极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践_李正杰.pdf

开开采采技技术术与与装装备备 极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践 李正杰1，姚常亮2，任超2，李峰3 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013; 2. 通化矿业 集团有限责任公司 吉林江源煤业有限责任公司， 吉林 通化 134000; 3. 陕西永陇能源开发建设有限责任公司 崔木煤矿，陕西 宝鸡 721000 ［ 摘 要］为了在极复杂地质条件下安全有效开采急倾斜难采厚煤层，以江源煤业 4 号煤层为 试验对象，从工作面布置、回采工艺、顶煤冒放性、设备选型配套、顶煤及坚硬顶板弱化等角度进行 分析，给出了采用 “单滚筒采煤机轻放支架” 、端头直接整体进刀方式、顶煤及坚硬顶板处理技术 等斜切分段短壁综放开采的主要参数和关键技术。通过工业性试验的成功应用，为江源煤业 1 号、6 号煤层以及类似赋存条件急倾斜厚煤层的综合机械化开采提供了技术实践参考。 ［ 关键词］极复杂地质条件; 斜切分段; 综放开采; 坚硬顶板 ［ 中图分类号］ TD823. 21［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201705- 0021- 06 Practical of Fully- mechanized Top Coal Caving with Oblique Segmentation Section under Steep Inclined Thick Seam and Extra Complicated Geological Situation LI Zheng- jie1，YAO Chang- liang2，REN Chao2，LI Feng3 1. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Tonghua Mine GroupCo. ，Ltd. ，Jilin Jiangyuan Coal Co. ，Ltd. ，Tonghua 134000，China; 3. Cuimu Coal Mine，Shaanxi Yonglong Energy Development and Construction Co. ，Ltd. ，Baoji 721000，China. Abstract In order to mining steep incline difficulty mining thick coal seam safety and effectively under extra complicated geological situation，it taking No. 4 coal seam of Jiangyuan coal industry as experimental object，and then the following parameters were ana- lyzed，such as mining working face layout，mining technique，top coal cavability，equipment selection and matching，top coal and harden roof weaken and so on，and then the main parameters and key technique of oblique segmentation section and short wall fully mechanized top coal caving were put forward ，which include“ single drum shearer and light- duty caving support” ，ends integrated feed way and top coal seam and harden roof weaken and so on. After successfully application in field，it references for steep incline and thick seam fully mechanized top coal caving of No. 1，No. 6 coal seam and similar situation. Key words extra complicated geological situation; oblique segmentation section; fully mechanized top coal caving; harden roof ［ 收稿日期］ 2017－05－26［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 05. 006 ［ 基金项目］ 国家自然科学青年基金 51504136 ［作者简介］ 李正杰 1987－ ，男，河南永城人，研究实习员，硕士，主要从事矿山压力与岩层控制的相关研究工作。 ［ 引用格式］ 李正杰，姚常亮，任超，等 . 极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践 ［J］． 煤矿开采，2017， 22 5 21－26. 我国急倾斜煤层的采煤方法较多，每种采煤方 法均有其适用条件，随着条件、环境和技术的发 展，很多采煤方法已经被淘汰。目前被认为比较适 用、安全性相对较高、且经济效益较好，或者机械 化程度相对较高的急倾斜煤层采煤方法 ［1－5 ］主要有 走向长壁综合机械化采煤法、柔性掩护支架采煤 法、水平分段放顶煤采煤法和走向长壁综合机械化 放顶煤采煤法。对于倾角大于 60的特厚煤层，采 用水平或斜切分层 段短壁放顶煤方法已有较 为成熟的开采经验，如在新疆、宁夏等矿区以及神 东阿刀亥煤矿的急倾斜厚煤层中均有应用 ［6－7 ］，煤 层厚度基本在 10～12m 以上，选用轻放支架，短壁 综合机械化开采。而对于倾角小于 35的厚煤层而 言，通常采用大倾角长壁综采或综放技术进行回 采，如在四川攀枝花矿区花山煤矿、绿水洞煤矿以 及甘肃华亭东峡煤矿等有实践应用 ［8－9 ］。但对于倾 角 45左右的厚煤层，在采煤方法的选择上存在一 定的困难，若采用大倾角综采 放技术，工作 面设备稳定性如设备下滑、倾倒以及煤壁稳定性、 端面顶板控制等问题突出，对工作面管理要求非常 严格，实现综合机械化、高产高效、安全开采等难 度大; 若采用分段放顶煤开采，由于煤层倾角相对 较小，顶煤冒放性及采出率等问题又不容忽视，且 在国内外类似可供参考的成功实践很少。 江源煤业目前主采上石炭系太原组 4 号煤层， 煤层厚度 6m，倾角 45，该煤层赋存条件属于极 复杂型，受断层严重切割，采区可推进长度普遍较 短，仅为 380m 左右。此外，高瓦斯、松软煤层、 12 第 22 卷 第 5 期 总第 138 期 2017 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 5 Series No. 138 October2017 ChaoXing 坚硬顶底板、易自燃等潜在灾害因素致使开采技术 难度大，实践证明，原水力采煤方法无法保障安 全，同时受限于断层影响，综合机械化长壁工作面 布置及实施困难。根据现场取样并在实验室测试得 出，4 号煤的视密度为 1296kg/m3，单轴抗压强度 为 6. 31MPa，煤层较软;顶板砂岩的视密度为 2700kg/m3，单轴抗压强度达到99. 36MPa，为坚硬 顶板; 底板页岩的视密度为 2907kg/m3，单轴抗压 强度 83. 77MPa，为坚硬底板。4 号煤层开采属于 “两硬夹一软”结构，钻孔柱状图如图 1 所示。 图 1 4 号煤层钻孔柱状 为保障 4 号煤层安全开采及提高工作面机械化 水平，拟采用斜切分段综合机械化放顶煤采煤方 法，经查阅文献，该法在该复杂条件下理论可行， 但开采参数多为下限值，缺少类似的开采实践。针 对 4 号煤层，该采煤方法存在 3 大技术难点 煤层 倾角下限影响顶煤冒放性; 开采厚度下限制约综采 装备的布置及改变回采工艺; 厚硬难垮顶板影响开 采安全。通过对 4 号煤层的优化设计和试验应用， 证明了该采法在极限开采条件下的可行性，有效解 放了 4 号煤层，为相邻 1 号和 6 号煤层的安全开采 提供了参考依据，并为拓展应用急斜厚煤层斜切分 段放顶煤采煤方法提供了一次成功实践。下面从工 作面布置、设备选型配套、回采工艺、顶煤冒放 性、顶煤及坚硬顶板处理等角度进行重点分析。 1工作面布置条件 设计江源井田 4 号煤层斜切分段放顶煤工作面 斜切角度为 20，工作面长度 10. 5m，采煤机沿工 作面全采高割煤长度约 6m，首采面可推进长度仅 210m，试验阶段高度 15m，其中机采高度 2. 8m， 放煤高度 12. 2m，采放比为 1 ∶ 4. 35。下阶段高度 根据实际顶煤冒放性情况适当调整，为了增加工作 面储量、降低巷道掘进率，在保障安全回采的前提 下，宜尽可能提高阶段高度。 从提高顶煤采出率并兼顾综采设备布置、巷道 稳定性等方面考虑，工作面优化布置了 2 条拱形巷 道，运输巷布置在煤层内，回风巷沿煤层底板布 置，为半煤岩巷，如图 2 所示。运输巷采用 29U 型钢支护，巷道净宽为 4. 2m，净高为 3. 3m; 回风 巷采用锚网支护，巷道净宽 为 4. 0m，净 高 为 2. 95m。 图 2工作面及巷道布置 首采工作面设备选型配套如表 1 所示。其中， 采煤机选用 MGD150－NW 电牵引短壁单滚筒采煤 机，单截割电机，机身长度仅 3m，结构紧凑;运 输巷中采用水运溜煤槽运煤。工作面设备布置如图 3 所示。 表 1工作面设备选型 序号名称型号数量备注 1基本支架ZF4000/16/307 架宽度 1500mm 2采煤机MGD150－NW1 台150kW 3前部输送机SGB630/1501 部200t/h 4后部输送机SGB40T1 部150t/h 5乳化液泵站BRW200/31. 52 泵 1 箱125kW 6喷雾泵站XPB－250/5. 52 泵 1 组30kW 图 3工作面设备布置剖面 2回采工艺分析 急倾斜煤层斜切分段综放开采工艺主要包括采 煤机割煤、移架、放顶煤、推移前后输送机。采煤 机截深为 0. 6m，循环推进度为 0. 6m，放煤采用多 轮、间隔、等量放煤方式 ， “一采一放” 。与常规 22 总第 138 期煤矿开采2017 年第 5 期 ChaoXing 的综放工艺不同之处在于工作面的进刀方式，本设 计采用端部整体直接进刀方式。其工序如下 当采煤机运行向机尾时，推移前溜机头和中部 位置，采煤机割透机尾煤壁后停机，将采煤机整体 推向煤壁一个步距，如图 4 a ，开机直至采煤机 滚筒全部切入煤壁，实现进刀; 采煤机摇臂上升至 顶刀位置，割煤至前溜机头，如图 4 b ; 反向推 进割底刀至机尾位置，恢复至初始状态，如图 4 c 。 图 4短壁放顶煤工作面进刀 3放顶煤开采顶煤冒放性数值分析 3. 1数值模型建立 以江源煤业 4 号煤层为模型背景，根据煤层的 实际地质条件，建立 3DEC 数值计算模型，模拟的 4 号煤层厚度 6m，倾角 45，埋深 950～1150m，按 1000m 考虑，简化的耦合数学模型长宽高为 100m12m150m。根据煤层赋存条件，将数值计 算模型简化为 10 个岩层的结构体进行研究。工作 面推进方向沿 X 轴正方向，模型底部限制垂直移 动，上部施加覆岩等效载荷，模型前后和侧面限制 水平移动，采用大应变变形模式 Mohr－Coulomb 屈 服准则判断岩体的破坏。初始模型如图 5 所示。 图 5初始模型 3. 2顶煤冒放性分析 4 号煤层煤质较软，顶板坚硬，在不采用顶板 预裂爆破的情况下，工作面上方顶煤的移动变形情 况如图 6 a所示。 由图 6 可知，顶煤在顶板压力作用下发生塑性 破坏，但塑性破坏范围仅为顶煤上方 6m 以内，因 此，受厚硬顶板影响，顶煤冒放性不佳。建议对坚 硬顶板进行预裂爆破弱化处理，顶板弱化后顶煤的 冒放效果如图 6 b所示，顶煤塑性破坏范围大 大增加，冒放性得到有效改善。 图 6顶煤移动变形特征模拟 3. 3围岩移动规律分析 4 号煤层倾角为 45，其顶板法向分力为重力 的 0. 71 倍，因此，顶板变形量减小。按每个阶段 的垂高 15m 计，由上而下分别采用 FLAC3D模拟了 3 个开采阶段围岩的移动变形规律。在第 1 阶段开 采时，顶板以弯曲变形为主，在充分采动状态下， 围岩的变形破坏状态如图 7 所示。 由图 7 可知，第 1 阶段开采时，由于开采空间 较小，顶板主要以弯曲变形为主，底板变形不明 显。由于煤层角度较大，顶板水平和垂直变形兼 有。在工作面充分采动时，顶板最大水平变形量为 90. 6mm，顶板垂直方向约 6m 范围出现破坏，以 中上部顶板为主。 开采第 2 阶段、第 3 阶段垂高均为 15m，充分 32 李正杰等 极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践2017 年第 5 期 ChaoXing 图 7第 1 阶段开采围岩移动变形破坏特点 开采后围岩破坏状态及水平位移云图如图 8 所示。开采第 2，3 阶段时，顶底板破坏范围逐渐增 图 8开采第 2，3 阶段时围岩破坏状态及水平位移 大。当开采至第 2 阶段时，顶板最大变形量达到 138mm，顶板 12m 范围内出现破坏现象;当采至 第 3 阶段时，顶板水平位移量继续增大，最大变形 量达到 204mm，破坏范围增加至垂直煤层高度 18m。随着工作面开采阶段的增加，顶板破坏范围 和离层量逐渐扩展并向上覆岩层移动。由此可见， 采用斜切分段综放开采 4 号煤层时，顶板以弯曲变 形为主，主要表现为岩层间离层的逐渐扩展，预计 工作面矿压显现相对较弱。 4坚硬顶板处理技术 为了改善顶煤冒放性及防止坚硬顶板大面积悬 顶 ［10 ］，设计在回风巷对顶煤、在运输巷对坚硬顶 板进行超前深孔预裂爆破，炮孔布置如图 9 所示。 图 9爆破炮孔布置方案 运输巷、回风巷各炮孔布置参数见表 2，3 所 42 总第 138 期煤矿开采2017 年第 5 期 ChaoXing 示，其中，岩 1 号炮孔处理高位坚硬砂岩顶板，处 理厚度为 18m 的整层坚硬砂岩，防止下阶段回采 时顶板突然大面积垮落产生暴风或压架事故; 岩 2 号、岩 3 号、岩 4 号炮孔主要用来预裂中低位直接 顶坚硬岩层，防止本阶段采空区空洞过大;煤 1 号、煤 2 号、煤 3 号炮孔主要作用是处理高位顶 煤，提高顶煤采出率，根据前文模拟分析，低位顶 煤冒放性良好，不需要专门爆破处理。 表 2运输巷炮孔参数 孔编号 孔口距右帮 距离/m 仰角/ 沿煤层水平 偏角/ 孔深/m炮孔直径/mm 药卷直径/mm装药长度/m 封孔长度/m 岩 1 号1. 2450185545135 岩 2 号2. 180012554575 岩 3 号2. 1101012554575 岩 4 号2. 1119013554585 表 3回风巷炮孔参数 孔编号 孔口距右帮 距离/m 仰角/ 沿煤层水平 偏角/ 孔深/m炮孔直径/mm 药卷直径/mm装药长度/m 封孔长度/m 煤 1 号27506. 555453. 53 煤 2 号210507. 555454. 53 煤 3 号212709. 555456. 53 5开采实践 江源煤业 4 号煤层从 2016 年底回采至 2017 年 2 月 24 日已累计安全回采 2 个工作面，其中，短 壁放顶煤首采面推进 210m，接续工作面推进 126m，正常回采时日推进 6～8 刀，平均 3. 9m，日 产量 288～673t，平均 523t，见图 10 所示。通过对 工作面顶板和顶煤进行弱化处理，工作面压力变化 情况如图 11 所示。可知，工作面存在来压现象， 但 来 压 不 强 烈，来 压 时 支 架 前 柱 压 力 达 到 23. 5MPa，非来压时 20MPa 左右，动载系数为 1. 175; 此外，斜切分段综放开采支架压力受放煤 影响较大，尤其是后立柱，受放煤影响，后立柱基 本在 0～ 5MPa 之间，甚至出现拔后柱现象，而前 立柱由于顶煤向采空区方向运移，前柱压力会缓慢 释放，表现在压力曲线的缓慢下降。 图 10工作面日产量统计 6结论 1针对江源煤业 4 号煤层厚度 6m、煤层倾 角 45、地质类型复杂的开采情况，认为采用斜切 分段综放开采时开采参数处于下限值，但具有可行 性，并给出了工作面布置、设备选型配套、回采工 艺等关键技术及参数指标。 2采用数值模拟方法分析了斜切分段顶煤 冒放性，认为顶煤、坚硬顶板在不采取弱化措施时 冒放性不佳，安全性差。设计采用了深孔预裂爆破 的方案，对上位顶煤和坚硬顶板进行弱化处理，提 高了顶煤冒放性和采出率，预防出现大面积悬顶。 3现场开采实践证明了该采法可行，工作 面矿压显现不强烈，根据矿压曲线分析，建议改用 两柱掩护式放顶煤支架为宜，并且对后续阶段工作 面矿压及顶板垮落情况保持密切关注。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 佐安功 . 急倾斜煤层开采的几种方法 ［J］． 山东煤炭科技， 2013 3 41－42. ［ 2］ 程玉武 . 急倾斜煤层俯伪斜走向长壁采煤法的实践 ［J］． 煤 炭科学技术，2003，31 10 31－32. ［ 3］ 陈建民，王景辉 . 俯伪斜柔性掩护支架采煤法的应用与发展 52 李正杰等 极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践2017 年第 5 期 ChaoXing 图 11工作面支架受力监测曲线 ［J］． 煤炭科学技术，2004，32 12 8－10. ［ 4］ 高召宁，石平五 . 急斜近距离煤层水平分段轻型液压支架放顶 煤联合开采的实践 ［ J］ ． 中国矿业，2007，16 1 77－79. ［ 5］ 刘赫男，孙运江，谢生荣，等 . 大倾角特厚煤层斜切分层综放 开采实践 ［J］． 煤矿开采，2014，19 6 35－38. ［ 6］ 鞠文君，李前，魏东，等 . 急倾斜特厚煤层水平分层开采 矿压特征 ［J］． 煤炭学报，2006，31 5 558－561. ［ 7］ 刘文郁 . 急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采液压支架选型 ［J］． 煤矿开采，2016，21 1 50－52. ［ 8］ 伍永平，贠东风，周邦远，等 . 绿水洞煤矿大倾角煤层综采技 术研究与应用 ［J］． 煤炭科学技术，2001，29 4 30－32. ［ 9］ 贠东风，张袁浩，程文东，等 . 东峡煤矿大倾角特厚煤层采煤 方法比较与分析 ［J］． 中国煤炭，2015，41 9 61－64. ［ 10］ 徐刚，贾昆，于永江 . 深孔爆破技术在煤矿中的应用 ［J］． 辽宁工程技术大学学报，2006，25 S1 28－30. ［责任编辑 王兴库］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 28 页 动力源，也不需要增加其他配套设施。 4结论 1通过在煤矿井下现场喷射试验，该转子 式喷射机能够有效地解决喷浆现场存在的粉尘问 题，整体降尘率达到 90以上;同时由于该除尘 装置动力简单结构轻便，无后配套设备，设计后重 量在 30kg 以内，能很好地适应煤矿喷浆时间短， 喷浆次数多，移动频繁等喷浆工艺。 2该除尘装置技术成熟、成本低廉、维护 便捷，从结构上和工艺上都能满足目前在煤矿井下 狭小空间内实现连续搅拌上料喷浆的喷浆工艺。符 合国家的相关产业政策和社会发展的安全、环保要 求，同时有效解决了目前混凝土喷射技术使用中粉 尘大的技术难题，无论是从环保还是从节能方面来 讲，都是对现有混凝土喷射技术的一次创新。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 虞家祥 . 转子式混凝土喷射机结构与性能分析 ［J］． 煤矿机 电，2009 4 76－77. ［ 2］ 许天恩 . 转子式混凝土喷射机的改进和发展 ［J］． 煤炭工程， 1999 11 29－31. ［ 3］ 何琳 . 混凝土喷射机的应用及发展 ［J］． 江西建材，2005 4 37－39. ［ 4］ 龚小兵，赵才华 . 混凝土喷射机降尘技术研究 ［J］． 煤矿安 全与环保，2013 4 46－49. ［ 5］ 董辉辉，闵付松 . 潮式混凝土喷射机技术发展现状与研究方 向 ［J］． 能源技术与管理，2015，40 6 13－15. ［ 6］ 李萍，张咸民，吴 斌，等 . 矿用 PC61 转子式湿喷机的优 化设计 ［J］ . 煤矿开采， 2017， 20 6 49－51. ［责任编辑 邹正立］ 62 总第 138 期煤矿开采2017 年第 5 期 ChaoXing