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(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.新疆百花村股份有限公司，新疆 烏魯木齊，830002)

大傾角特厚煤層斜切分層綜放開采實(shí)踐

劉赫男1，孫運(yùn)江2，謝生榮2，侯鐵軍3，李世俊2，王金光2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083；3.新疆百花村股份有限公司，新疆烏魯木齊，830002)

根據(jù)新疆大黃山煤礦+735工作面生產(chǎn)地質(zhì)情況，進(jìn)行綜放支架選型，并對(duì)其防倒、防滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過(guò)分析得知，支架傾倒臨界角為28°，下滑臨界角為22～25°。由于中大槽煤層采用斜切分層綜放開采，+735工作面傾角從40°降到28°，比支架下滑臨界角稍大，說(shuō)明支架仍需要采取防倒防滑技術(shù)措施。此外，對(duì)機(jī)采高度及上端頭區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行分析研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，+735工作面實(shí)現(xiàn)了大傾角特厚煤層安全、高產(chǎn)、高效開采。

大傾角特厚煤層；斜切分層；綜放開采；防倒防滑

目前，對(duì)于大傾角特厚煤層通常采用分層或綜放開采，其中分層方法主要有3種：水平分層、傾斜分層和斜切分層[1-2]。而對(duì)于像新疆大黃山煤礦厚度為25m，傾角約為40°的中大槽煤層，水平分層雖然大大降低了工作面傾角，提高了支架穩(wěn)定性，但工作面長(zhǎng)度較短，單產(chǎn)低，不適合綜合機(jī)械化開采；傾斜分層雖能保證工作面長(zhǎng)度，但工作面傾角較大，支架傾倒、下滑的危險(xiǎn)性較大，降低了工作面生產(chǎn)安全系數(shù)；斜切分層既能保證綜合機(jī)械化開采所需工作面長(zhǎng)度，又能降低工作面傾角，提高支架穩(wěn)定性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，+735工作面實(shí)現(xiàn)了大傾角特厚煤層高產(chǎn)高效開采。

1 工作面概況

新疆兵團(tuán)農(nóng)六師大黃山煤礦位于烏魯木齊以東120km，可采煤層自上而下分別為：五尺槽、四尺槽、米尺槽、中大槽、八尺槽。現(xiàn)主采中大槽煤層，其產(chǎn)狀穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=1.35～1.8，節(jié)理發(fā)育，傾角為30～42°，平均厚度23.5m。+735工作面布置在中大槽煤層內(nèi)，其走向長(zhǎng)度1240m，傾斜長(zhǎng)度96m，儲(chǔ)量2.45Mt，機(jī)采高度為2.7m，采放比小于1∶3，直接頂為8.0m厚的粉砂巖，在直接頂之上有22～52m厚的砂礫巖、粉砂巖、細(xì)砂巖互層，頂板巖石抗壓強(qiáng)度多為60～90MPa，屬堅(jiān)硬頂板，底板巷為粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，巖性中等偏堅(jiān)硬。

+735工作面進(jìn)風(fēng)巷(運(yùn)輸)位于煤層頂板巷水平標(biāo)高+735m，回風(fēng)巷位于煤層底板水平標(biāo)高+770m，如圖1所示。

圖1 +735工作面巷道布置剖面

2 工作面液壓支架選型

根據(jù)綜放工作面工程類比統(tǒng)計(jì)法估算+735工作面頂板壓力[3]：

P=k(1939+2.1H+471f+155/Md)

(1)

式中，P為支架工作阻力；H為采深；f為煤的堅(jiān)固性系數(shù)；Md為頂煤厚度；k為安全系數(shù)，取1.35。

根據(jù)大黃山煤礦+735工作面具體參數(shù)：H=400～475m，f=1.8，Md=10.3m，將其代入式(1)得P=5129.1kN。故+735工作面最終選用ZFS5200/17/32型低位放頂煤液壓支架和ZFSG5600/17/32型放頂煤過(guò)渡支架，基本支架62架，過(guò)渡支架上端頭3架，下端頭2架。ZFS5200/17/32型低位放頂煤液壓支架主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZFS5200/17/32型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

3 支架防倒、防滑穩(wěn)定性分析

+735工作面傾角較大，支架自重及頂板壓力沿傾向分力較大，容易出現(xiàn)支架傾倒、下滑等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著礦井安全高效生產(chǎn)。

3.1 支架防倒穩(wěn)定性分析

+735工作面支架在頂板壓力Q、自身重量G、底板支撐力p、頂?shù)装迥Σ亮1，f2以及相鄰支架之間的相互擠壓力F1，F(xiàn)2的作用下處于平衡狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 傾斜工作面支架受力分析

工作面支架抗倒穩(wěn)定性與其重心在底座的投影位置直接相關(guān)，當(dāng)其重心投影位于底座之外時(shí)，支架將會(huì)發(fā)生傾倒[4]。根據(jù)圖2(a)中的幾何關(guān)系可得工作面支架重心在底座投影相對(duì)位置d：

d=cosα(b-2csinα)/2

(2)

式中，b為支架寬度，m；c為支架重心高度，m；α為煤層傾角，(°)。

當(dāng)d=0時(shí)，支架處于抗倒極限平衡狀態(tài)，如圖2(b)所示，由此可得支架傾倒臨界角αL1：

αL1=arctan(b/2c)

(3)

從式(3)可以明顯看出，支架傾倒臨界角αL1隨支架底座寬度b的增大而增大，隨重心高度c的增大而減小，因此，降低機(jī)采高度m和增加支架寬度b均有利于防止支架發(fā)生傾倒。支架傾倒臨界角αL1越大，說(shuō)明支架的抗倒穩(wěn)定性越好，當(dāng)工作面傾角α大于傾倒臨界角αL1時(shí)，支架需要采取防倒措施。+735工作面所選用的ZFS5200/17/32型支架重心高度c=1.4m，支架寬度b=1.5m，將參數(shù)代入式(3)得支架傾倒臨界角αL1=28°。斜切分層使大黃山煤礦+735工作面傾角從40°降低到28°，說(shuō)明支架基本仍需采取防倒措施。

3.2 支架防滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖2傾斜工作面支架受力分析可列以下平衡方程(假設(shè)機(jī)采高度m不變)：

Qcosα+Gcosα-P=0

(4)

Qsinα+Gsinα+F2-F1-f1-f2=0

(5)

同時(shí)，對(duì)支架O點(diǎn)取矩得：

Q(msinα-bcosα/2)+Pb/2-(f1+F1-F2)m-Gd=0

(6)

f1=μQcosα

(7)

f2=μP

(8)

聯(lián)立(2)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)得：

(9)

式中，F(xiàn)為支架的抗滑力，F(xiàn)=f1+f2；G為支架自重；μ為支架與頂?shù)装彘g動(dòng)摩擦因數(shù)；α為煤層傾角；λ=c/m。

考慮到安全因素，認(rèn)為+735工作面支架所受上下相鄰支架的擠壓作用力近似相等，即F1≈F2，加之動(dòng)摩擦因數(shù)μ較小，可忽略其高次項(xiàng)μ2，故式(9)可以簡(jiǎn)化成：

(10)

從式(10)中可以看出，支架的抗滑力F隨支架自重G和頂?shù)装鍎?dòng)摩擦因數(shù)μ的增大而增大，隨煤層傾角α的增大而減小。

當(dāng)頂煤放空或不帶壓移架時(shí)，工作面支架處在無(wú)初撐力狀態(tài)，同時(shí)也是從安全角度考慮，視支架為不帶壓移架，此時(shí)支架下滑的臨界平衡方程為：

Gμcosα-Gsinα=0

(11)

解之得支架下滑臨界角αL2：

αL2=arctanμ

(12)

從式(12)中可以明顯看出，支架無(wú)初撐力狀態(tài)下抗滑穩(wěn)定性主要取決于頂?shù)装鍎?dòng)摩擦因數(shù)μ，因此可以通過(guò)清理底板浮煤，提高支架抗滑穩(wěn)定性。支架與頂?shù)装鍎?dòng)摩擦因數(shù)μ為0.4～0.45，則可求得支架下滑臨界角αL2=22～25°。大黃山煤礦+735工作面由于采用斜切分層綜放開采，工作面傾角從40°降到28°，比支架下滑臨界角稍大，說(shuō)明支架仍有下滑的危險(xiǎn)，故需要采取一定的防滑措施。

4 機(jī)采高度確定

機(jī)采高度增大，提高了頂煤放出率，但降低了支架穩(wěn)定性，同時(shí)也增加了片幫的危險(xiǎn)性。因此，合理的機(jī)采高度既能有效保障工作面支架的穩(wěn)定性，又能顯著提高頂煤放出率和煤質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)礦井安全、高產(chǎn)、高效開采。

通過(guò)采用模擬軟件UDEC對(duì)大黃山礦+735綜放面機(jī)采高度分別為2m，2.5m，3m，3.5m，4m對(duì)煤壁片幫的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，煤壁塑性區(qū)深度與機(jī)采高度的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以明顯看出：煤壁前方塑性區(qū)深度隨機(jī)采高度的增大而增加，煤壁片幫的危險(xiǎn)性也相應(yīng)增大。當(dāng)機(jī)采高度在3m以下時(shí)，煤壁前方塑性區(qū)深度增長(zhǎng)較緩慢；當(dāng)機(jī)采高度大于3m時(shí)，煤壁前方塑性區(qū)深度增長(zhǎng)速率明顯變大，煤壁片幫的危險(xiǎn)性也相應(yīng)急劇增加。此外，考慮到支架支撐高度、斜切分層間距、采放比以及支架穩(wěn)定性等因素，故最終確定+735工作面機(jī)采高度為2.7m。

圖3 煤壁前方塑性區(qū)深度與機(jī)采高度關(guān)系

5 液壓支架防倒、防滑控制技術(shù)

(1)+735工作面液壓支架要安裝防倒、防滑千斤頂，采用上、下端頭3架1組聯(lián)鎖，中間2架1組聯(lián)鎖的安設(shè)方式。在移架時(shí)，要始終保持整體自下而上帶壓擦頂移架，防止其呈無(wú)約束滑移狀態(tài)。當(dāng)支架出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)，利用支架上裝設(shè)的千斤頂，以有初撐力的支架為穩(wěn)固點(diǎn)，對(duì)相鄰的支架產(chǎn)生一定的作用力，以及時(shí)調(diào)整支架，防止出現(xiàn)擠、咬、懸、滑、倒架現(xiàn)象。

(2)下端頭前3架端頭支架的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)+735工作面支架的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。因此移架時(shí)，要先移第2架，防倒防滑千斤頂以第1架為受力支撐點(diǎn)給第2架一個(gè)傾斜向上的作用力，使支架不出現(xiàn)傾倒、下滑；然后帶壓擦頂移第1架，并利用千斤頂以第2架為受力點(diǎn)，拉住第1架，并在該架下側(cè)斜打單體支柱，以保證第1架的穩(wěn)定；最后移第3架，其操作同第2架。

6 工作面上端頭區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)

由于考慮到進(jìn)出口安全問(wèn)題，工作面端頭過(guò)渡支架一般不進(jìn)行放頂煤，大黃山煤礦+735工作面由于采用斜切分層綜放開采，其上部端頭頂煤厚度較大，最厚部位可達(dá)10m多，且存在一塊三角頂煤位于工作面外側(cè)很難放出，為提高煤炭采出率，實(shí)現(xiàn)礦井可持續(xù)發(fā)展，決定對(duì)上端頭頂煤進(jìn)行爆破預(yù)裂放頂煤作業(yè)?？紤]到端頭區(qū)域支護(hù)的可靠性和放煤的安全性，首先用千斤頂將上端頭3架端頭過(guò)渡支架聯(lián)鎖成一個(gè)整體，以提高其穩(wěn)定性，防止其可能因頂煤放空而失穩(wěn)。然后用π型鋼梁配以單體支柱，1梁3柱，上端頭采用“四對(duì)八梁”加強(qiáng)支護(hù)，超前工作面20m采用“三對(duì)六梁”加強(qiáng)支護(hù)，超前工作面20～30m采用“兩對(duì)四梁”加強(qiáng)支護(hù)，以提高上端頭及超前支護(hù)的可靠性，如圖4所示。最后在靠近采空區(qū)附近3排單體支柱旁斜打1根單體支柱，如圖4中B-B截面所示，防止其受采空區(qū)矸石沖擊而失穩(wěn)。

圖4 +735工作面上端頭區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)示意

7 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)+735工作面支架防倒、防滑穩(wěn)定性分析得知：其傾倒臨界角為28°，下滑臨界角為22～25°。斜切分層使大黃山煤礦+735工作面傾角從40°降低到28°，大大降低了支架傾倒和下滑的危險(xiǎn)性。

(2)通過(guò)采用UDEC軟件對(duì)大黃山礦+735綜放面機(jī)采高度對(duì)煤壁片幫的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，此外，綜合考慮支架支撐高度、煤層厚度與采放比，最終確定+735工作面機(jī)采高度為2.7m。

(3)+735工作面液壓支架安裝防倒防滑千斤頂，上、下端頭3架1組聯(lián)鎖，中間2架1組聯(lián)鎖，且下端頭前3架端頭支架移架時(shí)，先移第2架，然后帶壓擦頂移第1架，最后移第3架。

(4)為提高上端頭區(qū)域支護(hù)的可靠性，保障上端頭預(yù)爆破放煤安全，上端頭采用“四對(duì)八梁”加強(qiáng)支護(hù)，超前工作面20m采用“三對(duì)六梁”加強(qiáng)支護(hù)，超前工作面20～30m采用“兩對(duì)四梁”加強(qiáng)支護(hù)。

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[責(zé)任編輯：于海湧]

Practice of Oblique Slicing Full-mechanized Caving MiningExtremely-thick and Large-angle Coal-seam

LIU He-nan1, SUN Yun-jiang2, XIE Sheng-rong2, HOU Tie-jun3, LI Shi-jun2, WANG Jin-guang2

(1.Mining Engineering School, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.Resources & Safety Engineering School, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China;3.Xinjiang Baihuachun Co., Ltd., Wulumuqi, 830002, China)

Full-mechanized caving mining powered support lectotype was made and its anti-inverted and anti-skid stability was analyzed on the basis of mining and geological condition of +735 mining face of Dahuangshan Colliery, Xinjiang.Result showed that critical angle of powered support inversion was 28° and that of skid was 22-25°.Oblique slicing mining made dip angle of mining face reduced to 28° from 40°, which was slightly larger than critical skid angle and anti-inverted and anti-skid measure should be needed.Mining height and supporting in upper-end area was analyzed.Application showed that safe, high-production and high-efficiency mining was realized in +735 mining face.

extremely-thick and large-angle coal-seam; oblique slicing; full-mechanized caving mining; anti-skid and anti-inverted

2014-03-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.009

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51234005)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2010QZ06)

劉赫男(1971-)，女，河北唐山人，碩士研究生，講師。

劉赫男，孫運(yùn)江，謝生榮，等.大傾角特厚煤層斜切分層綜放開采實(shí)踐[J].煤礦開采，2014，19(6)：35-38.

TD823.4 5

A

1006-6225(2014)06-0035-04