大采高综采工作面顶板控制技术

付聪杰

（山西煤销集团宏安煤业有限公司，山西 太原 030002）

大采高综采工作面顶板控制技术

付聪杰

（山西煤销集团宏安煤业有限公司，山西 太原 030002）

为了保证两硬大采高综合机械化采煤工作面安全生产，在掌握采面矿山压力显现规律的基础上，选择ZZ9900／29.5／50支撑掩护式液压支架控制采场顶板，针对两硬特点，8402大采高工作面选择自然垮落结合人工强制放顶技术控制顶板，取得了良好的技术经济效益，为同煤集团公司其它条件类似采面提供了可靠的顶板控制技术和管理经验。

大采高；综采；顶板；控制技术

大同煤矿集团公司侏罗系煤层有着丰富的煤炭资源，其中5 m左右厚度煤层为11＃、12＃、14＃煤层；主要分布在口泉沟的四矿、二矿、一矿；云冈沟的十矿、十三矿、九矿等。工业储量大约有247 Mt，可采储量175 Mt。但由于其顶板坚硬、煤层坚硬的两硬条件，不适宜采用放顶煤开采，而对于5 m厚煤层采用大采高一次采全高会大幅度提高资源回收率，也可提高开采效率、降低开采成本，通过对采场支架的合理选择和坚硬顶板强制弱化处理，取得了良好的技术经济效果[1-7]。

1 工作面概况

同煤集团公司四矿设计能力270万t／a，大采高8402工作面位于404盘区巷西侧，所采煤层为侏罗系14＃煤层，平均埋深320 m。8402工作面推进长度967 m，工作面长度181.5 m，煤层厚度为4.10 m～6.70 m，平均4.75 m；工作面普遍含有一层0.1 m～0.3 m夹石，煤层倾角20°～50°。工作面煤层顶板自下往上依此为：伪顶，深灰色砂质页岩，厚0.27 m；直接顶，深灰色砂质页岩与粉砂岩互层，厚4.48 m；老顶为灰色粉细砂岩，厚度10.94 m。本层上覆2＃，3＃，4＃，7＃，9＃，10＃，11＃煤层，除2＃，11＃层开采外，其余煤层厚度均小于0.8 m，未开采，2＃层距本层的间距为192 m，11＃层距本层的间距为27.2 m。煤层综合柱状图，见图1。

图1 煤层综合柱状图

2 工作面布置及开采设备

2.1 工作面巷道布置

8402 工作面采用双巷布置，巷道沿倾向布置，切眼沿走向布置。回风巷5402兼作运送材料。运输巷2402为机轨合一巷，用于运煤、进风兼存放设备列车。两巷均沿底掘进。运输巷、回风巷、工作面切眼均采用矩形断面。巷道支护方式为锚杆＋锚索联合支护方式，两排锚索呈三角形布置，锚杆、锚索的参数，见图2。

切眼采用两次掘进成巷工艺，与传统施工工艺相比减少了开帮准备工序，缩短了准备时间。巷道支护采用锚杆、锚索加单体支柱的联合支护方式，解决了14＃层复合顶板条件下超大断面切眼的成巷关键技术，确保了超大断面切眼安装设备的安全有效实施。

图2 巷道支护参数示意图

2.2 采面设备

采煤机是引进德国艾可夫公司生产的SL-500型大功率交流电牵引双滚筒采煤机,特点是截割功率大,牵引速度快,装煤效果好。2002年11月1日20时至2002年11月2日16时在受矿井运输能力限制的条件下对大采高工作面进行了考核测试,共计割煤11刀,平均采高4.65m,推进9.1m,原煤产量10 291 t。在割煤速度7m/min时,实测采煤机整机输入功率714 kw。测试过程中,采煤机工作状态稳定,各部位温升稳定,均在允许范围内。经测试双向割煤,平均速度为5.96m/min,每个循环平均耗时56min。由此看出采煤机潜在生产能力很大,但受矿井运输能力制约没有得到充分发挥。

刮板运输机、转载机、破碎机、及顺槽胶带运输机均为国产配套设备,经过一年生产使用,该设备的技术性能、制造质量、结构尺寸均能满足设计要求。另外,该成套设备设计配套合理,运输能力大,使用维护方便,安全可靠,能够满足集约化生产的要求。

工作面刮板输送机采用了高可靠性行星减速器传动装置、高强度交叉侧卸机头、高可靠性链轮组件,整体封底式中部槽、147节距整体模锻高强销轨、高强灵活可伸缩机尾、重型锻造刮板和Φ38×137紧凑链、液压马达低速紧链装置、摩擦限矩型安全保护离合器;顺槽转载机采用了可伸缩机头、15 000 h高寿命二级平行布置行星减速器,并配有性能优越的可移动式皮带机机尾自移装置和经优化设计的齿轮+液力合器传动型式的破碎机。刮板运输机、转载机、破碎机、及顺槽胶带运输机在2 000 t/h大运量情况下电机最大输出功率为额定输出功率的82％,电机、减速机温升均在43°C以内,符合使用标准要求。

3 顶板控制技术

3.1 采面矿压显现规律

1）直接顶初次来压

大采高工作面直接顶初次跨落步距平均15 m,直接顶从工作面中部首先冒落,随工作面向前推进,很快扩大到整个工作面,除头尾落山角留有少量悬板外,其它各处冒落高度在3.5m～5.5m之间,工作面煤壁有不超过0.2m片帮。

2）老顶初次来压

大采高工作面老顶初次来压步距在40 m～60 m之间,部分支架安全阀开启,古塘悬板全部跨落,工作面中部煤壁有0.3m～0.5m片帮,但工作面顶板完整。

3）老顶周期来压

大采高工作面老顶周期来压步距在13 m～21 m,平均为19.2 m。实测表明,老顶初次来压和周期来压,沿工作面方向不是同时来压,呈现局部来压、迁移特征,来压强度中部最强,尾部次之,头部较弱。

3.2 液压支架选择

工作面顶板的控制主要是由采场支架有效的支撑来完成的,大采高开采时,由于一次采出煤层厚度的增加,采场上方顶板活动规律发生了较大的变化。加之,大采高工作面由于采高大,容易出现煤壁大面积片帮,片帮后端面距加大,顶板失去煤壁的支撑,常常造成冒顶事故。而冒顶事故反过来加剧了工作面装备的损坏,尤其是液压支架的受力状况会急剧恶化,对支架的稳定性产生严重影响。针对两硬条件大采高综采特点,采用ZZ9900/29.5/50支撑掩护式液压支架控制采场顶板。工作面共选用107架ZZ9900-29.5/50型四柱支撑掩护式支架。其中上下端头各采用了3架特殊支架支护顶板。支架中心距1.75m,支架最小控顶距5.889 m,支架最大控顶距6.854 m,最小端面距0.539 m,最大端面距1.404m。

3.3 液压支架的适应性分析

ZZ9900/29.5/50型液压支架采用四拄支撑掩护式结构,特点是初撑力高,支撑能力大,安装了大流量安全阀,配有大流量供液系统,具备快速移架能力。经测试,单个支架移架速度平均14.07 s,最快速度12 s,折算支架跟机速度平均为7.46m/min,可以保证工作面快速推进。

支架已安全完成了工作面控顶任务,采煤工作面累计推进2 267 m,出煤约249万t,该支架经受了工作面老顶来压的冲击;在过上层采空区煤柱时没有受到损坏和没有出现本身原因影响生产的情况,有效地控制了顶板,由此可以说明该支架支护能力能满足该类工作面地质条件下支护要求。

开采过程中,工作面机道顶板完整,未出现过漏顶或压架事故,支架能满足两硬大采高工作面开采的要求。

3.4 爆破强制放顶

爆破强制放顶是弱化坚硬顶板的有效手段之一。四老沟矿8402大采高工作面采空区顶板管理采用自然垮落结合人工强制放顶。使采空区顶板在头、尾拉开槽,在采动中自行垮落。

根据已采工作面的监测结果、数值模拟和相似材料模拟研究结果,工作面直接顶初次垮落步距为15 m左右,老顶初次来压步距为40 m～60 m,老顶的周期来压步距为8 m～21 m,平均19.2 m。因此结合大采高开采的实际情况,确定初次放顶步距为28 m,步距放顶步距为20 m,放顶孔布置,见图3,图4。

图3 放顶孔的水平布置示意图

8402 工作面实行深孔爆破人工强制放顶后,控制了顶板的垮落,直接顶基本上能随采随冒,老顶的悬板不大,悬板尺度都在20m×15m以内。工作面初次来压和周期来压强度不是特别大。

图4 放顶孔的垂直布置示意图

4 结束语

四老沟矿大采高工作面顶板控制管理采用自然垮落结合人工强制放顶。使采空区顶板在头、尾拉开槽,在采动中自行垮落。经人工放顶后,除头部常有不大于5 m×10 m的三角悬板外其他各处均能随采随落。工作面压力分布呈现中部最大,尾部次之,头部最小的规律。工作面周期来压期间,中部少数支架安全阀开启,活柱下缩量不明显,工作面煤壁片帮深度不超过0.5 m,控顶区内顶板较完整,从未发生过顶板事故,由此说明大采高工作面选择的顶板管理方式是科学合理的,本工作面两硬大采高综采工作面成功控制顶板的经验为同煤集团公司其它条件类似的采面提供了可靠的技术和管理经验。

[1]袁永,屠世浩,王瑛.大采高综采技术的关键问题与对策探讨[J].煤炭科学技术,2010,38（1）：4-8.

[2]张涛伟,吴学明,陈占扬.厚煤层大采高综采工作面长度合理性分析[J].煤矿安全,2010,430（8）：128-130.

[3]刘全明.大采高综放工作面长度的空间效应初探[J].煤矿开采,2010,15（3）：27-29.

[4]闫少宏,尹希文.大采高综放开采几个理论问题的研究[J].煤炭学报,2008,33（5）：481-484.

[5]孟凡龙.“两硬”大采高工作面顶板控制设计技术[J].煤炭工程,2007（9）：7-9.

[6]刘纯贵.白洞煤矿大采高综采工作面顶板控制研究[J].煤矿开采,2010,15（5）：89-91.

[7]弓宏飞.大采高综采技术在四老沟矿的应用[J].煤矿开采,2004,9（3）：19-21.

〔责任编辑 石白云〕

Roof Control Technology of Full－mechanized Mining Facew ith Large Mining Height

FU Cong-jie
（ShanxiCoalMarketing Group HongAn coal co.，LTD，Taiyuan Shanxi，030002）

In order to ensure the safe production of two hard largemining height full-machanized mining face，on the basis of having controlled the law ofmining face pressure，ZZ9900／29.5／50 shield hydraulic supportwas used to control the roof.Due to the two hard characteristics，natural caving，combined with artificial forced caving technology was chosen to control the roof of 8402 largemining heightmining face.Thesemeasures abtained good technical and economic benefit and provided similiarmining face of Datong CoalMine Group Companywith reliable roof control technology andmanagementexperience.

largemining height，full-mechanized mining，roof control technology

TD322＋.1

A

2012-12-06

付聪杰（1965-），男,山西孝义人,硕士,工程师,研究方向：采矿技术与管理。

1674－0874（2013）01－0081－04