方 3 ～ 9m 范围内支承压力急速上 升， 9 ～ 20m 范围内支承压力缓慢下降， 在距煤壁 50m 以外基本上处于原应力状态。因此在选择 超前支护时两巷在工作面超前 20m 范围内采用 ZT2 3200 /24 /45 和 ZT2 4000 /23 /50 自移支 架配合原两巷锚网索支护完全能够满足超前支 护要求。 5防窜矸技术研究 5． 1架后矸石冒落原理 采高是影响上覆岩层破坏的最重要的因素 之一， 采高越高、 采出的空间越大， 必然导致采场 上覆岩层破坏越严重。一般来说， 冒落带与裂隙 91 2012 年 12 月刘正茂 超长壁大采高大倾角俯采工作面成功开采技术研究 第 4 期 图 3大倾角大采高俯采工作面巷道移近速度曲线 带的总厚度与采高基本上成正比， 在大倾角的条 件下， 堆积的矸石易产生滑移。因此， 大采高、 大 倾角综采工作面采空区冒落的特点是下部充填 较满， 而上部却形成冒空， 导致架后堆积的矸石 高度较高。在角度较大时， 矸石易从架间、 上下 隅角以及支架在降架时自支架上方窜出工作面， 安全隐患较大。 5． 2防窜矸石相关技术方案 5． 2． 1封闭墙防窜矸石技术方案 大采高、 大倾角工作面对于上、 下隅角封闭 墙安全管理至关重要， 在考虑技术方案时需满足 的条件 ①考虑封闭墙密闭性， 防止向采空区窜 风; ②考虑封闭墙自身的防倒; ③考虑采空区滑 矸对封闭墙的冲击。 因此， 采取的方案 将封闭墙底板卧成平台 并打设木垛， 确保木垛向采空区方向有 3 ～ 5倾 角， 木垛采用耙钉进行整体加固， 用钢丝绳将其 固定在巷帮锚杆上， 并采用装矸石的编制袋对木 垛空隙处进行封严， 防止向采空区窜风。同时， 该技术方案要充分考虑木垛对顶板有一定的支 撑作用， 避免在工作面来压期间顶板垮落， 采空 区气浪瞬间涌出造成瓦斯超限。 5． 2． 2工作面防窜矸技术方案 ①移架时， 要及时使用侧护板调架， 控制各 架间隙， 防止间隙过大导致采空区窜矸。 ②“带压擦顶” 移架。即移架时， 先降后立柱 再降前立柱， 待支架移动后， 应立即停止降柱使 之擦顶前移。要控制好降柱幅度， 一般不超过 100mm， 防止采空区堆积的矸石自支架顶梁向工 作面窜出。 5． 2． 3两巷防窜矸 煤 技术方案 两巷坡度大， 运输机机尾、 皮带机的煤、 矸易 窜出， 因此， 在离运输机机尾 2 ～ 3m 处设置挡矸 网， 使用铁丝将锚网固定在轨道顺槽超前支护的 单体支架上， 两单体支架之间用半圆木或钢管做 撑子， 挂好网后， 防止采煤机在机尾 10m 范围内 割煤时工作面煤矸沿顺槽窜矸伤人。 工作面胶带顺槽皮带运行速度较快， 尤其是 突然停机时， 大块矸石 煤块 易在惯性作用下窜 出伤人， 因此， 在行人侧采取绑扎锚网的防护装 置， 确保大块煤矸在皮带机运行时安全。 6割煤及推溜工艺 综采工作面大倾角俯斜开采， 存在装煤效果 差、 推溜易上漂， 采煤机割煤由于受下滑分力的 影响， 使行走部和运输机受力较大， 导致采煤机 行走部磨损严重、 滑靴局部磨坏、 支架油缸密封 件损坏严重等问题， 其施工工艺调整如下。 ①通过清理老塘侧输送机槽下浮煤， 人为减 小输送机的俯采角度， 使输送机俯采角度不大于 20。同时， 在进刀方式上改变以往往返一次进 两刀方式， 采取往返一次进一刀， 有效地改善采 煤机装煤效果。 ②人为减小运输机的俯采角度， 并对采煤机 平滑靴在原有基础上加高 10cm， 改变了采煤机 重心， 有效地防止采煤机倾倒及减少采煤机行走 齿和滑靴的磨损。 ③尽量减少运输机的俯采角度， 并采用多次 推溜、 采煤机返刀清理煤壁侧浮货、 人工在煤壁 清理浮煤减少阻力， 确保安全顺利推溜。 ④由于俯采角度较大， 为了避免输送机推翻 溜子， 采取技术措施 一是通过在支架推拉头和 溜子连接处加一个限位块， 改变了输送机溜子的 受力方向， 使溜子受力点下移; 二是先清理净支 架底座前、 推移板下方及输送机老塘侧溜槽下的 浮煤， 在溜槽下垫半圆木或钢管， 推移板、 溜槽自 02 2012 年 12 月 水力采煤与管道运输第 4 期 行落下， 后配合抬底油缸压住推拉杆后抵车; 三 是在坡度较大的地点每隔 1 架安设 1 组起吊油 缸， 油缸一端通过锚链和油缸座连接在支架顶梁 上， 另一端通过钢丝绳连接在输送机溜子上， 通 过收缩油缸吊起输送机溜子， 可以有效地防止溜 子扎底和推翻溜子现象的发生， 保证正常安全回 采。 ⑤输送机卧底量及俯角的计算 图 4 图 4输送机卧底量及俯角的示意图 由图 4 可推出每次卧底量 h h L sina － sinθ 式中 L 为输送机宽度， 1m; a 为输送机实际的俯 角; θ 为输送机适合的俯采角度取 18 ～ 20。 在推移输送机时要随时测量输送机的俯角 a 以确定每次卧底量。根据现场测量结果输送机 实际的角度 a 一般为 23 ～ 39。由此可得出每次 卧底量 h 为 50 ～ 300mm。 7结论 刘庄煤矿 151301 工作面俯采实践证明， 在 俯采最大坡度 28、 采高近 6m 的条件下进行综 合机械化开采是完全可行的。通过对大采高大 倾角工作面矿压显现规律、 支架稳定性分析、 工 作面及上下隅角防窜矸、 采煤机倾斜割煤、 推移 溜槽等技术难题的研究， 确保了工作面在复杂地 质条件下安全高效回采。151301 工作面里段近 100m 大倾角大采高俯采成功， 回收煤炭约 30 万 t， 创造近 1． 8 亿元的经济效益。同时为类似大倾 角厚煤层的综合机械化俯斜开采提供了成功的 范例， 更为矿区优化工作面开采设计提供了生产 实践经验， 可在矿区普遍进行推广， 其社会和经 济价值不可估量。 参考文献 ［ 1］周玉华． 综采工作面大倾角俯采的生产实践［J］． 煤矿开 采， 2005， 10 1 32 ［ 2］谭习文， 万世文， 赵元， 等． 俯斜开采工艺系统的可靠性控 制［J］． 煤矿安全， 2003 5 26 ～ 27 ［ 3］郑奎军， 马旋． 综采俯采工作面安全开采技术探讨［J］． 煤 炭科技， 2011 2 44 ～ 45 ［ 4］徐德珊． 综采工作面大倾角俯采关键技术研究与应用 ［J］． 煤矿开采， 2010 2 42 ～ 44 ［ 5］谢广祥， 华心祝， 杨科． 极复杂煤层条件下倾斜长壁大采高 综采技术［J］． 煤炭科学技术， 2007 3 7 ～ 10 作者简介 刘正茂 1974 － ， 男， 安徽六安人， 采矿工程师， 现任国投新 集刘庄煤矿采煤副总工程师。 收稿日期  2012 － 02 － 12 欢迎投稿欢迎订阅 欢迎刊登广告 12 2012 年 12 月刘正茂 超长壁大采高大倾角俯采工作面成功开采技术研究 第 4 期