唐山礦大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采技術(shù)研究

宋 平，劉寶珠

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.開灤集團(tuán) 唐山礦，河北 唐山 063009)

唐山礦大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采技術(shù)研究

宋 平1，劉寶珠2

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.開灤集團(tuán) 唐山礦，河北 唐山 063009)

通過對唐山礦大傾角厚煤層開采過程中遇到的技術(shù)難題進(jìn)行分析，提出了大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采這一新技術(shù)。該技術(shù)采用立體化巷道布置方式，通過起坡段將工作面角度減小，甚至擺平。這種創(chuàng)新性巷道布置方式，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)解決工作面設(shè)備防倒防滑難題，且煤層傾角越大，這一優(yōu)勢越明顯。同時(shí)通過對唐山礦Y294大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放工作面觀測研究分析發(fā)現(xiàn)，工作面支架滿足生產(chǎn)要求，但工作面中、上、下部支架的受力情況不同，工作面同樣具有初次和周期來壓，但呈不對稱性分布，出現(xiàn)來壓不同步現(xiàn)象。大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯，為類似條件礦井的安全高效回采提供了新思路。

大傾角；厚煤層；錯(cuò)層位；三段式回采工藝；防倒防滑

Study of Fully Mechanized Coal Mining with Large Inclined Angle and Thick Coal Seam Stagger Arrangement of Tangshan Coal Mine

大傾角煤層已成為我國中西部許多礦區(qū)或礦井的主采煤層，另外，隨著煤炭開采強(qiáng)度的日益提高，賦存條件優(yōu)越的煤層越來越少，條件惡劣的復(fù)雜煤層開采勢在必行，特別是大傾角復(fù)雜條件下的煤層開采[1-2]。但大傾角煤層在開采過程中存在一系列沒有解決的基本問題，如設(shè)備的防倒防滑問題等[3-4]，其開采技術(shù)水平遠(yuǎn)低于緩傾斜煤層，因而對大傾角煤層開采技術(shù)的研究將具有重要意義。

1 大傾角厚煤層開采存在的技術(shù)難題

唐山礦岳胥區(qū)煤層具有傾角大、煤層厚、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，其中Y294工作面開采8，9號煤層，平均厚度為10.5m，煤層傾角27～33°，煤的密度為1.48t/m3，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=1.97，工作面走向長度為944m，傾斜長度為85m。

在唐山礦大傾角厚煤層工作面開采過程中存在以下技術(shù)難題[5-6]：

(1)由于工作面傾角大，人員施工、行走困難，另外在開采過程中，頂板的破斷巖石(冒落矸石)沿工作面向下滾(滑)，易砸傷人員和砸倒工作面設(shè)備。

(2)在上覆巖層和自身重力分量的作用下，工作面支架和設(shè)備下滑、傾倒的可能性急劇增加，進(jìn)而需考慮解決工作面設(shè)備的防倒防滑問題。

(3)由于8，9號煤層存在較厚夾矸，無法實(shí)現(xiàn)合理分層開采，而改為將兩煤層合采，采用傳統(tǒng)放頂煤采煤法，需留設(shè)較寬煤柱，另外端頭不放煤，丟煤多，煤炭采出率相對低。

(4)在煤層中開掘回采巷道，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)f=1.97，煤質(zhì)較軟，受工作面回采超前支承壓力等的影響，巷道變形量大，維護(hù)困難。

(5)由于設(shè)備和工人作業(yè)環(huán)境等因素的影響，工作操作過程中效率較低，大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，需要對目前的采煤方法和工藝進(jìn)行革新，提高其安全系數(shù)和效率。

2 大傾角厚煤層開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放采煤法

針對唐山礦大傾角厚煤層工作面開采過程中存在的技術(shù)難題，提出了大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采技術(shù)[7]，圖1為唐山礦工作面?zhèn)鹘y(tǒng)和錯(cuò)層位綜放開采巷道布置示意圖。

圖1 傳統(tǒng)和錯(cuò)層位綜放開采巷道布置示意

從圖1中可以看出，與傳統(tǒng)綜放開采巷道布置相比，錯(cuò)層位綜放采煤法有一起坡段，起坡段可以根據(jù)工作面實(shí)際需要，盡量減小工作面開采時(shí)傾角，即將大傾角工作面角度減小，甚至逐漸擺平。

唐山礦Y294工作面煤層平均厚度為10.5m，采高為3.0±0.1m，采放比1∶2.5，第1個(gè)支架抬高7.9°，從第2個(gè)開始每架抬升1.5°，第18個(gè)支架抬升到30°，其錯(cuò)層位巷道布置下起坡段設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 錯(cuò)層位巷道布置下起坡段設(shè)計(jì)

大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放采煤法采用三段式回采工藝，即綜合集成放頂煤、分層的上分層鋪網(wǎng)和下分層網(wǎng)下3種回采工藝，3種工藝用于工作面的不同位置，形成獨(dú)特的“三段式”回采工藝。3種工藝用于工作面的不同位置[8]。其中接續(xù)工作面巷道可布置在上一起坡段下方的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，這樣就形成“無煤柱”開采，如圖3所示。

1—區(qū)段運(yùn)輸平巷；2—區(qū)段回風(fēng)平巷；3—下一工作面區(qū)段回風(fēng)平巷；4—上一工作面區(qū)段運(yùn)輸平巷；a—鋪網(wǎng)工藝段；b—網(wǎng)下回采工藝段；c—放頂煤工藝段圖3 錯(cuò)層位巷道布置下的“三段式”回采工藝

2.2 工作面設(shè)備防倒防滑措施

Y294工作面煤層傾角達(dá)到了30°左右，這給生產(chǎn)組織和安全管理，特別是頂板管理帶來了很大的困難。采用錯(cuò)層位采煤法使得工作面安全情況得到很大程度的改善，由于錯(cuò)層位巷道系統(tǒng)形成的下段變平部分成為防治工作面設(shè)備下滑的關(guān)鍵技術(shù)因素，上部的液壓支架受下部水平穩(wěn)定液壓支架支持和限制，可有效防止液壓支架滑動(dòng)。與傳統(tǒng)巷道布置相比，錯(cuò)層位巷道布置，有利于工作面設(shè)備防倒防滑，即利用改變大傾角工作面巷道布置方式，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)解決工作面設(shè)備防倒防滑難題，且煤層傾角越大，這一優(yōu)勢越明顯。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步保證工作面安全，還需對工作面設(shè)備配備相應(yīng)的防倒防滑措施[9]。

(1)液壓支架 Y294工作面最適用的回采工藝是雙輸送機(jī)低位放頂煤回采，設(shè)計(jì)選用型號為ZFS6200/16/32的放頂煤液壓支架。排頭支架采用ZQFG6200-20/32，液壓支架每隔10組加支架防倒防滑裝置。

回采時(shí)，保證工作面架間的防倒防滑裝置使用完好，連接牢固。移動(dòng)液壓支架時(shí)2人配合分段進(jìn)行操作，每段10組液壓支架，移架按照由下向上的順序逐段依次進(jìn)行操作，在移架過程中要對液壓支架進(jìn)行調(diào)整，確保移架后液壓支架迎山有勁，不擠架咬架，不倒架，與工作面輸送機(jī)保持垂直。

(2)刮板輸送機(jī) 輸送機(jī)下滑主要原因是由于輸送機(jī)自身重力以及沿工作面傾角向下運(yùn)煤阻力造成，唐山礦Y294工作面前后部刮板輸送機(jī)每隔10組加裝防滑裝置，移溜時(shí)必須按要求使用。移溜時(shí)2人配合操作，1人適當(dāng)拉緊刮板輸送機(jī)防滑槍，另一人進(jìn)行移溜工作，施工期間及時(shí)觀察刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的搭接，根據(jù)搭接長度及時(shí)調(diào)整使用好防滑裝置，保證合理的搭接量。

(3)采煤機(jī) 大傾角工作面開采過程中，由于采煤機(jī)自身重力和大塊煤矸或物料在輸送機(jī)刮板鏈的帶動(dòng)下等因素，引起采煤機(jī)下滑。為防止采煤機(jī)下滑，工作面采用單向割煤、單向移溜方法，即采煤機(jī)下行割煤，上行跑空刀、移架移溜的方式。

唐山礦Y294工作面同時(shí)采取了多種技術(shù)措施，如通過安裝支架防倒和刮板輸送機(jī)防滑裝置、合理調(diào)整工作面?zhèn)涡绷?、工作面封閉聯(lián)網(wǎng)等措施，有效解決了大傾角工作面的防倒防滑、頂板控制、矸石飛濺等一系列難題，確保了安全生產(chǎn)，如圖4所示。

圖4 錯(cuò)層位綜放工作面防倒防滑措施

3 支架對頂板適應(yīng)性分析

3.1 觀測方案

為了準(zhǔn)確掌握大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放工作面液壓支架的受力及運(yùn)行狀態(tài)，分析工作面回采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以及對綜放液壓支架與圍巖變化之間的適應(yīng)性進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)大傾角工作面礦壓分布總體規(guī)律以及錯(cuò)層位巷道布置的特殊性(起坡段)，特在工作面上部、中部和起坡段布置3個(gè)測區(qū)，測區(qū)布置如圖5所示[10]。

圖5 測區(qū)布置

3.2 觀測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 支架支護(hù)阻力頻率分布

工作面支架工作阻力分布在15～32MPa之間，可滿足工作面實(shí)際開采需求。

3.2.2 支架初撐力和末阻力工作特性與適應(yīng)性

工作面支架設(shè)計(jì)初撐力的利用率較低，僅為綜放液壓支架額定初撐力的57.1%～76.9%，支架實(shí)測的平均末阻力和最大末阻力分別占綜放液壓支架額定工作阻力的39.5%～47.8%和67.3%～68.5%。

通過對Y294工作面液壓支架初撐力和末阻力與適應(yīng)性分析發(fā)現(xiàn)：

(1)支架平均初撐力：工作面中部>工作面上部>工作面下部起坡段；支架最大初撐力：工作面上部>工作面中部>工作面下部起坡段。

(2)工作面支架初撐力的利用率較低，從安全以及支架與圍巖的相互作用關(guān)系角度考慮，應(yīng)進(jìn)一步提高支架的初撐力。

(3)支架平均末阻力：工作面下部起坡段>工作面中部>工作面上部；支架最大末阻力：工作面上部>工作面下部起坡段>工作面中部。

3.2.3 支架整體平均受力分析

通過對3個(gè)測區(qū)支架整架平均工作阻力的分析發(fā)現(xiàn)，大傾角厚煤層錯(cuò)層位工作面不同位置支架上的工作阻力不同，工作面中部工作阻力>工作面下部起坡段工作阻力>工作面上部工作阻力，支架上的工作阻力均沒有超過其額定值。

3.2.4 支架來壓分析

通過對Y294工作面礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放工作面也同樣具有初次和周期來壓，但在工作面傾斜方向上呈不對稱分布，工作面全長出現(xiàn)來壓不同步現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為在工作面中部礦壓顯現(xiàn)劇烈，持續(xù)時(shí)間長；上部次之，下部礦壓相對平緩，持續(xù)時(shí)間短。

4 技術(shù)效果、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

4.1 技術(shù)效果分析

大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采在巷道布置、工藝參數(shù)及現(xiàn)場施工等方面采取了一系列先進(jìn)和科學(xué)的方法，確保了大傾角厚煤層的安全高效開采，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)由傳統(tǒng)平面二維巷道布置方式，改為采用立體化巷道布置方式，優(yōu)化了工作面設(shè)計(jì)。

(2)在布置接續(xù)工作面時(shí)，可以取消區(qū)段之間煤柱的留設(shè)，進(jìn)而提高了采區(qū)煤炭采出率。

(3)通過增設(shè)起坡段，將工作面角度局部減緩，甚至變?yōu)樗剑纳屏舜髢A角工作面設(shè)備的傾倒和下滑問題，安全性得到大幅度提高，同時(shí)為大傾角工作面設(shè)備的防倒防滑提供了新的思路[11]。

4.2 經(jīng)濟(jì)效果分析

Y294工作面開切眼后僅用5d達(dá)產(chǎn)，每月生產(chǎn)原煤404.1kt，平均達(dá)到了2868t/d，通過創(chuàng)新、創(chuàng)效措施，解決了減少煤柱損失、大傾角安全管理等問題，減少了巷道工程量及材料、用工消耗，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

4.3 社會(huì)效益分析

唐山礦Y294大傾角厚煤層工作面采用錯(cuò)層位綜放開采，達(dá)到以下效果：

(1)實(shí)現(xiàn)了大傾角厚煤層的成功開采，在一定程度上緩解了唐山礦的生產(chǎn)接替緊張，保證和提高了礦井產(chǎn)量。

(2)采用先進(jìn)的綜合機(jī)械化采煤法取代炮采和普采工藝，大幅度改善了大傾角工作面安全生產(chǎn)條件，改善和降低工人勞動(dòng)環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度，安全性上更有保證。

(3)錯(cuò)層位采用“無煤柱”開采方式，減少了采區(qū)煤炭損失，提高了大傾角煤層煤炭采出率。

總之，大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，為推廣錯(cuò)層位采煤法提供了依據(jù)。

5 結(jié)束語

大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采技術(shù)在唐山礦大傾角厚煤層開采條件下試驗(yàn)應(yīng)用取得了成功。由于采用了創(chuàng)新性立體化巷道布置方式，有利于主動(dòng)解決工作面設(shè)備防倒防滑難題，且煤層傾角越大，這一優(yōu)勢越明顯。在采用其他防倒防滑補(bǔ)充措施后，保證了工作面的安全高效開采。

通過研究分析發(fā)現(xiàn)唐山礦Y294工作面支架工作阻力比較富裕，可以滿足工作面實(shí)際開采需求，工作面中、上、下部支架受力不同，支架上的工作阻力均沒有超過其額定值；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放工作面同樣具有初次來壓和周期來壓，但在工作面傾斜方向上呈不對稱分布，工作面全長出現(xiàn)來壓不同步現(xiàn)象。

大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采與傳統(tǒng)開采技術(shù)相比，其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，實(shí)現(xiàn)了對大傾角厚煤層安全高效開采的目標(biāo)，為大傾角厚煤層的開采提供了新思路，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：周景林]

2016-12-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.008

宋 平(1987-)，男，安徽安慶人，博士，講師，主要從事礦山壓力及其控制、錯(cuò)層位采煤法等方面的科學(xué)研究工作。

宋 平，劉寶珠.唐山礦大傾角厚煤層錯(cuò)層位綜放開采技術(shù)研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：28-30.

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1006-6225(2017)04-0028-04