大坡度仰斜综放开采关键技术研究.docx

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大坡度仰斜综放开采关键技术研究

大坡度仰斜综放开采关键技术研究

摘要：

针对红会四矿综放工作面开采条件的特殊复杂性和改善、提高工作面生产状况的紧迫性，经过井下现场监测，分析影响大坡度仰（俯）采综放面安全高效生产的关键因素，提出了有效的防治对策，现场工程实践取得了显著的效果，为类似条件煤层的安全高效开采提供了有益的经验，对推进复杂难采煤层的安全高效开采技术发展具有重要意义。

关键词：

大坡度；仰斜综放开采；关键技术

中图分类号：

td528文献标识码：

a

upasteepslantontopoftheintegratedminingforcoalminingkeytechnologyresearch

wanglin

（jingyuancoalindustry.projectsurveyanddesignco.ltd，gansubaiyin730913,china）

abstract:

aimathonghuithefourthmineralminingontopoftheintegratedminingforcoalfaceofspecialcomplexityandimproveorincreasethefaceofthesituationofproductionurgency,themonitoringandanalysisoftheimpactthrewdownasteepgatherontopoftheintegratedminingforcoaltheefficientproductionsafetyofthekeytoeffectivepreventionpolicyandpracticeofengineeringhasachievedremarkableresultsinsimilarconditionsofefficientminingcoalseamsintermixedsecurityhasprovidedusefulexperienceandtopromotethesafetyarecomplexanddifficulttodevelopefficientminingtechnologyissignificant.

keywords:

steep；upslantontopoftheintegratedminingforcoalmining；keytechnology

0前言

靖远煤业集团公司红会四矿于1975年建成投产，设计生产能力0.60mt/a，斜井开拓，开采特厚煤层。

近几年位于+1510水平七采区的4708综放工作面，由于开采块段煤层走向、倾角、地质构造等客观条件和块段四周采空区的制约，只能采用倾斜长壁布置，受褶曲和断层影响，工作面推进范围内仰采坡度达到30°以上，局部达到+41°。

如何合理有效解决出现的严重煤壁片帮、冒顶难题，有效控制支架围岩系统，解决工作面防灭火问题，是大坡度仰俯采综放工作面开采能否安全高效生产的关键技术问题。

1大坡度仰斜综放开采中主要问题

大坡度推采是引起大坡度仰-俯斜综放工作面开采中所有问题的基本根源，特别是大坡度仰采时工作面支架围岩系统会出现以下问题：

（1）基本顶断裂回转以及由此引起的直接顶的断裂下滑和顶煤的破碎冒落，使工作面的顶板处于难控状态；尤其当断裂位于工作面煤壁上方附近时，由于处于高位处的基本顶可以形成自身平衡结构，因而直接顶和顶煤的稳定性控制是大坡度仰采综放工作面顶板管理的重要内容。

（2）煤岩体自重沿层理方向的切向分力随倾角增大而迅速增加，致使煤壁内指向采空区的切向拉应力值及其拉应力深度加大，从而将能引发煤壁发生严重片帮。

煤壁严重片帮又将会引发工作面发生冒顶。

因而治理煤壁严重片帮是大坡度仰采综放顶板控制的核心内容。

（3）目前配套的综放生产设备大部分是按走向长壁开采技术而进行配套设计的，对大倾角倾斜长壁综放开采状况的适应性较差。

因此工作面液压支架、采煤机、刮板输送机等主要设备使用管理难度大大增大。

（4）大倾角特厚易燃煤层在采用大坡度仰俯采综放开采时，工作面推进速度相对较慢，采空区遗煤相对增多，这使得采空区遗煤自燃发火的危险性和危害性都明显增大，加大了工作面防灭火的难度。

2大坡度仰斜综放开采中主要影响因素

（1）工作面仰斜推进坡度影响：

受地质条件变化制约，4708综放工作面前期为大坡度仰斜开采，后期为俯斜开采。

综合机械化采煤工作面采用仰（俯）斜开采的基本条件一般认为是工作面推进坡度在12°以下，在采取一定技术措施后工作面推进坡度可以达到17°。

支架与煤层底板的摩擦系数一般为0.35左右，则支架在倾斜底板上的放置时的自稳定（不发生下滑）的极限角度为17°。

因此，当工作面仰（俯）斜推进坡度大于17°后，工作面的支架、采煤机、刮板输送机等的稳定性就会显著降低，特备是仰斜推进时，工作面煤壁和端面上的顶煤顶板的自重力沿层面分力迅速增大。

煤岩体的抗拉强度大大低于其抗压强度，由于受较大沿层面分力的张拉作用，这时煤壁极易失稳片帮，端面顶煤顶板中由于很难形成挤压平衡拱而极易失稳垮落。

4708工作面回采前期区域大部分的仰采坡度大到30°以上，工作面仰采坡度最大达到+40°以上，这大大超过了公认的仰采坡度上限值。

大坡度仰采工作面煤岩体自重及上覆岩层压力沿煤岩层层面方向的分力f和垂直岩层的法向正压力q分别为：

根据分析计算，当工作面仰采坡度大到37°时，煤岩体自重沿层面方向的分力就可达到其自重的0.6倍。

煤岩体属于一种脆性材料，其拉压强度要远小于其抗压强度，在这样大的倾向拉力作用下，很容易将已经遭受工作面支承压力破坏作用之后的顶煤沿煤壁附近完全拉断开，从而造成顶煤完全破碎，甚至切顶，并使支架上的已破裂煤岩体向采空区方向滑落的趋势加大，从而引发支架不稳。

因此，工作面局部仰采坡度太大是4708工作面生产困难的根本原因。

（2）工作面内部分区段破岩石推进：

在仰采区段，受断层和煤层地板起伏影响，曾经工作面内约40付支架范围需要破底板岩石、甚至全破岩开采。

需破的岩石基本属于煤层底板岩层。

该岩层强度相对较大，必须采用风动钻机打眼后装药爆破破碎。

破岩段范围大，岩石打炮眼速度慢，爆破效果差，垮落下的岩石大块需二次爆破处理，爆破破岩费时费工。

爆破岩石还易引发煤壁片帮和端面冒顶。

爆破破岩严重制约着工作面的推进速度。

（3）4708工作面与4710—4探巷和一平巷斜交，与4708辅助运输顺槽垂直相交。

f61断层落差5.5~7.0m，从工作面机巷内侧斜交穿入。

df8断层从回风巷附近穿过。

工作面开采过程需要过空巷、过断层，这进一步加剧了工作面开采难度。

4708工作面开采条件极为复杂，煤壁片帮和架前冒顶、甚至切顶严重，局部破岩工程量大，这是影响工作面安全生产和高产高效的主要因素，其中仰采坡度大是基本的内在因素，研究解决好综放大坡度仰采关键技术是4708工作面获得安全高效的基础。

3大坡度仰采综放工作面顶板控制技术措施

由大坡度仰斜开采工作面的直接顶的受力状况可知，沿工作面推进方向，直接顶在基本顶作用力和自身重力合力的作用下，可以分解给支架的正压力和向老塘方向下滑力；沿工作面仰斜方向，直接顶在基本顶作用力和自身重合力的作用下，必然会产生向工作面下方偏老塘方向运动的趋势，造成工作面直接顶和顶煤稳定性降低，顶板难以管理。

针对大坡度仰采综放工作面管理的难点，在工作面支护上要坚持“支、护、稳”兼顾，以“稳”为主的基本原则：

（1）“支”：

由于大倾角工作面顶板法向压力减小，因而支架载荷会相对降低。

但为了控制顶板顶煤下滑，也使支架具有一定的抗推力，支架保持一定的初撑力是十分必要的。

实际中采用了坚强泵站维护检修检查措施，切实提高了支架初撑力。

（2）“护”：

“护”的目的一是要最大限度地控制“漏、抽、片”事故的发生，二是为支创造良好条件，“护”是“支”的前提，护不住就支不好。

实际中采取了坚持及时打开护帮板护住煤帮、及时补打必要贴帮柱、及时用锚杆锚固煤壁和端面前方煤体等措施，使工作面煤壁-顶煤-顶板形成“整体”，处于良好状态。

实践证明，及时用锚杆加固煤壁和端面前顶煤是保证大倾角厚煤层仰斜综放安全开采的至关重要的措施。

（3）“稳”：

支架无劲不稳，“稳”是控制大坡度仰采综放工作面顶板事故的根本性措施，为保证支架稳定性，必须使支护系统保持必要的刚度。

管理大坡度仰采综放工作面顶板，“支”是手段、“护”是前提、“稳”是目的。

4708综放工作面大坡度仰采阶段顶板控制采取的主要措施为：

（1）及时打必要的贴帮柱，及时开采护帮板支护煤壁，及时打好各种锚杆加固煤壁和端面前方顶煤，有效预防和及时治理煤壁片帮，防止工作面端面冒顶。

（2）加强支护质量监控，加强支架维护，提高支架初撑力，调整好支架工作面状态，提高支架工作状态。

（3）加强工艺过程管理，严格控制放煤工艺过程、合理控制局部放煤量，提高采煤机操控水平，合理控制工作面一次提底下底幅度，尽可能提高工作面底板、顶板、煤壁的平直程度。

4煤壁片帮和端面冒顶防治技术措施

工作面仰斜开采时煤壁以片帮、顶煤顶板已发生架前冒顶，仰采坡度越大，片帮冒顶的可能性就越大。

由于4708工作面仰采坡度局部达到30°以上，加之孤岛工作面开采矿压增大，因此必然造成煤壁片帮和架前冒顶非常容易发生发展，严重影响工作面安全正常生产。

根据大坡度仰采综放工作面煤壁片帮冒顶机理分析，实际主要从两大方面着手来治理大坡度仰采综放工作面煤壁片帮和端面冒顶：

（1）充分发挥支架的支护能力，以提高支架预防片帮冒顶的性能。

尽量减少工作面控顶距，特别是工作面端面空顶距，保证和提高支架初撑力，调整好支架的工作状态，及时移架，尽量缩短移架作业过程，坚持及时打好护帮板，必要时及时打好贴帮柱。

（2）锚固和加固煤壁及下位顶煤，提高煤体的强度。

采用竹锚杆、钢筋锚杆等锚固煤壁和下位顶煤。

向煤壁和下位顶煤中打竹锚杆，采用全长锚固效果更好。

在工作面不断开帮推进过程中，全长锚固锚杆会一直起到锚固作用，竹锚杆杆体随开帮伸出煤壁的部分可以被折断而减少对工作的影响，如图1和图2所示。

采用全长锚固竹锚杆加固方法，操作工艺技术简单，使用方便，成本低，实际使用防止片帮效果最好。

图1煤壁锚杆安装示意图（安带托板）

图2煤壁锚杆安装示意图（不安托板）

采用端锚时，锚杆只在安装好之后起到锚固作用，只要锚杆处煤壁一开帮，锚杆就会失效，锚杆能起到锚固作用的时间不长，且端锚的锚固作用要小于全锚。

安装全长锚固竹锚杆时，在端部的第一卷锚固剂可以采用常规凝速药卷，中间其他药卷都应采用缓凝药卷，缓凝药卷的凝固时间应控制在25min左右；锚杆外露长度应小于10cm，锚杆插入锚孔之后，应在从孔口处塞入一卷常规凝速的药卷，并将其全部塞入孔内，然后再安装托板和打紧楔子。

也可以不安装托板，而将杆体全部压入孔内，孔口打入一个木塞，并将锚固剂挤入孔内。

采用的锚杆长度1.5~1.8m，杆体直径35mm，配套的锚孔直径应为45~50mm。

杆体直径和锚孔直径配合好时，锚杆安装比较容易，且有利于提高锚杆的锚固作用力。

如果孔径偏小，则锚杆安装比较困难，锚固剂不易与孔壁粘结牢固，不能充分发挥锚杆作用。

4708工作面开程中，局部阶段还使用了普通的直径18mm的钢筋锚杆来加固煤壁。

初期使用了钢筋锚杆，到后期使用较少了。

钢筋锚杆都采用了端部锚固方式。

用直径30mm钢管特制了长度不等的各种套管，随着工作面煤帮推进，在露出的杆体上适当长度的钢套管，然后再上紧锚杆螺母，以便锚杆能继续对煤壁有一定锚固作用。

需要说明，使用钢筋锚杆锚固工作面煤壁制约较大，只有在工作面片帮冒顶非常严重，造成工作面无法推进、或推进极慢情况才可以使用，否则伸出煤壁的钢筋杆体对人员、设备正常运动影响很大。

图3煤壁锚杆安装位置示意图

图4工作面支护状况示意图

也可以采用化学加固煤壁。

向煤壁和顶煤中注化固结剂固化煤体方法：

化学加固剂可选用马力散等专用材料。

马力散作为一种高分子化学材料，是由两种成分组成的聚亚胶材料，两种成分的混合物质保持体状态几秒钟，渗透到细小的裂中膨胀胶结，与松散煤岩体发生高度粘合，起到加固煤岩体的用。

具有如下特点：

一是液体粘度低,能很好地渗入细小的裂缝中，二是有极好的粘合能力,可与松散煤岩体很好粘合，三是膨胀率高,渗透力强，可渗透到煤岩体深部;四是有良好的柔韧性，不易破碎，能承受机械切割和采动影响。

化学加固剂还有其它类型，但均属于高分子化学材料。

也有矿井使用具有较强凝结和膨胀性能的一种防灭火材料来加固过煤壁以预防片帮冒顶。

化学加固煤壁，需要购置专用材料和设备，工艺复杂，技术要求要，成本高，且对煤质有影响，在4708工作面没有使用。

5工作面防灭火技术措施

4708工作面煤层属于易自燃煤层，工作面推进速度是影响综放工作面采空区发火危险性的最主要因素，一般认为工作面推进速度于30~50m/月时工作面采空区自燃发火的危险性会大大降低。

由于大坡度仰采和阶段4708综放面推进速度慢，这使采空发生自燃发火的危险性大大增加。

根据矿井实际条件，防灭火措施以黄泥灌浆、采空区洒浆、注氮气为主，辅以工作面设隔离减少漏风、均压通风等相结合的综合防灭措施。

对于4708综放面的防灭火问题，采取的基本策略：

加强工作面自然发火预测预报；切实落实以黄泥灌浆和注氮气为主的综合防灭火技术措施；在大坡度仰采阶段，由于工作面推进速度慢，按照已经出现明显发火征兆来对待和实施相应的防灭火措施。

实际取得了良好效果，为工作面顺利推采过大倾角段创造了必要安全生产条件。

6技术经济效果分析

（1）直接经济效益：

4708工作面可采走向长380m，倾斜长平均140m,设计可采煤量40.3万t，其中大坡度仰采区段推进长度约130m，可采煤量约15万t。

通过研究攻关，4708工作面成功地多开采出了约15万t优质煤炭资源，4706工作面等多采出优质煤炭约20万t。

红会四矿生产的煤炭为优质晶虹煤产品，按吨煤售价450元/t估算，多采出35万t煤增加的直接经济效益约为：

35*450=15750万元

另外，该矿井还有约60万t可采煤量只能采用大坡度倾斜长壁综放开采，采出这部分优质煤炭储量预期将可获得约27000万元的经济效益。

这样本项目研究的直接经济效益约为42750万元。

（2）矿井资源回收率提高：

目前剩余资源量已经不多，煤层赋存条件都比较复杂，煤层倾角起伏变化较大。

大坡度倾斜长壁综放开采技术可多回收煤炭95万t，可以使其矿井资源回收率提高约2.3个百分点。

（3）安全效益：

大坡度仰采综放面片帮冒顶防治技术和以黄泥灌浆及注氮气防灭火为主的综合防灭火技术，保证了工作面的安全生产，为类似条件工作面的安全生产提供了宝贵经验，取得了显著的安全效果。

（4）社会效益：

探索出大坡度仰采综放工作面顶板控制的成功经验，形成了适用于大坡度仰采综放工作面开采的技术经验和措施，总结成功经验，现场工程实践取得了显著的效果，对类似条件工作面的开采提供了一个很好的可供借鉴的例子，也推进了我国大倾角煤层倾斜长壁开采技术的发展，大大拓展了倾斜长壁采煤方法的应用范围，对推进复杂难采煤层安全高效开采技术发展具有重要意义。

参考文献：

[1]常聚才，谢广祥，陈贵.轻放采场围岩压力分布及矿压显现规律[j].采矿与安全工程学报，2007,24（4）：

457–464。

[2]谢广祥，杨科,常聚才,王磊.综放采场围岩支承压力分布及动力灾害的层厚效应[j].煤炭学报，2006,31（6）：

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[3]惠兴田，许刚，冯超.仰采工作面顶板移动特征的研究[j].煤矿开采，2010,15

（1）:

85-88。