塔山矿特厚煤层综放开采的实践及展望

张有喜

(大同煤矿集团有限责任公司, 山西 大同 037003)

综放开采技术因其高产高效、低能耗、经济效益显著，已成为我国厚煤层开采的主要技术途径。但对于厚煤层综放开采的研究与实践，一般仅限于煤层厚度小于10m。对于煤厚为15～25m的特厚煤层的综放开采，目前我国还处于探索阶段。对该类条件下综放开采的岩层运移规律、矿压显现特征及支架选型均处于研究阶段。大同矿区石炭系特厚煤层的综放开采，已在塔山矿的5个工作面进行了有益的尝试。

1 塔山矿特厚煤层的地质及开采技术条件

1.1 地质条件

塔山矿现开采石炭二叠系太原组3～5#特厚煤层，煤层埋深400～520m，与上覆侏罗纪煤层间距为374～400m。3～5#煤层为合并层，煤层赋存稳定，厚度变化大，厚度在13～26m之间，平均厚度为18 m左右，是极复杂结构煤层，煤层倾角2°～5°，平均3°。由于煌斑岩的侵入破坏，上部煤层受热变质或硅化，煤层结构趋于复杂化，煤层由上至下节理、硬度不同，上部煤层结构疏松，节理非常发育、质软易碎，普遍含3～9层夹矸。夹矸的岩性主要以高岭岩、高岭质泥岩、炭质泥岩及泥岩为主，局部为粉砂岩或细砂岩。下部煤层节理较发育，煤层坚固性系数f=2.7～3.7。开采区域顶板岩性变化大，主要是高岭质泥岩、粉砂岩、炭质泥岩、细砂岩、煌斑岩、煤线、砂质泥岩等组成的互层，分层厚度小，为典型的复合顶板，顶板岩石抗压强度一般为29MPa～67MPa。但距煤层上部15～20 m，局部发育有较厚层的粉砂岩顶板，分层厚度在8～11m左右。底板为高岭质泥岩、碎屑高岭岩和粉砂岩。瓦斯涌出量较大，瓦斯具有爆炸危险性，煤层自燃发火期短。

1.2 开采技术条件

已开采的8102、8103、8104、8202、8206等5个工作面，开采条件大致相同，工作面两巷布置一进一回，并在煤层顶板中布置1条瓦斯高抽巷。工作面长度为230.5 m或207 m，机采高度为3.5 m，顶煤厚度为7.5～22.7 m，采煤工艺为头尾端头斜切进刀，双向割煤，循环进度0.8m，采放工艺为一刀一放多轮顺序放煤，头尾过渡支架不放煤。

8102、8202两工作面使用ZF10000/25/38低位放顶煤液压支架， 8103、8104、8206工作面使用ZF13000/25/38支架，5个工作面使用的其他机电设备基本相同。

2 综放开采的实践

2.1 松软破碎大断面煤层巷道支护技术

塔山矿特厚煤层采用综放采煤工艺，综放工作面两顺槽巷道的支护出现以下新困难：①综放工作面要求回采巷道沿煤层底板掘进，巷道顶板是煤层。在同样采高的条件下，煤层厚度越大，顶煤越厚。松软、破碎煤层顶板显著增加了巷道的支护难度。②随着回采工作面设备的大型化，开采强度与产量的大幅度提高，为了保证正常的运输、通风及行人，要求的巷道断面越来越大。塔山回采巷道宽度已达5～6m，高度3.3～3.6 m，断面积达15～20m2，由此形成超高煤帮、特大断面巷道。巷道高度的加大，显著影响煤帮的稳定性与变形，进而影响整个巷道围岩的稳定，给巷道支护带来极大困难。

一般锚杆支护理论和现场实践认为：锚、网支护技术主要适用于单一煤层，不适用于特厚、巨厚煤层。近年来，随着围岩松动圈理论的发展和锚索支护技术的成功应用，在厚煤层中锚杆、锚索技术得到了广泛应用。经过支护方案比较和技术论证，塔山矿特厚煤层巷道最终选用了锚杆、钢带、锚索、网联合支护方式。具体支护参数、施工及监测：①顶锚杆采用4级钢筋制作的φ22～2400mm高强度锚杆，锚杆间排距均为900mm，树脂加长锚固，锚杆托盘为100mm×100mm×8mm蝶形托盘，W钢带配合金属网护顶，W钢带厚3mm，宽150mm，长5000mm。②锚索采用直径为17.8mm的1×7股钢绞线，长度8300mm，每三排锚杆打设3根锚索，锚索间排距分别为1600mm和2700mm，锚索托盘为300mm×300mm×10mm平托板。③在煤层条件变差时，锚杆排距调整为700mm。④内侧帮采用φ18～1800mm圆钢锚杆，树脂端部锚固，托盘为混凝土托板(内置钢筋)，长度500mm；外侧帮采用φ22～2000mm左旋无纵筋高强锚杆，配合500mm长16#槽钢，巷帮采用塑料网护帮。⑤施工时，使用机械紧固机具给锚杆螺母施加400N·m的预紧扭矩，主动支护系数达到了0.55，实现了高主动支护性。⑥锚杆托盘与螺母之间使用减磨垫圈，不使用金属垫圈。⑦使用了顶板离层在线监测报警系统。

由于采用了高主动性、高强度、高刚度的联合支护技术，实现了巷道掘进的快速、优质、安全、高效，总结出了一套松软破碎煤层中大断面巷道的掘进支护经验，使大同矿区的软岩巷道支护技术水平上了一个台阶。

2.2 工作面端面破碎顶煤的控制技术

现场生产实践表明，特厚煤层综放开采条件下，当煤层为软及中硬时，工作面端面顶煤的稳定性的良好控制，对于支架能够良好接顶，充分发挥支架工作阻力具有重要意义。

理论研究及生产实践均表明，缩小端面距、提高支架初撑力、对端面顶煤及煤壁及时封闭、及时移架减少顶煤暴露后的无支护时间，是有效维护端面顶煤稳定的有力措施。它们可以减小端面顶煤区域存在的拉应力区域，减弱或消除端面顶煤的受拉破坏。

塔山矿特厚煤层综放面虽然为中硬煤层，但下部煤层节理较发育，加之工作面推进过程中揭露的多条小断层及侵入体构造，使得煤层节理、裂隙更加发育，尤其在工作面顶板来压时，进一步加剧了端面顶煤的破碎。8102综放面曾多次发生机道顶煤漏冒，冒落高度一般在2.0m左右，最高见火成岩顶板。机道顶煤漏冒造成支架不接顶，继而造成工作面顶板出现台阶下沉，极易造成压死支架。

针对ZF10000支架维护端面顶煤较弱的情况，ZF13000支架在支架前梁上增加了伸缩梁(梁长600mm)，既使得端面距由458 mm减小到0，又对端面顶煤及煤壁能够及时封闭，极大地改善了端面顶煤的稳定性，现场使用效果良好。

2.3 工作面压架防治技术

8102综放工作面是同煤集团石炭系特厚煤层开采的第一个工作面，煤层厚度平均16.87m。工作面使用ZF10000支架，使用中顶板来压时发生了严重的压架事故，开采期间累计损坏立柱98根，处理压架事故，造成工作面推进缓慢，严重影响正常安全生产，同时在处理压架时,也带来安全隐患。如何预防支架压架事故成为工作面安全高效生产的关键。

特厚煤层开采工作面采放厚度大，采空区的冒落高度相应也较高，要使冒落岩石充满采空区，使工作面上覆岩层形成平衡结构，防止老顶冲击来压，这个高度最少也在40m以上。电视钻孔、微地震监测也证明了顶板的活动高度，在42～50m左右。这就相应要求支架的工作面阻力，必须支撑平衡结构以下的顶板岩石自重重量。计算表明，工作面开采煤层的平均厚度为17m左右时，顶板来压时支架的最大工作阻力在1223～1412T，多数小于1300T。因此，研发了工作阻力13000kN的液压支架，在塔山矿特厚煤层综放开采的第二个工作面8103综放面进行了使用。

但在8103工作面开采的前半段时间，即2007年10月～2008年6月(该面2007年9月1日正式生产，2009年2月结束)中，主要由于现场管理方面的原因，顶板来压显现仍较强烈，仍然经常造成支架前移困难，并多次发生压架事故(开采期间顶板来压共计160次，压架事故共发生36次，均发生于2007年10月～2008年6月)，严重威胁工作面的安全生产，处理压架既费时又不安全，同时容易损伤支架。

通过技术攻关，先后从放煤工艺、支护质量、推进度、液压系统等方面进行了试验研究，寻求防治工作面压架的有效措施。

1)提高支架初撑力。研究发现，支架初撑力与支架活柱下缩量密切相关。支架初撑力的大小，很大程度上决定着支架立柱的实际运转特性。提高支架初撑力，可以明显降低顶板的早期下沉，减小来压时支架活柱的缩量，有效预防压架。

2)定期更换安全阀。研究发现，安全阀的完好率与支架压架的可能性成明显负相关。安全阀的完好、合格，可确保支架高工作阻力的正常发挥，消除“强支架”“弱支护”现象的发生。现场实施定期更换安全阀进行返厂校验的措施，改变原来的被动更换损坏或开启压力降低的支架安全阀。

3)工作面均衡生产，推进度在4m/d以上非常必要。研究发现，工作面推进度在4m/d以下时，易引起支架行走困难。保证工作面均衡生产，推进度在4m/d以上非常必要。

4)更换浓缩液为乳化液，增强过滤功能，保证支架液压系统的有效性。更换浓缩液为乳化液，消除对液压元件的锈蚀现象；在支架液压系统中增强过滤功能，防止液体中的小颗粒可能造成安全阀开启后关闭不严或长时间不能关闭。

通过采取上述措施后(2008年7月后)，8103、8104、8206工作面的开采，彻底避免了工作面压架事故的发生，实现了塔山矿特厚煤层综放开采的安全、高效。

2.4 支架适应性

由特厚煤层放顶煤开采时顶板压力及顶煤运移特征决定了特厚煤层综放支架相对于一般支架而言，除了要对工作面进行有效支护外，还须具有良好的放煤功能、较强的防冲击载荷性能及快速移架的功能。简而言之，支架应具备的性能为：“支得住、护得严、放得下、卸得快、移得快。”

1)“支”的适应性。由文献[6]可见，ZF10000支架适用于煤层厚度最大为17m，ZF13000支架适用于煤层厚度最大为20m。实际生产中，工作面来压时，ZF10000支架多次发生严重的顶板下沉压架事故，支架安全阀开启频繁，开采期间累计损坏立柱98根；而ZF13000支架在工作面来压时，虽也发生过顶板下沉压架事故，但压架次数明显减少，严重程度也大大减弱。因而ZF13000支架，较ZF10000支架对顶板来压的适应性已明显增强。

2)“护”的适应性。针对ZF10000支架维护端面顶煤较弱的情况，ZF13000支架在前梁上增加了伸缩梁(梁长600mm)，可对端面顶煤及煤壁能够及时封闭，极大地改善了端面顶煤的稳定性，现场使用效果良好。

3)“放”的适应性。ZF10000及ZF13000支架的放煤机构，均设计为尾梁并带插板，尾梁摆角大，活动范围大，使得支架后部的过煤空间达到1000mm，大块煤回收率高；尾梁插板行程为700mm，既增加了放煤口的尺寸，又可对大块煤起破碎作用，提高了放煤速度。

4)“防冲击载荷”的适应性。 为防止冲击载荷对支架带来的不利影响，2种支架立柱均配备了大流量安全阀，流量达200L/min，保证了有冲击载荷出现时立柱的及时卸液，这样既保护了立柱，也避免了支架结构件的损坏。

5)“快速移架”的适应性。工作面实际生产表明，移架时相邻支架有明显的阻力增大现象，一般增加1MPa～2MPa，这说明移架造成了移架区域及其周边区域顶煤下沉量的急剧增大。为及时有效地控制顶煤的变形、下沉，应尽可能缩短移架时间。

ZF13000及ZF10000支架的液压系统，均采用了400 L/min的大流量操作阀，双回路环形分段供液，前、后部供液系统各自独立，互不影响，提高了移架速度，保证了支架的降、移、升循环不大于12s。这样既缩短了移架时间，又为工作面实现高产高效提供了有利条件。

3 实践效果及展望

3.1 效果评价及开采经验

5个综放工作面的开采实践证明，塔山矿在特厚煤层采用综放开采技术是成功的。通过在特厚煤层放顶煤安全、高效开采等诸多方面进行的探索，获得了许多有益的经验，对于今后同煤集团石炭系特厚煤层的安全、高效开采具有极佳的借鉴价值。

1)放顶煤开采技术对地质条件复杂的特厚煤层具有良好的适应性。塔山石炭系3～5#煤层顶煤冒放性良好，垮落角80°～95°，顶煤呈松散体易于放出，顶煤回收率达80%以上。

2)ZF13000支架较ZF10000支架大大地提高了支撑能力及防护端面顶煤漏冒的能力，对工作面的适应性得到很大的增强；ZF13000及ZF10000支架在“放”、“防冲击载荷”及“快速移架”等方面，具有良好的适应性。

3)合理的推进速度，对顶板管理和采空区防灭火极为有利。8102、8103开采表明，日推进度小于3.2m时，工作面矿压显现强烈，易发生顶板下沉压架事故，且推进速度对采空区的防火也影响很大。实践证明，工作面推进速度应不低于4.0m/d。

4)工作面必须实现大运量、大功率、高强度、高可靠性的选型配套。设备的主要技术参数、结构性能须相互匹配，对后部运输机及配套的转载机、破碎机要求高，转载机的能力要满足采煤机落煤能力和放煤能力的需要，破碎机的能力应与工作面生产中可能出现的大块煤、岩等状况相适应，最大限度地保证采放平行作业,减少彼此间的相互影响时间，保证工作面具有合理的推进速度。

5)提升工作面现场管理水平，对预防工作面压架具有重要意义。现场实践表明，严格工作面现场管理，提高支架初撑力、保持支架安全阀有效、实现工作面均衡生产，可有效杜绝工作面压架事故。

3.2 展望

1)大采高综放是解决特厚(20m)煤层一次采全厚的有效途径。8102、8103 工作面支架设计支撑高度3.8m，采煤机割煤高度平均3.5m，放煤高度15～18 m，采放比局部达到1∶4以上，超过《煤矿安全规程》采放比不超1∶3规定。大采高单一煤层开采技术已经成熟，把大采高综采开采技术与放顶煤开采技术结合起来，是解决特厚(20m)煤层一次采全厚的有效途径。“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备研发”做为国家“十一五”重大支撑项目，在塔山矿8105工作面进行现场工业性试验，有望解决采放比超过1∶3的问题。

2)特厚煤层开采设备完全实现国产化。塔山已采的5个工作面的主要机电设备，除支架国产外，采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机等均为德国进口，综放开采设备的国产化程度低。8105工作面将全部使用国产设备，其安全、高效开采的成功实践，将使特厚煤层开采设备完全实现国产化。

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