急傾斜厚煤層綜采一次采全高礦壓控制技術

趙大勇 龐繼祿

山東能源新礦集團內蒙能源有限責任公司

急傾斜厚煤層綜采一次采全高礦壓控制技術

趙大勇 龐繼祿

山東能源新礦集團內蒙能源有限責任公司

趙大勇（1961-）男，山東臨沂人，高級工程師，主要從事煤礦生產技術和安全管理工作。

據統計，在我國急傾斜煤炭儲量占我國煤炭資料儲量的17%，年產量占全國煤炭總產量的8%～10%。急傾斜煤層在我國分布較廣，賦存條件復雜，開采礦井數量多，開采難度大，近年來發生了多起重特大事故。急傾斜煤層采煤研究遠沒有達到緩傾斜煤層開采的水平。

我國在急傾斜厚煤層開采領域，主要推廣綜采放頂煤技術，取得了較好的效果，但是，在采高4.5～5.0m、傾角45～55°的礦井，不適合綜放開采，且大傾角大采高機械化綜采仍存在諸多難題，巖層控制為技術難點之一。

上海廟礦區主采煤層厚度達到5m以上，最大傾角達到52°，為主采煤層，儲量豐富，目前在采礦井產能超過2000萬t。本文以上海廟礦區福城煤礦1901S工作面為研究對象，研究急傾斜大采高綜采頂板控制技術，為今后為上海廟礦區實現相似條件工作面的開采提供借鑒。

試驗工作面生產地質條件

所采煤層為九層煤，厚約5.01m；煤層傾角平均33.7°，最大52°；密度1.4t/m3。煤層頂板依次為石灰巖（厚2.0m）、泥巖（厚7.4m）等。煤9底板按次序為粉砂巖（厚3.9m）、泥巖（厚3.3m）等。

1901S工作面位于+850水平一采區，平均埋深278.5m。

試驗工作面區段布置方案

（1）工作面推進長度

急傾斜煤層不適合設計長距離工作面，根據該礦階段劃分條件，確定走向長度不大于2000m。

（2）工作面傾斜長度：根據工作面構造及采區設計方案，確定傾斜長度為162.5m，部分地段因構造切割使工作面長度發生變化。

（3）巷道支護設計

回風巷支護設計：巷道斷面形狀為矩形，凈斷面9.68m2。

運輸巷支護設計：沿煤層頂板布置，采用錨帶網支護。矩形斷面，凈斷面11.0m2。

切眼支護設計：沿煤層頂板布置巷道，錨帶網支護。

覆巖運動特征與控制方法

開采難題：易飛矸傷人，易片幫甚至冒頂，易底鼓或滑脫。

因此，為解決上述問題，首先研究圍巖控制。

覆巖運動特征

（1）直接頂運動規律

由于大傾角煤層工作面直接頂冒落高度上下部不一致，只能計算平均的高度。

1）直接頂的厚度

MZ=（H－SA）/（KA－1）=0.75×（3.7～4.7）/（1.35－1）=7.9－10m；式中，MZ－直接頂厚度，3.7－4.7m；H－采高，m；SA－老頂在采空區沉降量，大約為0.25 H；KA－冒落矸石碎漲系數。

（2）直接頂的初次垮落步距

直接頂L為：

μ為質量指數（取0.6）、M為厚度，α為煤層傾角，得L為13m左右。

2）老頂運動規律

初次來壓步距L為：

μ=0.7，得L=36m

將第二老頂數據代入，μ=0.7，M=15.5m，α=42°。得到：L2=55m。

圖1　底板巖層計算模型

圖2　工作面頂板壓力的力學模型

圖3　液壓支架

底板滑移模型與控制分析

如采空區底板視為兩端梁，則巖層所受的切向力可以視為對梁的軸向作用力，而法向力可以視為對梁的橫向作用力。

建立巖層結構模型。α－巖層傾角，l－斜長、h－層厚，γ－密度，E－彈模，φ－內摩擦角，C－內聚力。q1－y方向的分量之和合力。P－軸壓，q2 －x方向力。如圖1所示。

邊界條件：x=0，y=0，y’=0；x=L，y=0，y’=0。A處固定，B處滑塊。

根據平衡條件（靜力），微分方程為：

由此確定底座支架受力小于額定底板比壓，是防止底板失穩的必要條件。

綜采支架特性

根據文章，研究需要的支架特性。分析覆巖特征，1901S工作面覆巖結構特征見圖2。

設支架工作阻力為P，則：

式中：La－每架支架所控制的工作面長度，1.75m；

γ－體積力，取23.0KN/m3；

h－垮落帶直接頂厚度，9.39m；

LZ’－直接頂巖梁長度為支架控頂距Lh，4.34m；

n－取1，分層數（指老頂上部）；

γl1－體積力（冒落的下位老頂），取值同γ；

hl1－13.7m，指冒落的下位老頂厚度；

Llk1－ 18.0m，指冒落的下位老頂長度；

α為煤層傾角；

K－安全系數，取1.1；

η’－掩護梁矸石等影響穩定的系數，取0.9。

表1　工作面與支架對應分析

截深為0.8m。圖3為選取的液壓支架及工作狀態。實測壓力顯現小于額定工作阻力。

支架防滑防倒結構設計

（1）下端頭支架防倒設計

重點：下端頭支架防倒。上端頭不易倒架等。

設計方法：在頂梁安裝防倒油缸，支架的后連桿通過補加油缸鏈子，快捷控制支架，有效避免倒架或支架偏移。

（2）兩端頭之外的支架防倒

設計方法：在頂梁補加側向千斤頂，最下部數組支架尾部補加千斤頂防滑，頂梁補加千斤頂防倒。

通過在移架時控制千斤頂防倒、防滑，側向千斤頂打開，滿足防倒要求。

小結

（1）針對內蒙上海廟礦區急傾斜厚煤層地層條件，確定區段布置參數，研究覆巖移動規律，確定控制設計方案，形成系統設計方法；

（2）建立底板滑移模型和底板巖層運動的數學分析表達方法，確定采用大底座支架，實測沒有超過額定底板比壓，能夠有效防止底板失穩；

（3）實踐驗證了設計滿足開采要求。為上海廟礦區實現相似條件工作面的開采提供借鑒。

本項目的具體實施還考慮設備配套、具體地質構造特征等，制定針對的設計方案。