大倾角综放开采综合技术研究与应用_杨世杰.pdf

大倾角综放开采综合技术研究与应用 杨世杰，王东方，范振东 华亭煤业集团有限责任公司，甘肃 华亭 744100 ［ 摘 要］研究应用开切眼导孔施工、反 S 型竖曲线布置开切眼、滑车滑道下放液压支架、分 段放煤移架、片帮冒顶处理、防倒防滑、顶板控制、液氮防灭火等急倾斜特厚易燃煤层倾斜分层大倾 角综放开采综合技术，提高了工作面生产能力和资源采出率，实现了安全高效开采。 ［ 关键词］大倾角; 综放开采; 急倾斜特厚煤层; 倾斜分层 ［ 中图分类号］ TD823. 4 9［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201703- 0020- 04 Application and Study of Large Inclined Angle Fully Top Coal Mining Technology ［ 收稿日期］ 2016－11－24［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 03. 006 ［ 作者简介］ 杨世杰 1968－ ，男，甘肃静宁人，工程硕士，通风高级工程师，总经理助理，从事煤矿生产技术管理、信息化和科技创新 工作。 ［ 引用格式］ 杨世杰，王东方，范振东 . 大倾角综放开采综合技术研究与应用 ［J］． 煤矿开采，2017，22 3 20－23. 中国华能集团华亭煤业公司东峡煤矿，设计生 产能力 1. 50Mt/a，低瓦斯矿井。煤层平均厚度 19. 6m，倾角为 55 ～ 74，自然发火期 3 ～ 6 个月， 最短发火期 37d，属急倾斜特厚易燃煤层，采用水 平分段综放开采。为了提高工作面产能和资源采出 率，自 2011 年 12 月至 2015 年 5 月，在本矿急倾 斜特厚易燃煤层中进行了倾斜分层走向长壁综放开 采试验研究，历时 3 年多，在开采研究过程中，经 历了工作面片帮、冒顶、液压支架倾斜、倒架、咬 架、自然发火、瓦斯超限等多种困难和问题，通过 与科研单位及院校合作进行技术攻关，研发和配套 了适合大倾角综放开采的技术装备，优化了开采工 艺，解决了各种技术难题，取得了良好效果。 1倾斜分层走向长壁大倾角综放开采关键技术 1. 1工作面设计布置 采用倾斜分层走向长壁大倾角综放开采，取代 原有的水平分段综放开采。共分 2 层，上分层 37220－1 工作面分层厚度 9. 9m，其中采高 2. 5m， 放顶煤高度 7. 4m，采放比为 1 ∶ 2. 92，工作面倾 斜长度 60m，可采走向长度 1009m，2011 年 12 月 综采设备开始安装，2013 年 10 月回采结束;下分 层 37220 － 2 工作面分层厚度 9. 7m，倾斜长度 102m，工作面下段采用圆弧过度，其中靠近下端 头的 10. 5m 为水平段，中下部 21m 为圆弧过度段， 上部 70. 5m 为倾斜段，工作面布置如图 1 所示。 1. 2开切眼施工技术 开切眼设计高度 2. 6m，宽度 7. 5m，矩形断 面，面积 19. 5m2，锚网索支护。该处煤层倾角 图 1工作面布置 55，无法采用综掘施工，炮掘出煤、排水也十分 困难，安全性差。研究采用 LM－120 型反井钻机导 孔施工技术，从开切眼上口沿开切眼方向向下打 钻，形成直径 200mm 的导向钻孔，再安装大钻头， 利用钻机从下向上扩孔，形成直径 1. 2m 的钻孔; 沿钻孔方向从上向下扩掘开切眼，边掘进边支护， 一次成巷; 掘进煤及涌水均从钻孔流至运输巷，既 保障了施工安全，又大幅度提高了掘进速度，仅用 18d 时间安全掘进贯通。 1. 3液压支架安装技术 开切眼沿剖面方向采用 S 型布置，即开切眼 上、下两端与两巷采用圆弧段连接，中部倾角变 大，达到 58以上。设计采用绞车和专用滑道、滑 车下放设备在开切眼中安设滑道，制作专用滑 车，用于支架下放; 滑道由 2 条间距 1. 2m 的轨道 制作而成，铺设如图 2、图 3 所示;滑车由长度 1500mm、宽度 600mm 的钢板和直径 30mm 的圆钢 制成，如图 4 所示。 开切眼上口的巷道煤壁中布置绞车硐室，平行 安装 2 台 JH－30 绞车，运输巷距离开切眼 55m 处 02 第 22 卷 第 3 期 总第 136 期 2017 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 3 Series No. 136 June2017 ChaoXing 图 2滑道制作 图 3滑道铺设 图 4滑车制作设计 靠顶板侧安装 1 台 JM－14 型绞车，用于开切眼下 放支架时稳架和拉架; 在开切眼上口将支架固定在 特制的滑车上，让支架前梁朝向煤壁，横向沿滑道 下滑至安装位置，然后停止滑车，稳架绞车松绳， 支架自动从滑车下滑至开切眼，完成卸架工作; 然 后升起支架立柱，支护顶板，完成支架的下放和安 装，解决了支架纵向下放存在的卸架、转向等难 题，消除了倒架问题。 1. 4工作面设备配置 配套 1 台 MG250/600－QWD 型采煤机，70 架 液压支架，其中基本架 46 架，圆弧过渡段支架 19 架，过渡支架 3 架，端头支架 2 架;最小控顶距 4240mm，最大控顶距4840mm。主要设备配置如表 1 所示。 为了控制支架下滑和挤架，设计采用了具有双 侧双活侧护板、底调梁、调架油缸等装置、工作阻 表 1大倾角综放工作面主要设备配置 设备名称型号及规格数量主要技术参数 采煤机/台MG250/600－QWD 1电牵引双滚筒 基本支架/架ZF5000/17/2846四柱支撑掩护式 圆弧过渡段支架/架ZF6200/17/3019两柱支撑式 过渡支架/架ZF6200/20/303两柱支撑式 下部端头支架/架ZT20000/22/351 上部端尾支架/架ZT20000/22/351 支护宽度可调 3. 039～4. 56m 前、后部刮板输送机/台 SGZ730/1602 工作面上部 45m 不安装后部刮板 输送机 力 5000kN 的轻型液压支架。设计配套了能够调节 和适应工作面及两道宽度变化的 V 型端头支架， 支架顶梁上装有可伸缩顶梁，顶梁上安装可伸长的 侧护梁和侧护板，支架高度为 2. 2～3. 5m，支护宽 度为 3. 039 ～ 4. 56m，支架宽度和高度均可调节， 提高了端头支架的适用性，也很好地解决了上端头 支架与过渡支架之间三角区的支护问题。 1. 5采煤方法及回采工艺 1顶板控制方法 全部垮落法处理顶板。 2作业方式三八制作业，两班生产，一 班检修。 3采高 基本支架段采高 2. 5m，圆弧过渡 段采高 2. 7m，放顶煤高度 6. 7～6. 9m。 4循环进尺 截深 0. 6m，每天完成 2 个循 环，推进 2. 4m。 5进刀方式上端头向上斜切进刀，下行 割煤，上行清煤，从下向上分段移架。割煤时追机 伸出前探梁，打开护帮板。进刀速度控制在 0 ～ 1m/min，割煤速度控制在 0 ～ 3m/min 之间。移架 时，将工作面分为上、中、下 3 段，即下段为 1 号 过渡架～22 号支架，中段为 23～45 号支架，上段 为 46～68 号支架，先推移前部刮板输送机，收回 支架上侧的侧护板，打开支架下侧护板和底调梁， 使支架与前部刮板输送机始终处于垂直或前梁略朝 上状态，拉架、支护，防止支架下窜，再打开上侧 的侧护板，拉移后部刮板输送机。各分段均自下而 上推溜、移架、拉溜。1 个循环拉移 1 次端头架和 端尾架。 6放煤方法2 采 1 放，放煤步距 1. 2m。 根据急倾斜煤层顶煤冒落规律，在工作面上段采用 自上而下单轮间隔放煤方式，中段采用自下而上单 轮间隔放煤方式，下段采用多轮顺序往返放煤方 式。放煤时，要按照工作面压力、围岩稳定性、设 备使用状态合理放煤。工作面中、上段不得放空， 防止悬顶面积过大、支架失稳和顶板垮断造成架前 冒顶、支架失稳; 放煤后必须及时升紧支架。如有 12 杨世杰等 大倾角综放开采综合技术研究与应用2017 年第 3 期 ChaoXing 冒顶现象，冒顶区上下 5m 范围内不宜放顶煤。 1. 6初采初放技术 初采初放时，顶煤、顶板不及时垮落，容易造 成冒顶和倒架，是大倾角综采的第一个关键环节。 必须严格控制采高在 2. 5m 以内，泵站压力必须达 到 31. 5MPa，保证支架足够的初撑力; 割煤后及时 伸出支架前探梁和护帮板，减少空顶时间; 移架时 采用带压擦顶移架，减少顶板下沉量。初采初放时 不放顶煤，工作面快速推进。若支架出现倒架趋 势，拉移支架时使用单体支柱扶正支架。若出现架 前片帮、冒顶，应采取挂网、煤帮超前锚固、减小 进刀深度、小步距移架等措施进行处理。 1. 7工作面上部三角区支护技术 大倾角工作面回风巷端尾架与基本架之间存在 一个三角空顶区，宽度在 1. 2m 以上。研制了 ZT20000/22/35 型左右分体式专用端尾支架，设计 有侧护梁和侧护板，控顶宽度在 3. 039～4. 56m 之 间可以任意调节，不仅解决了三角区的支护问题， 还能适应工作面长度的变化，当工作面长度变化量 达到 1 架支架的宽度时，调节端尾支架支护宽度， 进行加架或减架，保证工作面不空顶、不挤架。 1. 8防倒防滑技术 工作面下部设计为圆弧过段，并布置端头支 架，保证了工作面下部支架不倾斜，对中上部支架 起到稳架作用。每架支架顶梁采用双侧双活侧护 板，底座配有底调梁和防滑、防倒千斤顶，前梁设 计有调架缸，均可调整支架; 前后部刮板输送机连 接在支架上; 工作面下口超前上口 5～10m、伪斜 3 ～5开采; 严格控制采高; 分段自下而上带压擦顶 移架。支架倾斜时，采用单体支柱配合调架装置进 行调架; 支架倒架咬架时，在工作面回风巷安装 2 台 JH－30 绞车，配合导向轮，向上牵拉支架顶梁 和尾梁，用于从上向下逐个调架。调架前，在工作 面上端头煤帮上固定 8 根 730 型链条，利用绞车扶 正并向前拉移支架，每 2 架支架利用 2 根 730 型链 条拉住，防止下滑; 再牵拉下部倾倒的支架，依次 完成全部调架工作。 1. 9片帮冒顶及底板垮落处理技术 对相邻两架支架前探梁之间的缝隙较大处，沿 走向绑扎长度 2m 的圆木，防止架间漏煤;煤壁片 帮后前探梁伸不到煤帮时，在架前空顶和架顶无煤 的支架上部放置荆芭、圆木，防止了架前漏煤; 注 马丽散固化顶煤及煤帮; 采用锚网索支护煤帮，防 止片帮范围扩大; 对垮落较高的冒顶区，采用喷射 混凝土支护。支护后小步距割煤、从上向下移架。 若出现倒架、咬架时，每扶正 1 架支架，拉移 1 架 支架，防止频繁倒架造成更严重的片帮冒顶。 2矿压及煤岩运移规律 2. 1支架工作阻力监测 在工作面支架上布置测点，监测支架工作阻力 及其变化规律，掌握工作面开采过程中的围岩变 形、破坏、运动 移特征以及工作面矿山压力 显现规律，分析工作面 “支架围岩”关系，探 讨工作面支护装备适应性。 1非来压期间，大部分支架后柱工作阻力 小于前柱工作阻力，来压期间支架后柱和前柱工作 阻力相差不大。下分层37220－2 工作面下部3 号支 架和不同区域支架侧护板载荷特征监测曲线如图 5、图 6 所示。 图 5工作面下部 3 号支架前后立柱载荷特征 图 6工作面不同区域支架侧护板载荷特征 2工作面周期来压明显，平均步距 20m， 持续 2～3d。 3上分层工作面下部区域压力大，中上部 压力较小，上部支架载荷约为下部支架的 61， 中部支架载荷约为下部支架的 56。 4下分层工作面中部区域压力大，两端压 力较小。下部支架载荷约为中部支架的 47，上 部支架载荷约为中部支架的 86。 5工作面中部支架侧向力最大，上部支架 次之，下部最小。工作面中上部区域支架易下滑， 有倾倒倾向性，支架间易出现咬架、挤架现象; 下 部测区支架稳定性较好，不易下滑和倾倒。 2. 2顶煤变形及运移规律 137220－1 工作面前方煤体的始动点距煤壁 33m 左右，37220－2 工作面前方煤体的始动点距煤 22 总第 136 期煤矿开采2017 年第 3 期 ChaoXing 壁 25m 左右。 2工作面前方煤体在移动的初始阶段，上 下层位的煤体移动速率基本保持一致，比较均匀; 随着工作面的推进，煤体的移动速率逐步增大，上 部层位的移动速率一般大于下部层位的移动速率。 但在煤体的整个移动过程中，其速率没有突变。 3从煤体开始移动到煤体冒落，上部层位 煤体的移动量大，下部层位的移动量小。 4在倾斜方向，上段煤体的移动量大，下 段煤体的移动量小。 3通风瓦斯及防灭火研究 3. 1通风方式选择 矿井相对瓦斯涌出量为 2. 96m3/t，绝对瓦斯 涌出量为 2. 31m3/min，为低瓦斯矿井; 工作面瓦 斯涌出量小，采用 U 型通风，设计风量 581m3/ min。 3. 2瓦斯防治 工作面采用上行通风，防止下隅角瓦斯积聚; 采用上隅角气室抽放和采空区埋管抽放技术解决瓦 斯问题。工作面回风巷布置高位钻孔，可提高瓦斯 抽放效果。 3. 3防灭火技术 主要采用下隅角注氮防灭火技术、喷洒阻化剂 ≥50氯化镁溶液 、上下隅角码设黄土墙、高 温区注水、注液氮、束管监测等综合措施。采用液 氮防灭火技术，能够起到很好的冷却降温、窒熄火 源的作用。 3. 4有害气体运移研究 工作面先采用下行通风，后采用上行通风; 采 空区埋设束管监测装置，工作面布设 CH4，CO、 温度传感器，监测气体成分，综合分析气体运移规 律。 1采用上行通风时，工作面风流和采空区 有害气体都从下向上运移; 采用下行通风时，采空 区气体运移相对复杂，冷却风带有害气体随风流从 上向下移动，氧化带有害气体受采空区遗煤氧化升 温形成自然风压，造成有害气体从下向上运移。 2上行通风时，下隅角不会出现瓦斯超限， 上隅角瓦斯浓度增大，不采取抽放措施会出现瓦斯 超限; 采空区发火的危险性大。下行通风可降低上 隅角瓦斯浓度，有利于防止自然发火，但下隅角瓦 斯涌出量大，抽放效果差。 3上行通风时，采用下隅角埋管注氮、上 隅角和采空区埋管抽放瓦斯、加强安全监测和人工 检测、束管监测、光纤测温等综合措施，可解决工 作面瓦斯防治和防灭火问题。 4经济效益和社会效益 采用倾斜分层大倾角综放开采取代原有的水平 分段开采，工作面长度由水平分段布置的 19m 增 加到 102m，大幅度降低万吨煤掘进率，减少了三 角煤损失，提高工作面单产和工效。37220－1 工作 面生产原煤 5. 344105t，37220－2 工作面生产原煤 9. 481105t。平均月产量由 3. 03104t 提高到 7. 4 104t，吨煤成本由 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，工作面生产能力由 3. 6 10 5t/a 提高到 8. 8105t/a，实现了安全高效生产。 5结束语 1急倾斜特厚易燃煤层走向长壁倾斜分层 综放开采技术研究与应用取得成功，提高了急倾斜 特厚煤层综合机械化开采水平，提高了回采工效、 资源采出率和工作面生产能力，降低了生产成本， 创造了良好的经济效益。 2解决了急倾斜特厚易燃煤层大倾角综放 开采技术难题，丰富和完善了煤矿开采方法，可在 同类煤层开采中广泛推广应用。 3工作面上行通风产尘量大，采空区易发 火; 下行通风存在下隅角瓦斯排放问题。应确定合 理的供风量和注氮量，加强瓦斯抽采和通风管理。 4支架安装时横向沿滑道下放，从下向上 安装支架; 停采时采用锚网索支护顶板，从下向上 回撤支架，顶板弯曲下沉，不会出现倒架问题。 5研究应用的工作面端尾斜切进刀、分段 放煤、支架拉移，顶板控制、片帮冒顶处理、防倒 防滑等关键技术，有效保证了 “支架－围岩”支护 系统的稳定性，确保了工作面安全高效开采。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 谢俊文，李俊明，杨富，等 . 急倾斜大倾角特厚易燃煤层 综放开采及 “三机”配套技术 ［J］． 煤矿机电，2003 5 24－26. ［ 2］ 袁永，屠世浩，王继林，等 . 大倾角特厚煤层综放开采技 术的研究与应用 ［J］． 煤矿安全，2009 11 48－50. ［ 3］ 鞠文君，李前，魏东，等 . 急倾斜特厚煤层水平分层开 采矿压特征研究 ［J］． 煤炭学报，2006，31 5 558－561. ［ 4］ 李前，魏东，杨世杰 . 急倾斜特厚煤层综放开采实践 ［J］． 煤炭科学技术，2002，30 8 17－19. ［责任编辑 邹正立］ 32 杨世杰等 大倾角综放开采综合技术研究与应用2017 年第 3 期 ChaoXing