大倾角长壁综放工作面及端头巷道布置的研究

林 华

（1.太原理工大学，山西太原030024；2.同煤集团同生安平煤业公司，山西怀仁036999）

大倾角长壁综放工作面及端头巷道布置的研究

林 华1，2

（1.太原理工大学，山西太原030024；2.同煤集团同生安平煤业公司，山西怀仁036999）

通过对比大倾角长壁综放工作面和缓倾斜长壁综放工作面的矿压显现特征，得出了大倾角长壁综放工作面的一般规律以及存在的主要开采问题，提出了工作面布置方式为“倾斜-圆弧过渡-水平”，下端头支架采用横向布置，上端头采用底板全部破岩的布置方式，有效地解决了开采大倾角煤层的实际问题，可为类似条件工作面及巷道的布置提供参考。

大倾角；综放工作面；巷道布置；上下端头布置；优化

大倾角煤层一般是指煤层倾角为35°～55°的煤层，这是根据煤层的自然安息角和支架的最大适应倾角所确定的。但是在实际开采的过程中，煤层倾角＞25°时，也会出现与大倾角开采相类似的技术难题。

大倾角煤层开采一般所使用的方法仍然是长壁综放法，当倾角继续增大，成为急倾斜煤层时，会采用水平分段放顶煤采煤法。这种采煤方法主要是为了解决工作面设备的自溜、支架的倾倒以及互相挤咬问题。设备的水平布置大大减少了上述问题，但是，分层开采会造成工作面长度的限制，机械化生产水平降低，最主要的是对顶底板的控制造成影响。如采用下行开采，上层煤的底板将成为下层煤的顶板，由于上层煤开采以后底板较碎，对下层煤的顺槽及工作面的顶板控制造成影响，同样，留设的煤柱会在下层开采时造成应力集中，引起压架事故。如采用上行开采，对上部的煤层浪费较大，会有大量的三角煤留设问题。因此，在采用长壁综放开采时，需要合理布置工作面的巷道以及端头，保证安全高效回采。

1 大倾角煤层开采与缓倾斜煤层开采的矿压显现

1）由于煤层倾角的问题，导致顶板的矿压显现不同。直接顶的初次来压步距为：下部＞中部＞上部；周期来压步距为：下部＞上部，中间和上部的来压步距趋于同步；来压强度为：上部＞中部＞下部。虽然由于地质情况略有不同，但整体大倾角的矿压显现规律如上所述。由于顶板破断垮落的岩块向工作面的下部滑移，导致在倾向上不规则充填，上部的垮落面积大于下部的垮落面积。

2）根据伍永平教授的“R-S-F”理论［1］，顶板、支架以及底板为一整体的系统，底板也会出现破坏滑移。与缓倾斜相比，底板不仅仅受支架及上覆岩层的压力，还受到底板侧向剪切力，易造成底板的破坏。

3）由于支架重力在倾斜方向的分力会随着倾角的变化而变化，因此与缓倾斜相比，支架不仅受上覆岩层的压力，同时受相邻支架的挤压。所以，不仅需要提高支架的阻力，而且还应加强系统的平衡性［2］。

2 工作面的布置

2.1 工作面布置的优化

伪仰斜工作面状态模型图见图1。

1）工作面沿煤层走向按煤层底板布置。这种布置方式与长壁走向开采相同，不同之处在于由于大倾角的存在，工作面的设备：采煤机、刮板输送机以及支架存在自溜的现象；下部顺槽端头支架由于受到工作面相邻支架的相互挤压作用，会产生相应的侧向推力。

2）工作面“倾斜-圆弧过渡-水平”布置方式。这种布种布置方式是在下端头设置圆弧的过渡，下部的运输顺槽超前上部的回风顺槽一段水平距离，在水平和竖直方向构成竖曲线，平缓的过渡设备。

2.2 两种布置方式的对比

通过分析比较工作面上述两种布置方式，其有以下技术特征：

1）在工作面的下端头由于圆弧段的过渡，过渡支架的安装得到了简化。

2）同样，由于圆弧段的存在使基本支架和端头支架的接触面积增大，由点接触变成了面接触，减少了对端头支架的侧向推力，有效地缓解了端头的应力集中，提高了整个支撑系统的稳定性和平衡性。

借鉴开滦矿务局赵各庄矿、平顶山十二矿、靖远王家山矿大倾角综放开采实践，为了控制支架、刮板输送机下滑，要求工作面伪倾角控制在5°～9°，机头超前机尾距离为L×sinα，超前距离在12～17 m。由于刮板输送机和支架的下滑量影响因素多，与设备和底板的摩擦系数、推移杆与底座的间隙、工作面长度等有关，具体最佳超前距离应在生产实践中根据煤层倾角变化逐步调整。当发现刮板运输机出现下滑趋势，应迅速挪动机头位置使其超前，从而抵消机头的下滑量，使工作面刮板输送机与转载点能够保证合理搭接。每调整一次机头，输送机机头上窜的位移量△L=0.5×sinα=0.5×sin（5°～9°）=0.053～0.094 m，因此，由机头往机尾推溜1个步距将上窜53～94 mm，可起到调整输送机和支架防滑的目的［3］。

图1 伪仰斜工作面状态模型图

3 端头布置

3.1 工作面下端头布置的优化

由于大倾角工作面特殊的地质条件，在工作面端部，倾斜布置在切眼中的基本支架与水平布置在运输顺槽中的端尾架顶梁之间，形成一个三角形无支护区域，为一个“上小下大”的三角区，容易造成应力集中，极易出现顶板的破裂，导致冒顶事故的发生，直接威胁人员安全，同时也给此处的设备维护带来较大的难度。而通常使用的办法是人工架棚梁及时支护，这种方式有以下缺陷：架设支柱与端头支架的工艺造成冲突，从而影响支护系统的可靠性；支架在移架和刮板输送机移动的过程中极易碰倒三角区立柱或者导致支柱的倾斜，增加不安全因素；在放顶煤过程中，随着顶煤的不断放出，可能会导致顶煤在倾向和走向的移动，会破坏三角区顶煤以及上覆岩层的稳定性，增大三角区的垮落面积，如果只靠人工进行反复拆卸支护，不仅浪费了工人的劳动作业时间，而且降低了工作面的全员效率。

端头支架与工作面支架的布置方式如下：

1）端头支架纵向布置。

2）端头支架横向布置。

式中：

η—端头支架与巷道顶板间的摩擦因数；

Ρ—端头支架的支护阻力，kN；

β—端头支架与水平顺槽的夹角，（°）；

α—工作面的倾角，（°）。

通过改变支架间的相互接触方式，工作面支架下滑阻力的变化为：

端头支架与工作面支架作用示意图见图2。

由于β＞α，η<1，由公式（3）可以得出，△R恒大于零，说明了改变端头支架布置方式，横向布置所产生的对工作面支架的阻力大于纵向布置时产生的阻力，且阻力随煤层倾角的增大而更加明显。也可以从图2看出，端头支架与工作面支架布置方式的改变，改变了接触情况，由点接触变成面接触，提高了支架自身的稳定性。端头支架横向布置通常是主、副架前后布置，靠架间连接的油缸实现迈步前移［4-5］。

3.2 工作面上端头布置的优化

工作面与回风顺槽布置关系示意图见图3。

工作面与回风顺槽的布置关系通常有：回风顺槽按煤层的底板布置、回风顺槽底板1/2破岩布置、回风顺槽底板全部破岩布置3种。图3a）中，不需要破底，不需要掘进岩巷，但是留有底三角煤，造成工作面与回风顺槽有台阶，导致行人、运料、通风不方便，影响了端头支架和工作面的布置、推移及衔接关系。图3b）与图3a）相类似，同样存在台阶和三角煤的问题，且台阶和三角煤减少。图3c）中，没有底三角煤的存在，但是，造成大面积的空顶状态，有“上大下小”的三角区存在，而且需要掘进岩巷的面积约占顺槽断面积的一半。其技术特点如下：

1）解决了工作面的上端头布置中，设备的推移与工作面沿煤层开采的衔接问题，减少了底部三角煤的损失。

2）在现场的生产过程中，由于端头支架阻力较大，载荷较重，煤层底板的三角煤较难留设，大部分已经被压碎，造成支架的挤压，顺槽断面的变形。所以，采用破岩底板有利于支架的留设。

图2 端头支架与工作面支架作用示意图

图3 工作面与回风顺槽布置关系示意图

4 结论

1）工作面的布置采用“倾斜-圆弧过渡-水平”方式，既可以保证支架以及输送机的防滑，又提高了系统的整体稳定性。

2）工作面的下端头支架采用横向布置，可以通过调节顶梁的支撑角度来适应煤层的起伏性，具有较好的煤层适应性。

3）工作面的上端头底板采用全部破岩布置，有效地保证了上端出口的畅通，减少了三角煤的损失，提高了煤炭的回收率。

［1］伍永平.大倾角煤层开采“R－S－F”系统动力学控制基础研究［D］.西安:西安科技大学，2003.

［2］伍永平，员东风.大倾角综采支架稳定性控制［J］.矿山压力与顶板管理，1999（3）:82-85.

［3］王旭杰.大倾角特厚煤层综放开采区段煤柱合理尺寸优化与研究［D］.太原:太原理工大学，2013.

［4］伍永平，员东风，张淼丰.大倾角煤层综采基本问题研究［J］.煤炭学报，2000，25（5）：465-468.

［5］赵德珍，王步青.急-倾斜厚煤层长壁综放开采工作面巷道布置技术［J］.煤矿安全，2007（2）：40-43.

Research on the Working Surface and the End Roadway Layout with Large Dip Angle Fully Mechanized Top Coal Caving Longwall Face

Lin Hua

By comparing the mine pressure characteristics of large dip angle longwall fully-mechanized caving faces with slowly inclined longwall fully-mechanized caving faces，obtain the general rules and main mining problems of large dip angle longwall fully-mechanized caving faces.Puts forward that the Working face layout is "tilt-arc transition-level".The bracket of lower head uses transverse layout，the bracket of upper head uses bottom breaking rock layout.Effectively solved the actual mining question of large dip angle coal seam，can provide reference for the similar condition working face and roadway layout.

Large dip angle；Fully mechanized caving faces；Roadway layout；Upper and lower head arrangement；Optimization

TD82

B

1672-0652（2014）11-0007-03

2014-10-17

林华（1977—），男，山西怀仁人，太原理工大学在读工程硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制技术研究（E-mail）linhua2430@163.com