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第 43 卷第 10 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol 43No 10 2015 年10 月 Coal Science and TechnologyOct2015 大倾角特厚易燃煤层倾斜分层走向长壁综采技术 贠东风1， 2 ， 刘 柱1， 程文东3， 范振东4， 苏普正1， 2， 王东方5 1. 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安710054;2. 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054;3. 西安科技大学 建筑与 土木工程学院， 陕西 西安710054;4. 华亭煤业集团有限责任公司， 甘肃 华亭744100;5. 华亭煤业集团有限责任公司 东峡煤矿， 甘肃 华亭744100 摘要 为了提高矿井资源采出率， 解决东峡煤矿同类型赋存煤层的开采技术难题， 对其 37220 工作面 采用倾斜分层走向长壁综采放顶煤采煤法。通过理论分析、 物理相似模拟、 数值模拟及现场观测， 对工 作面回采巷道布置 、 “三机” 设备选型与配套、 矿山压力与顶煤运移规律、 工作面围岩应力分布特征与支 架稳定性、 回采工艺、 安全保障技术等进行研究。现场应用结果表明 工作面采用异面空间布置， 简化了 回采工艺， 并提高了支护系统稳定性， 基于异面空间布置并采用不同架型的支架能满足工作面生产需 要， 以 “一通三防” 为主的安全保障技术有效保障了工作面的安全生产。工作面单产最高达 105 kt/月， 煤炭采出率89. 7， 掘进率25 m/万 t， 吨煤成本较水平分段放顶煤降低120. 95 元/t。 关键词 大倾角煤层; 倾斜分层; 走向长壁; 易燃煤层; 综放开采 中图分类号 TD713文献标志码 A 文章编号0253 2336 2015 10 0007 05 Longwall fully mechanized mining technology on the strike of inclined slicing in high inclined and ultra thick spontaneous combustion tendency coal seam Yun Dongfeng1， 2，Liu Zhu1，Cheng Wendong3，Fan Zhendong4，Su Puzheng1， 2，Wang Dongfang5 1. School of Energy，Xi an University of Science and Technology，Xi an710054，China; 2. MOE Key Lab of Mining and Disaster Prevention and Control in West China Mine，Xi an710054，China; 3. School of Architecture and Civil Engineering，Xi an University of Science and Technology，Xi an710054，China; 4. Huating Coal Industry Group Company Limited，Huating744100，China; 5. Dongxia Mine，Huating Coal Industry Group Company Limited，Huating744100，China Abstract In order to improve the mining rate of mine resources，the mining technical problem of similar ation coal seam in Dongxia Mine was solved and longwall fully mechanized top coal caving mining on the strike of inclined slicing was applied to No 37220 coal mining face The theoretical analysis，physical analog simulation，numerical simulation and site observation were applied to study on mining roading layout of coal mining face， equipment selection and matching of“three machineries” ， mine pressure and top coal migration law，surrounding rock stress distribution features and powered support stability of coal mining face，mining technology，safety protection technology and others The site application results showed that different interface space layout was applied to coal mining face，the mining technology was simplified and the stability of support system was improved Based on the different interface space layout，the application of different type powered supports could meet the production requirements of the coal mining face and the safety protection technology mainly with“the ventilation and gas，coal dust and fire prevention and control”could effectively protect the safety production of the coal mining face The max output of coal mining face was 105 Kilotons per month The mining rate of the seam was 897， the driving rate was 25 meters per ten kilotons and coal cost per ton was MB 120. 95 Yuan per tons lower than the horizontal slice top coal caving mining Key words high inclined coal seam; inclined slicing; longwall on the strike; spontaneous combustion seam; fully mechanized top coal ca- ving mining 收稿日期2015 06 28; 责任编辑 赵瑞DOI 10 13199/j cnki cst201510002 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51074120， 51204132 作者简介 贠东风 1962 ， 男， 陕西临潼人， 教授。Tel13002953881， E mail752651395 qq. com 引用格式 贠东风， 刘柱， 程文东， 等 大倾角特厚易燃煤层倾斜分层走向长壁综采技术J 煤炭科学技术， 2015， 43 10 7 11 Yun Dongfeng，Liu Zhu，Cheng Wendong， et al Longwall fully mechanized mining technology on the strike of inclined slicing in high inclined and ultra thick spontaneous combustion tendency coal seamJ Coal Science and Technology， 2015， 43 10 7 11 7 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 10 期煤 炭 科 学 技 术 第 43 卷 0引言 大倾角煤层是指埋藏倾角为 35 55的煤层， 是倾斜和急倾斜煤层的一部分。大倾角煤层约占我 国煤炭探明储量的 20 和产量的 101 2。随着 煤炭资源开采强度和范围不断增大， 东部矿区赋存 条件好的煤层储量逐年减少， 兖州、 淮南、 徐州等矿 区转向大倾角煤层开采。西部矿区 50 的矿井开 采的是大倾角煤层， 主要分布在四川、 甘肃、 重庆等 地， 并且大倾角煤层是许多矿区或矿井的主采煤层。 大倾角煤层多采用非机械化开采， 工人劳动强度大、 作业环境恶劣、 生产效率低且存在较大的安全隐 患 3 7。大倾角煤层采用走向长壁开采时， 受煤层 倾角的影响， 围岩变形破坏具有非对称性 ， “支架 围岩” 系统不稳定、 底板滑移、 工作面开采设备稳定 性差、 工作面“飞矸” 等不安全因素， 造成矿井开采 产效低、 安全效益差等 8 12。因此开展对大倾角煤 层的研究是这些矿区保持安全高效和可持续发展的 迫切需要。甘肃华能华亭煤业集团有限责任公司东 峡煤矿 37220 工作面具有煤层倾角大、 厚度大、 易 燃、 夹矸多等特点。水平分段放顶煤采煤法工作面 有效长度短， 生产能力小， 单产低， 万吨掘进率高， 采 出率低， 资源浪费严重， 效益不明显， 难以实现安全 高效。整层综放开采虽然掘进率低， 但是顶煤冒落 不充分， 导致采出率低。结合东峡煤矿在大倾角煤 层开采中的经验， 使矿井持续安全高效生产， 提高矿 井资源采出率， 为解决东峡煤矿同类型赋存条件煤 层的开采问题， 提出了对 37220 工作面采用倾斜分 层走向长壁综采放顶煤采煤法进行采煤。 1工作面地质条件 东峡煤矿 37220 工作面主采煤层为 6 2 煤， 煤 厚平均 19. 6 m， 煤层倾角 55 74， 平均 64， 普氏 系数为 2. 0 3. 0， 易燃 最短自然发火期 37 d 。工 作面开采标高为 875 929 m， 地面对应标高 1 491 1 532 m。工作面伪顶为深灰色炭质泥 岩， 偶夹煤线、 深灰色油页岩， 厚度为 0. 16 0. 86 m。直接顶以粉砂质泥岩、 灰色泥岩为主， 厚度为 1. 0 2. 3 m。基本顶为灰白色砂岩， 厚度大于 10 m。工作面直接底为油页岩、 炭质泥岩， 厚度为 1. 0 2. 3 m。煤层底板厚度大于 10 m， 上部为灰白色 炭质泥岩， 下部为灰色砂岩。以 6 2 煤中部厚度为 0. 97 m 灰色炭质泥岩作为上分层 37220 1 工作面 和下分层 37220 2 工作面分层的依据。 2倾斜分层走向长壁综采关键技术 大倾角特厚易燃煤层要实现安全高效开采， 需 解决的技术难题如下 13 “支架围岩” 系统的稳 定性; 工作面开采设备的研制与配套; 回采工艺; 以 防灭火、 防治瓦斯及防尘为核心的安全保障技术。 以上问题相互影响构成一个动态的复杂系统问题。 2. 1工作面布置方式 大倾角综放工作面巷道布置应考虑简化回采工 艺、 提高生产能力和确保工作面开采设备的稳定性 等。37220 工作面开切眼采用“倾斜圆弧过渡 水平” 异面空间布置方式， 如图 1 所示。 图 1 37220 工作面布置剖面 Fig. 1Profile of No 37220 working face 工作面异面空间布置简化了工作面端头支护和 “三机” 配套的复杂性， 改善了排头支架受力状态， 有利于工作面中上段支架稳定性， 保障操作人员的 安全， 提高资源采出率。改善了前后刮板输送机的 运行环境， 解决了前后刮板输送机与转载机搭接问 题。消除大倾角工作面下出口的台阶， 解决下出口 行人、 运料、 通风困难等问题。 为解决大倾角煤层开切眼施工难度大， 冒顶、 飞 矸伤人事故频繁发生的问题， 37220 2 工作面开切 眼倾斜直线段采用钻机由下向上施工钻孔形成下煤 通道， 再由上向下刷大至设计断面的大倾角煤层开 切眼施工方案。有效杜绝煤层冒顶事故， 确保开切 眼的施工安全， 保证了矿井安全生产。 2. 2开采设备选型与配套 针对目前技术现状和工作面煤层赋存条件， 研 制了适应大倾角特厚易燃煤层的高效综放开采装备 及其配套技术。大倾角液压支架是综合机械化放顶 煤开采的核心设备， 其稳定与否直接关系到综放工 作面的安全生产。研究一套适应大倾角综放工作面 8 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 贠东风等 大倾角特厚易燃煤层倾斜分层走向长壁综采技术2015 年第 10 期 特殊条件的液压支架结构形式， 即液压支架实现可 靠的防倒、 防滑及调架功能; 实现支架支护的稳定 性、 严密的封闭性、 强抗偏载、 抗扭性; 实现端头支护 的稳定及支架对工作面圆弧过渡段的适应性; 实现 对工作面端尾回风平巷整体支护， 以及对工作面回 风平巷与开切眼的无支护三角区域的封闭性支护， 是大倾角工作面液压支架研制的攻关技术难题。 基本支架为 ZF5200/17/28 型低位放顶煤液压 支架， 支架侧护板采用双侧双活结构、 大行 程 200 mm 和大缸径 100 mm 的侧护千斤顶。底 调机构是大倾角液压支架在采煤作业中实现调节支 架位置关系的重要机构， 也是区别近水平煤层综采 支架的显著标志 14 15。底调机构由底调千斤顶、 导向杆和底调梁组成。支架底座两侧设置可左右互 换的底调机构， 其非平行伸缩增强了底调机构的适 用性。调架时底调机构和侧护板相互配合， 有效解 决了支架的防滑和调架问题， 实现了支架在大倾角 综放工作面的稳定性和适用性。 ZF6200/17/30 型圆弧段支架采用窄顶梁宽底 座的特殊形式， 解决了圆弧段顶底板支护困难的问 题。ZFG6200/20/30 型过渡支架采用两柱支撑式正 四连杆结构， 实现了过渡支架放煤。工作面支架工 作性能参数见表 1。多功能端头支架 ZT20000/22/ 35 用一种架型解决了综放工作面端头和端尾支护 及端尾 “三角区” 封闭性的技术难题。 表 1支架工作性能参数 Table 1Support working perance parameters 支架 型号 支架宽 度/m 支护强 度/MPa 对底板比 压/MPa 立柱数 量/个 初撑力/ kN ZF5000/17/281. 39 1. 560. 782. 243 958 ZF6200/17/301. 39 1. 560. 922. 425 066 ZFG6200/20/30 1. 37 1. 570. 992. 125 066 SGZ730/160 后部刮板输送机的“楔形” 防滑导 板和斜向牵引装置， 使前部刮板输送机支架后 部刮板输送机， 形成一个以支架为主的互为支点的 防滑体系。MG250/600 QWD 型大倾角采煤机具 有牵引功率大、 制动可靠性高、 润滑效果好、 装煤效 率高和安装方便等特点。通过井下试验 ， “三机” 设 备能满足工作面的生产需要。 2. 3工作面围岩应力分布特征与支架稳定性 通过对工作面三维数值计算模型分析可知 工 作面圆弧段附近煤体和围岩易形成应力集中区域， 应力分布和塑性区分布具有非对称性， 需要加强运 输巷附近的支护， 圆弧段的 2 个端点是工作面的 2 个危险区域。综放采场空间中存在椭球体式的压力 拱壳结构， 压力壳中的最大主应力高于壳体内、 外岩 层中的主应力。沿工作面走向， 工作面前端围岩主 要发生剪切破坏， 工作面周围的岩层和煤层主要发 生拉剪复合破坏。 圆弧段对保证支架不发生下滑、 倾倒破坏起到 有效的作用， 改善支架的受力状态并提高了支撑效 率， 提高了工作面支护系统的稳定性。工作面采用 圆弧段布置虽然有利于支护系统的稳定性， 但是要 选择合理的圆弧段布置方式保证支架整体的稳定 性。圆弧段使大倾角综放工作面下端头的支护问题 由倾斜面过渡到水平面， 改排头架与端头架顶梁线 接触为面接触， 从而使基本支架对端头支架的侧向 作用力大幅减小， 提高了工作面支架整体稳定。圆 弧段消除了倾斜直线综放工作面大范围冒顶时， 排 头支架失稳引发的沿工作面自下而上“多米诺骨 牌” 式的倒架事故， 保障了下端头的安全。 2. 4矿山压力与顶煤运移规律 相对于缓倾斜和近水平煤层开采， 大倾角煤层 综放开采时矿压显现规律、 顶煤破碎和放出规律有 特殊性和复杂性。结合物理相似模拟试验、 现场观 测研究和数值模拟对矿压显现规律、 顶煤破碎机理、 顶煤垮落和放出规律进行研究。 上分层 37220 1 工作面周期来压步距 20 m 左 右， 持续 2 3 d， 来压期间支架工作阻力 4 000 5 100 kN， 动载系数 1. 29 1. 50。工作面沿倾斜方 向矿压显现分区特征明显， 工作面支架载荷呈现出 下部最大， 上部次之， 中部最小的基本特征。工作面 上部区域支架载荷约为下部区域的 61， 中部区域 支架载荷约为下部区域的 56。 下分层 37220 2 工作面基本顶初次来压步距 60 m 左右， 持续 4 5 d， 周期来压步距 20 m 左右， 持续 2 3 d， 来压期间支架工作阻力 4 000 5 100 kN， 动载系数 1. 33 1. 76。工作面沿倾斜方向支架 载荷呈现出中上部最大， 上部次之， 下部最小的基本 分区特征。工作面下部区域支架载荷约为中部区域 的 47， 上部区域支架载荷约为中部区域的 86。 工作面支架都不具备带压移架功能， 支架每次 降架时工作阻力锐降至零， 即不能实现带压移架。 故在实际操作中应“少降快拉” ， 擦顶移架， 谨防移 架过程中支架失稳。综放支架侧护板采用 100 mm 9 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 10 期煤 炭 科 学 技 术 第 43 卷 大缸径侧护千斤顶基本能有效上调倾倒支架。 37220 1、 37220 2 工作面前方煤体的始动点 距煤壁约 33、 25 m。沿工作面倾斜方向顶煤的始动 点表现出不同的特征， 工作面上部顶煤的始动点距 煤壁最远， 下部次之， 中上部最近。从顶煤开始移动 到冒落， 煤层法线方向上部层位煤体移动量大， 下部 层位移动量小; 而在倾斜方向， 倾斜上部煤体移动量 大， 下部煤体移动量小。沿工作面倾斜方向上， 自上 而下放煤含矸率较大， 但对上部煤体移动影响范围 较小; 而由下向上放煤， 虽然能够降低矸石放出量， 但对上部煤体移动影响范围较大 16。 工作面前方顶煤在移动初始阶段， 上下 2 个层 位的移动速率基本保持一致， 比较均匀; 随着工作面 推进， 移动速率逐步增大， 上部层位的移动速率一般 大于下部层位的移动速率。但在顶煤整个移动过程 中， 其速率没有突变。从顶煤开始移动到冒落， 上部 层位移动量较小， 而下部层位移动量较大。 2. 5回采工艺 研究复杂开采条件下割煤、 移架、 放煤等方式， 有效控制 “支架围岩” 系统， 实现大倾角特厚易燃 煤层安全高效开采。工作面采用由上向下割三角煤 斜切进刀， 由上向下割煤， 由下向上清理浮煤。工作 面移架、 推移刮板输送机采用由下向上进行， 防止刮 板输送机下滑， 同时也有利于支架防倒防滑。由上 向下顺序放煤， 放煤方式为“两采一放” ， 放煤步距 为 1. 2 m。放煤量以保持工作面支架的稳定性为原 则， 在保持支架稳定前提下， 见矸关闭放煤口， 否则 就提前关闭放煤口。 工作面下部采用“圆弧段水平” 渐变布置方 式， 导致采煤机在圆弧段必须增大自行挖底量和减 小挑顶量， 采煤机在圆弧段采用挑顶提底技术 15， 保持了圆弧段正常曲率。工作面采用最优伪仰斜 下端头超前上端头的距离最佳 推进 17， 在推移 过程中使前刮板输送机上窜量抵消下滑量， 保持前 刮板输送机与转载机的正常搭接。 2. 6安全保障技术 针对易自然发火的采空区， 研究束管监测系统 和分布式光纤测温系统相结合的煤自燃监测方 法 18， 对 CO、 CH 4、 O2、 CO2和温度监测， 建立煤矿采 空区分布式功能光纤连续式测温火灾预警系统， 实 现煤自燃火灾的全面监测、 识别与早期预警。 工作面采用下行通风方式解决了上隅角瓦斯积 聚问题。针对上分层 37220 1 工作面采空区的煤 自燃火灾， 实施了地面液氮汽化直注式和井下移动 液氮直注式 2 种灭火方式， 实现了短周期内成功灭 火， 灭火效果和灭火效率优于其他传统技术。 针对上分层 37220 1 工作面发生大面积冒顶 并出现严重的倒架现象， 采取“护扶移稳” 的 动态扶架方法 19， 并采取相应的安全保障技术， 确 保了倾倒支架的复位工作安全顺利进行， 支架恢复 正常工作， 确保了工作面的安全生产。 3工业性试验 上分层 37220 1 工作面长 60 m， 工作面累计 推进 1 008. 9 m， 采出煤量61 万 t， 最高班产量1 300 余 t， 最高日产量2 500 余 t， 最高月推进量102 m， 最 高月产量 5. 5 万 t， 回采工效 33. 4 t/工， 综合采出率 75. 9。 下分层37220 2 工作面长102 m， 于2014 年 2 月11 日进行试生产。截至2015 年2 月 25 日， 生产 原煤 81. 2 万 t 由于限产和检修 ， 平均月产量 74 286 t，最高月产量 10. 5 万 t， 最高日产量 5 100 t， 最高班产量 2 600 t， 平均日产量 2 971 t， 回采工效 33. 5 t/工， 煤层综合 整层 采出率89. 7， 掘进率 25 m/万 t， 吨煤成本较水平分段放顶煤降低 120. 95 元/ t。 4结论 1 工作面开切眼异面空间布置为大倾角工作 面安装及回采创造了良好条件， 简化了回采工艺。 2 圆弧段对保证支架不发生下滑、 倾倒破坏起 到了有效作用， 提高了工作面支护系统的稳定性。 3 基于工作面异面空间布置并采用不同架型 的支架能满足工作面生产的需要。 4 以“一通三防” 为主的安全保障技术， 有效 保障了工作面的安全生产。 5 工作面单产量最高达 105 kt/月， 回采工作面 工效达 33. 5 t/ 工d ， 煤层综合 整层 采出率 89. 7， 掘进率 25 m/万 t， 吨煤成本较水平分段放 顶煤降低 120. 95 元/t。 参考文献 1伍永平， 刘孔智， 贠东风， 等 大倾角煤层安全高效开采技术研 究进展J 煤炭学报， 2014， 39 8 1611 1618 Wu Yongping， Liu Kongzhi， Yun Dongfeng， et al esearch progress on the safe and efficient mining technology of steeply dipping seam J Journal of China Coal Society， 2014， 39 8 1611 1618 2伍永平， 贠东风， 张淼丰 大倾角煤层综采基本问题研究J 01 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 贠东风等 大倾角特厚易燃煤层倾斜分层走向长壁综采技术2015 年第 10 期 煤炭学报， 2000， 25 5 465 468 Wu Yongping， Yun dongfeng， Zhang Miaofeng Study on the ele- mentary problems of fully mechanized coal mining in steeply dip- ping coal seamJ Journal of China Coal Society， 2000， 25 5 465 468 3吴绍倩， 石平五 急倾斜煤层矿压显现规律的研究J 西安矿 业学院学报， 1990， 10 2 4 8 Wu Shaoqian， Shi Pingwu esearch of strata behavior in pitch coal seamJ Journal of Xian Mining Institute， 1990， 10 2 4 8 4朱现磊， 杨仁树， 蔡志炯， 等 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