大倾角煤层综采面围岩控制机理及回采技术 (2).pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期煤炭科学 技术年 月 大倾角煤层综采面围岩控制机理及回采技术 孟祥瑞 , 赵启峰 , 刘庆林 安徽理工大学资源开发与管理工程系 , 安徽淮南 摘要在对大倾角煤层开采矿压 显现及岩层移动特征分析的基础上 , 结合现场实测 , 提 出了大倾 角工作面支架 一 围岩相互作用关系 , 并对大倾角综采工作面支护系统稳定性进行分析 。 以新庄孜煤 矿首个综采面为例 , 从顶底板的稳定性控制和支架固有的结构参数设置 两方面入手 , 对大倾 角综采工作面关键回采技术进行研究 , 保证了大倾角综采工作面的安全 、 高效生产 。 关键词大倾角煤层综采支架 一 围岩作用关系支护系统稳定性控制 中图分类号文献标志码文章编号 一一一 一,一,一 刀印 汀 瓜浇 , 反 , ,, , 兀 , 群 , 近年来 , 在我国大倾角煤层开采越来越引起采 矿界 的重视 。 由于快速发展的高产高效技术使一些 矿区赋存条件优越的煤层储量越来越少 , 大部分矿 区浅部开采条件好的储量在较短的服务年限内接近 枯竭 , 促使大倾角煤层 的开采问题引起高度重视 , 如充州矿区 、 淮南和淮北矿区等 。 因倾角较大 , 在 开采此类煤层时 , 不论是回采工艺的合理选择还是 采场围岩控制等方面都受到很大制约 , 回采过程 中 的安全隐患也非常严重 , 安全在大倾角煤层开采中 占有更加突出的地位 。 在新庄孜煤矿进行了大倾角煤层综采关键回采 技术的研究 , 主要探索在特殊地质条件下引发大倾 角煤层围岩复杂运移活动的内在原因探讨大倾角 煤层机械化开采围岩与工作面支护系统的相互作用 基金项目国家自然科学基金资助项目 特征解决大倾角走向长壁工作面机械化开采过程 中的关键技术问题 , 推进这类煤层机械化开采发展 进程 , 为开采此类煤层矿井高产高效建设创造条 件 。 工作面概况及开采技术特点 淮南矿业集团新庄孜矿工作面 , 地面标 高 一 , 井下标高 一 一 , 走向 长度 , 倾斜长度 一 。 该面煤层倾角 一 “, 平均 。 煤层顶底板岩性见表 。 该工作面采用走向长壁 后退式综合机械化采 煤 , 全部垮落法管理顶板 。 型采煤机 落煤 、 装 煤 , 型刮 板 输送机运煤 , 和支撑掩护式支架支 护顶板 。 该面采用双滚筒采煤机双向割煤 , 往返一 次进两刀 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期煤炭科学技术 表煤层顶底板岩性 年月 顶底板名称岩石名称厚度八岩性特征 基本顶 直接顶 煤层 直接底 细砂 宕 砂质泥岩 煤 砂质泥岩 一 浅灰色 , 细粒结构 , 含少量粉粒成分 , 见裂隙 浅灰 一 灰白砂泥质结构 黑色 , 煤层靠上部含一层砂质泥岩夹研 , 一 厚 一 , 局部有夹歼插人体及底膨变薄带 灰色 在大倾角煤层中实施综采 , 由于煤层倾角大 , 与缓斜煤层相比 , 其开采技术特点如下 由于工作面倾角较大 , 顶板破断垮落岩 块将沿底板向工作面下部采空区滑落倾角大于 垮落岩石自然安息 、 角 , 走 向长壁开采时在工作面 倾斜方向形成不均匀充填特征 , 从而导致工作面不 同区域矿 压显现不同 在大倾角煤层中实施综采 , 存在支架 围岩系统的不稳 定性 , 特别是大倾角形成 的大变 形 , 倾斜方向的动荷载 , 采场设备的下滑倾倒等复 杂因素 。 大倾角煤层综采增加了对支护系统稳定 性的要求 。 随着煤层倾角的逐渐增大 , 围岩对支护 系统的这种作用特征变得更加明显 。 所以在整个支 护系统的布置上 , 既要考虑其支护阻力的大小 , 更 要注意其整体稳定性控制 。 口一上覆岩层载荷 , 咭 二 击 尸一支护阻力 , 尸 二 知 二二 、 , 爪一相邻单元挤靠推力 、 凡一相邻 单元挤靠剪力一单元内岩层重力一单元沿工作面倾向 长度一阻止下滑摩擦力月一岩层破断角 进卜一煤层倾角 图大倾角煤层走向长壁工作面支架 一 围岩作用模型 大倾角煤层综采关键技术 大倾角煤层支架 一 围岩相互作用关系 通常所说的采场支架 一 围岩相互作用体系即 “ 基本顶 一 直接顶 一 支架 一 底板 ” 系统 。 在这个系 统中 , 支架与围岩是相互作用相互影响的 , 围岩的 运动状态影响支架的工作状况和承载特性 , 而支架 的工作状 况又反过来影响到围岩稳定性的控制效 果 。 因此把支架 一 围岩看作是一个相互作用和共同 承载的力学体系 , 正确调节和处理支架 一 围岩相互 作用关系 , 是大倾角煤层综采取得成功的关键 。 综合分析工作面上覆岩层结构 , 结合大倾角煤 层走 向长壁工作面矿 压观测和岩层移动情况 , 大倾 角煤层走 向长壁综采工作面沿倾向某一范围内支架 一 围岩相互作用 关系如图所示 。 本文沿工作面倾 向取长为的一段作为研究单元 。 利用结构分析法 , 可得 拜 一 界刀 二, 刀 界 一 双月刀 二 其中拜为支架与顶板间的摩擦因数 。 式本质上是所分析的单元沿岩层层面的 平衡条件 , 式为所分析的单元沿垂直岩层层 面的平衡条件 , 由这个公式可以看出 单元稳定 性 与其 内在特征刀 ,, 和外载及支护阻力 尸有关 。 单元沿岩层层面的 下滑力随着 ,, 的增大而增大 。 当单元 的基 本参数确定后 , 沿岩层层面方向的稳定条件为 爪 一 双月 、 刀 单元能够 自稳的最大倾角为 〔 ”〕 一 ‘ 尚 〔 爪 、 、 、月」 、 月 当「 川时 , 仅依靠单元本身已不能使其 保持平衡 , 需采取外部措施 , 使支架 一 围岩系统得 以稳定 。 单元 所 需 支 护 阻力 同样与 其内在特征 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期煤炭科学技术年 月 甲 ,, 和外载口有关 , 当单元 的基本参数确 定后 , 支护阻力随着岩层倾角的增大而减小 。 要想 保持系统平衡 , 所需最小支护阻力为 一一 爪刀 ,, 月 单元与相邻单元 间的接触条件单元间 相互挤靠决定了单元约束反力爪 , 双 ,、, , , 从而影响整个系统沿层 面的稳定性 。 支架受力状况分析 在工作面整个支护系统中 , 液压支架作为支护 顶板 , 维护采场安全生产的结构物 , 是控制围岩稳 定的主要手段 。 支架在工作面的受力分析如图所 示 。 支架不倾倒的平衡条件为 二 。, , 戈 林拜 ‘ 叹 液压支 架 ’ 分 匕 器讼 尸,一支护初撑力 工作阻力引起的围岩对支架的反作用力 , 尸 孙 , 山凡一底板对支架的支撑力 , 丁扮 二 ,,, 一上 、 下邻架挤压力 扫一煤层倾角 一支架自重一 支架底座宽度一支架支撑高度 户 一煤层顶板与支架间的 摩擦因数 林 一煤层底板与支架间的摩擦因数 图支架在工作面的受力分析 一般可以近似地认为林 , 与 拜 相等 , 均 为拼 。 则支架能够自稳的最大倾角为 「 , 拜 从 一 、 一 尸 支护系统稳定性控制措施 就采场支护系统而言 , 工作面支护 的直接对象 是直接顶岩层 , 通过直接顶间接地对基本顶的活动 起一定的控制作用 。 在整个支护系统中 , 支架并不 是孤立存在的 , 而是处在一个由围岩组成的支护体 系之中 , 因此该支护体系的整体稳定性与工作面顶 底板的运移 、 破坏规律及支架固有的结构与参数有 密切关系 。 , 顶板稳定性控制 直接顶 的厚度 。 基本顶 岩层对工作面的 顶板压力的影响主要取决于直接顶的厚度 , 也就是 说 , 基本顶离煤层越远 , 即直接顶厚度越大 , 破断 后形成的缓慢下沉式平衡的可能性也越大 。 工作面直接顶厚度为 一 , 平均在左 右 , 这样好的顶板条件为整个支护系统的稳定性控 制提供了天然保障 。 来压期 间顶板控制措施 。 随着工作面的 推进 , 顶板来压时 , 破断岩块的重量与支架的稳定 性成反比例关系 , 即直接顶垮落岩块 的范围越大 , 施加于支架上的荷载越大 , 整个支护系统的稳定性 也就越差 。 现场可采取 的控制措施顶板来压期 间 , 应增大支架的初撑力和工作阻力 , 确保支护到 位支架基本垂直顶底板支设 , 迎山角不超过 “, 不得有退山现象 , 要确保与顶板接触严密 , 不 允许空顶 , 不出现线接触移架必须一次到位 , 避 免反复支撑顶板 。 支架本身控制 支架 自身固有的结构及参数对整个支护系统的 稳定性有显著影响 , 主要有支架的初撑力 、 工作阻 力及支架底座宽度 、 支撑高度和支架重量等 。 支架的初撑力 、 工作阻力 。 由支架的受 力状况分析可知 , 为了控制支架下滑 , 从提高支架 整体稳定性角度出发 , 支架必须保证一定的初撑 力 , 并在工作时 充 分利用工作阻力 。 新 庄孜矿 大倾角工作面 , 支架型号 为 , 初撑力 , 工作阻力 , 支护强度满 足顶板压力的要求 。 为提高支架的初撑力 , 应保持 支架处于完好状态 , 不漏液 、 串液 、 不自动卸载 , 并及时检查供液管路 , 减少泵站压力损失 。 支架底座宽度和支撑高度 。 支架底 座越宽 , 支撑高度越底 , 稳定性越好 。 现场可采取 的措施有加大支架底座面积 , 确保支架与煤层底 板接触状况 良好 , 既能使底板对支架的支撑力分布 合适 , 又能确保支架加大工作阻力时不破坏煤层底 板严格控制采高 , 确保采煤高度在 一 , 并保持顶板割平 , 防止支架顶梁与顶板点接触或线 接触 。 支架重量‘ 。 由于支架重量与稳定性成反 比关系 , 因此 , 只要支护强度能满足要求 , 应尽量 减轻支架重量 , 以提高其稳定性 。 由于本工作面支 架选型已经完成 , 支架本身的重量已经无法改变 , 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期煤炭科学技 术年月 在回采中主要是采取加快推进速度 , 由每班采刀 增加到每班采 刀 , 以避免破断的直接顶荷载长时 间作用在支架上 。 底板稳定性控制 大倾角煤层开采后不仅引起工作面顶板岩层的 移动和破坏 , 也将导致底板岩层沿工作面倾斜方向 向下滑移 。 底板的这种滑移使大部分支架失去了理 想的支撑基础 , 降低了支护体系刚度 , 增强了支架 失稳破坏的趋势 。 影响底板破坏的因素主要有煤 层倾角 、 支架与底板岩层间的摩擦因数等 。 煤层倾角 乡 。 工作面煤层倾角平均 为 , 由于本工作面煤层倾角大 , 增强 了底板失 稳 、 滑移 、 破坏的趋势 。 底板摩擦因数 林 。 底板摩擦因数越大 , 支架需要的抗 滑力就会越小 。 为提高底板摩擦因 数 , 现场可采取以下措施采煤机割煤后应及时清 理工作面浮煤 , 避免因浮煤引起底板与支架底座之 间摩擦因数的减小及时处理顶板淋水 , 并定期检 查支架乳化液管路及各部位密封情况 , 以防因水的 原因而降低了底板摩擦系数 。 工作面伪仰斜布置减缓倾角对支护系统稳 定性的影响 对于工作面 , 煤层本身的倾角已经无法 改变 , 不论支护系统处于何种状态 , 倾角对其稳定 性均有影响 , 倾角越大 , 稳定性越差 。 但为了减缓 工作面倾角对稳定性的影响 , 可沿走向使工作面成 伪仰斜布置 , 沿垂直于伪仰斜方向推进 , 即沿走向 方向工作面下端头超前上端头一定距离 。 这样布置 一方面可以减小工作面倾角 , 另一方面多次推移输 送机拉架后 , 在推移输送机时 , 可以给输送机一个 向上的作用力 , 输送机和支架可明显上窜 , 使得输 送机下滑量与推移输送机产生的上窜量抵消一部 分 , 从而加强整个工作面系统的稳定性 。 结论 大倾角煤层综采技术的核心是工作面支 护系统的稳定性 。 随煤层倾角增大 , 上覆岩层重力 的切向分力增大而法向分力减小 , 因此工作面支护 系统所受的工作载荷变小 , 而引起支护系统失稳的 外载加大 , 所以 , 工作面岩层控制的重点不仅仅是 提高支护系统的工作阻力 , 而在于加强支护系统的 整体稳定性 。 采场支架并不是孤立存在 的 , 而是 处在 一个 由围岩组成的支护体系之中 , 该支护体系的整 体稳定性与工作面顶底板的运移 、 破坏规律及支架 固有结构与参数有密切关系 。 大倾角煤层 开采后 不仅引起工作面顶板 岩层 的移动和破坏 , 也将导致底板岩层在一定范围 的移动和破坏 。 参考文献 仁钱鸣高 , 石平五矿山压力与岩层控制〔」徐州中国 矿业大学出版社 , , 「霍志朝 , 章之燕大倾角综采工作面设备下滑控制技术实 践「〕煤炭科学技术 , 仪拼 【 〕余本胜 , 周胜贵 , 鄂长银大倾角软煤层综采工作面矿压 显现规律研究「煤炭工程 , 仁了黄国春 , 陈建杰坚硬 顶板 、 软煤 、 软底大倾角煤层综采 开采实践「〕 煤炭科学技术 , 「伍永平 , 员东风大倾角综采支架稳定性控制 〕矿山 压力与顶板管理 , 一 张先尘 , 钱鸣高中国采煤学「北 京煤炭工业 出版 社 作者简介 孟祥瑞 一 , 男 , 吉林姚南人 , 博士 , 教 授 , 博士生导师 , 从事采矿工程 、 计算机应用技术学科的教学与科 研工作 。 一 , 一 收稿日期 一一 责任编辑曾康生 上接第页 参考文献 【 」王增才 , 张秀娟 , 张怀新 , 等 , 自然 丫射线方法检测放顶 煤开采中的煤研混合度 研 究〕传感技 术学报 , 「 」秦剑秋自然 , 射线煤岩界面识别传感器 的理论建模及试 验验证〔 〕 煤炭学报 , 尹 , , , 〔申丽岩 , 方滨 , 沈毅基于负墒极 大的独立 分量分析 方法【 〕 中北大学学报 , , 、 , 一 〔 」 〕、, , 作者简介张艳丽 一 , 女 , 山东济宁人 , 硕士 , 助 教 , 主要从事计算机控制技术 、 信号处理等方面的教学与研究工 作 。 , 一 收稿日期 一一 责任编辑赵瑞