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刘桥一矿大倾角煤层综采工作面安全回采技术

大倾角煤层是指埋藏倾角大于35°的煤层。近年来快速发展的高产高效技术,使大部分矿区浅部开采条件好的煤层储量将在较短的时限内枯竭,促使大倾角煤层的开采问题进入了人们的视野,并引起高度重视,如兖州矿区、淮南和淮北矿区等,要保持这些矿区高产高效和可持续发展就必须解决大倾角煤层的开采问题。
  一、刘桥一矿工作面概况及开采技术特点
  工作面位于陈集向斜东翼,刘桥向斜穿过工作面内,煤层形态受陈集向斜和刘桥向斜的控制,总体呈单斜形态。 本工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤,全部垮落法管理顶板。采用MGTY400/930-3.3D采煤机螺旋滚筒截割落煤,滚筒截深0.8 m,采煤机螺旋滚筒配合SGZ800/800刮板运输机铲煤板装煤,采用ZY6000/18.5/38(中部)、ZYG6000/18.5/38(端头)、ZT2×3200/18/35(风巷)自移液压支架支护顶板。工作面支架允许最大采高3.8m,最小采高2.05m,平均3.4m,循环进度0.6m。本面采用双滚筒采煤机双向割煤,往返一次进两刀。在大倾角煤层中实施综采,具有如下开采技术特点如下:
  (1) 由于工作面倾角较大,顶板破断垮落岩块将沿底板向工作面下部采空区滑、 滚,走向长壁开采时在工作面倾斜方向形成不均匀充填特征, 从而导致工作面不同区域矿压显现不同;
  (2) 在大倾角煤层中实施综采,存在“支架 -围岩 ” 系统的不稳定性,特别是会出现大倾角形成的大变形,倾斜方向的动荷载,采场设备的下滑倾倒等问题;
  (3) 随着煤层倾角的逐渐增大,围岩对支护系统的稳定性要求变得更加明显,所以在整个支护系统的布置上,既要考虑其支护阻力的大小,更要注意其整体稳定性控制。
  二、大倾角煤层综采关键技术
  1、“ 支架 -围岩 ” 相互作用关系
  通常所说的采场“支架 -围岩 ” 相互作用体系即“ 老顶 -直接顶 -支架 -底板 ”系统。在这个系统中,支架与围岩是相互作用相互影响的,围岩的运动状态影响支架的工作状况和承载特性,而支架的工作状况又反过来影响到围岩稳定性的控制效果。因此把“支架 -围岩”看作是一个相互作用和共同承载的力学体系,合理调节和处理“支架 -围岩”相互作用关系,是大倾角煤层综采取得成功的关键。
  2、支架受力状况分析
  在工作面整个支护系统中,液压支架是维护采场安全生产的结构物,是控制围岩稳定的主要手段。
  3、支护系统稳定性控制措施
  就采场支护系统而言,工作面支护的直接对象是直接顶岩层,通过直接顶间接地对老顶的活动起一定的控制作用。在整个支护系统中,支架并不是孤立存在的,而是处在一个由围岩组成的支护体系之中,因此该支护体系的整体稳定性与工作面顶底板的运移、破坏规律及支架固有的结构与参数有密切关系。
  3.1顶板稳定性控制
  直接顶的厚度:老顶岩层对工作面顶板压力的影响主要取决于直接顶的厚度,也就是说,老顶离煤层越远,即直接顶厚度越大,破断后形成的缓慢下沉式平衡的可能性也越大。II466工作面直接顶厚度为13m±,这样好的顶板条件为整个支护系统稳定性控制提供了天然保障。来压期间顶板控制措施:随着工作面的推进,顶板来压时,破断岩块的重量与支架的稳定性成反比例关系,即直接顶跨落岩块的范围越大,施加于支架上的荷载越大,整个支护系统的稳定性也就越差。现场可采取的控制措施:顶板来压期间,应增大支架的初撑力和工作阻力,确保支护到位;支架基本垂直顶底板支设,迎山角不超过3°~5°,不得有退山现象,要确保与顶板接触严密,不允许空顶,不出现“线接触”;移架必须一次到位,避免反复支撑顶板。
 3.2支架本身
  支架自身固有的结构及参数对整个支护系统的稳定性有显著影响,主要有支架的初撑力、工作阻力及支架底座宽度、支撑高度和支架重量等。支架的初撑力、工作阻力:由支架的受力状况分析可知,为了控制支架下滑,从提高支架整体稳定性角度出发,支架必须保证一定的初撑力,并在工作时充分利用工作阻力。刘桥一矿II466大倾角工作面,所选支架型号为ZY6000/18.5/38,其初撑力为3524kN,工作阻力为 4400kN,支护强度满足顶板压力的要求。为提高支架的初撑力,应保持支架处于完好状态,不漏液、串液、不自动卸载,并及时检查供液管路,减少泵站压力损失。支架底座宽度 D和支撑高度 h:支架底座越宽,支撑高度越低,稳定性越好。现场可采取的措施有:加大支架底座面积,确保支架与煤层底板接触状况良好,既能使底板对支架的支撑力分布合适,又能确保支架加大工作阻力时不破坏煤层底板;严格控制采高,确保采煤高度在2.8~3.3m,并保持顶板割平,防止支架顶梁与顶板点接触或线接触。支架重量G:由于支架重量与稳定性成反比例关系,因此,只要支护强度能满足要求,应尽量减轻支架重量,以提高其稳定性。由于本工作面支架选型已经完成,支架本身的重量已经无法改变,在回采中主要是采取加快推进速度,由每班采2刀增加到每班采3刀,以避免破断的直接顶荷载长时间作用在支架上。
  3.3底板稳定性控制
  大倾角煤层开采后不仅引起工作面顶板岩层的移动和破坏,也将导致底板岩层沿工作面倾斜方向向下滑移。底板的这种滑移、 破坏使大部分支架失去了理想的支撑基础,降低了支护体系刚度,增强了支架失稳破坏的趋势。影响底板破坏的因素主要有煤层倾角、支架与底板岩层间的摩擦等。煤层倾角θ:II466工作面煤层倾角平均为28.8°,由于本工作面煤层倾角大,增强了底板失稳、 滑移、破坏的趋势。底板摩擦因数μ:底板摩擦力越大,支架需要的抗滑力就会越小。为提高底板摩擦力,现场可采取以下措施:采煤机割煤后应及时清理工作面浮煤,避免因浮煤引起底板与支架底座之间摩擦力的减小;及时处理顶板淋水,并定期检查支架乳化液管路及各部位密封情况,以防因水的原因而降低了底板摩擦系数。
  三、结论
  (1)大倾角煤层综采技术的核心是工作面支护系统的稳定性。随煤层倾角增大,上覆岩层重力的切向分力增大而法向分力减小,因此工作面支护系统所受的工作载荷变小,而引起支护系统失稳的外载加大,所以,工作面岩层控制的重点不仅仅是提高支护系统的工作阻力,还应加强支护系统的整体稳定性。
  (2)采场支架并不是孤立存在的,而是处在一个由围岩组成的支护体系之中,该支护体系的整体稳定性与工作面顶底板的运移、 破坏规律及支架固有结构与参数有密切关系。
  (3)大倾角煤层开采后不仅引起工作面顶板岩层的移动和破坏,也将导致底板岩层在一定范围的移动和破坏。   
  参考文献:
  [1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制 [M ].徐州:中国矿业大学出版社, 2003, 11.
  [2] 余本胜,周胜贵,鄂长银.大倾角软煤层综采工作面矿压显现规律研究 [ J ].煤炭工程, 2005, (4) : 55~57.

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