大倾角煤层综采基本问题研究.pdf

．0咄 ， ， 第 2 5 卷第 5期 2 0 0 0年1 0月 煤 炭 学 报 3 OU t L NA LO FC HI NA X 3 A LS OC I E T Y Vo 1 2 5．No 5 Oc t ．2 0 0 0 文章 编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 0 0 5 0 4 6 5 0 4 大倾 角煤层综采基本 问题 研究 ．j 鱼 永 兰 ， 员 查 旦 ， 张 淼 丰 ] 2 J ’一 一 一一 西安科技学院 科研处， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 在对 大倾角煤层开采矿压显现厦岩层移动特征分析的基础上，提 出了大倾 角煤屡应用综 合机械化开采技术的基本问题 ，建立 了 “ 支架～围岩”相 互作用模型，研 究了大倾 角煤屡综合机 械化开采支护系统稳定性控制造径及方法，结合四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿的生产 实际。绔出 了一 个 I程应 用 实例 ． 关 键词 天 倾角 煤 层； 综采； 支 护系 统； 稳定 性控 哥 中图分类号 T D 8 2 3 ． 2 1 文献标识码 A 大倾角煤层是指埋藏倾角大于 3 5 。 或者倾角为 3 5 ～5 5 。 的煤层．世界主要产煤国家均有储量不一 的这类煤层．在我国大倾角煤层储量约占煤炭总储量的 1 4 ． 0 5 ％，主要分布在四川、新疆、广东、福建、 甘肃、内蒙古及东北等省 区 ，年产量占全国煤炭总产量的8 ％～1 0 ％， 但有些省 区大倾角煤层 的 产量占有很大的比例，如四川省煤炭产量的4 0 ％～5 0 ％来自于这类煤层． 国外大倾角煤层综合机械化开采技术研究主要集中于俄罗斯、乌克兰、波兰、德国、法国等．俄罗 斯、乌克兰在顿巴斯、卡拉岗达等矿区试验和应用大倾角煤层综采技术取得了较好的技术经济效果；法国 在洛林矿区研究和使用大倾角煤层练采技术获得成功，使其东部矿区的煤炭企业提高了生产效率和利润； 德国在鲁尔矿区的大倾角煤层矿井中试验和应用综采技术使其矿井产量有了明显提高． 国内大倾角煤层主要以非机械化的炮采为主，如房柱式、小阶段爆破、台阶式等．从 8 0年代开始， 我国研制 了大倾角煤层练采设备， 并在沈阳红菱煤矿、新疆艾维尔沟煤矿、开滦唐山矿、鹊岗竣德矿和华 蓥山绿水洞煤矿进行了工业性试验，取得了一定效果，但试验结束后，没有一家能够投入正式生产．与此 同时，我国从波兰、德国和西班牙等国进 口了一批机组并在北京大台矿、四川南桐矿务局、攀枝花矿务局 和华蓥山矿务局试验使用， 但均未取得好的效果． 如华蓥山矿务局绿水洞煤矿使用波兰机组 适应倾角≤ 5 5 ，下井后仅勉强采出了不足 4 万 t 煤，就囡支架严重挤、咬而被迫停产近 1 a ，最后不得不撤出地面． 可以说，迄今为止，大倾角煤层综采在我国未获成功，其主要原因是大倾角煤层综采技术的基本问题还投 有完全解决 l 大倾角煤层开采矿压显现及岩层移动特征 1 顶板破断垮落岩块沿底板向工作面下部采空区糟、滚 倾角大于垮落岩石 自 然安息角 ， 走 向长 壁开采时在工作面线长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 ，通常中上 部矿压显现较下部剧烈． 2 除顶板垮落外，大倾角煤层底板也会出现破坏滑移[ ． 当顶板垮落 移动的趋向和速率与底板 破坏滑移趋向和速率不同时，会 f 起工作面 “ 底板 一 支架 一 顶板”系统失稳，导致灾害性事故发生． 3 由于重力的法向及切向分量随倾角增加而变化，使得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，工作面支架滑、倒及架间挤、咬现象 收稿 日期 2 0 0 0 0 3 1 0 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 0 年 第2 5 卷 加剧．所以，工作面岩层控制的重点不是提高支护 系统 的 工作 阻 力 ，而 在 于 加 强 支护 系 统 的稳 定 性 [ 以上 3 个方面构成了大倾角煤层综采基本技术 问题． 2 大倾角煤层综采关键技术 大倾角煤层综采关键技术是针对综采基本技术 问题提出的，其目的是寻求解决这些基本问题的途 径和方法 ． 2 ． 1 支护系统 { 液压支架阻力与稳定性控制 综合分析工作面上覆岩层结构l 4 ] ，结合大倾角 煤层走向长壁工作面矿压观测和岩层移动素描 ，大 倾角煤层走向长壁工作面内沿倾向任一范围内 “ 支 架一围岩”相互作用关系如图 1 所示 沿工作面推进 方向 “ 支架一围岩” 关系仍为 “ 砌体梁” 式结构 利用结构分析法， 可得 图 l 大倾角煤层走向长壁工作面 “ 支架围岩”作用模型 F i g ． 1 T h e mo d e l o f “ s u p p o r t s u r mu r d i n g ” r da t i o n p i n l o n g wa [ I mi n i n g f a c e 了 、 ， _r 一 外延结构推力； R ， R 一 外延结构剪力； e一 ， 上覆岩层载荷， Q I q x d o t ； P 支护系统阻力， ’ J Pl x d x； G分析系统内岩石重力； 卜一 分 U 折系统沿工作面倾向长度{ F 由 产生的咀 下滑摩擦力； 岩层破断角； 岩层倾角 P 了 一T 。 。 s 0【 R R s i n 0 Q G s i n ， 1 P T 一T s i n 0 R R ∞s 0 Q G ∞s ， 2 式中， 为支架与顶板间的摩擦因数 式 1 本质上是系统沿岩层层面的平衡条件，相应地式 2 为系统沿垂直岩层层面的平衡条件，由 此可以看出 1 系统稳定性与其内在特性 ，0 ，G和外载 Q及支护阻力 P有关．系统沿岩层层面下 滑力随 及Q，G的增大而增大．当系统基本参数确定后，沿层面方向的稳定条件为 P T 一T o 。 s 0 R R， s i n 0 ≥ Q G s i n ． 系统能够自稳的最大倾角为 I 1 I [ 口 ]a r c．s in f [ T 一T 。 。 0 s 0 尺 R s _n 0 当 [ 。 ]时，仅靠系统自身已不能使其保持平衡 ， 须采用外部稳定性控制措施． 系统所需支护阻力同样与其内在特性 ，0 ，G 和外载 Q 有关．当内在特性确定后，支护阻力随 倾角的增大而减小保持系统平衡的最小支护阻力为 P≥ GQ o 。 s 口一[ T 。 一了 s in 0 R R c o s 0 ] 2 系统与外延部分间的接触条件 系统约束条件决定了系统约束反力 T 。 ，T ， R 。 ，R ，从 而影响系统沿层面的稳定性和支护阻力．在 Q，G， 0 ， 确定后，接触条件满足 “ 砌体粱”理论中的 “ 尺 一 T ”关系，但其表达式中增加了倾角的影响因素． 由此可见 ，大倾角煤层综采支护系统所要求的工作阻力小于一般煤层工作面，但增加了对支护系统稳 定性的要求．大倾角煤层围岩对支护系统的这种作用特征随煤层倾角的加大而更加明显所以在液压支架 设计和整个支护系统布置上，既要考虑其工作阻力，更要注意其稳定性控制． 2 ． 2 端头支架与工作面支架间的耦合 不同布置方式的端头支架与工作面支架间的接触 作用模型如图 2 所示． 由图中分析可以得到单个 端头支架对工作面支架下滑的阻抗力． 1 端头支架纵向布置 维普资讯 第 5期 伍永平等 太倾角煤层综采基车同题研究 R s i n卢 c o s口 ． 3 2 端头支架横向布置 R hP[ ／z s in fl一口 c 0 s p一口 ] ， 4 式 中， 为端头支架与巷道顶 、底板间的摩擦因数． 端头支架 与 工作面支架间耦合关系改变而引起对工 作面支架下滑阻抗力的变化为 △ R Rh～R P[ ∞s I9一口 一 。 0 s n口 J ． 5 由于 a ， 1 ．由数学分析可知式 5 恒大于 零 ， 亦即端头支架布置方式的改变提高了其对工作面支 架下滑的阻抗力， 且这种特性随煤层倾角的增大而愈加 突出．除此之外，由图 2还可看出 ，端头支架布置方式 的改变使其与工作面支架 排头支架间的接触条件改 变，改善了自身的稳定性．端头支架横向布置通常是主、 移 ． 图2 端头支架与工作面支架作用模型 Fig． 2 Th e mo d e l o f[ n t e r a e d o n b e t w e f a c e - s u p p o r t a n d e n d - s u p i x a 端头支架纵向布置； b 端头支架横向布置 P 单个端头支架] 作阻力；R端头支槊作用于工作 面支架的阻 抗力 一 端头支槊主立柱倾角；产一 螭 头支槊与巷道顶底板问的摩攘力 副架前后布置，靠架间连接的油缸实现迈步前 2 ． 3 顶、底板移动速率对支护系统稳定性的影晌 大倾角煤层工作面围岩移动的显著特征是除工作面顶板变形、破坏和移动外，工作面底板也会产生变 形、破坏和滑移．一般情况下，工作面顶、底板的移动趋向相同，但移动速率不同．因此，由速率差而 l 起的位移差必然会对工作面单个支架的稳定性产生影响， 继而对整个工作面支护系统产生影响． 根据对工作面单个支架的稳定性分析_ 3 J ，大倾角煤层工作面顶、底板间的位移差一方面可以降低支 架抗侧向倾倒稳定性，另一方面也使支架对顶板的有效支撑力碱小，从而加剧工作面支架问的挤、咬现 象，同时造成工作面顶、底板破坏而导致局部冒顶或加速底板破坏滑移，最终导致工作面某个区域内支护 系统失稳引发安全事故．因此，提高单个支架的稳定性除对支架自身进行加强外，还要注意对顶、底板问 存在的位移差进行调整与控制．通常，可在移架过程中视顶、底移动的具体情况以迎山角或退山角的方式 进行位移差调控． 2 ． 4 关键回采工艺过程与参数 1 工作面调伪仰斜技术 工作面伪仰斜是指工作面沿伪仰斜布置，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，另一方面多次推输送机拉架后， 输送机和支架可 明显上窜， 抵消或减少输送机与支架的下滑量，从而加强整个工作面系统的稳定性 2 移架与调架 确保支架的稳定性是大倾角煤层综采面移架方式的确定原则，即有利于防倒、防滑及调架．合理的移 架顺序是自下而上逐架带压前移，先移下端头支架再移排头支架，这样就使得上邻架始终以下邻架为依托 前移．通常，移架时相邻两架的顶粱高差不能超过 1 0 c r n ，以防止顶梁咬错，造成背架．出现倾倒和错位 支架的调整应以下邻架为依托，通过侧护板、底调梁推下邻架的方式进行． 3 割煤与装煤 大倾角煤层综采面割煤方式应是由上向下单向割煤 ， 这样既有利于减小牵引阻力和防止采煤机下滑， 同时也有利于采煤装煤 可防止煤向采煤机下方及人行道侧抛洒 ． 3 工程实例 IJ J l 华蓥山矿务局绿水洞煤矿采用文中所述观点在支架设计时降低了工作阻力和支架重量 工作面支 架为 Z Y j 2 3 0 0 1 3 ／ 3 2 ，改变了端头支架 Z T H J 3 4 0 0 ／ l 6 ,／2 5 与工作面支架间的耦合关系，变纵向布置 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 0 年 第2 5 卷 为横向布置．以工作面支护系统稳定性为核心考虑主要回采工艺过程与参数，配合工作面矿压观测与支护 系统稳定性监测，已顺利开采了两个大倾角煤层工作面 煤层倾角2 7 ～4 2 。 ，工作面长 7 4 ～1 2 0 m，煤厚 2 ． 6 ～2 ． 9 2 m ，平均月产 3 7 0 6 0 t ，工效 1 2 ． 1 t ／ I ，获直接经济效益 1 1 9 6 ． 4 7万元 ，且极大地改善 了工 人的作业环境 ．获得了良好的社会效益． 4 结 论 1 大倾角煤层综采的核心是工作面支护系统的稳定性工作面液压支架设计、端头支架布置及主要 回采工艺过程均应 以此为确定原则 ． 2 大倾角煤层随倾角增大，围岩施加于工作面支护系统的下滑力增大而要求支护系统所具有的工作 I驵 力减小．因此 ， 工作面液压支架设计的关键是增强其稳定性，而不仅是提高其工作阻力 吨位 ． 3 端头支架与工作面支架间耦合作用方式的改变有利于提高工作面整个支护系统的稳定性，且这种 特征随煤层倾角增大而愈加明显． 4 工程实例表明，系统地解决了大倾角煤层综采的关键技术问题之后，建设年产 5 0 ～6 o万 t 的大 倾角煤层综采 “ 高产高效”矿井是可行的 参考文献 [ I ] 吴绍倩 [ 2 ] 王作棠 [ 3 ] 伍永平 [ 4 ] 陈炎光 作者简介 石平五 刘鸿泉 员东风 钱鸣高 急倾斜煤层矿压显现规律的研究 [ J ] 西安矿业学院学报，1 9 8 9 2 1 ～9 葛亮涛 采场底板岩体移动 [ J ] 煤炭学报，1 9 8 9 ，1 4 3 6 2 ～ 6 9 ． 大倾角综采支架稳定性控制 [ J ] 矿山压力与顶板管理，1 9 9 9 3 ，4 8 2 ～8 5 中国煤矿采场围岩控制 [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社，1 9 9 4 伍永平 1 9 6 2 ，男．陕西汉中人，教授 ．在职博士1 9 8 2年毕业于西安矿业学院．主要从事矿山压力及开采法方面 的教学与科研工作主持完成科研课题 2 0余项，获省 部级科技进步奖 4 项出版 巷道支架设计与实验等 2 部著 作．发表论文 3 0 余篇 S t u d y O i l t he e l e m e n t a r y pr o bl e ms o f f u l l - me c h a ni z e d c o a l mi n i n g i n g r e a t e r p i t c h i n g s e a m Ⅵr U Yo n g p i n g．YUN D o n _ g f e n g ．Z HANG Mi a o f e n g Xi “a n U n i o e r s i t y o fS c On c e a n dT e c h n l o g 3 ,， X a n 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a Ah s l r l l e t B a s e d o r l t h e a n a l y s i s a b o u t r u l e s o f s t r a t a b e h a v i o r a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f mc k mo v e me ri t 。t h e e I e n n ． t a r y p r o b l e ms o f f u l l me c h a n i z e d c 。 mi r ,J n g a p p l i e d i n g r e a t e r p i t c h i n g s o A t r n i s p u t f o r wa r d ．F u r t h e r m o r e ．a mo d e l o f “ s u p p o r t s u r rou n d i ng r o c k “r e l a t i o n s h l p is ma d e ，a n d t h e c o n t r o l l i n g wa y s a n d t e c h n i q u e s o f s u p p o r t ． s yst e m s t a b i l i t y i n f u l l - me c h a nL x t c 。 a l mi n i n g o f g r e a t e r p i t c h i n g s e a m a r e s t u d i ed Fi n a l l y ．a n e ng l n c i n g p r a c t i c a l e x a mp l e i s g i v e n t h a t t h e f u l l me c h a n i z e d c o a l mi n i n g o f g r e a t e r p i t c h i n g s o A t r n h a s b e e n u s e d i n Lu s h u i d o ng ml l i e r y a d mi n i s t r a t ed b y Hu a y i n g Mi n i n g B u r e a u，S i c h u a n P r o v i n c e ． Ke y wo o d sg r e a t e r p i t c h i n g s e a m ；f u l l - me c h a n iz e d c o a l mi n i ng ；s u p po r t s y s t e m ；c o n t r o l o f s t a b i l i t v 维普资讯