大傾角綜放開采綜合技術研究與應用

楊世杰，王東方，范振東

(華亭煤業(yè)集團有限責任公司，甘肅 華亭 744100)

大傾角綜放開采綜合技術研究與應用

楊世杰，王東方，范振東

(華亭煤業(yè)集團有限責任公司，甘肅 華亭 744100)

研究應用開切眼導孔施工、反S型豎曲線布置開切眼、滑車滑道下放液壓支架、分段放煤移架、片幫冒頂處理、防倒防滑、頂板控制、液氮防滅火等急傾斜特厚易燃煤層傾斜分層大傾角綜放開采綜合技術，提高了工作面生產能力和資源采出率，實現了安全高效開采。

大傾角；綜放開采；急傾斜特厚煤層；傾斜分層

Application and Study of Large Inclined Angle Fully Top Coal Mining Technology

中國華能集團華亭煤業(yè)公司東峽煤礦，設計生產能力1.50Mt/a，低瓦斯礦井。煤層平均厚度19.6m，傾角為55～74°，自然發(fā)火期3～6個月，最短發(fā)火期37d，屬急傾斜特厚易燃煤層，采用水平分段綜放開采。為了提高工作面產能和資源采出率，自2011年12月至2015年5月，在本礦急傾斜特厚易燃煤層中進行了傾斜分層走向長壁綜放開采試驗研究，歷時3年多，在開采研究過程中，經歷了工作面片幫、冒頂、液壓支架傾斜、倒架、咬架、自然發(fā)火、瓦斯超限等多種困難和問題，通過與科研單位及院校合作進行技術攻關，研發(fā)和配套了適合大傾角綜放開采的技術裝備，優(yōu)化了開采工藝，解決了各種技術難題，取得了良好效果。

1 傾斜分層走向長壁大傾角綜放開采關鍵技術

1.1 工作面設計布置

采用傾斜分層走向長壁大傾角綜放開采，取代原有的水平分段綜放開采。共分2層，上分層37220-1工作面分層厚度9.9m，其中采高2.5m，放頂煤高度7.4m，采放比為1∶2.92，工作面傾斜長度60m，可采走向長度1009m，2011年12月綜采設備開始安裝，2013年10月回采結束；下分層37220-2工作面分層厚度9.7m，傾斜長度102m，工作面下段采用圓弧過度，其中靠近下端頭的10.5m為水平段，中下部21m為圓弧過度段，上部70.5m為傾斜段，工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置

1.2 開切眼施工技術

開切眼設計高度2.6m，寬度7.5m，矩形斷面，面積19.5m2，錨網索支護。該處煤層傾角55°，無法采用綜掘施工，炮掘出煤、排水也十分困難，安全性差。研究采用LM-120型反井鉆機導孔施工技術，從開切眼上口沿開切眼方向向下打鉆，形成直徑200mm的導向鉆孔，再安裝大鉆頭，利用鉆機從下向上擴孔，形成直徑1.2m的鉆孔；沿鉆孔方向從上向下擴掘開切眼，邊掘進邊支護，一次成巷；掘進煤及涌水均從鉆孔流至運輸巷，既保障了施工安全，又大幅度提高了掘進速度，僅用18d時間安全掘進貫通。

1.3 液壓支架安裝技術

開切眼沿剖面方向采用S型布置，即開切眼上、下兩端與兩巷采用圓弧段連接，中部傾角變大，達到58°以上。設計采用絞車和專用滑道、滑車下放設備：在開切眼中安設滑道，制作專用滑車，用于支架下放；滑道由2條間距1.2m的軌道制作而成，鋪設如圖2、圖3所示；滑車由長度1500mm、寬度600mm的鋼板和直徑30mm的圓鋼制成，如圖4所示。

圖2 滑道制作

圖3 滑道鋪設

圖4 滑車制作設計

開切眼上口的巷道煤壁中布置絞車硐室，平行安裝2臺JH-30絞車，運輸巷距離開切眼55m處靠頂板側安裝1臺JM-14型絞車，用于開切眼下放支架時穩(wěn)架和拉架；在開切眼上口將支架固定在特制的滑車上，讓支架前梁朝向煤壁，橫向沿滑道下滑至安裝位置，然后停止滑車，穩(wěn)架絞車松繩，支架自動從滑車下滑至開切眼，完成卸架工作；然后升起支架立柱，支護頂板，完成支架的下放和安裝，解決了支架縱向下放存在的卸架、轉向等難題，消除了倒架問題。

1.4 工作面設備配置

配套1臺MG250/600-QWD型采煤機，70架液壓支架，其中基本架46架，圓弧過渡段支架19架，過渡支架3架，端頭支架2架；最小控頂距4240mm，最大控頂距4840mm。主要設備配置如表1所示。

為了控制支架下滑和擠架，設計采用了具有雙側雙活側護板、底調梁、調架油缸等裝置、工作阻力5000kN的輕型液壓支架。設計配套了能夠調節(jié)和適應工作面及兩道寬度變化的V型端頭支架，支架頂梁上裝有可伸縮頂梁，頂梁上安裝可伸長的側護梁和側護板，支架高度為2.2～3.5m，支護寬度為3.039～4.56m，支架寬度和高度均可調節(jié)，提高了端頭支架的適用性，也很好地解決了上端頭支架與過渡支架之間三角區(qū)的支護問題。

表1 大傾角綜放工作面主要設備配置

1.5 采煤方法及回采工藝

(1)頂板控制方法：全部垮落法處理頂板。

(2)作業(yè)方式：三八制作業(yè)，兩班生產，一班檢修。

(3)采高：基本支架段采高2.5m，圓弧過渡段采高2.7m，放頂煤高度6.7～6.9m。

(4)循環(huán)進尺：截深0.6m，每天完成2個循環(huán)，推進2.4m。

(5)進刀方式：上端頭向上斜切進刀,下行割煤，上行清煤，從下向上分段移架。割煤時追機伸出前探梁，打開護幫板。進刀速度控制在0～1m/min，割煤速度控制在0～3m/min之間。移架時，將工作面分為上、中、下3段，即下段為1號過渡架～22號支架，中段為23～45號支架，上段為46～68號支架，先推移前部刮板輸送機，收回支架上側的側護板，打開支架下側護板和底調梁，使支架與前部刮板輸送機始終處于垂直或前梁略朝上狀態(tài)，拉架、支護，防止支架下竄，再打開上側的側護板，拉移后部刮板輸送機。各分段均自下而上推溜、移架、拉溜。1個循環(huán)拉移1次端頭架和端尾架。

(6)放煤方法：2采1放，放煤步距1.2m。根據急傾斜煤層頂煤冒落規(guī)律，在工作面上段采用自上而下單輪間隔放煤方式，中段采用自下而上單輪間隔放煤方式，下段采用多輪順序往返放煤方式。放煤時，要按照工作面壓力、圍巖穩(wěn)定性、設備使用狀態(tài)合理放煤。工作面中、上段不得放空，防止懸頂面積過大、支架失穩(wěn)和頂板垮斷造成架前冒頂、支架失穩(wěn)；放煤后必須及時升緊支架。如有冒頂現象，冒頂區(qū)上下5m范圍內不宜放頂煤。

1.6 初采初放技術

初采初放時，頂煤、頂板不及時垮落，容易造成冒頂和倒架，是大傾角綜采的第一個關鍵環(huán)節(jié)。必須嚴格控制采高在2.5m以內，泵站壓力必須達到31.5MPa，保證支架足夠的初撐力；割煤后及時伸出支架前探梁和護幫板，減少空頂時間；移架時采用帶壓擦頂移架，減少頂板下沉量。初采初放時不放頂煤，工作面快速推進。若支架出現倒架趨勢，拉移支架時使用單體支柱扶正支架。若出現架前片幫、冒頂，應采取掛網、煤幫超前錨固、減小進刀深度、小步距移架等措施進行處理。

1.7 工作面上部三角區(qū)支護技術

大傾角工作面回風巷端尾架與基本架之間存在一個三角空頂區(qū)，寬度在1.2m以上。研制了ZT20000/22/35型左右分體式專用端尾支架，設計有側護梁和側護板，控頂寬度在3.039～4.56m之間可以任意調節(jié)，不僅解決了三角區(qū)的支護問題，還能適應工作面長度的變化，當工作面長度變化量達到1架支架的寬度時，調節(jié)端尾支架支護寬度，進行加架或減架，保證工作面不空頂、不擠架。

1.8 防倒防滑技術

工作面下部設計為圓弧過段，并布置端頭支架，保證了工作面下部支架不傾斜，對中上部支架起到穩(wěn)架作用。每架支架頂梁采用雙側雙活側護板，底座配有底調梁和防滑、防倒千斤頂，前梁設計有調架缸，均可調整支架；前后部刮板輸送機連接在支架上；工作面下口超前上口5～10m、偽斜3～5°開采；嚴格控制采高；分段自下而上帶壓擦頂移架。支架傾斜時，采用單體支柱配合調架裝置進行調架；支架倒架咬架時，在工作面回風巷安裝2臺JH-30絞車，配合導向輪，向上牽拉支架頂梁和尾梁，用于從上向下逐個調架。調架前，在工作面上端頭煤幫上固定8根730型鏈條，利用絞車扶正并向前拉移支架，每2架支架利用2根730型鏈條拉住，防止下滑；再牽拉下部傾倒的支架，依次完成全部調架工作。

1.9 片幫冒頂及底板垮落處理技術

對相鄰兩架支架前探梁之間的縫隙較大處，沿走向綁扎長度2m的圓木，防止架間漏煤；煤壁片幫后前探梁伸不到煤幫時，在架前空頂和架頂無煤的支架上部放置荊芭、圓木，防止了架前漏煤；注馬麗散固化頂煤及煤幫；采用錨網索支護煤幫，防止片幫范圍擴大；對垮落較高的冒頂區(qū)，采用噴射混凝土支護。支護后小步距割煤、從上向下移架。若出現倒架、咬架時，每扶正1架支架，拉移1架支架，防止頻繁倒架造成更嚴重的片幫冒頂。

2 礦壓及煤巖運移規(guī)律

2.1 支架工作阻力監(jiān)測

在工作面支架上布置測點，監(jiān)測支架工作阻力及其變化規(guī)律，掌握工作面開采過程中的圍巖變形、破壞、運動(移)特征以及工作面礦山壓力顯現規(guī)律，分析工作面“支架—圍巖”關系，探討工作面支護裝備適應性。

(1)非來壓期間，大部分支架后柱工作阻力小于前柱工作阻力，來壓期間支架后柱和前柱工作阻力相差不大。下分層37220-2工作面下部3號支架和不同區(qū)域支架側護板載荷特征監(jiān)測曲線如圖5、圖6所示。

圖5 工作面下部3號支架前后立柱載荷特征

圖6 工作面不同區(qū)域支架側護板載荷特征

(2)工作面周期來壓明顯，平均步距20m，持續(xù)2～3d。

(3)上分層工作面下部區(qū)域壓力大，中上部壓力較小，上部支架載荷約為下部支架的61%，中部支架載荷約為下部支架的56%。

(4)下分層工作面中部區(qū)域壓力大，兩端壓力較小。下部支架載荷約為中部支架的47%，上部支架載荷約為中部支架的86%。

(5)工作面中部支架側向力最大，上部支架次之，下部最小。工作面中上部區(qū)域支架易下滑，有傾倒傾向性，支架間易出現咬架、擠架現象；下部測區(qū)支架穩(wěn)定性較好，不易下滑和傾倒。

2.2 頂煤變形及運移規(guī)律

(1)37220-1工作面前方煤體的始動點距煤壁33m左右，37220-2工作面前方煤體的始動點距煤壁25m左右。

(2)工作面前方煤體在移動的初始階段，上下層位的煤體移動速率基本保持一致，比較均勻；隨著工作面的推進，煤體的移動速率逐步增大，上部層位的移動速率一般大于下部層位的移動速率。但在煤體的整個移動過程中，其速率沒有突變。

(3)從煤體開始移動到煤體冒落，上部層位煤體的移動量大，下部層位的移動量小。

(4)在傾斜方向，上段煤體的移動量大，下段煤體的移動量小。

3 通風瓦斯及防滅火研究

3.1 通風方式選擇

礦井相對瓦斯涌出量為2.96m3/t，絕對瓦斯涌出量為2.31m3/min，為低瓦斯礦井；工作面瓦斯涌出量小，采用U型通風，設計風量581m3/min。

3.2 瓦斯防治

工作面采用上行通風，防止下隅角瓦斯積聚；采用上隅角氣室抽放和采空區(qū)埋管抽放技術解決瓦斯問題。工作面回風巷布置高位鉆孔，可提高瓦斯抽放效果。

3.3 防滅火技術

主要采用下隅角注氮防滅火技術、噴灑阻化劑(≥50%氯化鎂溶液)、上下隅角碼設黃土墻、高溫區(qū)注水、注液氮、束管監(jiān)測等綜合措施。采用液氮防滅火技術，能夠起到很好的冷卻降溫、窒熄火源的作用。

3.4 有害氣體運移研究

工作面先采用下行通風，后采用上行通風；采空區(qū)埋設束管監(jiān)測裝置，工作面布設CH4，CO、溫度傳感器，監(jiān)測氣體成分，綜合分析氣體運移規(guī)律。

(1)采用上行通風時，工作面風流和采空區(qū)有害氣體都從下向上運移；采用下行通風時，采空區(qū)氣體運移相對復雜，冷卻風帶有害氣體隨風流從上向下移動，氧化帶有害氣體受采空區(qū)遺煤氧化升溫形成自然風壓，造成有害氣體從下向上運移。

(2)上行通風時，下隅角不會出現瓦斯超限，上隅角瓦斯?jié)舛仍龃?，不采取抽放措施會出現瓦斯超限；采空區(qū)發(fā)火的危險性大。下行通風可降低上隅角瓦斯?jié)舛?，有利于防止自然發(fā)火，但下隅角瓦斯涌出量大，抽放效果差。

(3)上行通風時，采用下隅角埋管注氮、上隅角和采空區(qū)埋管抽放瓦斯、加強安全監(jiān)測和人工檢測、束管監(jiān)測、光纖測溫等綜合措施，可解決工作面瓦斯防治和防滅火問題。

4 經濟效益和社會效益

采用傾斜分層大傾角綜放開采取代原有的水平分段開采，工作面長度由水平分段布置的19m增加到102m，大幅度降低萬噸煤掘進率，減少了三角煤損失，提高工作面單產和工效。37220-1工作面生產原煤5.344×105t，37220-2工作面生產原煤9.481×105t。平均月產量由3.03×104t提高到7.4×104t，噸煤成本由244.94元降低到170.95元，工作面采出率由85.0%提高到88.6%，回采工效由13.04t/工提高到44.5t/工，工作面生產能力由3.6×105t/a提高到8.8×105t/a，實現了安全高效生產。

5 結束語

(1)急傾斜特厚易燃煤層走向長壁傾斜分層綜放開采技術研究與應用取得成功，提高了急傾斜特厚煤層綜合機械化開采水平，提高了回采工效、資源采出率和工作面生產能力，降低了生產成本，創(chuàng)造了良好的經濟效益。

(2)解決了急傾斜特厚易燃煤層大傾角綜放開采技術難題，豐富和完善了煤礦開采方法，可在同類煤層開采中廣泛推廣應用。

(3)工作面上行通風產塵量大，采空區(qū)易發(fā)火；下行通風存在下隅角瓦斯排放問題。應確定合理的供風量和注氮量，加強瓦斯抽采和通風管理。

(4)支架安裝時橫向沿滑道下放，從下向上安裝支架；停采時采用錨網索支護頂板，從下向上回撤支架，頂板彎曲下沉，不會出現倒架問題。

(5)研究應用的工作面端尾斜切進刀、分段放煤、支架拉移，頂板控制、片幫冒頂處理、防倒防滑等關鍵技術，有效保證了“支架-圍巖”支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保了工作面安全高效開采。

[1]謝俊文，李俊明，楊 富，等.急傾斜大傾角特厚易燃煤層綜放開采及“三機”配套技術[J].煤礦機電，2003(5)：24-26.

[2]袁 永，屠世浩，王繼林，等.大傾角特厚煤層綜放開采技術的研究與應用[J].煤礦安全，2009(11)：48-50.

[3]鞠文君，李 前，魏 東，等.急傾斜特厚煤層水平分層開采礦壓特征研究[J].煤炭學報，2006，31(5)：558-561.

[4]李 前，魏 東，楊世杰.急傾斜特厚煤層綜放開采實踐[J].煤炭科學技術，2002，30(8)：17-19.

[責任編輯：鄒正立]

2016-11-24

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.006

楊世杰(1968-)，男，甘肅靜寧人，工程碩士，通風高級工程師，總經理助理，從事煤礦生產技術管理、信息化和科技創(chuàng)新工作。

楊世杰，王東方，范振東.大傾角綜放開采綜合技術研究與應用[J].煤礦開采，2017，22(3)：20-23.

TD823.4 9

B

1006-6225(2017)03-0020-04