大傾角極堅硬頂板易發(fā)火煤層綜放開采關(guān)鍵技術(shù)研究*

孫曉冬馮國春馬兆瑞

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京市石景山區(qū)，100049；3.黑龍江鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司富力煤礦，黑龍江省鶴崗市，154100）

大傾角極堅硬頂板易發(fā)火煤層綜放開采關(guān)鍵技術(shù)研究*

孫曉冬1，2馮國春3馬兆瑞1

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京市石景山區(qū)，100049；3.黑龍江鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司富力煤礦，黑龍江省鶴崗市，154100）

針對富力煤礦大傾角極堅硬頂板易發(fā)火煤層綜放開采關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。工作面設(shè)計采用正傾斜布置方式，巷道沿煤層底板布置，采用深孔爆破預(yù)裂和水力壓裂綜合技術(shù)治理堅硬頂板；設(shè)計使用的ZF5600/16/28型支撐掩護(hù)式液壓支架具有強(qiáng)力側(cè)推機(jī)構(gòu)和可單獨(dú)動作的雙千斤頂調(diào)底機(jī)構(gòu)；采用的工作面防倒防滑技術(shù)合理有效。實(shí)踐表明，工作面每日可推進(jìn)4個循環(huán)，進(jìn)尺3.2 m/日，測試回收率達(dá)到86.76%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

大傾角煤層 易發(fā)火煤層 極堅硬頂板 綜放開采 防滑 深孔爆破預(yù)裂 水力壓裂

自20世紀(jì)80年代中期以來，我國煤炭行業(yè)經(jīng)歷了國外傾斜或急傾斜綜采設(shè)備引進(jìn)、自主成套設(shè)備研發(fā)、自主設(shè)備改良推廣和大傾角煤層大面積機(jī)械化開采?，F(xiàn)階段已基本解決了傾角55°以內(nèi)的長壁工作面的綜采技術(shù)問題，多個礦區(qū)在大傾角厚煤層工作面采用傾斜布置走向長壁綜放開采獲得了成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。但部分礦區(qū)大傾角復(fù)雜條件下煤層開采仍然是難點(diǎn)問題，成功解決此類大傾角煤層開采成為行業(yè)發(fā)展的又一方向。

1　概況

富力煤礦是龍煤集團(tuán)鶴崗分公司的主力礦井之一，核定生產(chǎn)能力為2 Mt/a。由于開采年限較長，剩余資源儲量多位于二水平-380 m以下11#煤層。11#煤層賦存條件復(fù)雜，煤層厚度4.94～10.8 m，平均厚度8.49 m，煤層傾角38°～45°，最大埋深約712.8 m，地表處于緩慢下沉帶內(nèi)。該礦為瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量為22.59 m3/min，相對涌出量4.88 m3/t，所開采煤層均屬易發(fā)火煤層，煤塵具有爆炸性。11#煤層單軸抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果見表1，平均單軸抗壓強(qiáng)度10.44 MPa，煤層強(qiáng)度較小，不利于工作面片幫冒頂控制。

表1　煤樣單軸抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果

11#煤層直接頂為1.0 m的細(xì)粒砂巖，上部賦存有12.1 m的粗粒砂巖，平均普氏硬度系數(shù)為12.6，為極堅硬頂板，且煤層自然發(fā)火期短，11#煤層為大傾角極堅硬頂板易發(fā)火煤層。該類煤層工作面長度不宜布置過長，否則影響推進(jìn)速度，不利于采空區(qū)防滅火，加之傾角大，無法提供足夠的迫使頂板及時破斷的壓力，采煤后易形成頂板懸空狀態(tài)，不能自然冒落，嚴(yán)重制約著采用走向長壁綜采放頂煤采煤工藝的實(shí)施。由于煤層松軟，工作面?zhèn)涡辈贾迷斐身斆阂子诼淙氩煽諈^(qū)，降低了頂煤回收率，也增加了采空區(qū)遺留浮煤發(fā)火幾率。

因此針對該類型煤層特點(diǎn)，研究適宜的安全高效高回收率開采方法，開發(fā)適應(yīng)性較強(qiáng)的配套設(shè)備，不僅關(guān)系到富力礦的可持續(xù)發(fā)展，并且對鶴崗和東北礦區(qū)及國內(nèi)類似煤層開采具有重要的參考意義。

2　工作面布置方式

工作面沿傾斜方向布置方式常用的有沿煤層底板布置、圓弧過渡布置和斜切布置3種，工作面傾斜布置3種方式示意圖如圖1所示。沿煤層底板布置方式（圖中a部分）的優(yōu)點(diǎn)是有利于提高煤炭回收率，對煤層厚度變化適應(yīng)性強(qiáng)，減少了采空區(qū)遺留浮煤，有利于采空區(qū)發(fā)火問題治理，但上下端頭頂板管理難度大。圓弧過渡布置方式（圖中b部分）的優(yōu)點(diǎn)是有利于控制設(shè)備的整體下滑，簡化了下端頭支護(hù)，解決了刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接問題，缺點(diǎn)是上端頭支護(hù)難度大，回采過程中對圓弧段割煤工藝技術(shù)要求高，對煤層厚度變化適應(yīng)性差，浪費(fèi)了下端三角煤。斜切布置方式（圖中c部分）與沿煤層底板布置方式相比，有利于工作面設(shè)備的防倒防滑，但上下端頭頂板支護(hù)難度大，下端頭底煤損失大，不利于采空區(qū)浮煤發(fā)火治理。

圖1　工作面傾斜布置方式示意圖

經(jīng)調(diào)研，大傾角工作面沿走向方向多采用偽仰斜布置，沿垂直于偽仰斜方向推進(jìn)。這種布置方式可相對減小工作面傾角，推進(jìn)過程中，前后輸送機(jī)和支架有上移方向位移分量，可抵消或減少前后輸送機(jī)與支架的下滑量。但偽仰斜布置增加了工作面管理難度，降低了移架和推進(jìn)速度，增加了頂煤落入采空區(qū)的幾率。

通過比較分析認(rèn)為在工作面設(shè)備滿足防倒防滑要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇正傾斜布置方式，不僅可適當(dāng)增加移架速度，而且可提高頂煤回收率，避免上部頂煤遺落至采空區(qū)。

3　開采方案

11#煤層綜放工作面傾斜方向采用沿煤層底板布置方式，走向方向采用正傾斜布置方式，工作面傾斜長度100 m，割煤高度2.6 m，放煤高度5.89 m，采煤機(jī)截深確定為0.8 m，設(shè)計進(jìn)尺3.2 m/日。工作面配套設(shè)備如表2所示。

表2　工作面配套設(shè)備

4　極堅硬頂板綜合治理技術(shù)

11#煤層上覆12.1 m的粗粒砂巖，厚度大且極其堅硬，易造成大面積懸頂，不利于頂煤回收，初次來壓和周期來壓期間一旦發(fā)生垮落往往來壓強(qiáng)烈，有明顯的動壓沖擊載荷現(xiàn)象。能否對極堅硬頂板有效處理是關(guān)系到11#煤層安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

國內(nèi)堅硬頂板弱化多采用爆破技術(shù)，處理頂板對生產(chǎn)造成干擾大，存在一定的安全風(fēng)險。同時考慮到11#煤層頂板巖石具有弱沖擊傾向性，因此工作面初采期間采用深孔預(yù)爆破方式弱化頂板，正?；夭善陂g采用高壓注水弱化方式弱化頂板。

4.1頂板深孔爆破弱化處理

初采期間對工作面上部約30 m的范圍頂板進(jìn)行處理，處理頂板的垂直高度約為31.3 m，為此設(shè)計了一組深孔，共3個孔，鉆孔布置在距切眼約10 m處的卸壓巷道中。1#孔孔深40 m，水平夾角5°；2#孔孔深42 m，水平夾角23°；3#孔孔深38 m，水平夾角40°，可滿足處理高度要求。根據(jù)煤礦現(xiàn)有鉆機(jī)的型號、鉆頭及鉆桿尺寸，并考慮到炸藥直徑63 mm，以及達(dá)到爆破能量要求，確定炮孔直徑為75 mm，炮孔封孔長度14～19 m，炮孔布置方案見圖2，工作面回采前完成爆破弱化工作。

圖2　炮孔布置方案

4.2回采期間頂板高壓注水處理

試驗證明頂板高壓注水可有效地破壞巖體的完整性，達(dá)到保護(hù)采掘工作面的目的，這種技術(shù)比爆破弱化處理頂板技術(shù)易操作、安全系數(shù)高、成本低。

沿卸壓巷道每隔25 m施工一個高壓注水鉆孔，鉆孔方位與頂板卸壓巷垂直，鉆孔仰角5°，孔長50 m，鉆孔直徑75 mm。鉆孔打好后立刻進(jìn)行封孔，封孔使用水泥封孔器，封孔長度10 m。工作面共施工20個高壓注水孔。

注水使用高流量3D2A-SZ泵注水，泵站壓力25 MPa。注水順序為自工作面向外部鉆孔依次注水。每孔每天注水時間為3 h以上，為避開受采動影響壓力增大區(qū)域，注水作業(yè)距工作面距離不小于30 m。

5　支架特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

工作面采用鄭州煤機(jī)廠生產(chǎn)的ZF5600/16/28型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架中心距1.5 m，初撐力5234 k N，平均支護(hù)強(qiáng)度0.8 MPa。為適應(yīng)超過40°的工作面傾角條件，支架設(shè)計了強(qiáng)力大行程側(cè)推機(jī)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)屬于主動防倒機(jī)構(gòu)，支架每側(cè)的側(cè)護(hù)板共設(shè)置8根側(cè)推千斤頂，總推力遠(yuǎn)大于支架重量。側(cè)推機(jī)構(gòu)每側(cè)行程150 mm，支架寬度調(diào)節(jié)范圍達(dá)到300 mm，使支架具有良好的防倒能力。支架底座一側(cè)設(shè)置防滑梁裝置，兩側(cè)均帶有2個可以單獨(dú)動作的底調(diào)千斤頂。當(dāng)支架發(fā)生下滑時，可通過底調(diào)梁和相鄰支架的底調(diào)千斤頂調(diào)整支架狀態(tài)。

6　工作面防倒防滑技術(shù)

通過研究工作面支架受力特點(diǎn)，采用多種工作面防倒防滑技術(shù)，有效地控制了工作面設(shè)備的下滑。

（1）工作面設(shè)備。工作面采用了斜拉式防倒裝置，三組支架設(shè)置一組斜拉裝置，同時設(shè)置了頂梁平拉防倒裝置。正傾斜大傾角綜放工作面液壓支架要承受較大的側(cè)向力，設(shè)計的支架加大了側(cè)護(hù)板的強(qiáng)度和寬度，可有效封閉頂板并防止相鄰支架倒架。前、后刮板輸送機(jī)溜槽底部均焊接橫向防滑鋼筋用于防滑。

（2）移架工藝。在移架過程中，支架稍降，并帶有一定的支護(hù)阻力，擦頂前移，在限制頂煤向下位移的同時，能夠使支架承受一定的支護(hù)阻力，從而利于支架自身穩(wěn)定，也能有效阻止支架傾倒、下滑。

（3）頂煤穩(wěn)定性控制。由于支架上部頂煤破碎，極易造成冒頂垮落，不利于支架接頂，工作面支架上方設(shè)計鋪雙層金屬頂網(wǎng)。為提高頂煤回收率和維護(hù)支架穩(wěn)定性，工作面放煤方式采用間隔多循環(huán)多輪次放頂煤方式，每個放煤口的放煤時間3～5 min，當(dāng)放煤到工作面上端頭后，再由上端頭起進(jìn)行下一輪次放煤，使煤及頂板均勻下降。

7　結(jié)語

（1）采用堅硬頂板深孔爆破預(yù)裂和水力壓裂綜合治理技術(shù)，可有效處理平均抗壓強(qiáng)度126 MPa、結(jié)構(gòu)完整的砂巖頂板，降低了工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。

（2）開發(fā)了具有強(qiáng)力大行程側(cè)推機(jī)構(gòu)、可單獨(dú)動作的雙千斤頂調(diào)底機(jī)構(gòu)的ZF5600/16/28型支撐掩護(hù)式液壓支架，設(shè)計了前輸送機(jī)防滑底推千斤頂，設(shè)計了合理的工作面防倒防滑技術(shù)，適用于大傾角極堅硬頂板松軟煤層地質(zhì)條件，滿足工作面正傾斜布置要求。

（3）11#煤層首采綜放工作面采用新型綜放設(shè)備及工藝技術(shù)后每日可推進(jìn)4個循環(huán)，進(jìn)尺3.2 m/日，測試回收率達(dá)到86.76%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會效益，由于推進(jìn)速度較快，還有利于防火工作，間接地降低了防火工作成本。

［1］ 劉躍飛.大傾角特厚煤層綜合放采場支架-圍巖相互作用關(guān)系研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2012

［2］ 李柱.大傾角煤層走向長壁大采高開采圍巖運(yùn)移規(guī)律研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2013

［3］ 李來源.復(fù)雜條件大傾角綜放工作面冒頂?shù)辜軝C(jī)理及控制技術(shù)研究［D］.山東科技大學(xué)，2011

［4］ 章之燕.大傾角綜放液壓支架穩(wěn)定性動態(tài)分析和防倒防滑措施［J］.煤炭學(xué)報，2007（7）

［5］ 劉昌平.大傾角厚煤層長壁綜放工作面端頭支護(hù)技術(shù)實(shí)踐［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006（10）

［6］ 張帥.大傾角走向長壁綜采配套設(shè)備的防倒防滑措施［J］.河北煤炭，2007（3）

［7］ 韓書才，王永槐，楊吉文.急傾斜厚煤層走向長壁綜放工作面支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性及其控制 ［J］.煤礦安全，2008（10）

［8］ 周勤.急傾斜厚煤層走向長壁綜放開采支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及控制［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2009（4）

［9］ 翟紅勝.大傾角6～7 m厚煤層綜放開采支架與圍巖關(guān)系研究［D］.西安科技大學(xué)，2012

［10］ 高維智.大傾角巨厚含礫粗砂巖堅硬頂板弱化處理技術(shù)與應(yīng)用［J］.中國煤炭，2012（3）

（責(zé)任編輯 張毅玲）

第四批礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)公布

日前，國土資源部公布了第四批礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)。

該批次發(fā)布的先進(jìn)適用技術(shù)共51項，其中包括：“煤礦通風(fēng)瓦斯（乏風(fēng)）發(fā)電利用技術(shù)”等11項煤炭資源技術(shù)，“復(fù)雜碳酸鹽縫洞體雕刻及勘探開發(fā)技術(shù)”等8項油氣資源技術(shù)，“電解錳節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)”等14項黑色金屬礦技術(shù)，“極高濃度氰化尾液3R-O新技術(shù)及配套裝備研究與應(yīng)用”等9項有色及稀貴金屬礦技術(shù)，“低品質(zhì)磷礦富化制磷技術(shù)”等8項化工及非金屬礦技術(shù)，以及 “CO2和O2原地浸出采鈾工藝”1項放射性礦技術(shù)。

據(jù)介紹，先進(jìn)適用技術(shù)是提高礦山開發(fā)利用水平最有效的途徑，推廣先進(jìn)適用技術(shù)對提高我國資源利用效率和保障能力、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、健全礦產(chǎn)資源節(jié)約集約利用機(jī)制、促進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新、提高礦產(chǎn)資源節(jié)約集約利用水平起到積極促進(jìn)作用。

從2012年開始，國土資源部先后分3批一共推薦先進(jìn)適用技術(shù)159項，其中采礦技術(shù)59項、選礦技術(shù)40項、共伴生礦產(chǎn)及尾礦等綜合利用技術(shù)60項；涵蓋了油氣、煤炭、金屬、非金屬礦產(chǎn)，其中油氣礦產(chǎn)技術(shù)22項，煤炭礦產(chǎn)技術(shù)34項、金屬礦產(chǎn)技術(shù)70項、非金屬礦產(chǎn)技術(shù)33項，有力促進(jìn)了礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用技術(shù)水平的提高。

Research on the key technology of fully mechanized caving mining in flammable coal seam with large inclined angle and extra hard roof

Sun Xiaodong1，2，，F(xiàn)eng Guochun3，Ma Zhaorui1
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Shijingshan，Beijing 100049，China；3.Fuli Coal Mine of Heilongjiang Hegang Mining Co.，Ltd.，Hegang，Heilongjiang 154100，China）

The key technology of fully mechanized caving mining in flammable coal seam with large inclined angle and extra hard roof was researched.The working face adopted positive inclination arrangement，the roadway arranged along the coal seam floor，and deep-hole blasting presplitting method and hydrofracture technique were adopted to control the roof.ZF5600/16/28 chock-shield hydraulic supports were adopted，which had powerful side thruster and base adjustment device with two jacks，the jacks could run independently.The the technology of anti-skid and anti-collapse applied in working face was reasonable and effective.Practice showed that the working face advanced 4 production cycles and 3.2 m per day，and the test recovery reached 86.76%，this research achieved preferable economic and social benefits.

coal seam with large inclined angle，flammable coal seam，extra hard roof，fully mechanized caving mining，anti-skid，deep-hole blasting presplitting，hydrofracture

TD823

A

孫曉冬（1984-），男，河南濮陽人，助理研究員，博士研究生，主要從事煤礦安全高效開采、地質(zhì)工程災(zāi)害防治技術(shù)研究。

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目——中小煤礦機(jī)械化開采關(guān)鍵技術(shù)及示范（2012BAK04B08）