大倾角特厚煤层斜切分层综放开采实践

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(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；3.新疆百花村股份有限公司，新疆 乌鲁木齐，830002)

大倾角特厚煤层斜切分层综放开采实践

刘赫男1，孙运江2，谢生荣2，侯铁军3，李世俊2，王金光2

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083；3.新疆百花村股份有限公司，新疆乌鲁木齐，830002)

根据新疆大黄山煤矿+735工作面生产地质情况，进行综放支架选型，并对其防倒、防滑稳定性进行分析。通过分析得知，支架倾倒临界角为28°，下滑临界角为22～25°。由于中大槽煤层采用斜切分层综放开采，+735工作面倾角从40°降到28°，比支架下滑临界角稍大，说明支架仍需要采取防倒防滑技术措施。此外，对机采高度及上端头区域加强支护进行分析研究，并通过现场实践，+735工作面实现了大倾角特厚煤层安全、高产、高效开采。

大倾角特厚煤层；斜切分层；综放开采；防倒防滑

目前，对于大倾角特厚煤层通常采用分层或综放开采，其中分层方法主要有3种：水平分层、倾斜分层和斜切分层[1-2]。而对于像新疆大黄山煤矿厚度为25m，倾角约为40°的中大槽煤层，水平分层虽然大大降低了工作面倾角，提高了支架稳定性，但工作面长度较短，单产低，不适合综合机械化开采；倾斜分层虽能保证工作面长度，但工作面倾角较大，支架倾倒、下滑的危险性较大，降低了工作面生产安全系数；斜切分层既能保证综合机械化开采所需工作面长度，又能降低工作面倾角，提高支架稳定性。通过现场实践，+735工作面实现了大倾角特厚煤层高产高效开采。

1 工作面概况

新疆兵团农六师大黄山煤矿位于乌鲁木齐以东120km，可采煤层自上而下分别为：五尺槽、四尺槽、米尺槽、中大槽、八尺槽。现主采中大槽煤层，其产状稳定，结构简单，煤层坚固性系数f=1.35～1.8，节理发育，倾角为30～42°，平均厚度23.5m。+735工作面布置在中大槽煤层内，其走向长度1240m，倾斜长度96m，储量2.45Mt，机采高度为2.7m，采放比小于1∶3，直接顶为8.0m厚的粉砂岩，在直接顶之上有22～52m厚的砂砾岩、粉砂岩、细砂岩互层，顶板岩石抗压强度多为60～90MPa，属坚硬顶板，底板巷为粉砂岩、炭质泥岩、细砂岩，岩性中等偏坚硬。

+735工作面进风巷(运输)位于煤层顶板巷水平标高+735m，回风巷位于煤层底板水平标高+770m，如图1所示。

图1 +735工作面巷道布置剖面

2 工作面液压支架选型

根据综放工作面工程类比统计法估算+735工作面顶板压力[3]：

P=k(1939+2.1H+471f+155/Md)

(1)

式中，P为支架工作阻力；H为采深；f为煤的坚固性系数；Md为顶煤厚度；k为安全系数，取1.35。

根据大黄山煤矿+735工作面具体参数：H=400～475m，f=1.8，Md=10.3m，将其代入式(1)得P=5129.1kN。故+735工作面最终选用ZFS5200/17/32型低位放顶煤液压支架和ZFSG5600/17/32型放顶煤过渡支架，基本支架62架，过渡支架上端头3架，下端头2架。ZFS5200/17/32型低位放顶煤液压支架主要技术参数如表1所示。

表1 ZFS5200/17/32型液压支架主要技术参数

3 支架防倒、防滑稳定性分析

+735工作面倾角较大，支架自重及顶板压力沿倾向分力较大，容易出现支架倾倒、下滑等现象，严重制约着矿井安全高效生产。

3.1 支架防倒稳定性分析

+735工作面支架在顶板压力Q、自身重量G、底板支撑力p、顶底板摩擦力f1，f2以及相邻支架之间的相互挤压力F1，F2的作用下处于平衡状态，如图2所示。

图2 倾斜工作面支架受力分析

工作面支架抗倒稳定性与其重心在底座的投影位置直接相关，当其重心投影位于底座之外时，支架将会发生倾倒[4]。根据图2(a)中的几何关系可得工作面支架重心在底座投影相对位置d：

d=cosα(b-2csinα)/2

(2)

式中，b为支架宽度，m；c为支架重心高度，m；α为煤层倾角，(°)。

当d=0时，支架处于抗倒极限平衡状态，如图2(b)所示，由此可得支架倾倒临界角αL1：

αL1=arctan(b/2c)

(3)

从式(3)可以明显看出，支架倾倒临界角αL1随支架底座宽度b的增大而增大，随重心高度c的增大而减小，因此，降低机采高度m和增加支架宽度b均有利于防止支架发生倾倒。支架倾倒临界角αL1越大，说明支架的抗倒稳定性越好，当工作面倾角α大于倾倒临界角αL1时，支架需要采取防倒措施。+735工作面所选用的ZFS5200/17/32型支架重心高度c=1.4m，支架宽度b=1.5m，将参数代入式(3)得支架倾倒临界角αL1=28°。斜切分层使大黄山煤矿+735工作面倾角从40°降低到28°，说明支架基本仍需采取防倒措施。

3.2 支架防滑稳定性分析

根据图2倾斜工作面支架受力分析可列以下平衡方程(假设机采高度m不变)：

Qcosα+Gcosα-P=0

(4)

Qsinα+Gsinα+F2-F1-f1-f2=0

(5)

同时，对支架O点取矩得：

Q(msinα-bcosα/2)+Pb/2-(f1+F1-F2)m-Gd=0

(6)

f1=μQcosα

(7)

f2=μP

(8)

联立(2)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)得：

(9)

式中，F为支架的抗滑力，F=f1+f2；G为支架自重；μ为支架与顶底板间动摩擦因数；α为煤层倾角；λ=c/m。

考虑到安全因素，认为+735工作面支架所受上下相邻支架的挤压作用力近似相等，即F1≈F2，加之动摩擦因数μ较小，可忽略其高次项μ2，故式(9)可以简化成：

(10)

从式(10)中可以看出，支架的抗滑力F随支架自重G和顶底板动摩擦因数μ的增大而增大，随煤层倾角α的增大而减小。

当顶煤放空或不带压移架时，工作面支架处在无初撑力状态，同时也是从安全角度考虑，视支架为不带压移架，此时支架下滑的临界平衡方程为：

Gμcosα-Gsinα=0

(11)

解之得支架下滑临界角αL2：

αL2=arctanμ

(12)

从式(12)中可以明显看出，支架无初撑力状态下抗滑稳定性主要取决于顶底板动摩擦因数μ，因此可以通过清理底板浮煤，提高支架抗滑稳定性。支架与顶底板动摩擦因数μ为0.4～0.45，则可求得支架下滑临界角αL2=22～25°。大黄山煤矿+735工作面由于采用斜切分层综放开采，工作面倾角从40°降到28°，比支架下滑临界角稍大，说明支架仍有下滑的危险，故需要采取一定的防滑措施。

4 机采高度确定

机采高度增大，提高了顶煤放出率，但降低了支架稳定性，同时也增加了片帮的危险性。因此，合理的机采高度既能有效保障工作面支架的稳定性，又能显著提高顶煤放出率和煤质，从而实现矿井安全、高产、高效开采。

通过采用模拟软件UDEC对大黄山矿+735综放面机采高度分别为2m，2.5m，3m，3.5m，4m对煤壁片帮的影响进行数值模拟分析，煤壁塑性区深度与机采高度的关系如图3所示。从图3中可以明显看出：煤壁前方塑性区深度随机采高度的增大而增加，煤壁片帮的危险性也相应增大。当机采高度在3m以下时，煤壁前方塑性区深度增长较缓慢；当机采高度大于3m时，煤壁前方塑性区深度增长速率明显变大，煤壁片帮的危险性也相应急剧增加。此外，考虑到支架支撑高度、斜切分层间距、采放比以及支架稳定性等因素，故最终确定+735工作面机采高度为2.7m。

图3 煤壁前方塑性区深度与机采高度关系

5 液压支架防倒、防滑控制技术

(1)+735工作面液压支架要安装防倒、防滑千斤顶，采用上、下端头3架1组联锁，中间2架1组联锁的安设方式。在移架时，要始终保持整体自下而上带压擦顶移架，防止其呈无约束滑移状态。当支架出现失稳时，利用支架上装设的千斤顶，以有初撑力的支架为稳固点，对相邻的支架产生一定的作用力，以及时调整支架，防止出现挤、咬、悬、滑、倒架现象。

(2)下端头前3架端头支架的稳定性对整个+735工作面支架的稳定起到关键作用。因此移架时，要先移第2架，防倒防滑千斤顶以第1架为受力支撑点给第2架一个倾斜向上的作用力，使支架不出现倾倒、下滑；然后带压擦顶移第1架，并利用千斤顶以第2架为受力点，拉住第1架，并在该架下侧斜打单体支柱，以保证第1架的稳定；最后移第3架，其操作同第2架。

6 工作面上端头区域加强支护

由于考虑到进出口安全问题，工作面端头过渡支架一般不进行放顶煤，大黄山煤矿+735工作面由于采用斜切分层综放开采，其上部端头顶煤厚度较大，最厚部位可达10m多，且存在一块三角顶煤位于工作面外侧很难放出，为提高煤炭采出率，实现矿井可持续发展，决定对上端头顶煤进行爆破预裂放顶煤作业。考虑到端头区域支护的可靠性和放煤的安全性，首先用千斤顶将上端头3架端头过渡支架联锁成一个整体，以提高其稳定性，防止其可能因顶煤放空而失稳。然后用π型钢梁配以单体支柱，1梁3柱，上端头采用“四对八梁”加强支护，超前工作面20m采用“三对六梁”加强支护，超前工作面20～30m采用“两对四梁”加强支护，以提高上端头及超前支护的可靠性，如图4所示。最后在靠近采空区附近3排单体支柱旁斜打1根单体支柱，如图4中B-B截面所示，防止其受采空区矸石冲击而失稳。

图4 +735工作面上端头区域加强支护示意

7 结论

(1)通过对+735工作面支架防倒、防滑稳定性分析得知：其倾倒临界角为28°，下滑临界角为22～25°。斜切分层使大黄山煤矿+735工作面倾角从40°降低到28°，大大降低了支架倾倒和下滑的危险性。

(2)通过采用UDEC软件对大黄山矿+735综放面机采高度对煤壁片帮的影响进行数值模拟分析，此外，综合考虑支架支撑高度、煤层厚度与采放比，最终确定+735工作面机采高度为2.7m。

(3)+735工作面液压支架安装防倒防滑千斤顶，上、下端头3架1组联锁，中间2架1组联锁，且下端头前3架端头支架移架时，先移第2架，然后带压擦顶移第1架，最后移第3架。

(4)为提高上端头区域支护的可靠性，保障上端头预爆破放煤安全，上端头采用“四对八梁”加强支护，超前工作面20m采用“三对六梁”加强支护，超前工作面20～30m采用“两对四梁”加强支护。

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[责任编辑：于海湧]

Practice of Oblique Slicing Full-mechanized Caving MiningExtremely-thick and Large-angle Coal-seam

LIU He-nan1, SUN Yun-jiang2, XIE Sheng-rong2, HOU Tie-jun3, LI Shi-jun2, WANG Jin-guang2

(1.Mining Engineering School, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.Resources & Safety Engineering School, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China;3.Xinjiang Baihuachun Co., Ltd., Wulumuqi, 830002, China)

Full-mechanized caving mining powered support lectotype was made and its anti-inverted and anti-skid stability was analyzed on the basis of mining and geological condition of +735 mining face of Dahuangshan Colliery, Xinjiang.Result showed that critical angle of powered support inversion was 28° and that of skid was 22-25°.Oblique slicing mining made dip angle of mining face reduced to 28° from 40°, which was slightly larger than critical skid angle and anti-inverted and anti-skid measure should be needed.Mining height and supporting in upper-end area was analyzed.Application showed that safe, high-production and high-efficiency mining was realized in +735 mining face.

extremely-thick and large-angle coal-seam; oblique slicing; full-mechanized caving mining; anti-skid and anti-inverted

2014-03-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.009

国家自然科学基金重点资助项目(51234005)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2010QZ06)

刘赫男(1971-)，女，河北唐山人，硕士研究生，讲师。

刘赫男，孙运江，谢生荣，等.大倾角特厚煤层斜切分层综放开采实践[J].煤矿开采，2014，19(6)：35-38.

TD823.4 5

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1006-6225(2014)06-0035-04