1、专 题 部 分浅析急倾斜10m-20m大放高的研究摘要：针对新疆急倾斜煤层的复杂地质条件，为了提高经济效益上，则对急倾斜特厚煤层水平分层综采放顶煤的分层水平进行研究，本文也就是在提高水平分层厚度的过程中出现的一些部题进行浅要的分析。关键词：急倾斜特厚，综采放顶煤，顶煤破断，工作面岩层控制的特点，顶煤放出规律0 引言众所周知，急斜煤层赋存和开采条件都比其它类型煤层要复杂，因而一般很难形成较大的生产能力。急斜煤层水平分层工作面长度受煤层厚度限制，大幅度提高产量主要是两条技术途径，有是提高装备水平，大幅度加快工作面推进速度，二是提高水平分层高度。因而主张在原分层高度20m25m基础上将水平分层高度提
2、升至30m40m，来提高工作面煤炭生产能力。随着水平分层高度的提高，顶煤能否有效放出,加快推进速度和提高段高后，围岩破坏规律有何变化，对工作面顶煤破坏放出有何影响，矿山压力显现及“支架-围岩”适应性，都需要进一步研究，才能科学地保证安全高效生产。为此，我们进行10m厚急倾斜大段高水平分层综采放顶煤工作面进行放顶煤工业可行性研究。项目经试验研究，将水平分层高度进一步提高到30m40m，则可有效增加工作面产量，提高生产工效，降低生产成本。提高矿井的煤炭生产能力，满足自治区经济发展的需要，保证煤炭的供应，同时对急倾斜厚煤层水平分层综采放顶煤开采的发展起到较大的推进。研究成果可直接用来指导生产实践，解
3、决实际工程问题。水平分层高度有一个合理的范围。随着水平分层高度的增加，可能引起一系列的矿山压力及相关问题，如掘进及回采过程中巷道顶底板压力变化及巷道变形情况？如何使顶煤充分破碎并放出？顶板及围岩运移规律有何改变？工作面的三机如何配套？如何选择合理的支护参数？如何通过观测掌握综采放顶煤工作面老顶来压显现、步距和强度；如何分析回采空间支架与围岩相互作用关系，并为评价综放面设计选用的支护装备和支护方式、及相应的采煤机械、评价选择的采煤参数、采放工序安排的合理性、以及顶板管理方法提供基础数据，所有这些问题都有待通过深入研究去解决。本项目研究的目的就是通过现场实践在总结的基础上对以上问题的进一步研究，为
4、建立大段高10m厚急倾斜煤层综放工作面，全面提升碱沟煤矿煤炭产量打下坚实的基础。同时，为碱沟煤矿及公司所属各矿急倾斜10m20m厚煤层开采提供有益的探索。本文多数资料来原于碱沟煤矿生产办。1 国内外急倾斜煤层开采技术概况1.1急倾斜煤层开采技术现状1.1.1国外现状法国是发展现代放顶煤技术较早的国家，八十年代，乌鲁木齐矿区为了研究和发展放顶煤技术曾到法国考察。但到了九十年代，由于石油的冲击，以及本国开采煤炭成本昂贵，煤矿关闭。八十年代以后，原苏联在开采急斜煤层采煤方法上与我国有不同思路，主要是发展综合机械化，而且偏向于沿倾斜推进（这与我国急斜开拓体系不配套）。乌克兰顿涅茨煤矿机械设计院自198
5、6年为顿巴斯矿区开采急斜和大倾角煤层设计了54个综采工作面，最高月产量17010t，平均月产12763t。九十年代以来，随着原苏联解体，煤炭工业的发展困难重重，未见在急斜厚煤层开采方面有何突破。1993年乌克兰煤炭产量中35以上煤层的产量849.9万t，仅占其总产量的34%，而这849.9万t中，非机械化开采的产量约占64.5%。1.1.2国内现状急斜煤层是指赋存角度4590的煤层。这类煤层总储量和历年产量在我国都不超过5%，但它在许多矿区都有赋存，约占我国开采煤田的40%以上。开采急斜煤层的原国有重点煤矿（统配煤矿）约占国有重点煤矿总数的17%，开采急斜煤层的地方煤矿约占地方煤矿总数的40%
6、。急斜煤层的赋存条件、煤层结构、应力环境复杂，因而采煤方法种类繁多。解放后，我国推广应用苏联长壁体系采煤方法，在急斜薄及中厚煤层推广了倒台阶采煤法。由于放落的煤和冒落的顶板要向下滚砸，工作面布置成倒台阶，五、六十年代倒台阶采煤法是我国急斜煤层主要应用的正规采煤方法。由于台阶上工人主要靠风镐落煤，工作面需要两套动力供应系统，台阶限制了产量进一步提高。而更主要的是我国不少急斜煤层底板较软，易发生破坏和滑移，倒台阶布置滑移容易向工作面发展，造成顶板灾害。因而八十年代中期，开采急斜大倾角煤层较多的四川省煤矿，开始了以发展伪俯斜体系采煤方法为代表的改革，典型的如图1.1-1所示的俯伪斜水平分段密集支柱采
7、煤法。图1.1-1俯伪斜水平分段密集支柱采煤法这种采煤方法的特点是： 工作面线与水平面的夹角为35，工人可以在工作面“自然”行走，而无需象在倒台阶工作面上下爬行，保障了较好的劳动条件。 工作面下部超前于上部，可以有效防止底板破坏滑移。 工作面采用分段密集，将冒落的直接顶档在沿倾斜方向的各个水平段上，而不是都沿倾斜向下滚滑，防止了“下部填满、上部悬空”的现象，可以较有效的控制老顶沿倾斜方向的不同运动。从图上也可以看出，工作面支架的支护密度很大，工人劳动强度大，限制了劳动生产率的提高。当煤层倾角大于45，工作面下部超前上部距离大，这就影响到顶板的破断状况，及其后的运动。急斜特厚煤层长期沿用的正规采
8、煤方法是水平分层和斜切分层采煤法（图1.1-2），由于工作面长度短，都用单体支柱支护，每个分层高度在2m左右。每个分层分别沿顶板和底板布置运输平巷和回风平巷，掘进量大。分层间需铺金属网，或留煤柱，成本较高，因而不少矿井仍沿用巷柱（落垛）采煤法一类落后的房柱式采煤方法。我国的现代放顶煤技术，实际上是由急斜煤层开始的。1982年，北京矿务局研制了滑移顶梁液压支架，1983年在木城涧煤矿进行工业试验，1985图1.1-2 水平分层(a)和斜切分层(b)采煤法年通过煤炭工业部鉴定。急斜水平分段综采放顶煤，八十年代末在窑街、辽源、乌鲁木齐矿区先后试验成功。与水平分层采煤法相比，它具有一些不可替代的优越性
9、。目前，我国开采急斜煤层的矿井水平（阶段）高度一般为100120m，采用水平分层采煤法，分层高度2.0m左右，一个生产水平需要划分50多个分层，仅运输平巷和回风平巷就要开掘100多条。而采用水平分段放顶煤，水平分段高度六道湾矿实验确定在1018m，一个生产水平仅需划分610个分段，运输平巷和回风平巷只需开掘1220条，少掘了80%巷道，仅此效益就非常巨大。2004年，煤层地质条件与乌鲁木齐矿区相近的甘肃华亭煤矿工作面产量超过150万吨，在急倾斜煤层中创造了年产过150万吨的高产高效工作面，这在全国乃至世界同类煤层中处于领先地位同时也说明急斜煤层中创造百万吨工作面是可以实现的。我国急斜煤层中，赋
10、存有大量厚度在10m 以上的特厚煤层，直到八十年代中后期，除相当一些矿井采用“落垛垛”，“倒缶缶”一类落后的旧柱式采煤方法外，正规的采煤方法主要是水平分层采煤法。如前所述，巷道掘进率高，生产能力低。现代放顶煤技术在我国的研究和应用始于1982年，1982年5月出国访问学习归国的樊运策研究员，起草了以煤炭部生产司和煤科院开采所名义给高扬文部长的报告，建议在我国发展和研究综采放顶煤综采放顶煤技术。1982年6月，由原煤炭工业部和辽宁省科委，联合出资在沈阳矿务局蒲河煤矿进行试验综采放顶煤。1984年4月，我国第一个60m长的综放工作面在蒲河煤矿正式开始工业性试验，试验过程中由于支架损坏和自然发火等原
11、因，几经周折，直到1986年9月进行了鉴定。与此同时，由北京开采所、窑街矿务局等在窑街二矿进行的急斜特厚煤层水平分段综采放顶煤工业试验，1986年3月开始，1986年7月进行了鉴定。1983年新疆自治区煤炭系统技术人员提出了用综采放顶煤开采急倾斜特厚煤层的建议。当年12月自治区煤炭厅向自治区政府呈报了关于申请乌鲁木齐矿区急倾斜特厚煤层采煤方法研究课题列为国家科研计划的报告（83）新煤字第336号文）1984年11月自治区科委向国家科委上报，12月国家科委关于下达一九八四年第二批技术引进计划的通知中列入“边疆开发”项目，并资助350万元。1985年国家计委决定项目投资1100万元，1987年7月
12、综放面开始工业性试验，1988年2月鉴定。如前所述，八十年代后期，我国先后在窑街矿务局二矿，乌鲁木齐矿务局六道湾等矿试验成功了水平分段综合机械化放顶煤。水平分段高度1014m。在阶段垂高120m时，仅需划分812个分段（层），具有掘进率低，产量高，效益好的优点，并迅速在我国推广。在我国发展综采放顶煤同时，一些开采急斜特厚煤层的矿井，鉴于缺乏足够的发展综采放顶煤的资金，为改造水平分层采煤法，应用滑移顶梁液压支架铺顶网进行水平分段放顶煤开采，取得成功。滑移顶梁液压支架（图 1.2.1-1）是在利用单体液压支柱的基础上的适用技术，经过组装的简易液压支架。它属于框式结构，稳定性较差，但在急斜水平分段采
13、煤时，由于工作面水平布置，且急斜水平分段放顶煤矿压显现不剧烈，支架稳定性较易得到保证，利用它铺顶网进行放顶煤采煤，实现了支架自移，是一种适用技术，一段时间发展较快。九十年代初期，乌鲁木齐矿务局有的煤矿，在南、北大槽煤应用了水平分段滑移顶梁放顶煤。一些矿井应用滑移顶梁液压支架放顶煤也取得成功，水平分段放顶煤已逐步取代水平分层采煤法。急斜水平分段综采放顶煤工作面的装备布置与缓斜特厚煤层综采放顶煤相同，唯工作面长度 L较短，LM/cos（其中：M为煤层真厚，为倾角）。我国最长的水平分段综采工作面达70m以上。由于工作面长度短，一般采用短机身采煤机。如MGD150-NW型单滚筒采煤机，摇臂主轴布置在机
14、身中间，能回转 270，在与SGD-730/90W刮板输送机配套使用时，可爬上机头和机尾，割透工作面两端头，不残留三角煤，无须开缺口。乌鲁木齐矿务局六道湾矿在综采放顶煤工业试验中，引进了法国MS950-400型正面截割短工作面采煤机，摇臂在垂直工作面的平面内上下摆动，滚筒依靠水平推进的千斤顶向煤壁进刀，将煤壁由上到下割成一个扇面，这种采煤机在我国没有再发展。水平分段综采放顶煤采煤工艺与缓斜煤层综采放顶煤工艺相同。不同之处，一是工作面较短，每日循环数多；二是水平分段采煤，工作面下方是下一分段的煤，因此，有的矿井在分段高度中留有0.52m煤皮。显然，乌鲁木齐矿区是我国试验和发展急斜特厚煤层水平分段
15、综采放顶煤最早的矿区之一，走在这一领域的前沿。至今，放顶煤采煤法已成为神新公司开采急倾斜煤层的主要采煤方法。1. 2碱沟煤矿采煤方法沿革 1.2.1碱沟煤矿采煤方法沿革及原有采煤方法评价碱沟煤矿1956年前属军区后勤小窑，1956年与其它小窑合并，成为农六师农建煤矿二、三分厂。1969年改为自治区重工业局东山煤矿二矿、三矿，1966年开始技术改造，1980年投产，井型30万吨/年。1995年又完成矿井的水平延伸和技术改造，为设计井型30万吨/年的正规小型矿井。碱沟煤矿在发展放顶煤以前一直应用旧房柱式体系的一些采煤方法，如：落垛、巷道长壁、仓储、长孔爆破等，1980年按照设计井型30万吨/年投产
16、后，基本以仓储采煤法和长孔爆破采煤法为主。图1.2.1-1 B29煤层应用的仓储采煤法碱沟煤矿应用的典型的仓储采煤法，以B29煤层东西翼采区为例，如图1.2.1-1：B29煤层东翼沿走向共设8个仓，采用一柱两仓同时作业进行采煤。需要说明，仓储采煤法在急斜煤层采煤方法中还是允许应用的，不仅是因为它有较完整的通风系统。但是这类开采方法顶板安全十分重要，而且采出率很低。按照设计计算，采区的采出率为4550%，显然过低，而且在生产中很难达到，顶板垮塌、仓内煤柱垮塌，都会造成停仓，实际的采出率仅30%左右。大量残煤留在仓内，极易自然发火。碱沟煤矿在B2煤层应用的长孔爆破采煤法如图1.2.1-2所示，B2煤层在碱沟煤矿赋存稳定，平均厚度20m。一般一个采仓沿走向20m，留10m隔离煤柱。按照设计计算，采区的采出
