趙鵬飛

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056107)

急傾斜“三軟”煤層綜放開(kāi)采工作面穩(wěn)定性控制研究

趙鵬飛1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056107)

為了解決急傾斜“三軟”煤層綜放開(kāi)采支架頂空、煤壁片幫、底板滑移、擠架倒架等技術(shù)難題，以杜家村煤礦1201工作面為例，通過(guò)研究工作面切眼的合理布設(shè)、工作面圍巖的穩(wěn)定性控制及配套設(shè)備與施工工藝的合理選擇等，得出有效控制急傾斜“三軟”煤層綜放開(kāi)采工作面穩(wěn)定性的措施，取得了急傾斜“三軟”煤層綜放開(kāi)采的成功，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

急傾斜；“三軟”煤層；綜放開(kāi)采；穩(wěn)定性控制

近年來(lái)，我國(guó)放頂煤開(kāi)采技術(shù)和裝備制造水平顯著提高，綜采放頂煤開(kāi)采得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[1-2]。綜采放頂煤開(kāi)采能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)，且生產(chǎn)成本低，適應(yīng)能力較強(qiáng)，因此廣泛應(yīng)用于我國(guó)厚煤層開(kāi)采[3]。在煤層傾角不大時(shí)，大采高綜放工作面開(kāi)采取得了成功，如潞安王莊煤礦、大同塔山煤礦、甘肅華亭煤礦、準(zhǔn)格爾酸刺溝煤礦、兗州興隆莊煤礦[4-6]，但由于急傾斜“三軟”煤層綜放開(kāi)采采高較大，工作面傾角較大，切眼圍巖較軟，工作面設(shè)備、圍巖穩(wěn)定性等問(wèn)題，制約了其在急傾斜煤層開(kāi)采中的應(yīng)用。對(duì)于我國(guó)急傾斜厚煤層的開(kāi)采，過(guò)去所采用的掩護(hù)支架、水平分層、巷柱式等開(kāi)采方法，存在采出率和產(chǎn)量較低、安全差及機(jī)械化程度不高等問(wèn)題[7-10]。近年來(lái)，在急傾斜煤層綜放開(kāi)采方面，神華集團(tuán)堿溝煤礦、甘肅靖遠(yuǎn)王家山煤礦、華亭集團(tuán)硯北煤礦等，做了一些探索并積累了一定經(jīng)驗(yàn)[11]。峰峰集團(tuán)山西大遠(yuǎn)煤業(yè)在急傾斜“三軟”厚煤層條件下進(jìn)行綜采放頂煤開(kāi)采，解決了上述技術(shù)難題，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

1 工程概況

1201急傾斜“三軟”綜放工作面位于地下242.6～195.6m，工作面走向長(zhǎng)600m，傾斜長(zhǎng)60m，其東鄰原采空區(qū)，西側(cè)為煤柱，南北兩端均為2#煤層變薄區(qū)。所開(kāi)采的石炭系上統(tǒng)太原組2#煤層是典型的“三軟”煤層，也是井田內(nèi)主要可采較穩(wěn)定煤層。煤層厚2.3～9.5m，平均6.5m；夾矸含量較多，煤體相對(duì)破碎，f=0.1～0.5；煤層傾角40～55°，平均47°。直接頂多為砂質(zhì)泥巖，平均厚約1.2m，容易吸水變軟，與上部巖石產(chǎn)生分層。老頂為粉砂巖，厚約8m，易發(fā)生層間離層，f=6.3。厚0.1～0.3m的直接底，為泥巖粉砂巖，遇水易膨脹變軟，f=4～6.1。

2 1201工作面切眼合理布設(shè)

2.1 切眼位置選擇

為了避開(kāi)尖滅帶或其它構(gòu)造，為1201工作面順利開(kāi)采奠定基礎(chǔ)，通過(guò)鉆機(jī)超前鉆探，對(duì)比分析不同切眼位置選擇鉆孔剖面圖(圖1)，確定了2-2′剖面位置1201工作面切眼位置。

圖1 1201工作面切眼位置選擇鉆孔剖面圖

2.2 工作面切眼長(zhǎng)度合理控制

急傾斜綜放工作面由于斜長(zhǎng)和坡度的存在，使工作面支架數(shù)量變化顯著。為了確保工作面設(shè)備、圍巖的穩(wěn)定性，上下巷道平行等長(zhǎng)掘進(jìn)，避免支架數(shù)量變化。同時(shí)，沿走向每個(gè)10m做剖面，獲取支架位置及數(shù)量的變化情況，為超前安排應(yīng)對(duì)措施提供技術(shù)支持。

2.3 工作面切眼下部平緩設(shè)計(jì)

開(kāi)切眼為矩形斷面，采用錨帶網(wǎng)+工字鋼棚+單體支柱支護(hù)，斷面為：凈高2.6m，凈寬6.6m，斷面積為17.16m2。工作面下部平緩布置，能夠?yàn)檎麄€(gè)工作面提供穩(wěn)定性支撐。在結(jié)合水平段放頂煤和傾斜放頂煤切眼布置相結(jié)合，提出了開(kāi)切眼傾斜—圓弧過(guò)渡—水平布置方式。如圖2所示。

圖2 工作面開(kāi)切眼布置圖

3 1201工作面切眼“三軟”圍巖穩(wěn)定性控制

3.1 工作面頂板加固

對(duì)于急傾斜綜放工作面，上端頭支架不放煤。為確保端頭頂煤的穩(wěn)定性，分別在支架上方及回風(fēng)巷中安設(shè)錨索，加強(qiáng)頂煤支護(hù)。如圖3所示，工作面5個(gè)不放煤支架范圍內(nèi)，沿傾向每隔2.5m安裝φ17.8mm×7m錨索，錨索與水平方向夾角為60°。同時(shí)，在回風(fēng)巷每3m安設(shè)3根錨索，分別位于回風(fēng)巷拱頂中部、垂直巖層面、垂直工作面一側(cè)幫部。為使第6個(gè)支架以下頂板順利冒落，按圖3回風(fēng)巷打鉆切頂孔施工鉆孔，鉆孔排距3m，每排鉆孔垂直扇面布置，終孔落在同一垂直面上，終孔垂直間距2.5m，每排施工5個(gè)鉆孔，鉆孔直徑108mm。

3.2 切眼底板加固

為了防止工作面放煤支架傾倒，前、后溜槽下滑，切眼底板和枕木全部采用錨網(wǎng)加固。底板加固采用φ18×1800mm全螺紋等強(qiáng)錨桿，錨桿與150mm×150mm×10mm托盤(pán)、350mm×280mm×3mm鋼帶護(hù)板配合使用，五花布置，間排距1300mm×1000mm，全底板鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，每200mm用鐵絲連接。為確保軌道的穩(wěn)定性，枕木間距500mm，且每根枕木用一根錨桿固定。圖4為1201工作面實(shí)測(cè)剖面圖，圖5為1201工作面切眼底板加固圖。

圖3 工作面及回風(fēng)巷頂煤加固圖

圖4 1201工作面實(shí)測(cè)剖面圖

圖5 1201工作面切眼底板加固圖

3.3 煤壁穩(wěn)定性控制

煤壁片幫與端面漏冒是影響“三軟”急傾斜煤層綜放開(kāi)采的主要難題之一[12]。對(duì)1201工作面來(lái)說(shuō)，可采取提高支架初撐力(不低于24MPa)、使用護(hù)幫板、適當(dāng)降低采高(2.5～2.6m較為合理)、及時(shí)移架、縮小端面距及適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度應(yīng)是行之有效的措施。但遇到斷層破碎帶等特殊地質(zhì)條件時(shí)，可采取“棕繩+注漿”全長(zhǎng)錨固技術(shù)從根本上防治煤壁片幫。棕繩直徑6mm，注化學(xué)漿液，鉆孔直徑28mm，鉆孔深度5m左右，鉆孔間距3m，單排布置于煤壁中上部。

4 工作面設(shè)備與工藝合理選擇

4.1 合理選擇工作面配套設(shè)備

工作面主要配套設(shè)備如表1所示。對(duì)于急傾斜“三軟”厚煤層綜放開(kāi)采，ZFY4600/16/30綜放支架具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)支架頂梁采用鉸接形式，支架能夠?qū)崿F(xiàn)更好的接頂，同時(shí)也便于工作面鋪設(shè)頂網(wǎng)，適應(yīng)工作面頂煤較軟的特點(diǎn)。

2)支架安裝底調(diào)千斤頂，便于移架過(guò)程中隨時(shí)調(diào)架。支架側(cè)護(hù)板強(qiáng)度大，便于煤壁穩(wěn)定性維護(hù)。

3)支架操作閥組簡(jiǎn)單，工作人員在架間操作管理，避免飛煤(矸)的威脅。

4.2 合理放煤工藝

為提高1201急傾斜綜放工作面穩(wěn)定性，綜放支架前移與工作面放煤順序均采取沿工作面由下向上進(jìn)行，且上下端頭各5架不放煤。由于工作面坡度平均達(dá)47°，所以采煤機(jī)采取下行割煤，采高一般不低于2.5m，上行空刀爬坡，往返一次進(jìn)一刀。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)，1201急傾斜工作面一刀一放的放煤步距，單輪間隔放煤的放煤順序，采放比控制為1∶1.6，能夠有效控制頂煤運(yùn)移，提高采出率。

5 應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)1201急傾斜“三軟”煤層綜放開(kāi)采工作面切眼的合理布設(shè)、“三軟”圍巖的穩(wěn)定性控制及工作配套設(shè)備和放煤工藝的合理控制，促進(jìn)了工作面合理、高效和持續(xù)推進(jìn)。1201工作面自2013年11月份工作面開(kāi)采以來(lái)，截至2014年5月底，已安全推進(jìn)400m，其中2014年3月份綜采推進(jìn)度達(dá)到100m。4月份放頂煤已來(lái)，目前月推進(jìn)度已穩(wěn)定在60m以上，月產(chǎn)量超過(guò)3萬(wàn)t，綜放回采率達(dá)到95%以上，實(shí)現(xiàn)了工作面正規(guī)循環(huán)，取得了急傾斜“三軟”煤層綜放開(kāi)采的成功。

表1 工作面配套設(shè)備選型一覽表

[1] 劉克功.大采高自動(dòng)化綜放開(kāi)采技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

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The stability control study on fully-mechanized top coal mining in“three soft” steeply inclined seam working face

ZHAO Peng-fei1，2

(1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Jizhong Energy Fengfeng Group Corporation Limited，Handan 056107，China)

To solve the difficulty of top-coal and coal wall falling，bottom slipping，supports toppling and biting of the “three soft” steeply inclined seam fully-mechanized mining working face，with the engineering background of Du jiacun 1201 working face，the study such as the location control of open-off-cut，the stability of surrounding rock control，corollary equipment and construction technology are did.Through the above study，we get the effective measures to control the stability of working face.The measures finally make successfully mining in 1201working face，and we receive good society and economy benefits.

steeply inclined；“three soft” seam；fully-mechanized mining；the stability control of working face

2014-07-12

國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目資助(編號(hào):51134025)

趙鵬飛 ( 1963-)，男，北京人，高級(jí)工程師，主要從事礦井生產(chǎn)管理等研究工作。

TD327.2

A

1004-4051(2015)05-0100-04