大倾角煤层采煤机械化适应性分析.pdf

● 倾 f／ 一 大倾 角煤层 采煤机 械 化 适 应性 分析 ， 夕考 。 焦 作 学 院 兰兰 旦 摘要本文根据大倾角煤层 采场矿压显现 的基本规律 ，对此类煤层采煤机械 化的适应性进行 1分析 ，并指 出j应用前景 。 关键词大1 l委 角 采场矿压显现机械化开采 大倾角煤层是指 3 5 ～5 5 啪 煤层，对这类 煤层的机械化开采问题，许多矿区都在开展试 验研究。 例如在薄煤层中试用的钢丝绳煤锯、 刨 煤机，以及薄及中厚煤层应用的弧形金属支架 配滚筒采煤机等。 但根据我国目前的实际情况， 在大倾角煤层中应用机械化开采还存在以下问 题 ①现有自移式液压支架的防倒、防滑、防 倾覆以及架闻的相互哎合，不适应大倾角煤层 的要求 }②采煤机在运行过程中的导向、防下 滑，以及煤炭 自 溜等问题没有很好解决}③普 机采面单体支柱的防倒、防滑以及顶板管理控 制等存在不少问题}④此前对大倾角煤层矿压 显现规律的研究不够。 由于上述问题的存在， 所 以机械化开采在大倾角煤层中应用较少。 1 大倾角煤层采场矿压显现的基本规律 1 9 9 4 年， 焦作矿院完成了煤炭部 “ 大倾角 煤层开采及嘎板岩层活动规律研究 科研项 目， 掌握了此类煤 层采场矿压显现的基本规律 ，主 要结论如下 1 大倾角煤层采场上覆岩层由于受采动 影响， 按岩石破坏程度不同自下而上可分为冒 落带、裂腾 滞 和弯曲下沉带 沿倾斜方向，工作面下部采空区冒落带岩 层运动较缓 ，而中上部岩层运动较剧裂 ；冒落 带形状为上、下不对称的拱形，其上部拱边缘 与采空区垮落岩层完全脱离， 并存在一定间隙， 下部拱边缘与采空区岩层未完全脱离。图 1为 平顶山市香山煤矿 1 4 3 7 工作面 倾角 4 0 。 实 测的上覆岩层破坏形态图。其特点是 冒落带和 裂隙带的上部轮廓类似于一个抛物线，上下不 对称 ，中、上部略呈马鞍状。经在实验室模拟 研究 ， 工作面上部冒落高度约为采高的 3 ． 6倍 ， 上拱脚与层面夹角约 8 O 。 ，下拱脚与层面夹角 约 3 5 。 ～3 8 。 { 裂隙带内裂隙体梁呈弯曲下沉 ， 最 大下沉值位于采空区中部偏上 图 1 上 覆岩层破坏形态示意 图 1 一实测冒落带边界}2 --推测裂隙带边界 沿走向方向， 大倾角煤层走向长壁面有与 缓倾斜长壁面相似的初次来压和周期来压。其 特点是厚煤层上分层初次来压步距和强度大、 持续时间长； 周期来压强度小、 持续时间短。厚 煤层下分层来压步距和强度均比上分层要小得 多， 有时不 明显。例如 ， 平顶 山市香山煤矿上分 层 1 4 2 7 工作面初次来压步距 2 8 m， 周期来压步 距 1 4 ～1 6 m， 下分层 1 4 3 7 工作面初次来压步距 1 5 m， 周期来压步距仅 8 ～9 m， 见图 2 、 图3 。在 大倾角薄及中厚煤层， 一般初次来压步距和强 度大 ， 而周期来压不 明显。例如香 山煤矿 1 4 1 4 工作面 煤厚平均 1 ． 6 m， 倾角 4 2 ～4 8 。 ， 初次 来压步距 2 2 m， 支柱平均载荷达 1 4 6 K N ／ 根， 顶 n 第 年 维普资讯 1 2 煤矿设计 1 9 9 7 年第 2 期 圈 4 采空 区垮落 矸石示意图 经观测，煤层倾角越大垮落矸石下滑越明 显，采空区下段充填也就越大。其充填长度受 面长和倾角双重影响。 经香山矿 l 5 个工作面统 计， 充填长度 L和倾角a 及工作面斜长 L之间 存在近似线性关系 ，经 回归得到如下方程 L一 一3 9 ． 4 0 ． 8 4 a 0 ． 2 3 L ≥3 6 这种充填不均造成了工作面上、 中、 下部不 同的矿压显现， 即工作面中、 上部的顶板下沉量 及支柱载荷普遍比下部大。 3 大倾角煤层开采后围岩应力重新分布， 沿走向方向在工作面前后存在增压区、 减压区、 稳压区。图 5 是根据模拟试验测出的支承压力 分布曲线。模拟采深 8 3 ～1 1 3 m，原岩应力为 4 ． 9 5 Mp ． 。 从图 5 可见， 超前支承压力的影响范 围在前方 3 0 m左右，其峰值位于工作面前方 5 ～1 2 m， 最大压力为 7 ． 7 Mp ． } 工作面推过后 ， 应 力几乎下降为零 ，随工作面推进应力又逐渐增 大。 图 5 沿走向方向支承压力分 布 沿倾斜方向，采空区下方侧向支承压力分 布存在着应力降低区、应力升高区、原岩应力 区。 图 6 为实验室模拟香山煤矿 1 4 2 7 、 1 4 3 7 工 作面的结果，其侧向支承压力分布曲线呈指教 函数形式 。开采上分层时其方程为 1 ． 4 1 1 7 e “ “ 0 ≤L ≤ 5 ， r 0 ． 9 9 6 一 1 2 ． 8 5 1 l e 一 “ 。 “ L 5， r 0 ． 9 9 7 式中 支承压力， Mp ． I L 颤斜方向距煤壁距离． m} r 相关系数 。 下分层开采后 ， 其曲线方程为； o 7 1 ． 4 6 9 6 e “ O ≤ L ≤ 6 ． 5 ， r 一0 ． 9 9 6 1 6 ． 5 8 2 8 e 一 。 。 。 ” L ≤ 6 ． 5 ， r o ． 9 8 6 经计算 ， 上分层回采后， 应力集中系数大， 为 2 ． 1 8 ， 峰值位置在距采空边缘 4 ～6 m处， 其 影响范围为 1 8 ． 5 mt下分层回采后，侧向应力 最大集中系数为 2 ． 9 ，峰值位置距采空区边缘 6 ． 5 m 影响范围为 2 5 m。 4 太倾角煤层工作面和缓倾斜煤层相比， 支柱的载荷普遍低于缓斜面。 但由于下精力大， 采场支柱的稳定性差 5 太倾角厚煤层倾斜分层开采的集中回 维普资讯 1 9 9 7年第 2期 煤矿设计 1 3 风巷，由于处在工作面上部采空区边缘 ，上覆 岩层压力大 ，所以巷道 围岩变形量大 ，维护困 难 而下部的共用运输机巷，由于采空区矸石 圈 6 采空区下侧 向支承压力分布 1 一上丹层开采后支承压力- 2 一下丹层开采后支承压力 6 在大倾角中厚煤层中应用沿空留巷时， 巷道一次和二次采动影响的矿压显现规律和缓 斜面类似。所不同的是由于下滑力的增大，巷 道两帮移近量大，这是导致巷道破坏的主要因 素之一 。 2 瞢通机械化开采分析 2 ． 1 采爆机I作状态分析 在大倾角煤层中．由于采煤机本身的重力 作用将向下滑动， 使采煤机牵引力增大。 因此， 应增加安全保险钢丝绳，可在回风巷内安设牵 引绞车，在运输巷内安紧绳绞车。这样，在采 煤 机上行割煤 时牵 引绞车可防止采煤 机下精 ， 又能起辅助牵引作用。采煤机的运行过程的受 力如图 7 当采煤机正常工作时，采煤机的牵引力为 P ， 锚链非工作边的张力为P ， 工作边的张力为 ，则 P2 一P1 p 而采煤 机牵引力 P则是采煤 机割煤阻力 P ，运行 摩擦阻力 P ，装煤阻力 P n机体下精 力 P ， 纹车牵引力 P 。等力的合力 。 上述各力随 着工作面的倾斜角度、 工作面采高、 煤的硬度 ， 采煤机的牵引速度和滚筒转速等因素的变化而 变化， 即采煤机运行中的牵引力不是一个定值。 滚筒转速等加以限制，则能计算出采煤机在运 行中的阻力变化，从而采取合理的措旅保证采 煤机的正常运行。 大倾角煤层由于工作面煤炭的运输采用自 溜， 采煤机在运行中无导轨可骑而精底板精行。 为了防止采煤机扎底，减少运行阻力，可在采 煤机的底部安设特制的底座。底座下焊两根斜 铁滑道， 以便采煤机运行中定向行驶。 另外 ， 可 在采煤机机身的截割部前端靠煤壁侧安装定向 板，使滚筒不致过 于压向煤壁 。 2 ． 2工作面的顶板管理 从大倾角煤层开采采场矿压显现规律可看 出，要保证工作面的安全生产，需解决两大难 题、 一是根据矿压显现特征的变化对采场上、 中 下部进行不同的支护与顶板管理I二是单体支 柱的防倒防滑 。 根据实践，对工作面上、中、下部矿压显 现不均的问题 ，可采取以下控制措旅 1 提高上段支护密度 ，沿切顶线架设双 排支柱，增加整体承载能力。 2 随采煤机割煤及时挂粱护顶 ，保证顶 板完整 3 实行分段 同步 回柱放顶 分段距 l O m， 每个分段上方设置挡墙 ，使采空区实现分段垮 落、 分段充填， 以缩小工作面自由空间面积， 有 效调整采场支柱受力不均 匀问题。 穗不 理度 一 围 ／ ／ 填 兰 ． 维普资讯 1 4 煤矿设计 1 9 9 7年第 2 期 4 及时、彻底放顶，严格杜绝上段直接 顶的不垮落悬梁。 5 若开采煤层的水及瓦斯小 ，上部放顶 时可放透上区段采空区，使上区段垮落矸石部 分下移，以充填本面上部采空区 自由空间 ，改 变上段载荷过大 、不 利支护的状态 。 6 工作面伪仰斜布置 ，以减少矸石正 向 下滑 ，防止冲垮工作面支柱并减缓下滑冲量 7 初次放顶及来压时增加木垛 的数量 。 为解决支柱的防倒防滑问题 ，可采取如下 措施 1 支柱支设前 ， 首先挖 0 ． 1 5 m深 的柱窝。 2 使用单体液压支柱支设；若使用摩擦 式金属支柱，应用 5 0 KN液压升柱器 ，保证支 柱初撑力在 3 0 KN以上，并有 3 ～5 。 的迎 山角。 3 支柱支设后，沿底板 自下而上在柱子 根部打设木撑 ，使支柱间相互支撑 ，提高支架 的整体稳定性 ，避免下滑。 4 经常检查单体支柱的性能，发现问题 及时处理 ，防止突然卸载、支柱歪倒 。 此外 ，在开采大倾角薄及中厚煤层时，为 改善工作面支护，国内外曾试用了一种气垛支 架 。它 由几个具有弹性的加固橡胶囊组成 。橡 胶囊充入压缩空气后， 体积膨胀、 高度增加， 使 其紧贴煤 层的顶底板而具有一定的初撑力 。其 承载能力 ，能随顶底板岩石的移动而增加 ，可 作为大倾角煤层今后应用机采的支架 。 由上述分析可知， 只要采用有效的措施 ， 在 大倾角煤层上实现普机采，高档普机采 ，达 到 高产、高教是不成问题的。 3 综合机械化开采分析 综合机械化开采在大倾角特厚煤层水平分 层和水平分层放顶煤工作面已成功应用，但对 一 般的大倾角、薄及中厚或厚煤层走向长壁工 作面，目前应用 尚存在困难 。从大倾角煤层开 采后上覆岩层的垮 落情况看 ，覆岩的垮落对工 作面支架的作用力，比同等条件下缓倾斜煤层 对支架的作用力要小 。而 目前已有的自移式液 压支架 ，从其本身的支撑能力看完全能满足要 求。但液压支架应用于大倾角煤层沿倾斜方向 的下滑力大， 在下滑力的作用下支架将倾覆、 下 滑。目前，国内已有大倾角煤层综合机械化采 煤成套设备，其总体配套设计针对大倾角回采 特点 ，对顶板管理 、煤流控制 、调斜、采煤机 制动、 支架防倒防滑、 封闭人行道等安全防护、 三机配套提出了合理有效的措施 。此项技术已 列入 1 9 9 6 2 0 0 0 年煤炭工业 1 0 0项推广技术 ， 这说明大倾角煤层是完全能够用综合机械化开 采的。 4 机械化开采在大倾角煤层中的应用前景 从 以上对普 机采和综采的分 析可以看出， 在大倾角煤层中应用普机开采目前即可展开。 特别是 “ 大倾角煤层开采及顶板岩层活动规律 研究”成果，全面揭示了大倾角煤层开采中的 矿压显现特征 ，为工作面支护形式的选择、参 数选取、顶板控制等打下了基础 ，为应用普机 开采从顶板控制方面提供了保障。 可 蕊计， 不 久普机开采会在大倾角煤层的开采中得到广泛 应用。而后，在大倾角、厚及中厚煤层中进行 综合机械化采煤也会成为现实。 责任编辑杨季平 维普资讯