我国大采高综采技术及围岩控制研究现状.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 采矿与井巷工程 移动扫码阅读 尹希文.我国大采高综采技术及围岩控制研究现状.煤炭科学技术. / . . . / 我国大采高综采技术及围岩控制研究现状 尹 希 文 .天地科技股份有限公司 开采设计事业部北京 .煤炭科学研究总院 开采研究分院北京 摘 要在分析大采高综采技术特点的基础上指出大采高综采是我国厚煤层实现自动化、信息化、智能 化开采的首选采煤方法 分析了国内外大采高综采的发展历程及现状认为我国少数矿区大采高综采 单产水平、工效已经达到世界领先水平受煤层松软、倾角大、采深大、地质构造发育等复杂地质条件及 装备制造水平低的影响我国大采高综采技术整体水平与国际领先水平相比仍有很大差距 总结了“砌 体梁”、“组合悬壁梁铰接岩梁”、“煤壁压杆模型”等围岩控制理论与技术研究成果总结得到了我国大 采高综采技术的发展特征采高不断加大最大采高 . 工作面宽度不断加大最宽达 松软、大 倾角、浅埋、高瓦斯等不同煤层赋存条件下大采高综采工作面已实现安全高效开采 提出了大采高综采 技术未来发展方向与需要解决的问题认为综采压架事故呈上升趋势在支架围岩关系及合理支架工作 阻力确定方法、煤壁片帮机理及控制措施矿压和微震综合预警等方面仍需开展精细化研究 关键词厚煤层大采高综采围岩控制顶板结构煤壁片帮 中图分类号 文献标志码 文章编号 . .. . . . . . “ ”“ ” “ ” . . . . 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目国家重点研发计划资助项目国家自然科学基金资助项目天地科技开采设计事业部面上基金资助项目 作者简介尹希文男江苏涟水人副研究员博士研究生 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 . . 引 言 我国煤炭资源储量丰富其中厚煤层资源约占 总储量的 .厚煤层年产量占全国煤炭产量的 我国具有国际领先技术水平的高产高 效矿井和综采工作面都是在厚煤层开采条件下实现 的 厚煤层开采在保障煤炭生产供应能力中占有重 要地位是我国煤炭开采整体技术水平的重要标志 我国的厚煤层开采方法主要有 种分层开采、综放 开采和大采高综采目前我国 左右的厚煤层多 采用综采放顶煤开采但普遍存在顶煤回采率低、易 自然发火等问题 随着国家“十五”、“十一五”期间 对煤矿高产高效开采技术与装备的攻关与创新促 进了厚煤层超大采高综采技术与装备的快速发展 尤其是神东矿区先后建成了一批千万吨级浅埋超 大采高综采工作面采高从 世纪 年代的 . 增加至当前的 .、.、.、. 支架载荷从当时 的 增加至 工作面单产由当初的 不足千万吨提高至当前的近 万 工作面开采 强度和开采效率均显著增加口孜东煤矿实现了千 米深井 . 大采高综采淮南矿区实现了松软厚 煤层普氏系数 .大采高综采 随着采高和 推进速度的不断增加矿压规律和覆岩结构也产生 了新的变化国内学者在总结“悬壁梁假说”、“铰接 岩块假说”以及“砌体梁理论”的基础上研究提出 了大采高采场顶板的“组合悬壁梁铰接岩梁结 构”为大采高综采顶板管理提供了理论指导相应 的煤壁片帮防治技术、围岩控制技术日趋成熟 大采高开采具有资源采出率高、安全性好、易于 实现自动化等特点是加快煤矿自动化、信息化、智 能化建设实现煤炭产业“减矿、减面、减产、减人” 的首选采煤方法顺应了我国以“安全、高效、绿色、 低碳”为方向推动煤炭产业升级和能源技术革命的 发展趋势在神东、淮南、晋城、潞安等矿区得到了推 广应用取得了良好的经济和社会效益是我国厚煤 层开采的重要发展趋势具有广阔的应用前景 大采高综采基本概念及特征 根据 大采高支架技术条件规 定最大采高大于或等于 . 用于一次采全高工 作面的液压支架称为大采高液压支架对应的回采 工作面称为大采高工作面 大采高综采的特点 主要表现在以下 个方面 大采高综采资源采出率较高 为减缓工作 面顶板初次来压强度综放工作面初采期间一般不 放煤 考虑回撤设备安全减缓末采矿压显现强度 末采期间放煤量也显著减少 受不同条件下顶板裂 隙发育及放煤理论仍不完善的影响放煤损失不可 避免 放顶煤工作面小煤柱护巷、沿空留巷以及沿 空掘巷技术仍不够成熟区段煤柱不可避免 随着 综采工作面初采水力压裂卸压技术、沿空留巷技术、 工作面与巷道大跨度过渡技术的不断成熟以及工 作面走向和倾向长度的不断加大综采工作面初采 和正常回采期间的资源损失均显著降低资源采出 率显著增加 大采高综采的安全性较好 大采高综采割 煤高度加大工作面通风断面增加便于解决工作面 瓦斯超限问题与放顶煤相比采空区遗煤较少自 然发火问题明显减弱 大采高综采将是我国厚煤层实现自动化、无 人化开采的首选采煤方法 综放开采由于增加了一 道放煤工序煤矸自动识别及自动化放煤技术仍处 于探索阶段国内外没有成熟的经验借鉴因此放顶 煤工作面的自动化、无人化开采仍处于起步阶段 大采高综采工作面的自动化开采技术国外成熟经验 借鉴美国的绝大部分长壁综采工作面已全部采用 电液控制系统智能化、远程控制的采煤机平均人 员数量 人单井、单面最高年产超千万吨基本实 现了综采技术的自动化正向无人化开采技术迈 进 近几年随着我国装备制造水平的不断提 高大采高综采技术与装备取得显著进展在引进、 消化、吸收国外先进装备、技术及生产管理经验的基 础上我国的厚煤层自动化、无人化开采技术有望优 先在大采高综采技术方面取得突破 国外大采高综采发展历程 液压支架是大采高综采的关键装备也是大采 高综采技术发展的标志 世纪 年代日本最 先设计了带平台的 大采高液压支架 年 前西德使用贝考瑞特垛式支架成功开采了热罗林矿 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 尹希文我国大采高综采技术及围岩控制研究现状 年第 期 厚煤层随后又相继研制了威斯特伐利亚 /、赫姆夏特 /、蒂森 及 / 等型号的液压支架 世纪 年 代末波兰利用了 年的时间在 个采煤工作面装 备了 / 型两柱掩护式支架另外还设计 开发了 系列两柱掩护式大采高支架 年前西德威斯特伐伦矿采用郝母夏特公司开 发的 / 掩护式支架成功开采了 厚的 煤层 美国于 年在怀俄明州卡邦县 号矿开展 长壁大采高综采技术试验采高 .. 日产量 工效 / 工效果显著 年底前 苏联煤矿有 个采煤工作面装备 大型大 采高支架另外还研制了 型、 型、 型大采高支架 澳大利亚在已经探明的煤矿储量 中有 亿 以上储量的煤层位于. 以上其中至 少 / 的储量在昆士兰主要采用长壁一次采全高采 煤法 煤矿、 煤矿、 煤矿和 煤矿为澳大利亚典型 的利用长壁大采高综采工艺开采厚煤层的煤矿其中 煤矿是澳大利亚最先进的厚煤层开 采煤矿 随后南斯拉夫、美国、法国、南非、澳大利 亚、中国等主要产煤国也都引进了大采高综采技术 均取得了较好的技术与经济效果 目前美国的综采技术与装备处于世界领先水 平 截至 年底美国共有 个长壁综采工作 面最长工作面倾向长度为 最长推进距离为 平均采深 美国拥有久益、卡特彼勒 等世界著名的采矿设备公司绝大部分采煤机均配 置了智能检测、自动存储、无线遥控等自动管理系 统最大割煤高度 最大装备功率 所 有支架均为两柱掩护式、均配备了电液控制系统最 大支撑高度为 . 额定阻力超 综采 工作面平均年产量为 万 最大超过 万 平均人数为 人 国外大采高综采高产高效矿井现 阶段的特点是 矿井高度集约化生产年产 万 万 一矿一面年工作日 两班生产一班检修 工作面平均月产 万 左右日产可达 万 以上 普遍采用大功率高效能重型成套综采设备 采煤机总功率普遍在 以上最高达 割煤高度达 大修周期 可采煤量 万 万 工作面刮板输送机最高功率达 槽宽 最大输送能力 / 过 煤量 万 以上 带式输送机装机功率 最大输送能力达 / 铺设长 度可达 以上 液压支架普遍采用电液阀控 制和高压大流量供液系统架型向两柱掩护式方向 发展最大工作阻力 移架速度 / 架 工作面推进长度一般为 最 长已达 工作面可靠性高 采、装、运和支护设备综 合开机率达 以上 我国大采高综采发展历程 我国于 年从德国赫姆夏特公司引进 / 型掩护式液压支架及相应的采煤运输设备 在开滦范各庄矿 综采工作面开展 .. 厚煤层一次采全高试验取得成功 年在西 山矿务局官地矿 工作面首次使用全套国产 设备取得了 个月采煤 . 万 的效果 年采用自主研制的大采高综采装备在邢台东 庞矿试验开采 .. 的厚煤层平均月产 . 万 最高月产达 万 平均回采工效 . / 工 达到了当时国内最高水平 世纪 年代后期 从法国引进的放顶煤开采技术在国内取得成功该 技术以其一次投资小、适应性好等特点适应了我国 当时的经济状态和复杂的煤层赋存特点得到了迅 速发展 近年来随着我国经济的快速发展煤炭企 业经济实力显著提升对煤炭企业安全、高效、绿色 开采的要求越来越高大采高综采以其安全性好、易 于实现自动化、采出率高等优点得到了迅速发展 神东矿区煤层赋存条件较好煤层平均厚度 、倾角小、赋存稳定、地质构造少、埋藏较浅、顶 底条件好、瓦斯含量低对大采高综采适应性好尤 其适合建设大型、特大型现代化矿井 神东公司现 有 余座高产高效矿井年产能超过 亿 先后 建成国内第一个年产 万、 万、 万 的综采队第一个年产 万、 万、 万、 万 的矿井第一个 、、、 加长 工作面和第一个 .、.、. 超大采高综采工作 面 煤炭采掘机械化程度达到 厚煤层综采 工作面资源回采率达到 以上最高全员工效达 / 工 年大柳塔煤矿首先引进 公司生 产的 型采煤机、 公司生产的 掩护 式支架等全套大采高综采装备当年工作面年产即 达 万 年年产超过 万 达到了当时 的世界领先水平 年 月 日补连塔煤矿 大采高综采工作面 工作面投入试生产 采用郑煤机研制的世界首套 // 型大 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 采高液压支架支护强度为 . 工作面长度 推进长度 创造了单个综采工作面日 产、月产、年产的新纪录 年神东煤炭公司 联合相关科技单位研究 . 超大采高综采技术与 装备 年 月在上湾煤矿 工作在面成功 应用最高日产达 万 工作面采用 // 型两柱掩护式液压支架共布置 套支架其 中 套端头支架 套过渡架 回民巷采用迈步式 超 前 支 架 支 护 主 运 输 巷 超 前 支 架 型 号 //支护长度 . 回风巷超前 支架型号 //支护长度 . 采用 型双滚筒采煤机/ 型 刮板输送机/ 型转载机 大采高综采在我国地质条件优越的神东矿区充 分发挥其优越性后晋城、淮南、潞安等高瓦斯、松软 煤层矿区也先后开展大采高开采试验 年淮 南矿业集团首次采用 // 型大采高液压 支架在张集矿 工作面开展 软煤大采 高开采试验取得成功 年采用 // 型液压支架在潘一矿 工作面开展 软 煤大采高开采试验经济效益显著 年 月 选用 // 液压支架在谢桥矿 工作面开展 . 软煤大采高试验工作面倾向 长 推进长度 最高日产达 . 万 最 高月产 . 万 工作面具备了年产 万 的生 产能力 晋煤集团寺河煤矿为高瓦斯矿井 年 在 工作面采用 // 型国产液压支 架、 型采煤机开展 . 大采高综采试验 平均月产 万 最高月产 万 潞安王庄矿于 年 月开展 软煤大采高试验煤层厚度 . . 倾角为 倾斜长度 推进长度 为 采 用 / 型 采 煤 术 // 型液压支架最高日产量 . 万 最高月产量超过 万 具备年产 万 的生产 能力达到了我国高瓦斯松软煤层大采高开采的最 高单产水平 兖矿集团金鸡滩煤矿 年开 展 . 大采高综采试验每班最高割煤 刀最 高日产 . 万 最高月产 万 口孜东煤矿千 米深井 大采高综采工作面于 年 月回 采平均煤厚 . 倾角 埋深 工 作面长度 采用 型采煤机 / 型液压支架/ 型刮板输 送机最高月产量 . 万 实现了我国千米深井大 采高综采工作面安全高效开采 我国典型大采高开 采工作面基本情况见表 表 我国部分典型大采高综采工作面基本情况 序号矿井名称煤厚/ 采高煤硬度埋深/ 推进长 度/ 倾向长 度/ 支架型号 年产量/ 万 倾角/ 柠条塔...中硬 .// 寺河..中硬 ././ 大柳塔...中硬 .// 红柳林..中硬 .// 补连塔..中硬 .// 上湾...中硬 .// 上湾...中硬 .// 谢桥...松软 .// 赵庄...松软 .// 王庄...松软 .// 金鸡滩...中硬 .// 口孜东..中硬 ./ 在神东等少数煤田地质条件较好区域我国的 大采高综采工作面在单产、工效、百万吨死亡率等方 面已处于国际领先水平 但我国煤田地质条件具有 分布范围广、区域差别大、地质条件复杂等特征在 一些采深大、瓦斯高、地质构造复杂的矿区大采高 综采单产水平和人员工效仍然较低我国综采技术 和装备的整体水平与发达国家相比仍有较大差距 我国的大采高综采技术 年来已经初步形成 了具有中国特色的不同赋存条件的开采技术体系 包括厚特厚煤层、松软坚硬煤层、近水平大倾角 煤层、浅埋深部煤层等各种条件下的开采方法但 不同矿区的技术实力、装备水平、管理水平、煤炭开 采理念存在较大差异综采技术与装备尚存在较大 的发展空间未来研究方向主要集中在 个方面 在条件优越的矿区深入开展智能化、无人化 开采技术和装备的研究 据不完全统计我国已经 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 尹希文我国大采高综采技术及围岩控制研究现状 年第 期 建成了 多个智能化采煤工作面部分矿区初步 实现了“地面一键启动、井下有人巡视、无人值守” 的智能开采模式 但当前我国煤炭企业仍处于从 劳动密集型向人才、技术密集型转变的阶段在提高 劳动生产率减少井下现场作业人员等方面仍有巨 大发展空间 相关规划明确到 年我国将建成 个初级智能化示范煤矿 年全部大型煤矿 基本实现智能化 智能山矿山建设需要在以下方面 开展深入研究工作煤岩识别技术及装备设备位姿 动态监测及场景现场设备故障检测及健康管理系 统围岩动态感知及智能决策系统关键智能设备长 期稳定性等 深入研究复杂地质条件下综采技术及装备 我国的煤田地质条件复杂大倾角、急倾斜、高瓦斯、 千米深井、三软、两硬等条件均有存在且储量较大 现有复杂条件下工作面单产和人员工效与一般条件 相比差距较大在地质构造快速准确探查、综采设备 防倒防滑、精准卸压以及破碎围岩快速加固等方面 的理论和技术有待进一步深入研究 顶板结构及围岩控制技术现状 随着采高的增加大采高工作面顶板垮落高度及 上覆岩层活动范围显著增加矿压显现强度显著增加 围岩控制问题更加突出 液压支架安全阀开启频繁 支架压死事故频发超前支承压力峰值及影响范围增 加煤壁片帮冒顶现象加剧巷道围岩变形量增加超 前支护难度显著加大 为保障矿井的安全开采我国 煤炭科技工作者针对大采高上覆岩层结构、支架与顶 板相互作用关系以及煤壁稳定性等问题开展了大量的 研究工作取得了丰硕的研究成果 钱鸣高等在总结“铰接岩块假说”及“预成裂 隙假说”的基础上通过大量生产实践及岩层移动 观测于 世纪 年代末至 年代初建立了采场 裂隙带岩体的“砌体梁”结构模型 该假说认为采 场顶板岩块破断后能够互相铰合形成其外形如梁其 实是拱的结构体采场顶板控制的主要对象是顶板 破断后形成铰合结构的 个关键块即 、、 岩 块运用材料力学和理论力学理论从接触面挤 压、剪切力、夹角以及断裂岩块长宽的等方面分析了 “砌体梁”结构的稳定条件得出了发生滑落失稳和 回转失稳的条件以及失稳后支架载荷的估算方 法 为研究上覆岩层离层以及地表岩层变形破坏 特征钱鸣高院士又提出了“关键层理论” 该理 论认为在覆岩移动破坏过程中起全部控制作用的 岩层称为主关键层对上部岩体活动局部起控制 作用的岩层称为亚关键层各亚关键层之间或主 关键层和亚关键层之间不协调变形即形成岩体内 部的离层 “砌体梁理论”和“关键层理论”给出了采场顶 板及上覆岩层的结构特征解释了滑落失稳是导致 工作面和地表下沉出现台阶的主要原因“砌体梁 结构”能够自稳是支架工作阻力小于破断岩层载荷 的主要原因 世纪 年代初宋振骐在进行大量现场 观测的基础上建立了以岩层运动为中心的预测预 报、控制设计、控制效果评价三位一体的实用矿山压 力理论 该理论认为基本顶岩层对液压支架的作用 力取决于液压支架对基本顶岩层的抵抗程度主要 存在“给定变形”和“限定变形”两种形式并且给出 了液压支架与围岩的位态方程 闫少宏等在总结“悬壁梁假说”、“铰接岩 块假说”以及“砌体梁理论”的基础上基于大量的 现场实测和理论分析研究提出了大采高采场顶板 的“组合悬壁梁铰接岩梁结构”该理论认为大采 高综采顶板活动空间明显加大顶板岩层随支架前 移并未及时垮落有一定的滞后性而且在垮落之前 难以触矸以“组合悬臂梁”形式运动随着破断后 顶板块体活动空间的减小部分块体相互挤压以 “铰接岩梁”结构形式运动“组全悬臂梁”和“铰接 岩梁”结构在工作面推进过程中能够相互转化 通 过相似模拟试验研究了“组合悬壁梁铰接岩梁结 构”的 种基本运动形式即组合悬臂梁直接垮落 式、组合悬臂梁铰接岩梁转化式、组合悬臂梁铰 接岩梁交替式、组合悬臂梁搭桥反向回转式以及 组合悬臂梁搭桥直接垮落式 “组合悬臂梁铰 接岩梁结构”理论较好地解释了大采高工作面矿压 显现强烈及大小周期来压交替出现的原因在充分 考虑直接顶载荷、基本顶破断后的回转载荷以及采 空区矸石刚度及支撑作用的基础上提出了支架载 荷计算公式 文献基于以下公式计算了塔 山矿 工作面及中煤平朔 工作面合理支 架工作阻力实践证明支护强度确定合理 /. /. / 式中 为支架载荷为基本顶岩块 质量 为岩块间的摩擦系数、 分别为基本顶岩层厚度 与垮落步距、 分别为直接顶岩块厚度和岩块长 度 为顶板岩层破断角为直接顶岩块质量 为岩块容重 为支架合力作用点的位置坐标为 基本顶岩块 下沉量为采空区矸石压缩量 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 为碎胀系数为残余碎胀系数 为第 层直接顶厚度 以上对顶板岩层结构及动动规律研究重点在于 某一位态或最危险位态下的失稳载荷有必要进一 步研究运动过程以及支架载荷动态变化机理 文献将工作面开采过程分为若干个顶板活动 周期将每一个顶板活动周期分为若干个采煤循环 周期在研究支架载荷动态变化特征的基础上综合 “砌体梁”理论、“传递岩梁”理论、弹性基础梁理论 以及牛顿第二定律提出了支架围岩双周期动态作 用模型如图 所示初步揭示了采煤循环内和顶板 活动周期内的液压支架与围岩的动态作用机理通 过寺河矿及新元矿综采工作面实测数据分析验证 效果良好 、岩块间水平挤压力关键块重力煤壁支撑力液压支架支撑力、关键块体铰接点 图 支架载荷与顶板活动双周期作用模型 . 受采高、支承压力影响范围及峰值的加大煤壁 塑性区范围显著增加导致煤壁片帮现象加剧致使 端面距增大架前冒顶事故频发严重影响大采高工 作面的产量提升和安全生产 国内学者针对煤壁片 帮机理及防治措施开展了大量的研究工作取得显 著的成果 总结王家臣、方新秋等、李建国 等学者的研究成果认为在煤质松软件且裂隙发 育的条件下煤壁主要以剪切破坏或滑落式失稳为 主在煤质中硬或坚硬且裂隙发育较小的条件下煤 壁主要以拉伸破坏或压裂破坏为主如图 所示 在煤壁片帮控制方面闫少宏、尹希文等 以中硬或坚硬煤壁发生压裂式破坏机理为指导采 用现场片帮实测、数值模拟和理论分析的方法将煤 壁简化为“压杆”模型成功推导出煤壁在顶板压力 作用下的挠度曲线并指出中硬和坚硬煤壁最易在 . 倍采高处首先发生失稳提出了影响煤壁片帮 主要因素端面距、垂直作用力、水平作用力和合力 作用点与煤壁距离 得到了控制煤壁片帮的两个主 要措施要设计合理的支架结构护帮板长度应不 煤壁压力煤壁所受拉应力工作面采高 图 煤壁失稳形式 . 短于采高的 . 倍在工艺上要采煤机过后即时 移架使无立柱空间及时全封闭 袁永等提出了煤壁支护效应的概念王家臣 等在分析顶板压力对煤壁稳定的影响以及支架 工作阻力在减缓煤壁压力的作用基础上提出了平 衡顶板载荷和保持煤壁稳定的确定支架工作阻力二 元准则 由于软煤层大采高综采工作面片帮现象更加严 重必要时需采取人工措施增强煤壁强度和完整性 目前我国的煤壁加固措施主要分为两种一种是刚 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 尹希文我国大采高综采技术及围岩控制研究现状 年第 期 性加固措施即向煤壁裂隙发育区域打孔并注入马 丽散、固瑞特、水泥浆对化固材料这种加固材料能 够快速凝固显著提高煤壁的承载能力但脆性强 允许煤壁发生变形量较小属于刚性加固措施 另 一种是柔性加固措施杨胜利等在研究棕绳变形 和强度特征的基础上提出了“棕绳注浆”这种新 的煤壁柔性加固技术在赵固二矿 . 大采高工 作面使用效果显著成本大幅降低 这种柔性加固 措施充分发挥了煤壁的自稳能力允许煤壁产生一 定的变形为煤壁片帮防治提供了新思路 综上所述我国大采高综采技术呈现以下发展 特征 采高不断加大工作面宽度不断加长 我国 的大采综采采高由最初的 . 逐步提高至 .、 .、.、.、.、. 工作面宽度逐步提高至 减少了煤巷掘进量和煤柱损失提高了 大采高综采的一次割煤量和单产水平增加了大采 高综采的技术经济效益 大采高综采的应用范围不断扩展 继大采 高综采在神东矿区取得巨大成功后潞安、晋城、淮 南等条件相对复杂矿区对大采高综采的产生了浓厚 的兴趣原采用综放开采的 高瓦斯、松软厚 煤层试验采用大采高综采取得显著的经济和社会 效益提高了大采高综采的适用范围 研究得到了各种不同条件下的围岩变形破 坏机理和控制措施 由于地质条件简单国外对大 采高综采的研究更侧重于装备 而我国各地区煤层 赋存条件差别较大经过近 理论研究和现场实 践研究了松软、大倾角、浅埋、高瓦斯等不同煤层赋 存条件下大采高综采顶板结构特征、矿压规律和片 帮冒顶机理总结形成了一系列围岩控制技术措施 有效保障了大采高综采采场围岩的稳定性 大采高综采产量逐步提升 近年来大采高 综采面产量统计如图 所示 年神东大柳塔矿 采用井口装备打破传统的生产组织管理当年煤炭 产量由原来的 万 跃升至 万 年首次 突破 万 年以后受刮板输送机长度、采 煤机割煤速度、采高等因素影响大幅增加大采高综 采工作面一次采出空间和推进速度难度较大制约 了我国大采高综采工作面的单产水平的提升 年上湾煤矿 综采工作面建成了第一个 . 大采高综采工作面产量显著增加 年补连塔 煤矿 综采工作面建成了第一个 大采高综 采工作面产量突破 万 年补连塔煤矿 综采工作面建成了第一个 . 超大采高综 采工作面受地质条件和管理因素制度单产没有显 著增加 年上湾. 超大采高工作面最高日 产达 万 达到了年产 万 的生产能力 图 年大采高综采工作面产量统计 . 我国大采高综采技术需要解决的主要问题 大采高综采压架事故呈上升趋势合理支架 工作阻力确定方法仍需深入研究 近年来神东、淮 南、皖北等矿区大采高综采面频繁发生切顶压架事 故见表 液压支架是维护回采空间人员和设备安 全的关键设备合理支架工作阻力是在准确分析顶板 结构特征及支架围岩关系基础上确定的核心参数 现有支护强度确定方法主要有工程类比法、数值模拟 法以及理论分析法研究得到了合理的计算公式但 公式中的一些核心参数如碎胀系数、采空区矸石刚 度、垮落角等关键参数研究较少合理支架工作阻力 确定仍需针对具体参数开展精细化研究工作 煤壁片帮冒顶机理及控制技术仍需深入研 究 煤壁片帮是降低大采高综采面开机率、制约单产 水平提升的突出问题之一 煤壁、液压支架以及采空 区矸石共同支撑上覆岩层载荷现有煤壁片帮机理研 究成果主要是在单纯研究煤壁的应力分布和变形特 征的基础上得到的仍应深入研究液压支架工作阻力 以及采空区矸石的支撑作用对煤壁稳定性的影响 护帮板是维护煤壁稳定性最方便、最经济的手段充 分发挥护帮板的性能够起到事半功倍的护帮效果 目前护帮板长度已经有了初步的确定原则但护帮力 的计算仍以经验为主缺乏合理的理论指导 结合矿压与微震监测研究矿压精准预警技 术 覆岩运动是矿山压力的力源现有的“砌体 梁”、“传递岩梁”、“悬臂梁”等理论主要是研究覆岩 结构失稳后的最大载荷为液压支架支护强度设计 提供了理论依据对覆岩从破断到失稳的运动过程 及其对工作面矿压显现的影响研究较少 微震系统 能够监测覆岩破断位置和破断方式是覆岩破断和 运动规律有效手段之一 将工作面回采过程中的覆 岩破断规律与液压支架载荷的动态变化规律相结 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 表 部分大采高综采工作面压架事故统计 序号事故发生地点年份采高/ 支架额定阻力/ 事故描述诱发因素 大柳塔煤矿 工作面 . 距回撤通道 . 时 号支架 压死 号支架安全阀开启 上覆 煤遗留煤柱导致 应力集中支护强度不足 哈拉沟煤矿 工作面 . 地面形成直径约 深约 的塌陷区 埋深 基岩 支护强度不足 石圪台矿 工作面 . 进入上覆集中煤柱 . 时 号与架突然下缩 部分支架 压死出煤柱 . 时 号支 架处台阶下沉损坏 根立柱 个安全阀 浅埋深、工作面过上覆遗 留煤柱支护强度不足 顾北矿 工作面 .大量支架压死上覆松散含水层 干河煤矿 工作面 . 号支架大量掩护梁被压坏工 作面淋水量显著增加 上覆 、 砂岩裂隙含 水层支护强度不足 晋华宫矿 和 工作面 . 共 次大范围压架事故损坏立柱 根安全阀 个停产 有冲击载荷片帮冒顶严重支架低 头现象严重 支护强度不足、顶板有 的坚硬粉砂岩 合揭示覆岩运动与工作面矿压的时空对应关系研 究工作面顶板灾害的先兆信息和预警指标实现矿 压精准预警 顶板灾害具有点多面广、防治难度大 的特点无论是发生起数还是死亡人数都已居我国 煤矿各类事故之首实现矿压精准预警有利于及时 采取措施减少顶板灾害的发生 结论与展望 我国少数矿区的大采高综采单产水平和人 员工效已经达到世界领先水平但由于煤层赋存条 件差别较大煤层松软、倾角大、采深大、地质构造发 育等复杂地质条件普遍存在个别矿区的单产水平 和工效仍处于较低水平较国际先进水平相比仍有 很大差距 总结了我国大采高综采技术的发展特征采 高不断加大最大采高已达 . 工作面宽度不断 加大最宽达 应用范围不断扩展松软、大倾 角、浅埋、高瓦斯等不同煤层赋存条件下大采高综采 工作面已实现安全高效开采大采高综采产量逐步 提升 提出了大采高综采技术需要解决的主要问 题认为切顶压架、片帮冒项是制约大采高、超大采 高工作面安全高效开采的主要因素通过提高液压 支架载荷将矿压与微震监测技术相结合实现矿压 精准预警是防治工作面顶板灾害的有效途径 基于我国大采高综采发展现状未来研究方 向主要集中在 个方面在大采高综采技术与装 备相对成熟的矿区开展智能化开采技术与装备等方 面的深入研究需要充分提高技术与装备可靠性、提 高工作面装备群的自动化水平、发展无人化开采技 术在复杂地质条件下推广大采高技术与装备的 应用需要发展复杂地质条件的精准探测技术、大倾 角、大采深、复杂地质构造、松软煤层条件的对应技 术与装备 参考文献 王家臣.我国厚煤层开采技术新进展 / / 第七次煤炭科技术 大会论文集. 袁 永屠世浩王 瑛等.大采高综采技术的关键问题与对 策探讨.煤炭科学技术. . . 许 宏.厚煤层大采高综采装备发展现状研究.技术与市 场. . . 李西蒙刘长友 .美国快速推进长壁工作面开采设 备发展现状.煤炭科学技术. . . . 朱涛.软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究 .太原太原理工大学. 李俊斌.深井“三软”突出煤层 . 大采高综采技术.能源 技术与管理. . “ ” . . . 钱鸣高刘听成.矿山压力及其控制.北京煤炭工业出版 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 尹希文我国大采高综采技术及围岩控制研究现状 年第 期 社. 钱鸣高缪协兴许家林.岩层控制中的关键层理论研究.煤 炭学报. . . . 宋振骐.实用矿山压力控制.徐州中国矿业大学出版 社. 闫少宏于 雷徐 刚等.大采高综采工作面产量再提高的 回采工艺研究.煤炭科学技术. . . . 于 雷闫少宏.特厚煤层综放开采顶板运动形式及矿压规律 研究.煤炭科学技术. . . . 闫少宏尹希文许红杰等.大采高综采顶板短悬臂梁铰接 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