三软煤层大采高一次采全高顶板控制技术研究及应用

2011-08-15王吉渊

科学之友 2011年11期

关键词：乳化液底座底板

王吉渊

（霍州煤电集团，山西霍州 031400）

霍州煤电集团晋北煤业山浪矿位于宁武煤田东南边缘处，主采煤层为5#上煤层，煤层厚度为3.2～5.6 m，平均为4.7 m，煤层储存稳定，坡度平均为10°左右，煤质较软、顶板软、底板软，属典型的三软煤层。

1 回采工艺的确定与三机配套选型

根据采煤工艺选择基本原则，主要从煤层厚度与煤层赋存稳定状态、瓦斯和煤的自燃、煤层物理性质与结构、顶底板的岩性、工艺与设备可靠性等5个方面分析大采高综采工艺对于5#煤层的适用性。

1.1 煤层的厚度与赋存稳定状态

煤层的厚度与赋存稳定状态是选择综采工艺最基本的条件，布置一次采全高工作面的采区范围内，揭露的煤层最大厚度为5.68 m，煤层平均厚度约4.7 m左右，平均倾角为7°。采用大采高一次采全高开采工艺有利于煤炭的利用和煤质的提高，从安全方面上更有利于顶板的管理。

1.2 瓦斯和煤的自燃

5#上煤层的自燃倾向等级为Ⅱ级，属易自燃煤层。采用大采高综采一次采全高开采工艺，工作面采煤工序简单，推进速度快，采空区丢煤少，有利于防治采空区煤炭自燃发火问题。采用大采高液压支架，支架通风断面大，有利于工作面瓦斯浓度的控制。

1.3 煤层物理性质、结构与顶板的岩性

对大采高综采工艺来说，其对煤的硬度、煤层结构影响不大，而对煤层的节理影响较大。节理裂隙越发育，工作面发生片帮事故的概率随之增加。随着采高的增大，工作面顶板压力增大。5#上煤层顶板从采区东侧向西侧、北西侧岩性由泥岩向灰岩变化。采区东侧顶板主要为软弱破碎的炭质泥岩，由于采高增大，工作面顶板压力较大，软弱破碎顶板难于控制，对顶板管理不利。因此，5#上煤层采用大采高综采一次全高开采工艺的技术关键是顶板管理问题和控制煤壁片帮问题。

2 解决问题的有效措施

提高液压支架的支护强度和工作阻力（支架的工作阻力为11 000 kN），采用高工作阻力液压支架，可有效地防止顶板的离层，加强支架对顶板的整体控制性，使支架阻抗力不仅承担老顶部分来压，而且有效控制顶板下沉，控制顶板裂隙和错动，缓解煤壁压力，维持煤壁的受力平衡。由于支架工作阻力较大，容易出现支架钻底现象，所以在支架架型的设计上要加大支架底座面积。因此必须进行5号煤底板比压测试。

底板允许比压：5#上煤层大采高液压支架支护强度及重量均较大，这就要求支架底座比压必须与工作面底板情况相适应。为保证支架底座比压与工作面底板相适应，对5#上煤层底板比压进行了现场测试，并提出了测试报告，报告认为5#上煤层预留底煤时底板属于Ⅲa较软底板，以直接底为底板属于Ⅲb较软底板。比压测试结论：

5#上煤层底煤为底时：

底板平均压入强度为：qm=9.45 MPa；

平均底板刚度为：Km=0.25 MPa·mm-1；

底板容许比压为：qc=7.09 MPa；

底板容许刚度为：Kc=0.19 MPa·mm-1。

5#上煤层底板为底时：

底板平均压入强度为：qm=16.72 MPa；

平均底板刚度为：Km=0.51 MPa·mm-1；

底板容许比压为：qc=12.54 MPa；

底板容许刚度为：Kc=0.38 MPa·mm-1。

支架设计方案充分考虑了工作面底板较软的情况，增加底座接触底板的面积，以降低底座对底板的平均比压（目前为2.93～3.24 MPa），基本能够适应5#上煤层的底板条件；同时，为了增强支架对5#煤层底板的适应性，支架配置了抬底座机构，提高支架的拉架能力。

工艺与设备可靠性：目前，国内对于大采高综采开采工艺已作了深入研究，基本掌握了大采高综采矿压显现规律。经过十几年的发展，国内自行研制生产的大采高综采设备可靠性也有了很大提高。目前，煤层厚度6 m以下的一次全高开采工艺和综采装备都比较成熟，这种采煤方法已经成为我国厚煤层综采的主要发展方向，是厚煤层矿区实现高效集约化生产的重要途径。

3 开采过程监测和管理

为加强顶板管理采取的措施：

（1）提高支架支护强度，设计支架最大工作阻力为11 000 kN，开采的5#上-103工作面初步来压步距为9 m，来压时顶板压力为35～38 MPa，周期来压时顶板压力为33～38 MPa，而支架最大工作阻力为42.5 MPa，可以承受住顶板来压冲击，控制住了顶板。

（2）支架设计增加了伸缩梁，充分利用伸缩量的作用，控制顶板下落，由于顶板较软，在支架初始支撑压力作用下，顶板易碎，在前梁漏顶，伸缩梁在割煤过后及时伸出，滞后机组后滚筒不得超过3个支架，停机后机组上方全部超前拉架，支架的端面距控制在0～100 mm之间，基本控制了顶板的垮落。

（3）规范职工的操作，通过采用擦顶移架措施，避免了与支架接触的顶板层进一步破碎，保持了支架与顶板的良好接触，维持了顶板的完整性。移架和收伸缩量同步操作，始终控制端面距为0～100 mm之间。当工作面出现片帮现象时应及时进行超前拉架控制顶板。

（4）顶板监测管理，一是成立顶板监测组，安装了一套顶板在线监测，时时监测顶板变化情况，采集数据进行分析，采取措施；二是在每根立柱上安装一块数字显示感应压力表，验收员动态监测，拉架工按表拉架升架，操作动态达标进行量化，确保人员操作达标，控制顶板。要保证工作面支架初撑力达标率在90%以上。

（5）加强两巷超前、端头、封口柱的管理力度，支护必须到位，每天由监测人员对两巷超前、封口柱进行初撑力的抽查，对初撑力达不到11.5 MPa的，及时进行补液，保证初撑力合格率达到90%以上。

（6）加强液压系统的管理，尤其是乳化液浓度的管理，本矿乳化液用水为地面高山水池直接供水，首先水质得到了保证，其次强化泵站司机操作规范，每班定点定时测乳化液浓度，同时矿上制定了专门的乳化液管理制度，对乳化液浓度不达标进行严重考核，乳化液就像支架的血液一样重要，乳化液浓度达到了要求，支架初撑力就得到了保障。

4 综合分析评价

（1）山浪煤矿5#上-103工作面于2011年4月1日试生产，大采高一次采全高，一次试采成功。通过采取两巷超前、端头、封口加强支护等措施，顶板得到有效控制，从安装至结束，全过程进行安全监管，杜绝了顶板事故，支架、回采溜子、机组三机配套选型合理，没有出现因三机配套不合理出现的事故。

（2）支架采用大流量带压移架快速液压系统，保持支架与顶板的良好接触，控制顶板的下沉。采用整体顶梁，端部承载能力大，可有效控制工作面前部顶板，防止片帮。采用伸缩梁结构，有效控制采煤机割煤后新暴露顶板的冒落。采用二级护帮机构，增大护帮深度，有效控制煤壁片帮。优化支架结构，增大支架底座的接地面积，减小支架的底座比压。支架配置抬底机构，增强支架对软底板的适应性。顶梁与掩护梁带双侧活动侧护板（单侧使用），可有效控制架间的漏矸问题。支架采用1 750 mm的中心距，孔轴间隙小于1 mm，有效提高支架的稳定性。支架设计有自动控制的喷雾灭尘系统，在采煤机割煤时，喷雾灭尘装置开启，实现喷雾灭尘。支架结构采用高强度板材，确保支架的可靠性，并降低支架重量。