急倾斜厚煤层走向长壁综放开采技术.pdf
1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第30卷第5期煤 炭 学 报Vol . 30 No. 5 2005年10月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYOct1 2005 文章编号 0253 - 9993 2005 05 - 0545 - 05 急倾斜厚煤层走向长壁综放开采技术 谢俊文 1, 3 ,高小明 2 ,上官科峰 2 1 1北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083; 21甘肃靖远煤业公司,甘肃 靖远 730913;31甘肃窑街煤电公司,甘肃 窑街 730084 摘 要针对急倾斜 38 ~49厚煤层的开采普遍存在效率低、效益差的问题,系统地对大倾 角综放煤层开采设备研制、巷道及工作面布置、矿压显现规律、回采工艺以及安全保障技术等进 行了试验研究.结果表明,该项技术应用于实际工作面经济效益显著.工作面单产达9171万t/ 月,回采工效45 t/ d 工 , 采出率82127 ,吨煤成本较水平段放顶煤降低46元/t . 关键词急倾斜厚煤层;走向长壁;综放开采;圆弧过渡;防倒、防滑 中图分类号TD8231213 文献标识码 A 收稿日期 2005-04-26 作者简介谢俊文1962 - ,男,甘肃天水人,博士研究生,教授级高级工程师.Tel 0931 - 6911016 Long wallmechanized top2caving techn iques along strike in steep2inclined thick coal seam XIE Jun2wen 1, 3 ,GAO Xiao2ming 2 ,SHANGGUAN Ke2feng 2 11School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China;2.Jingyuan Coal Compa2 ny,Jingyuan 730913,China;3.Yaojie Coal Electricity Company, Yaojie 730084, China Abstract Focused on the problemsof low efficiency, bad benefits in extraction of steep2inclined 38~49 thick coal seam, studied the topicsofmachinery, the layoutof roads and mining face, the pressure appearance, the min2 ing technology and the safety measures in mechanized top2caving extraction of steep2inclined thick coal seam.Pro2 vided a successful example in overcoming the main technical problems and realized high efficiency of mechanized top2caving extraction about 45steep2inclined thick coal seam.The work directed for the extraction advancement and developmentwith safety and high efficiency on technical train of thought, equipment and complement scheme under the similar coal seam condition in China. The result shows that the economic benefits are significant bymak2 ing use of this technique in practical production. The output in one mining face is 97 100 t/month, the mining effi2 ciency is 45 t/ dman , the recovery rate is 82127 , and the production cost is 46 yuan RMB/t lower than that of the mining by top coal caving in layout of sub2level sections . Key words steep2inclined thick coal seam;longwall extraction along strike; mechanized top2caving extraction; covered transition;anti2topping and anti2slip 随着我国经济的快速发展和后工业化时代的到来,对能源的需求量将迅猛增加国家权威机构预测 到2010年需煤炭量23~25亿t,到2020年将超过30亿t ,要确保国民经济持续快速发展,就必须大量 开采不可再生的煤炭资源.虽然我国煤炭储量十分丰富,但分布类型和开采条件极不平衡.煤层倾角35 以下的易采煤层的储量在锐减,并且,随采深的增大及瓦斯、矿压、地温、矿井水等灾害的威胁,开采技 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2005年第30卷 术难度剧增,严重制约大规模高效集约化生产.倾角35 以上的厚煤层储量比重较大约占20 ,特别 在我国西部的甘肃等经济欠发达省份,储量比重高达2818和3916.研究这类难采煤层的高效开采技 术是确保国民经济快速稳健发展和实现矿井大规模集约化的紧迫任务,也是国家能源战略的需要. 1 急倾斜厚煤层开采的现状与技术难点 急倾斜厚煤层现多采用倾斜分层和水平分阶段放顶煤采煤法,工作面长度短,单产低102万t/月 , 掘进率高100 m /万t ,工效低 5 ~12 t/工 , 采出率低,效率低、效益及安全性差.急倾斜煤层介于 倾斜与急倾斜之间,在这类煤层实施走向长壁综放开采,存在 “ 支架-围岩 ”系统的不稳定性,特别是 大采高形成的大变形,倾斜方向的动荷载,采场设备的下滑倾倒、端头与工作面的可连续性等复杂因素, 是国内外长期未解决的难题 [1, 2 ]. 主要难点①急倾斜采场覆岩活动剧烈,顶板难以管理;②煤层倾角 直接影响支架的稳定性,工作面设备易倾倒、下滑;③现有综采设备难以适应急倾斜综放开采的需要; ④急倾斜综放工作面回采工艺复杂,管理难度大;⑤急倾斜工作面安全问题突出,技术要求高. 2 急倾斜厚煤层走向长壁综放开采关键技术 急倾斜厚煤层要实现高效集约化开采,要解决的技术难题有 [3 ] ①如何使 “ 支架-围岩 ”系统的不 稳定得到有效控制;②工作面综放设备的研制与配套技术;③探索安全高效的采煤工艺和 “ 一通三防 ” 为核心的安全保障技术.靖远煤业公司王家山矿煤层埋深260~320 m,工作面概况见表1. 表1 靖远煤业公司王家山矿44407, 44208工作面概况 Table 1 The condition of m in ing face 44407, 44208 in Wangjiashan M ine i n Jingyuan Coal Company 工作面 编号 煤层条件 倾角 / 厚度/mf 直接顶 岩性厚度/m 伪 顶 岩性厚度/m 基本顶 岩性厚度/m 工作面参数 走向/m倾向/m倾角 / 始采 时间 4440734~491515111泥砂岩互层318高炭泥岩015中粗砂岩2015780115442002年12月 4420835~481316112粉砂岩115砂砾岩25101 05095472004年8月 图1 工作面水平 圆弧 倾斜 水平布置 Fig11 Layout ofmining face by horizontalcircular slope connection 注f为煤的硬度系数. 211 工作面巷道布置与优化 工作面采用水平 圆弧 倾斜 水平布置方 式,如图1所示,h为煤层厚度,α为煤层倾角. 端头、端尾支架水平放置,解决了工作面上下端头 大倾角的影响,提高了工作面支架的整体稳定性, 有效地防止了工作面开采装备的倾倒下滑;简化了 工作面端头、端尾支护和前、后部刮板输送机与转 载机的搭接配合;同时为下一区段工作面回风巷道 布置在卸压区和瓦斯释放及三角煤回收创造了条 件.212 圆弧过渡段曲率半径的确定 1最小半径Rymin 取决于刮板输送机的最大弯曲度 θ和槽长度L及采煤机底托架高度与滑靴滚 轮间距图2 ,分析论证结果,刮板输送机的特性是允许最小半径的下限. Rymin Lsinθ/2 / 2, 式中,L为槽长度,取115 m;θ 为刮板机最大弯曲度,取3.计算得出圆弧段最小曲率半径为28165 m. 2最大半径Rymax 取决于煤层厚度h和煤层倾角α及运输巷道高h1与宽度L2等. Rymax L - L1- L2- L3 / tanα/2 , 式中,L为煤层的水平厚度,Lh/ sinα;L1为运输平巷与煤层顶板构成三角煤的宽度,L1h1/tanα, 其中h1为运输平巷高度; L3为两副过渡支架的总宽度. 645 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第5期谢俊文等急倾斜厚煤层走向长壁综放开采技术 图2 圆弧段最小、最大曲率半径的确定 Fig12 Deter mination of the minimum length and the maxi mum radius of the curvature 3优化确定原则 Rymin越小,实现圆弧过渡 所需的煤厚就越小,适用范围越广,但设备运行状 况则较差,Rymin越大则反之,但要实现圆弧过渡必 须满足Rymax≥Rymin. 213 工作面设备研制及配套 1支护系统稳定性分析 支架与围岩的稳定 性控制是能否在大倾角条件下确保工作面设备正常 运行的前提,通过相似材料模拟实验,数值模拟分 析计算,确定了液压支架工作参数工作阻力 3 600 kN,侧向力580 kN,支护强度0159 MPa. ①支护稳定性和防倒、防滑分析.支架不倾倒 图3 支架在工作面的受力分析 Fig13 Analytic load on supports in mining face a支架受力;b抗倒极限平衡 p 顶板分布力;q 支架初撑力;Q 支架初撑力合力; ps,px 上、下邻架挤靠力;W 支架自重;Fd 底板压力 的平衡力矩条件图3 ps-pxhphsin α′ WBcosα/2 -csinα pBcos α′ /2,其中 α′为顶板 压力与法线方向的夹角.经分析,支架的稳定性主要 取决于支架固有的底座宽度B和使用高度 h 支架底 座越宽,使用高度越低,稳定性越好,适用的倾角和 来压强度越大 ; 支架需要的抗滑力F取决于煤层倾 角和煤层底板岩性倾角α越大,底板摩擦因数f越 小,需要的抗滑力F越大 . ②支架的抗扭性分析.支架放煤过程中,煤流 有向下的分力,并对掩护梁和尾梁产生侧向力,使支 架发生侧向摆动和扭斜图4.要保持支架不扭斜 就必须保证支架与顶底板间的作用力所产生的抗扭力 矩M2大于等于散体煤岩对支架掩护梁产生的扭矩 M1.即M1FnLl/2≤M22QWsinα Lgf3,其中Fn为散煤岩体对支架掩护梁的扭动作用力;Lg为支架顶梁长度;f3为支架与顶板的摩擦因数. 图4 支架尾部受力分析 Fig14 Analytic load on the rear of the supports q 顶板载荷压力分布;Q 顶板分布压力载荷合力;H 垮落散煤岩体高度;D 掩护梁长度; L 支架集合中心距底座外缘的距离;l 支架掩护梁底板上的投影长度;G 掩护梁上滑移的垮落散体煤岩体重; β 垮落散煤岩体滑移面与底板的夹角;γ 支架掩护梁的张开角 ③支架在圆弧过渡段的适应性分析.支架在圆弧段顶梁受侧力大,极易造成挤、咬、悬架,使顶梁 因接触不良失去支撑点而倾倒,特别是在圆弧段支架顶梁和底座处于两个不同半径的弧弦上,要保证支架 在工作面上与圆弧正常运行,必须研制双侧双活塞大行程、大推动侧护板和有底调梁并带延位防滑装置的 支架,来实现上窄下宽随时接顶和调架防滑要求图5.顶梁最小宽度B1L- 2L1L- 2htan θ/2 , 745 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2005年第30卷 图5 圆弧段支架顶底梁宽度的变化 Fig15 Variation of the width in top beam and base beam of the support in curvature region 底调梁最大行程l L-B为操作方便一般选单侧底调梁 . ④特殊端尾支架的适应性分析.急倾斜工作面由于工作面 在上出口从倾斜变为回风巷道的水平,出现反圆弧段现象支 架底座紧靠,顶梁不能全封闭支护顶煤 , 如图6所示,而急倾 斜煤层对支架侧向推力大,顶、底板会移动变形,特别是端尾煤 体受掘进和采动及频繁移架支承矿压影响,煤体破碎松软,极易 冒顶,致使支架失压倾倒.所以必须研制带有侧翼三角煤支护装 置及锚网前后部输送机尾的端尾支架.侧翼装置宽度和伸缩总长 度取决于煤层倾角α和支架使用高度h,lhtanα. 2刮板输送机、采煤机的适应性研究与改造 急倾斜大 倾角工作面要实现高效综放开采,支架的研制与合理性是前提和 关键,能适应其条件的刮板输送机和采煤机是保障.要保证前、 后部刮板输送机特别是后部刮板输送机不下滑,就必须要有机尾锚固装置和支架防滑 “ 燕尾板 ”相配套 的防滑 “ 燕尾槽 ”装置;同时为防止块煤滑滚伤人和圆弧段煤炭堆积及链条与槽的磨损,必须研制特殊 的刮板和准双边链输送机图7. 特殊条件决定了采煤机必须要有良好的爬坡性能和可靠的防下滑制动,有效的润滑系统及确保圆弧段 最佳参数的控制系统.配置完备的MG200 /500 - QWD型采煤机爬坡能力强,制动可靠液压机械和四象 限馈电制动 , 强迫润滑及圆弧段“ 提底挑顶 ” 自动控制装置,满足了急倾斜厚煤层长壁综放开采的要求. 图8 工作面矿山压力分布特征 Fig18 The characteristics of pressure distribution in mining face 214 急倾斜厚煤层长壁综放开采的回采工艺 1矿压显现、顶煤运移规律研究 运用相似材料模拟实验、数值计算分析和现代力学分析手段, 通过现场观测研究,揭示了矿压显现、顶煤运移规律. 矿压显现规律工作面沿倾斜方向中上部大、下部较小图8 a .沿走向工作面支承压力影响范 围在回风平巷侧45~50 m,支承压力 峰值在煤壁前方4~6 m;在运输平巷 侧,支承压力影响范围40~45 m;支 承压力峰值在煤壁前方3~5 m.拐点 在工作面圆弧段中部图8 b .初 次来压步距60 m左右,平均强度35 MPa;周期来压步距18~20 m,平均 强度3514 MPa. 顶煤运移规律根据工作面沿倾 斜方向上、中、下应力分布的区域化 特征可以确定顶煤运移规律图9. 845 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第5期谢俊文等急倾斜厚煤层走向长壁综放开采技术 2最佳回采工艺的优化确定 在急倾斜长壁综放条件下,进行了不同回采工艺一采一放、两采 一放、三采一放和放顶煤方式单轮顺序、多轮顺序、单轮顺序、多轮间隔顺序、分段间隔多轮顺序 试验,通过系统的分析和实测得出既能使 “ 支架-围岩 ”系统尽量达到最佳控制状况,又能实现煤炭高 回收率和低含矸率的放煤步距 1 12 m与放煤方式分段间隔拆返式多轮顺序放煤方式,上段由上向下 多轮顺序放煤,中段由下向上间隔多轮顺序放煤,圆弧段及水平段为折返式间隔多轮顺序放煤的最佳 回采工艺表 2 和圆弧段提底挑顶自动控制技术. 图9 顶煤运移特征 Fig19 The characteristics of top coalmovement 表2 放煤步距与采出率、含矸率的实测值 Table 2 The measurement values of the interval of top coal extraction,recovery ratio and refuse content 项 目 放煤步距/m 016112118 工作面采出率851882197419 原煤含矸率9~116~75~7 215 安全保障技术研究 通过综合分析研究认为,急倾斜厚煤层具有倾 角大、采空区垮落煤矸下滑至工作面下段落实、上段疏散及水平段积煤多,采空区上段漏风带宽度和漏风 强度较小等特征,研究优化出了 “ 一通三防 ”综合防治技术,优化、简化通风系统,科学合理地配置地 面风量,降低工作面两端风压差,缩小采空区冷却带和氧化带宽度,减少上隅角瓦斯涌出量,同时抑制粉 尘飞扬;工作面中下段采用架间、架顶网管式注浆、降温、隔离残留煤和预温下区段煤体,达到防火、降 低放煤粉尘的目的;优化注氮方式,合理配置注氮量,使采空区氮化带迅速转化为窒息带,达到工作面上 段利用高浓度的瓦斯和氮气惰化防火的目的,确保了安全高效生产. 3 结 论 1“ 非线性异面空间 ”工作面布置水平 圆弧 倾斜 水平方式新颖,是急倾斜长壁综放开 采工作面支护系统稳定性的关键技术,确保了工作面支护系统的稳定. 2创新研制的工作面设备和完备的配套技术,突出工作面设备的主动防倒、防滑和适应性.特别 是采煤机圆弧段 “ 提底挑顶 ”控制装置,保证了圆弧段正常曲率的稳定,为设备安全可靠运行创造了良 好条件. 3采用多种先进手段和技术,基本掌握了急倾斜特厚煤层长壁综放开采的矿压显现和顶煤运移规 律,得出了最佳的回采工艺合理的放煤步距、科学的放煤方式 , 确保了工作面安全高效生产. 4根据急倾斜特厚易燃煤层综放开采的特点,有针对性的研究了在时间和空间上有机结合的 “ 一 通三防 ”为主的综合安全保障,有效保障了工作面的安全生产. 5该项技术经济效益和社会效益十分显著,推广前景广阔.工作面单产达9171万t/月,回采工效 达45 t/ d 工 , 采出率82127 ,吨煤成本较水平段放顶煤降低46元/t . 参考文献 [1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M ].北京中国矿业大学出版社, 2003. 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