1、大倾角厚煤层综采放顶煤开采技术研究摘要：随着中国经济的快速发展，对能源的需求量将迅猛增加。近年来，东西部的矿区都面临着大倾角煤层的开采问题，开展对大倾角煤层综放开采的研究是保持这些矿区高产高效和可持续发展的迫切需要。本文采用数值仿真方法，系统地对大倾角(大于35o)综采放顶煤开采技术的开采设备选择、工作面及巷道的布置、矿压显现规律、回采工艺方法以及安全技术等进行了试验研究并用于实际生产，结果表明，经济效益得到显著提高。 关键词：数值仿真 综采放顶煤 矿压显现规律 经济效益1 引言煤炭在我国能源消费结构中占主体地位。据权威人士预测，到2020年煤炭的需求量将超过40亿t。虽然中国煤炭储量丰富，有
2、56000亿t之多，但分布类型和开采条件有很大差异。我国煤炭资源开采的整体形势：一是向西部转移，二是向深部延伸 西部大倾角煤层的储量占总开采储量的 以上，东部矿区在经过多年的高强度机械化开采后，地质赋存条件好的煤层储量逐年减少，兖州开滦淮南淮北徐州等矿区相继出现了大倾角煤层，如何安全、高效的开采大倾角煤层成为煤炭开采的重大课题。2大倾角煤层开采的现状与技术难点大倾角厚煤层现多采用倾斜分层和水平分阶段放顶煤采煤法，具有工作面长度短、单产低、掘进率高、工效低、采出率低、效率低、效益及安全性差等特点。大倾角煤层介于倾斜与急 倾斜煤层之间，在这类煤层实施长壁综采放顶煤开采，存在“支 架一围岩”系统的不
3、稳定性，特别是采高大所形成的大变形及倾斜方向的动荷载，使采场设备下滑倾倒等，是国内外长期未解决的难题。目前，国外关于大倾角煤层机械化开采的研究主要集中在开采设备方面，国内结合不同的大倾角煤层条件，相关矿区对综放工艺进行了研究，并取得了一定效果。但针对普通综放设备，通过工艺技术的研究，控制设备稳定、优化工作面参数，提高工作面单产的系统研究较少，主要难点有四个方面：一是大倾角煤层采场覆岩活动剧烈，顶板难以管理；二是煤层倾角直接影响支架的稳定性，工作面设备易倾倒、下滑；第三则是现有综采设备难以适应大倾角煤层综采放顶煤开采的需要；四是大倾角煤层综采放顶煤工作面回采工艺复杂、管理难度大 。 3大倾角厚煤
4、层综采放顶煤开采关键技术大倾角厚煤层要实现高效安全开采，要解决的技术难题有三点，一是如何使“支架-围岩”系统的不稳定问题得到有效的控制；二是工作面综采放顶煤设备的研制与配套；第三则是探索安全高效的采煤工艺和“一通三防”为核心的安全保障技术。 31工作面矿压显现规律研究松软煤层强度低、承压能力弱，采用放顶煤开采时，顶煤容易放出，块度小，周期来压不明显，端面冒落和煤壁片帮十分严重。大倾角煤层多受较剧烈地壳运动影响，煤层顶底板遭受破坏程度比缓倾斜煤层大，在开采大倾角煤层时，“支架一围岩”的关 与缓倾斜煤层相比矿山压力显现有较大的差异。底板的破坏和滑移加剧了“支架一围岩”相互作用体的失稳，岩层控制的难
5、度比缓倾斜煤层更大。在放顶煤工作面，受顶煤活动的影响，支架承载处于动态变化过程中，更易于发生支架的失稳和工作面煤壁片帮及端面冒顶。因此，需对综放工作面的矿压显现规律与支架承载特征进行实测研究。3.1.1矿压观测方案顶板活动规律是工作面矿压显现的根本原因及工作面顶板管理的基本依据。将工作面支架分成上、中、下3个测区，其中上 下测区为避免三角区应力叠加影响，故选择距巷道侧20 m处布 置测区，每个测区均安装矿用本安型数字压力计。通过现场观测 液压支架立柱的支护阻力和工作面矿压显现，分析工作面上覆岩层的活动与顶板来压规律。3.1.2综放工作面顶板活动规律1）工作面上部支护阻力变化规律由于在现场实测过
6、程中部分班次的数据不全，数据具有不连续性，因此在分析工作面顶板活动规律时只采用现场测得的连续数据进行分析。图1、图2分别表示综放工作面上部支架前 柱的初撑力、循环末阻力与工作面推进距离关系。分析结果见表1。图1 上部架前柱初撑力与推进距离关系图2 上部架前柱循环末撑力与推进距离关系表1 综放面上部顶板来压特征周期来压步距/m影响范围/m来压期间/kN非来压期间/kN动载系数P0PmP0PmK0Km127.63880.361029.17382.19527.112.301.9528.41.2807.001137.83832.61667.540.971.70361.2791.77932.96619.
7、34489.421.281.91412.61.8748.52964.45521.00499.601.441.93均值13.651.8806.911016.10588.78545.921.371.86上部支架前柱平均初撑力为559.27KN，占额定初撑力1308.7KN的42.73；支架平均循环末阻力为614.25KN，占额定工作阻力1500KN的40.95。在分析的实测数据中，上部支架共来压4次，来压步距最大27.6m，最小6m，平均13.65m；影响范围最大3m，最小1.2m，平均1.8m；来压期间初撑力、循环末阻力分别为806.91KN、1016.10KN，分别占额定初撑力、额定工作阻力的
8、61.66、67.74；非来压期间初撑力循环末阻力分别为588.78KN、545.92KN，分别占额定初撑力、额定工作阻力的44.99、36.39；来压期间的动载系数分别为：Ko =1.37 、Km =1.86。从以上分析可以看出，综放工作面上部支架来压强度较大。3.1.2工作面中部支护阻力变化规律图3、图4分别表示综放工作面上部中部支架前柱的初撑力、循环末阻力与工作面推进距离关系，分析结果见表2。中部支架平均初撑力为488.45 kN，占额定初撑力的37.32；支架平均循环末阻力为564.66 kN，占额定工作阻力的37.64。在分析的实测数据中，中部支架共来压4次，来压步距最大24 m，最
9、小2.4 m，平均12.9 m；影响范围最大2.4 m，最小1.2 m，平均1.8 m；来压期间初撑力、循环末阻力分别为523.65 kN、628.71 kN，分别占额定初撑力、额定工作阻力的40.01、41.91；非来压期间初撑力、循环末阻力分别为446.17 kN、543.16 kN，分别占额定初撑力、额定工作阻力的34.09、 36.21；来压期间的动载系数分别为：Ko=1.20、Km =1.18。 从以上分析可以看出，综放工作面中部支架来压强度较平缓。图3 上部架前柱初撑力与推进距离关系图4 中部架前柱循环末撑力与推进距离关系表2 综放面中部顶板来压特征周期来压步距/m影响范围/m来压
10、期间/kN非来压期间/kN动载系数P0PmP0PmK0Km1241.2532.92577.22494.58575.481.081.0022.41.2521.85597.98379.97413.191.371.4535.42.4575.56761.6039312606.291.461.26419.82.4464.27578.05517.00577.700.901.00均值12.91.8523.65628.71446.17543.161.201.183.1.3工作面下部支护阻力变化规律图5、图6分别表示综放工作面下部支架前柱的初撑力、循环末阻力与工作面推进距离关系，分析结果见表3。 图5 下部架前
11、柱初撑力与推进距离关系图6 下部架前柱循环末撑力与推进距离关系表3 综放面下部顶板来压特征周期来压步距/m影响范围/m来压期间/kN非来压期间/kN动载系数P0PmP0PmK0Km120.754.8659.811127.21381.27628.681731.792183725.33675.50235.32352.683.081.9234.82.4673.56645.32367.51319.751.832.0247.81.2566.14826.38326.50474.961.731.74均值12.842.85656.21818.60327.65444.022.091.87下部支架平均初撑力为42
12、3.17 kN，占额定初撑力的32.33；支架平均循环末阻力为60421 kN，占额定工作阻力的 40.28。在分析的实测数据中，下部支架共来压4次，来压步距最大20.75 m，最小4.8 m，平均l2.84 m；影响范围最大4.8 m，最小1.2 m ，平均2.85 m；来压期间初撑力、循环末阻力分别为656.21 kN、818.60 kN，分别占额定初撑力、额定工作阻力的50.14、54.57；非来压期间初撑力、循环末阻力分别为327.65 kN、44402 kN，分别占额定初撑力、额定工作阻力的25.04、29.60；来压期间的动载系数分别为：Ko=2.09、Km = 1.87。 从以上
13、分析可以看出，综放工作面下部支架来压强度较大。3.1.4顶板来压的特点由以上分析可见综放工作面两端来压强度较大，中部来压较平缓，周期来压步距最小1284 m，最大13.65 m，平均13.13 m。工作面平均周期来压步距由上及下分别为13.65 m、12.9 m、12.84 m，沿工作面面长方向来压具有不一致性。上下部支架来压期间动载系数较大，中部支架来压期间动载系数较小，平均1.64。3.1.5综放工作面倾向顶板压力分布受煤层倾角、开采边界条件、回采工艺、煤岩赋存条件及支护质量等因素的影响，工作面面长方向顶板的压力可能会有所不同。实测分析得到工作面在来压期间和非来压期间面长方向 的压力分布，
14、如图7所示。由图7可见：在来压期间，沿工作面面长方向，工作面上、下两端头初撑力、循环末阻力值基本相等，在中部呈现低压力值现象；在非来压期间，沿工作面面长方向，从工作面下部到上部初撑力基本一致，循环末阻力呈下降趋势。在这种工作面条件下，应该加强显现高压力值支架附近的顶板控制，提高支护质量，增强对顶板的控制效果。图7 沿工作面倾斜方向顶板压力分布3.1.6支架初撑力与工作阻力的相关分析一般情况下，支架工作阻力随其初撑力的提高而增大，提高支架初撑力有利于顶板的控制。但由于煤层赋存条件及开采工艺方式不同，初撑力对工作阻力的影响程度也不相同。在大倾角极松软煤层开采条件下，支架与围岩相互作用关系的不同特征
15、，使得支架初撑力控制顶板的作用以及由此引起的工作阻力变化也有其特点。因此，分析两者之间的相关关系，有利于进一步有效地控制大倾角煤层开采的支架与围岩体系。图8表示了综放工作面上、中、下测区液压支架初撑力与循环末阻力的相关关系。在综采工作面，支架初撑力是顶板支护设计的主要参数，支架工作组力是顶板压出来的。支架实测初撑力平均值为1 72641k/架，从初撑力与循环末阻力的相关关系图中可以看出，当支架初撑力低于2 500 kN架时，支架循环末阻力较为集中，初撑力与循环末阻力的斜率较大，初撑力对循环末阻力的影响较大。因此，极松软大倾角煤层综放工作面支架的最低初撑力应保障大于2 500 k N架。3.1.7 结论1)极松软大倾角综放工作面来压步距
