四川矿区大倾角薄及中厚煤层高效采煤方法.pdf

四川矿区大倾角薄及中厚煤层高效采煤方法 楼建国1,李维光1 ,2 1 1 四川师范大学草堂校区,四川 成都 610072; 21 西南交通大学,四川 成都 610031 摘 要阐述四川矿区较先进、安全、高效的大倾角煤层采煤方法种类、采面布置方式、支护参数 以及各采煤方法的应用效果、适宜条件。 关键词大倾角;采煤方法;四川矿区 中图分类号TD823121; TD823125文献标识码 A 文章编号 0253 - 2336 2003 09 - 0001 - 04 High efficient coal mining s for deep inclined thin seam and medium thick seam in Sichuan Mining Area LOU Jian2guo1, LI Wei2guang1 ,2 11Caotang Campus , Sichuan Normal University , Chengdu 610072, China;21South2West Jiaotong University , Chengdu 610031, China Abstract The paper introduced the advanced , safety and high efficiency coal mining s , coal mining face arrangements , and support pa2 rameters for the deep inclined seam mining1The paper also introduced the applied results and suitable conditions of each mining . Key words Deep inclined; coal mining ; Sichuan Mining Area 从80年代初开始,大倾角煤层占可采储量 53 的四川省即进行大倾角煤层采煤方法的创新、 完善和发展。广旺、芙蓉矿务局等先后独立创造了 俯伪斜分段走向密集采煤法、俯伪掩护支柱采煤法 和正台阶或称伪斜小巷多短壁采煤法。 1 四川矿区大倾角煤层采煤方法 111 俯伪斜分段走向密集支柱采煤法 11111 顶板控制 该方法采面布置如图1所示。从真倾斜开切眼 开始就按规定的倾角形成俯伪斜工作面。随采煤及 时支设基本支柱,随工作面推进,走向密集支柱 密度为4～5根/ m ,然后回撤相应密集支柱。上 一排走向密集支柱堆积矸石,随回柱而下滑到下一 排走向密集支柱上,可有效地支撑顶板和保护采 面。在各走向密集支柱上,应保证形成充满顶板垮 落的矸石垫层,其厚度不小于1～2 m。 图1 俯伪斜分段走向密集支柱采煤法 11112 支护参数 1支柱载荷。基本支柱单位面积工作阻力为 nPt γKM Kp-1cos α1 式中 Pt 支柱工作阻力, N/根; 1 第31卷第9期 煤 炭 科 学 技 术 2003年9月 n 支柱密度,根/ m2; M 煤层采高, m; γ 顶板岩体平均容重, N/ m3; K 周期来压及支柱受力不平衡的安全 系数,当M≤115 m ,α≤45,K 115～2;反之,K 2～3 ; Kp 直接顶冒矸初期碎胀系数,一般 Kp 1125～115 ; α 煤层倾角 , 。 对于复合顶板,核算支柱单位面积的初阻力为 nPa ≥γ hb cosα cosα1 sinα sinα1 fdcosα1 2 式中 Pa 支柱初撑力, N/根; hb 直接顶或复合顶板的厚度, m; fd 直接顶与上位岩层间摩擦因数; α1 支柱迎山角,一般3～5 。 2密集支柱侧向冲击载荷。如图2所示,走 向密集支柱上矸石沿边界下滑时对下排密集支柱 图2 走向密集支柱侧向冲击载荷 的冲击力为 F m Nt 2hg cosφ2 sinθ2- fbcosθ23 式中 θ2 走向密集支柱堆积矸石边界线对应的 伪倾角,θ2 arctanf; φ2 堆积边界线与煤层倾向的斜面夹角 , φ2 arccossinθ2/ sinα; m 下滑矸石块质量, kg; h 走向密集支柱沿倾向的间距, m; g 重力加速度, m/ s2; fb 矸石与底板摩擦因数, 015～017 ; f 矸石的摩擦因数,一般为018～ 019 ; t 矸石冲击支柱的作用时间, s; N 矸石冲击的支柱根数。 每米密集支柱侧向静荷载PA及每平方米最大 载荷集度qmax PA γM f sinα- fcosα 2ξ Msinα 3 qmax γsinα- fcosα 2ξf 4 式中 ξ 1/1 2f2。 3工作面伪倾角。如图3所示,工作面伪倾 角为β,为便于煤炭自溜, 一般β为30 左右。则 采面俯伪斜方向与正倾向的斜面夹角φ为 φarccossinβ/sinα5 图3 密集支柱间距、长度与倾角关系 4矸石充填带宽度。如图2所示,沿倾斜距 上部斜距为Z的矸石充填带宽度为 Dz h tanφtanφ2 Ztanφ2-tanφ6 5走向密集支柱倾斜间距为 h NPafat Km 2 cosφ2 2 g sinθ2- fbcosθ2 7 式中 fa 支柱与顶底板摩擦因数中的最小值。 h值同时还须满足图3所示的几何关系为 h L -a tanφtanφ2 式中 L 密集支柱沿走向的长度, m; a 矸石最大堆积边界距工作面人行道的 最小安全距离,一般a≥015 m。 6密集支柱沿走向长度为 L a htanφtanφ2 8 当密集支柱与走向呈夹角ω向下或向上斜时 斜长La为 La Lcosφ/cosφ ω 式中,当向下斜时ω取号,向上斜时 ω取 -号。 ω一般小于10～20;正常情况下ω 0。 从控制顶板和通风安全出发,合适的L值为4 2 第31卷第9期 煤 炭 科 学 技 术 2003年9月 ～5 m;当顶、底板较破碎时,L为2～3 m。 同时,走向密集支柱柱距要满足拦截堆积矸石 要求,其柱距一般不大于012 m。同时应满足侧向 受力要求,从每根走向密集支柱回柱承受侧向冲击 力FPafa/K的条件 S≤bPafa/ KF9 式中 b 质量为m矸石下滑时冲击支柱的宽 度, m。 从满足矸石侧向静荷载条件 S≤Pafa/ KPA10 112 俯伪倾斜向密集支柱采煤法 该采煤法采场布置图4所示。它将采面布置成 伪倾角为25～30 的俯伪斜走向长壁工作面,沿走 向推进。其支护与顶板控制的特点,是平行于工作 面布置一排俯伪斜的、具有足够初撑力的单体液压 密集支柱。 图4 俯伪倾斜向密集支柱采煤法 11211 顶板控制 随采面回采,一般在从上往下支设基本支柱。 同一排基本支柱间,要用细钢绳或拉杆相互连结成 一体,提高其稳定性。随工作面推进不断支移平行 于工作面的密集支柱,密集支柱密度为5～6 根/ m ,支柱迎山角3～5 。支移倾向密集支柱的步 距,可采用一、二个循环支移一次。支移倾向密集 支柱分组分段进行,分段长度不小于15 m。在分 段处要先打上一排沿走向的过渡密集支柱,密度为 5～6根/ m并设底梁与加强支柱。支移支柱的顺序 由下往上进行,回撤加强柱后,紧接着回撤该柱铰 接底梁和密集支柱。随着支移支柱,充填的矸石带 将依次下滑至新掩护支柱后方,并确保充填厚度。 11212 支护参数 1支柱载荷。基本支柱单位面积的工作阻力 nPt,和防止复合顶板发生推垮型顶板事故的支柱 单位面积初阻力nPa值,按式1、2计算。 2倾向密集支柱侧向冲击载荷。矸石沿自然 安息角为θ2的边界线底板下滑对密集支柱的冲击 力Fa为 Fa m Nt 2Dg sinφφ2 sinθ2- fbcosθ2 11 式中 D 倾向密集支柱回柱步距, m。 3每米倾向密集支柱侧向静荷载 Pd PAsin2φ γM f sinα- fcosα 2ξ Msinα 3 sin2φ12 4倾向密集支柱的柱距。为保证充填矸石不 大量漏矸,柱距S不大于012 m。然后用式9、 10核算侧向载荷。 此外,代池坝煤矿51321工作面却采用既有分 段走向密集支柱,又有倾向密集支柱的俯伪斜采煤 法。该法适用于顶、底板较松软的大倾角煤层。赵 家坝煤矿近距离煤层群联合开采时,上煤层11号 采用伪斜柔性掩护支架采煤法,而下煤层12号采 用俯伪斜分段走向密集采煤法协调开采,即在同一 区段内使用不同采煤方法, 11号上煤层超前12号 下煤层20～35 m联合开采;当上下区段同采时, 两区段合理错距45～75 m ,如图5所示。 图5 赵家坝煤矿11、12煤层 不同采煤方法协调联合开采 113 俯伪斜正台阶采煤法 采面由多个走向短壁采面和伪斜小巷组成,呈 正台阶形状,如图6所示。广旺矿务局代池坝煤矿 的开采参数为短壁长度一般为8～10 m ,伪斜小 巷倾角为25～30,斜长10～12 m。短壁工作面采 用单体液压支柱或金属摩擦支柱,倾向或走向顶梁 支护。伪斜小巷的密集支柱用以拦截采空区垮落下 滑矸石,隔离采空区,支撑控制顶板,使采场控顶 区的顶底板保持完整与稳定。 3 第31卷第9期 煤 炭 科 学 技 术 2003年9月 图6 正台阶采煤法 1回风石门; 2运输石门; 3回风平巷; 4运输平巷; 5伪斜小巷; 6竹笆; 7输送带挡煤板; 8支柱; 9 放煤插板; 10溜槽; 11短壁工作面 2 大倾角煤层采煤法使用效果 该方法优缺点①大倾角采面化陡为缓,便 于行人与操作,减轻了工人劳动强度。②加大了 采面斜长,增产潜力大,有利于机采。③采空区 浮煤向采面自溜,采出率高,有利于防止采空区浮 煤自燃。④采面走向密集支回柱量较倾向密集支 柱少,可分段回柱,提高了产量、工效。⑤俯伪 斜采面有利于使用单体液压支柱,降低了支柱丢失 率与坑耗。⑥顶板控制的安全性增加,显著减少 顶板冒矸伤人、底板滑移等事故发生。⑦支柱占 用量大,工人支、回工作量大。 广旺矿务局进行大倾角及急倾斜煤层采煤方法 改革,试验成功了正台阶采煤法和俯伪斜分段走向 长壁采煤法,并完成了俯伪斜开采法的配套研究, 解决了急倾斜煤层“三软” 、 “三硬”以及近距离煤 层开采难题,在全局大倾角煤层矿井全面推广。单 产、工效和采出率大幅提高,坑耗大幅下降,安全 生产大改观。改革采煤方法后5年比改革前5年, 综合单产平均提高1 059 t/个/月,提高27116 , 回采工效提高01432 t/工,提高1716 ,采面采出 率由80 提高到98 ,坑耗降低54123 m 3/ 万t , 降低61116 ;改革后五年中,四对矿井采煤顶板 事故死亡2人,其中有3年无顶板事故,比改革前 少死亡18人,百万吨死亡率从5108人降到01615 人,安全生产条件大大改善。 芙蓉矿务局大倾角煤层采煤方法改革后也取得 了显著的社会、经济效益,见表1、2。 表1 芙蓉矿务局巡场矿大倾角煤层采煤方法使用效果对比 采煤方法采高/ m月进度/ m单产/ t 月- 1回采工效/ t 工- 1坑耗/ m3 万t - 1 安全 分段走向密集 走向长壁 倒台阶 正台阶 柔掩支架 1 111 112 112 111 63 38 55 6 820 3 780 4 065 4 579 6 161 5175 3114 3128 3142 3102 18 130 23318 11818 22 好 极差 差 较好 好 表2 芙蓉矿务局杉木树矿大倾角采煤方法使用效果对比 项目 采煤方法 走向长壁倾向密集支柱 日产量/ t 回采工效/ t 工- 1 坑耗/ m3 万t - 1 窜矸次/次 万t - 1 轻重伤/人次 万t - 1 安全 2 852 2129 9185 4141 5129 差 10 415 4136 2101 0 016 好 3 结 语 大倾角煤层采煤方法适用条件①直接顶中 等稳定;②煤层倾角大于35,或倾角、采高变化 不适用柔掩法开采的煤层;③在应用单体液压支 柱时,考虑到支柱支回工量大,倾角 ≤45 时,煤 厚 ≤3 m;倾角45～60 时,煤厚115～215 m;倾角 ≥60 时,煤厚018～112 m。应用金属摩擦支柱时, 煤厚 ≤2 m。 参考文献 [1] 成都煤炭管理干部学院.大倾角薄及中厚煤层采煤方法研究 [R].成都成都煤炭干部管理学院, 1999. [2] 李先才,刘应天.大倾角煤层分段走向密集采煤法[J ].矿 山压力与顶板管理, 1990 2 . [3] 陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场岩层控制[M].徐州中 国矿业大学出版社, 1994. 作者简介楼建国1960 - ,男,浙江义乌人,现在四川师 范大学草堂校区从事教学和科研工作。 收稿日期 2003 - 05 - 18;责任编辑曾康生 4 第31卷第9期 煤 炭 科 学 技 术 2003年9月