急倾斜“三软”煤层综放开采工作面稳定性控制研究

赵鹏飞

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056107)

急倾斜“三软”煤层综放开采工作面稳定性控制研究

赵鹏飞1,2

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056107)

为了解决急倾斜“三软”煤层综放开采支架顶空、煤壁片帮、底板滑移、挤架倒架等技术难题，以杜家村煤矿1201工作面为例，通过研究工作面切眼的合理布设、工作面围岩的稳定性控制及配套设备与施工工艺的合理选择等，得出有效控制急倾斜“三软”煤层综放开采工作面稳定性的措施，取得了急倾斜“三软”煤层综放开采的成功，具有显著的经济、社会效益。

急倾斜；“三软”煤层；综放开采；稳定性控制

近年来，我国放顶煤开采技术和装备制造水平显著提高，综采放顶煤开采得到了长足的发展[1-2]。综采放顶煤开采能实现高产高效生产，且生产成本低，适应能力较强，因此广泛应用于我国厚煤层开采[3]。在煤层倾角不大时，大采高综放工作面开采取得了成功，如潞安王庄煤矿、大同塔山煤矿、甘肃华亭煤矿、准格尔酸刺沟煤矿、兖州兴隆庄煤矿[4-6]，但由于急倾斜“三软”煤层综放开采采高较大，工作面倾角较大，切眼围岩较软，工作面设备、围岩稳定性等问题，制约了其在急倾斜煤层开采中的应用。对于我国急倾斜厚煤层的开采，过去所采用的掩护支架、水平分层、巷柱式等开采方法，存在采出率和产量较低、安全差及机械化程度不高等问题[7-10]。近年来，在急倾斜煤层综放开采方面，神华集团碱沟煤矿、甘肃靖远王家山煤矿、华亭集团砚北煤矿等，做了一些探索并积累了一定经验[11]。峰峰集团山西大远煤业在急倾斜“三软”厚煤层条件下进行综采放顶煤开采，解决了上述技术难题，取得较好的经济效益和安全效益。

1 工程概况

1201急倾斜“三软”综放工作面位于地下242.6～195.6m，工作面走向长600m，倾斜长60m，其东邻原采空区，西侧为煤柱，南北两端均为2#煤层变薄区。所开采的石炭系上统太原组2#煤层是典型的“三软”煤层，也是井田内主要可采较稳定煤层。煤层厚2.3～9.5m，平均6.5m；夹矸含量较多，煤体相对破碎，f=0.1～0.5；煤层倾角40～55°，平均47°。直接顶多为砂质泥岩，平均厚约1.2m，容易吸水变软，与上部岩石产生分层。老顶为粉砂岩，厚约8m，易发生层间离层，f=6.3。厚0.1～0.3m的直接底，为泥岩粉砂岩，遇水易膨胀变软，f=4～6.1。

2 1201工作面切眼合理布设

2.1 切眼位置选择

为了避开尖灭带或其它构造，为1201工作面顺利开采奠定基础，通过钻机超前钻探，对比分析不同切眼位置选择钻孔剖面图(图1)，确定了2-2′剖面位置1201工作面切眼位置。

图1 1201工作面切眼位置选择钻孔剖面图

2.2 工作面切眼长度合理控制

急倾斜综放工作面由于斜长和坡度的存在，使工作面支架数量变化显著。为了确保工作面设备、围岩的稳定性，上下巷道平行等长掘进，避免支架数量变化。同时，沿走向每个10m做剖面，获取支架位置及数量的变化情况，为超前安排应对措施提供技术支持。

2.3 工作面切眼下部平缓设计

开切眼为矩形断面，采用锚带网+工字钢棚+单体支柱支护，断面为：净高2.6m，净宽6.6m，断面积为17.16m2。工作面下部平缓布置，能够为整个工作面提供稳定性支撑。在结合水平段放顶煤和倾斜放顶煤切眼布置相结合，提出了开切眼倾斜—圆弧过渡—水平布置方式。如图2所示。

图2 工作面开切眼布置图

3 1201工作面切眼“三软”围岩稳定性控制

3.1 工作面顶板加固

对于急倾斜综放工作面，上端头支架不放煤。为确保端头顶煤的稳定性，分别在支架上方及回风巷中安设锚索，加强顶煤支护。如图3所示，工作面5个不放煤支架范围内，沿倾向每隔2.5m安装φ17.8mm×7m锚索，锚索与水平方向夹角为60°。同时，在回风巷每3m安设3根锚索，分别位于回风巷拱顶中部、垂直岩层面、垂直工作面一侧帮部。为使第6个支架以下顶板顺利冒落，按图3回风巷打钻切顶孔施工钻孔，钻孔排距3m，每排钻孔垂直扇面布置，终孔落在同一垂直面上，终孔垂直间距2.5m，每排施工5个钻孔，钻孔直径108mm。

3.2 切眼底板加固

为了防止工作面放煤支架倾倒，前、后溜槽下滑，切眼底板和枕木全部采用锚网加固。底板加固采用φ18×1800mm全螺纹等强锚杆，锚杆与150mm×150mm×10mm托盘、350mm×280mm×3mm钢带护板配合使用，五花布置，间排距1300mm×1000mm，全底板铺设菱形金属网，每200mm用铁丝连接。为确保轨道的稳定性，枕木间距500mm，且每根枕木用一根锚杆固定。图4为1201工作面实测剖面图，图5为1201工作面切眼底板加固图。

图3 工作面及回风巷顶煤加固图

图4 1201工作面实测剖面图

图5 1201工作面切眼底板加固图

3.3 煤壁稳定性控制

煤壁片帮与端面漏冒是影响“三软”急倾斜煤层综放开采的主要难题之一[12]。对1201工作面来说，可采取提高支架初撑力(不低于24MPa)、使用护帮板、适当降低采高(2.5～2.6m较为合理)、及时移架、缩小端面距及适当加快工作面推进速度应是行之有效的措施。但遇到断层破碎带等特殊地质条件时，可采取“棕绳+注浆”全长锚固技术从根本上防治煤壁片帮。棕绳直径6mm，注化学浆液，钻孔直径28mm，钻孔深度5m左右，钻孔间距3m，单排布置于煤壁中上部。

4 工作面设备与工艺合理选择

4.1 合理选择工作面配套设备

工作面主要配套设备如表1所示。对于急倾斜“三软”厚煤层综放开采，ZFY4600/16/30综放支架具有以下优点。

1)支架顶梁采用铰接形式，支架能够实现更好的接顶，同时也便于工作面铺设顶网，适应工作面顶煤较软的特点。

2)支架安装底调千斤顶，便于移架过程中随时调架。支架侧护板强度大，便于煤壁稳定性维护。

3)支架操作阀组简单，工作人员在架间操作管理，避免飞煤(矸)的威胁。

4.2 合理放煤工艺

为提高1201急倾斜综放工作面稳定性，综放支架前移与工作面放煤顺序均采取沿工作面由下向上进行，且上下端头各5架不放煤。由于工作面坡度平均达47°，所以采煤机采取下行割煤，采高一般不低于2.5m，上行空刀爬坡，往返一次进一刀。经现场反复试验，1201急倾斜工作面一刀一放的放煤步距，单轮间隔放煤的放煤顺序，采放比控制为1∶1.6，能够有效控制顶煤运移，提高采出率。

5 应用效果

通过对1201急倾斜“三软”煤层综放开采工作面切眼的合理布设、“三软”围岩的稳定性控制及工作配套设备和放煤工艺的合理控制，促进了工作面合理、高效和持续推进。1201工作面自2013年11月份工作面开采以来，截至2014年5月底，已安全推进400m，其中2014年3月份综采推进度达到100m。4月份放顶煤已来，目前月推进度已稳定在60m以上，月产量超过3万t，综放回采率达到95%以上，实现了工作面正规循环，取得了急倾斜“三软”煤层综放开采的成功。

表1 工作面配套设备选型一览表

[1] 刘克功.大采高自动化综放开采技术[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2] 王金华.我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势[J].煤炭科学技术，2006，34(1) :4-7.

[3] 杨仁树，朱现磊，郭东明，等.三软煤层大倾角综放工作面倒架原因及对策[J].煤炭科学技术，2010，38(1) :8-11.

[4] 王家臣.厚煤层开采理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[5] 王宁波，张农，崔峰，等.急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征[J].煤炭科学技术，2013，38(8):1312-1318.

[6] 师贺庆.倾斜厚煤层综放开采技术探讨[J].矿山压力与顶板管理，2001(1)：44-46.

[7] 李立波,来兴平,李玉民,等.破碎围岩环境下巷道应力与变形监测[J].西安科技大学学报,2010,30(1):24-28.

[8] 闫少宏，尹希文.大采高综放开采几个理论问题的研究[J].煤炭学报，2008，33(5)：481-484.

[9] 金智新，于海湧.综采放顶煤开采理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社，2006.

[10] 伍永平，张永涛，解盘石，等.急倾斜煤层巷道围岩变形破坏特征及支护技术研究[J].煤炭工程,2012,44(1):92-95.

[11] 夏永学，康立军，齐庆新.割煤高度对大采高综放工作面煤壁稳定性影响[J].煤炭科学技术，2008，36(12):1-3.

[12] 王军.工作面煤壁片帮的原因与预防方法[J].煤炭技术，2009，28(3):89-90.

The stability control study on fully-mechanized top coal mining in“three soft” steeply inclined seam working face

ZHAO Peng-fei1，2

(1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Jizhong Energy Fengfeng Group Corporation Limited，Handan 056107，China)

To solve the difficulty of top-coal and coal wall falling，bottom slipping，supports toppling and biting of the “three soft” steeply inclined seam fully-mechanized mining working face，with the engineering background of Du jiacun 1201 working face，the study such as the location control of open-off-cut，the stability of surrounding rock control，corollary equipment and construction technology are did.Through the above study，we get the effective measures to control the stability of working face.The measures finally make successfully mining in 1201working face，and we receive good society and economy benefits.

steeply inclined；“three soft” seam；fully-mechanized mining；the stability control of working face

2014-07-12

国家自然科学基金煤炭联合基金项目资助(编号:51134025)

赵鹏飞 ( 1963-)，男，北京人，高级工程师，主要从事矿井生产管理等研究工作。

TD327.2

A

1004-4051(2015)05-0100-04