楊世杰，王東方，范振東

(華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 華亭 744100)

大傾角綜放開采綜合技術(shù)研究與應(yīng)用

楊世杰，王東方，范振東

(華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 華亭 744100)

研究應(yīng)用開切眼導(dǎo)孔施工、反S型豎曲線布置開切眼、滑車滑道下放液壓支架、分段放煤移架、片幫冒頂處理、防倒防滑、頂板控制、液氮防滅火等急傾斜特厚易燃煤層傾斜分層大傾角綜放開采綜合技術(shù)，提高了工作面生產(chǎn)能力和資源采出率，實(shí)現(xiàn)了安全高效開采。

大傾角；綜放開采；急傾斜特厚煤層；傾斜分層

Application and Study of Large Inclined Angle Fully Top Coal Mining Technology

中國(guó)華能集團(tuán)華亭煤業(yè)公司東峽煤礦，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.50Mt/a，低瓦斯礦井。煤層平均厚度19.6m，傾角為55～74°，自然發(fā)火期3～6個(gè)月，最短發(fā)火期37d，屬急傾斜特厚易燃煤層，采用水平分段綜放開采。為了提高工作面產(chǎn)能和資源采出率，自2011年12月至2015年5月，在本礦急傾斜特厚易燃煤層中進(jìn)行了傾斜分層走向長(zhǎng)壁綜放開采試驗(yàn)研究，歷時(shí)3年多，在開采研究過程中，經(jīng)歷了工作面片幫、冒頂、液壓支架傾斜、倒架、咬架、自然發(fā)火、瓦斯超限等多種困難和問題，通過與科研單位及院校合作進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)和配套了適合大傾角綜放開采的技術(shù)裝備，優(yōu)化了開采工藝，解決了各種技術(shù)難題，取得了良好效果。

1 傾斜分層走向長(zhǎng)壁大傾角綜放開采關(guān)鍵技術(shù)

1.1 工作面設(shè)計(jì)布置

采用傾斜分層走向長(zhǎng)壁大傾角綜放開采，取代原有的水平分段綜放開采。共分2層，上分層37220-1工作面分層厚度9.9m，其中采高2.5m，放頂煤高度7.4m，采放比為1∶2.92，工作面傾斜長(zhǎng)度60m，可采走向長(zhǎng)度1009m，2011年12月綜采設(shè)備開始安裝，2013年10月回采結(jié)束；下分層37220-2工作面分層厚度9.7m，傾斜長(zhǎng)度102m，工作面下段采用圓弧過度，其中靠近下端頭的10.5m為水平段，中下部21m為圓弧過度段，上部70.5m為傾斜段，工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置

1.2 開切眼施工技術(shù)

開切眼設(shè)計(jì)高度2.6m，寬度7.5m，矩形斷面，面積19.5m2，錨網(wǎng)索支護(hù)。該處煤層傾角55°，無法采用綜掘施工，炮掘出煤、排水也十分困難，安全性差。研究采用LM-120型反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工技術(shù)，從開切眼上口沿開切眼方向向下打鉆，形成直徑200mm的導(dǎo)向鉆孔，再安裝大鉆頭，利用鉆機(jī)從下向上擴(kuò)孔，形成直徑1.2m的鉆孔；沿鉆孔方向從上向下擴(kuò)掘開切眼，邊掘進(jìn)邊支護(hù)，一次成巷；掘進(jìn)煤及涌水均從鉆孔流至運(yùn)輸巷，既保障了施工安全，又大幅度提高了掘進(jìn)速度，僅用18d時(shí)間安全掘進(jìn)貫通。

1.3 液壓支架安裝技術(shù)

開切眼沿剖面方向采用S型布置，即開切眼上、下兩端與兩巷采用圓弧段連接，中部?jī)A角變大，達(dá)到58°以上。設(shè)計(jì)采用絞車和專用滑道、滑車下放設(shè)備：在開切眼中安設(shè)滑道，制作專用滑車，用于支架下放；滑道由2條間距1.2m的軌道制作而成，鋪設(shè)如圖2、圖3所示；滑車由長(zhǎng)度1500mm、寬度600mm的鋼板和直徑30mm的圓鋼制成，如圖4所示。

圖2 滑道制作

圖3 滑道鋪設(shè)

圖4 滑車制作設(shè)計(jì)

開切眼上口的巷道煤壁中布置絞車硐室，平行安裝2臺(tái)JH-30絞車，運(yùn)輸巷距離開切眼55m處靠頂板側(cè)安裝1臺(tái)JM-14型絞車，用于開切眼下放支架時(shí)穩(wěn)架和拉架；在開切眼上口將支架固定在特制的滑車上，讓支架前梁朝向煤壁，橫向沿滑道下滑至安裝位置，然后停止滑車，穩(wěn)架絞車松繩，支架自動(dòng)從滑車下滑至開切眼，完成卸架工作；然后升起支架立柱，支護(hù)頂板，完成支架的下放和安裝，解決了支架縱向下放存在的卸架、轉(zhuǎn)向等難題，消除了倒架問題。

1.4 工作面設(shè)備配置

配套1臺(tái)MG250/600-QWD型采煤機(jī)，70架液壓支架，其中基本架46架，圓弧過渡段支架19架，過渡支架3架，端頭支架2架；最小控頂距4240mm，最大控頂距4840mm。主要設(shè)備配置如表1所示。

為了控制支架下滑和擠架，設(shè)計(jì)采用了具有雙側(cè)雙活側(cè)護(hù)板、底調(diào)梁、調(diào)架油缸等裝置、工作阻力5000kN的輕型液壓支架。設(shè)計(jì)配套了能夠調(diào)節(jié)和適應(yīng)工作面及兩道寬度變化的V型端頭支架，支架頂梁上裝有可伸縮頂梁，頂梁上安裝可伸長(zhǎng)的側(cè)護(hù)梁和側(cè)護(hù)板，支架高度為2.2～3.5m，支護(hù)寬度為3.039～4.56m，支架寬度和高度均可調(diào)節(jié)，提高了端頭支架的適用性，也很好地解決了上端頭支架與過渡支架之間三角區(qū)的支護(hù)問題。

表1 大傾角綜放工作面主要設(shè)備配置

1.5 采煤方法及回采工藝

(1)頂板控制方法：全部垮落法處理頂板。

(2)作業(yè)方式：三八制作業(yè)，兩班生產(chǎn)，一班檢修。

(3)采高：基本支架段采高2.5m，圓弧過渡段采高2.7m，放頂煤高度6.7～6.9m。

(4)循環(huán)進(jìn)尺：截深0.6m，每天完成2個(gè)循環(huán)，推進(jìn)2.4m。

(5)進(jìn)刀方式：上端頭向上斜切進(jìn)刀,下行割煤，上行清煤，從下向上分段移架。割煤時(shí)追機(jī)伸出前探梁，打開護(hù)幫板。進(jìn)刀速度控制在0～1m/min，割煤速度控制在0～3m/min之間。移架時(shí)，將工作面分為上、中、下3段，即下段為1號(hào)過渡架～22號(hào)支架，中段為23～45號(hào)支架，上段為46～68號(hào)支架，先推移前部刮板輸送機(jī)，收回支架上側(cè)的側(cè)護(hù)板，打開支架下側(cè)護(hù)板和底調(diào)梁，使支架與前部刮板輸送機(jī)始終處于垂直或前梁略朝上狀態(tài)，拉架、支護(hù)，防止支架下竄，再打開上側(cè)的側(cè)護(hù)板，拉移后部刮板輸送機(jī)。各分段均自下而上推溜、移架、拉溜。1個(gè)循環(huán)拉移1次端頭架和端尾架。

(6)放煤方法：2采1放，放煤步距1.2m。根據(jù)急傾斜煤層頂煤冒落規(guī)律，在工作面上段采用自上而下單輪間隔放煤方式，中段采用自下而上單輪間隔放煤方式，下段采用多輪順序往返放煤方式。放煤時(shí)，要按照工作面壓力、圍巖穩(wěn)定性、設(shè)備使用狀態(tài)合理放煤。工作面中、上段不得放空，防止懸頂面積過大、支架失穩(wěn)和頂板垮斷造成架前冒頂、支架失穩(wěn)；放煤后必須及時(shí)升緊支架。如有冒頂現(xiàn)象，冒頂區(qū)上下5m范圍內(nèi)不宜放頂煤。

1.6 初采初放技術(shù)

初采初放時(shí)，頂煤、頂板不及時(shí)垮落，容易造成冒頂和倒架，是大傾角綜采的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。必須嚴(yán)格控制采高在2.5m以內(nèi)，泵站壓力必須達(dá)到31.5MPa，保證支架足夠的初撐力；割煤后及時(shí)伸出支架前探梁和護(hù)幫板，減少空頂時(shí)間；移架時(shí)采用帶壓擦頂移架，減少頂板下沉量。初采初放時(shí)不放頂煤，工作面快速推進(jìn)。若支架出現(xiàn)倒架趨勢(shì)，拉移支架時(shí)使用單體支柱扶正支架。若出現(xiàn)架前片幫、冒頂，應(yīng)采取掛網(wǎng)、煤幫超前錨固、減小進(jìn)刀深度、小步距移架等措施進(jìn)行處理。

1.7 工作面上部三角區(qū)支護(hù)技術(shù)

大傾角工作面回風(fēng)巷端尾架與基本架之間存在一個(gè)三角空頂區(qū)，寬度在1.2m以上。研制了ZT20000/22/35型左右分體式專用端尾支架，設(shè)計(jì)有側(cè)護(hù)梁和側(cè)護(hù)板，控頂寬度在3.039～4.56m之間可以任意調(diào)節(jié)，不僅解決了三角區(qū)的支護(hù)問題，還能適應(yīng)工作面長(zhǎng)度的變化，當(dāng)工作面長(zhǎng)度變化量達(dá)到1架支架的寬度時(shí)，調(diào)節(jié)端尾支架支護(hù)寬度，進(jìn)行加架或減架，保證工作面不空頂、不擠架。

1.8 防倒防滑技術(shù)

工作面下部設(shè)計(jì)為圓弧過段，并布置端頭支架，保證了工作面下部支架不傾斜，對(duì)中上部支架起到穩(wěn)架作用。每架支架頂梁采用雙側(cè)雙活側(cè)護(hù)板，底座配有底調(diào)梁和防滑、防倒千斤頂，前梁設(shè)計(jì)有調(diào)架缸，均可調(diào)整支架；前后部刮板輸送機(jī)連接在支架上；工作面下口超前上口5～10m、偽斜3～5°開采；嚴(yán)格控制采高；分段自下而上帶壓擦頂移架。支架傾斜時(shí)，采用單體支柱配合調(diào)架裝置進(jìn)行調(diào)架；支架倒架咬架時(shí)，在工作面回風(fēng)巷安裝2臺(tái)JH-30絞車，配合導(dǎo)向輪，向上牽拉支架頂梁和尾梁，用于從上向下逐個(gè)調(diào)架。調(diào)架前，在工作面上端頭煤幫上固定8根730型鏈條，利用絞車扶正并向前拉移支架，每2架支架利用2根730型鏈條拉住，防止下滑；再牽拉下部?jī)A倒的支架，依次完成全部調(diào)架工作。

1.9 片幫冒頂及底板垮落處理技術(shù)

對(duì)相鄰兩架支架前探梁之間的縫隙較大處，沿走向綁扎長(zhǎng)度2m的圓木，防止架間漏煤；煤壁片幫后前探梁伸不到煤幫時(shí)，在架前空頂和架頂無煤的支架上部放置荊芭、圓木，防止了架前漏煤；注馬麗散固化頂煤及煤幫；采用錨網(wǎng)索支護(hù)煤幫，防止片幫范圍擴(kuò)大；對(duì)垮落較高的冒頂區(qū)，采用噴射混凝土支護(hù)。支護(hù)后小步距割煤、從上向下移架。若出現(xiàn)倒架、咬架時(shí)，每扶正1架支架，拉移1架支架，防止頻繁倒架造成更嚴(yán)重的片幫冒頂。

2 礦壓及煤巖運(yùn)移規(guī)律

2.1 支架工作阻力監(jiān)測(cè)

在工作面支架上布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)支架工作阻力及其變化規(guī)律，掌握工作面開采過程中的圍巖變形、破壞、運(yùn)動(dòng)(移)特征以及工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，分析工作面“支架—圍巖”關(guān)系，探討工作面支護(hù)裝備適應(yīng)性。

(1)非來壓期間，大部分支架后柱工作阻力小于前柱工作阻力，來壓期間支架后柱和前柱工作阻力相差不大。下分層37220-2工作面下部3號(hào)支架和不同區(qū)域支架側(cè)護(hù)板載荷特征監(jiān)測(cè)曲線如圖5、圖6所示。

圖5 工作面下部3號(hào)支架前后立柱載荷特征

圖6 工作面不同區(qū)域支架側(cè)護(hù)板載荷特征

(2)工作面周期來壓明顯，平均步距20m，持續(xù)2～3d。

(3)上分層工作面下部區(qū)域壓力大，中上部壓力較小，上部支架載荷約為下部支架的61%，中部支架載荷約為下部支架的56%。

(4)下分層工作面中部區(qū)域壓力大，兩端壓力較小。下部支架載荷約為中部支架的47%，上部支架載荷約為中部支架的86%。

(5)工作面中部支架側(cè)向力最大，上部支架次之，下部最小。工作面中上部區(qū)域支架易下滑，有傾倒傾向性，支架間易出現(xiàn)咬架、擠架現(xiàn)象；下部測(cè)區(qū)支架穩(wěn)定性較好，不易下滑和傾倒。

2.2 頂煤變形及運(yùn)移規(guī)律

(1)37220-1工作面前方煤體的始動(dòng)點(diǎn)距煤壁33m左右，37220-2工作面前方煤體的始動(dòng)點(diǎn)距煤壁25m左右。

(2)工作面前方煤體在移動(dòng)的初始階段，上下層位的煤體移動(dòng)速率基本保持一致，比較均勻；隨著工作面的推進(jìn)，煤體的移動(dòng)速率逐步增大，上部層位的移動(dòng)速率一般大于下部層位的移動(dòng)速率。但在煤體的整個(gè)移動(dòng)過程中，其速率沒有突變。

(3)從煤體開始移動(dòng)到煤體冒落，上部層位煤體的移動(dòng)量大，下部層位的移動(dòng)量小。

(4)在傾斜方向，上段煤體的移動(dòng)量大，下段煤體的移動(dòng)量小。

3 通風(fēng)瓦斯及防滅火研究

3.1 通風(fēng)方式選擇

礦井相對(duì)瓦斯涌出量為2.96m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為2.31m3/min，為低瓦斯礦井；工作面瓦斯涌出量小，采用U型通風(fēng)，設(shè)計(jì)風(fēng)量581m3/min。

3.2 瓦斯防治

工作面采用上行通風(fēng)，防止下隅角瓦斯積聚；采用上隅角氣室抽放和采空區(qū)埋管抽放技術(shù)解決瓦斯問題。工作面回風(fēng)巷布置高位鉆孔，可提高瓦斯抽放效果。

3.3 防滅火技術(shù)

主要采用下隅角注氮防滅火技術(shù)、噴灑阻化劑(≥50%氯化鎂溶液)、上下隅角碼設(shè)黃土墻、高溫區(qū)注水、注液氮、束管監(jiān)測(cè)等綜合措施。采用液氮防滅火技術(shù)，能夠起到很好的冷卻降溫、窒熄火源的作用。

3.4 有害氣體運(yùn)移研究

工作面先采用下行通風(fēng)，后采用上行通風(fēng)；采空區(qū)埋設(shè)束管監(jiān)測(cè)裝置，工作面布設(shè)CH4，CO、溫度傳感器，監(jiān)測(cè)氣體成分，綜合分析氣體運(yùn)移規(guī)律。

(1)采用上行通風(fēng)時(shí)，工作面風(fēng)流和采空區(qū)有害氣體都從下向上運(yùn)移；采用下行通風(fēng)時(shí)，采空區(qū)氣體運(yùn)移相對(duì)復(fù)雜，冷卻風(fēng)帶有害氣體隨風(fēng)流從上向下移動(dòng)，氧化帶有害氣體受采空區(qū)遺煤氧化升溫形成自然風(fēng)壓，造成有害氣體從下向上運(yùn)移。

(2)上行通風(fēng)時(shí)，下隅角不會(huì)出現(xiàn)瓦斯超限，上隅角瓦斯?jié)舛仍龃?，不采取抽放措施?huì)出現(xiàn)瓦斯超限；采空區(qū)發(fā)火的危險(xiǎn)性大。下行通風(fēng)可降低上隅角瓦斯?jié)舛?，有利于防止自然發(fā)火，但下隅角瓦斯涌出量大，抽放效果差。

(3)上行通風(fēng)時(shí)，采用下隅角埋管注氮、上隅角和采空區(qū)埋管抽放瓦斯、加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)和人工檢測(cè)、束管監(jiān)測(cè)、光纖測(cè)溫等綜合措施，可解決工作面瓦斯防治和防滅火問題。

4 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

采用傾斜分層大傾角綜放開采取代原有的水平分段開采，工作面長(zhǎng)度由水平分段布置的19m增加到102m，大幅度降低萬噸煤掘進(jìn)率，減少了三角煤損失，提高工作面單產(chǎn)和工效。37220-1工作面生產(chǎn)原煤5.344×105t，37220-2工作面生產(chǎn)原煤9.481×105t。平均月產(chǎn)量由3.03×104t提高到7.4×104t，噸煤成本由244.94元降低到170.95元，工作面采出率由85.0%提高到88.6%，回采工效由13.04t/工提高到44.5t/工，工作面生產(chǎn)能力由3.6×105t/a提高到8.8×105t/a，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

(1)急傾斜特厚易燃煤層走向長(zhǎng)壁傾斜分層綜放開采技術(shù)研究與應(yīng)用取得成功，提高了急傾斜特厚煤層綜合機(jī)械化開采水平，提高了回采工效、資源采出率和工作面生產(chǎn)能力，降低了生產(chǎn)成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)解決了急傾斜特厚易燃煤層大傾角綜放開采技術(shù)難題，豐富和完善了煤礦開采方法，可在同類煤層開采中廣泛推廣應(yīng)用。

(3)工作面上行通風(fēng)產(chǎn)塵量大，采空區(qū)易發(fā)火；下行通風(fēng)存在下隅角瓦斯排放問題。應(yīng)確定合理的供風(fēng)量和注氮量，加強(qiáng)瓦斯抽采和通風(fēng)管理。

(4)支架安裝時(shí)橫向沿滑道下放，從下向上安裝支架；停采時(shí)采用錨網(wǎng)索支護(hù)頂板，從下向上回撤支架，頂板彎曲下沉，不會(huì)出現(xiàn)倒架問題。

(5)研究應(yīng)用的工作面端尾斜切進(jìn)刀、分段放煤、支架拉移，頂板控制、片幫冒頂處理、防倒防滑等關(guān)鍵技術(shù)，有效保證了“支架-圍巖”支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保了工作面安全高效開采。

[1]謝俊文，李俊明，楊 富，等.急傾斜大傾角特厚易燃煤層綜放開采及“三機(jī)”配套技術(shù)[J].煤礦機(jī)電，2003(5)：24-26.

[2]袁 永，屠世浩，王繼林，等.大傾角特厚煤層綜放開采技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤礦安全，2009(11)：48-50.

[3]鞠文君，李 前，魏 東，等.急傾斜特厚煤層水平分層開采礦壓特征研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(5)：558-561.

[4]李 前，魏 東，楊世杰.急傾斜特厚煤層綜放開采實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30(8)：17-19.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

2016-11-24

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.006

楊世杰(1968-)，男，甘肅靜寧人，工程碩士，通風(fēng)高級(jí)工程師，總經(jīng)理助理，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理、信息化和科技創(chuàng)新工作。

楊世杰，王東方，范振東.大傾角綜放開采綜合技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(3)：20-23.

TD823.4 9

B

1006-6225(2017)03-0020-04