急傾斜厚煤層綜采一次采全高礦壓控制技術(shù)

趙大勇 龐繼祿

山東能源新礦集團(tuán)內(nèi)蒙能源有限責(zé)任公司

急傾斜厚煤層綜采一次采全高礦壓控制技術(shù)

趙大勇 龐繼祿

山東能源新礦集團(tuán)內(nèi)蒙能源有限責(zé)任公司

趙大勇（1961-）男，山東臨沂人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)和安全管理工作。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)急傾斜煤炭?jī)?chǔ)量占我國(guó)煤炭資料儲(chǔ)量的17%，年產(chǎn)量占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的8%～10%。急傾斜煤層在我國(guó)分布較廣，賦存條件復(fù)雜，開(kāi)采礦井?dāng)?shù)量多，開(kāi)采難度大，近年來(lái)發(fā)生了多起重特大事故。急傾斜煤層采煤研究遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到緩傾斜煤層開(kāi)采的水平。

我國(guó)在急傾斜厚煤層開(kāi)采領(lǐng)域，主要推廣綜采放頂煤技術(shù)，取得了較好的效果，但是，在采高4.5～5.0m、傾角45～55°的礦井，不適合綜放開(kāi)采，且大傾角大采高機(jī)械化綜采仍存在諸多難題，巖層控制為技術(shù)難點(diǎn)之一。

上海廟礦區(qū)主采煤層厚度達(dá)到5m以上，最大傾角達(dá)到52°，為主采煤層，儲(chǔ)量豐富，目前在采礦井產(chǎn)能超過(guò)2000萬(wàn)t。本文以上海廟礦區(qū)福城煤礦1901S工作面為研究對(duì)象，研究急傾斜大采高綜采頂板控制技術(shù)，為今后為上海廟礦區(qū)實(shí)現(xiàn)相似條件工作面的開(kāi)采提供借鑒。

試驗(yàn)工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件

所采煤層為九層煤，厚約5.01m；煤層傾角平均33.7°，最大52°；密度1.4t/m3。煤層頂板依次為石灰?guī)r（厚2.0m）、泥巖（厚7.4m）等。煤9底板按次序?yàn)榉凵皫r（厚3.9m）、泥巖（厚3.3m）等。

1901S工作面位于+850水平一采區(qū)，平均埋深278.5m。

試驗(yàn)工作面區(qū)段布置方案

（1）工作面推進(jìn)長(zhǎng)度

急傾斜煤層不適合設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離工作面，根據(jù)該礦階段劃分條件，確定走向長(zhǎng)度不大于2000m。

（2）工作面傾斜長(zhǎng)度：根據(jù)工作面構(gòu)造及采區(qū)設(shè)計(jì)方案，確定傾斜長(zhǎng)度為162.5m，部分地段因構(gòu)造切割使工作面長(zhǎng)度發(fā)生變化。

（3）巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

回風(fēng)巷支護(hù)設(shè)計(jì)：巷道斷面形狀為矩形，凈斷面9.68m2。

運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)：沿煤層頂板布置，采用錨帶網(wǎng)支護(hù)。矩形斷面，凈斷面11.0m2。

切眼支護(hù)設(shè)計(jì)：沿煤層頂板布置巷道，錨帶網(wǎng)支護(hù)。

覆巖運(yùn)動(dòng)特征與控制方法

開(kāi)采難題：易飛矸傷人，易片幫甚至冒頂，易底鼓或滑脫。

因此，為解決上述問(wèn)題，首先研究圍巖控制。

覆巖運(yùn)動(dòng)特征

（1）直接頂運(yùn)動(dòng)規(guī)律

由于大傾角煤層工作面直接頂冒落高度上下部不一致，只能計(jì)算平均的高度。

1）直接頂?shù)暮穸?/p>

MZ=（H－SA）/（KA－1）=0.75×（3.7～4.7）/（1.35－1）=7.9－10m；式中，MZ－直接頂厚度，3.7－4.7m；H－采高，m；SA－老頂在采空區(qū)沉降量，大約為0.25 H；KA－冒落矸石碎漲系數(shù)。

（2）直接頂?shù)某醮慰迓洳骄?/p>

直接頂L為：

μ為質(zhì)量指數(shù)（取0.6）、M為厚度，α為煤層傾角，得L為13m左右。

2）老頂運(yùn)動(dòng)規(guī)律

初次來(lái)壓步距L為：

μ=0.7，得L=36m

將第二老頂數(shù)據(jù)代入，μ=0.7，M=15.5m，α=42°。得到：L2=55m。

圖1　底板巖層計(jì)算模型

圖2　工作面頂板壓力的力學(xué)模型

圖3　液壓支架

底板滑移模型與控制分析

如采空區(qū)底板視為兩端梁，則巖層所受的切向力可以視為對(duì)梁的軸向作用力，而法向力可以視為對(duì)梁的橫向作用力。

建立巖層結(jié)構(gòu)模型。α－巖層傾角，l－斜長(zhǎng)、h－層厚，γ－密度，E－彈模，φ－內(nèi)摩擦角，C－內(nèi)聚力。q1－y方向的分量之和合力。P－軸壓，q2 －x方向力。如圖1所示。

邊界條件：x=0，y=0，y’=0；x=L，y=0，y’=0。A處固定，B處滑塊。

根據(jù)平衡條件（靜力），微分方程為：

由此確定底座支架受力小于額定底板比壓，是防止底板失穩(wěn)的必要條件。

綜采支架特性

根據(jù)文章，研究需要的支架特性。分析覆巖特征，1901S工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖2。

設(shè)支架工作阻力為P，則：

式中：La－每架支架所控制的工作面長(zhǎng)度，1.75m；

γ－體積力，取23.0KN/m3；

h－垮落帶直接頂厚度，9.39m；

LZ’－直接頂巖梁長(zhǎng)度為支架控頂距Lh，4.34m；

n－取1，分層數(shù)（指老頂上部）；

γl1－體積力（冒落的下位老頂），取值同γ；

hl1－13.7m，指冒落的下位老頂厚度；

Llk1－ 18.0m，指冒落的下位老頂長(zhǎng)度；

α為煤層傾角；

K－安全系數(shù)，取1.1；

η’－掩護(hù)梁矸石等影響穩(wěn)定的系數(shù)，取0.9。

表1　工作面與支架對(duì)應(yīng)分析

截深為0.8m。圖3為選取的液壓支架及工作狀態(tài)。實(shí)測(cè)壓力顯現(xiàn)小于額定工作阻力。

支架防滑防倒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）下端頭支架防倒設(shè)計(jì)

重點(diǎn)：下端頭支架防倒。上端頭不易倒架等。

設(shè)計(jì)方法：在頂梁安裝防倒油缸，支架的后連桿通過(guò)補(bǔ)加油缸鏈子，快捷控制支架，有效避免倒架或支架偏移。

（2）兩端頭之外的支架防倒

設(shè)計(jì)方法：在頂梁補(bǔ)加側(cè)向千斤頂，最下部數(shù)組支架尾部補(bǔ)加千斤頂防滑，頂梁補(bǔ)加千斤頂防倒。

通過(guò)在移架時(shí)控制千斤頂防倒、防滑，側(cè)向千斤頂打開(kāi)，滿(mǎn)足防倒要求。

小結(jié)

（1）針對(duì)內(nèi)蒙上海廟礦區(qū)急傾斜厚煤層地層條件，確定區(qū)段布置參數(shù)，研究覆巖移動(dòng)規(guī)律，確定控制設(shè)計(jì)方案，形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；

（2）建立底板滑移模型和底板巖層運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)分析表達(dá)方法，確定采用大底座支架，實(shí)測(cè)沒(méi)有超過(guò)額定底板比壓，能夠有效防止底板失穩(wěn)；

（3）實(shí)踐驗(yàn)證了設(shè)計(jì)滿(mǎn)足開(kāi)采要求。為上海廟礦區(qū)實(shí)現(xiàn)相似條件工作面的開(kāi)采提供借鑒。

本項(xiàng)目的具體實(shí)施還考慮設(shè)備配套、具體地質(zhì)構(gòu)造特征等，制定針對(duì)的設(shè)計(jì)方案。