三軟煤層大采高一次采全高頂板控制技術(shù)研究及應(yīng)用

王吉淵

（霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400）

霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)山浪礦位于寧武煤田東南邊緣處，主采煤層為5#上煤層，煤層厚度為3.2～5.6 m，平均為4.7 m，煤層儲(chǔ)存穩(wěn)定，坡度平均為10°左右，煤質(zhì)較軟、頂板軟、底板軟，屬典型的三軟煤層。

1 回采工藝的確定與三機(jī)配套選型

根據(jù)采煤工藝選擇基本原則，主要從煤層厚度與煤層賦存穩(wěn)定狀態(tài)、瓦斯和煤的自燃、煤層物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、頂?shù)装宓膸r性、工藝與設(shè)備可靠性等5個(gè)方面分析大采高綜采工藝對(duì)于5#煤層的適用性。

1.1 煤層的厚度與賦存穩(wěn)定狀態(tài)

煤層的厚度與賦存穩(wěn)定狀態(tài)是選擇綜采工藝最基本的條件，布置一次采全高工作面的采區(qū)范圍內(nèi)，揭露的煤層最大厚度為5.68 m，煤層平均厚度約4.7 m左右，平均傾角為7°。采用大采高一次采全高開采工藝有利于煤炭的利用和煤質(zhì)的提高，從安全方面上更有利于頂板的管理。

1.2 瓦斯和煤的自燃

5#上煤層的自燃傾向等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬易自燃煤層。采用大采高綜采一次采全高開采工藝，工作面采煤工序簡(jiǎn)單，推進(jìn)速度快，采空區(qū)丟煤少，有利于防治采空區(qū)煤炭自燃發(fā)火問(wèn)題。采用大采高液壓支架，支架通風(fēng)斷面大，有利于工作面瓦斯?jié)舛鹊目刂啤?/p>

1.3 煤層物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與頂板的巖性

對(duì)大采高綜采工藝來(lái)說(shuō)，其對(duì)煤的硬度、煤層結(jié)構(gòu)影響不大，而對(duì)煤層的節(jié)理影響較大。節(jié)理裂隙越發(fā)育，工作面發(fā)生片幫事故的概率隨之增加。隨著采高的增大，工作面頂板壓力增大。5#上煤層頂板從采區(qū)東側(cè)向西側(cè)、北西側(cè)巖性由泥巖向灰?guī)r變化。采區(qū)東側(cè)頂板主要為軟弱破碎的炭質(zhì)泥巖，由于采高增大，工作面頂板壓力較大，軟弱破碎頂板難于控制，對(duì)頂板管理不利。因此，5#上煤層采用大采高綜采一次全高開采工藝的技術(shù)關(guān)鍵是頂板管理問(wèn)題和控制煤壁片幫問(wèn)題。

2 解決問(wèn)題的有效措施

提高液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力（支架的工作阻力為11 000 kN），采用高工作阻力液壓支架，可有效地防止頂板的離層，加強(qiáng)支架對(duì)頂板的整體控制性，使支架阻抗力不僅承擔(dān)老頂部分來(lái)壓，而且有效控制頂板下沉，控制頂板裂隙和錯(cuò)動(dòng)，緩解煤壁壓力，維持煤壁的受力平衡。由于支架工作阻力較大，容易出現(xiàn)支架鉆底現(xiàn)象，所以在支架架型的設(shè)計(jì)上要加大支架底座面積。因此必須進(jìn)行5號(hào)煤底板比壓測(cè)試。

底板允許比壓：5#上煤層大采高液壓支架支護(hù)強(qiáng)度及重量均較大，這就要求支架底座比壓必須與工作面底板情況相適應(yīng)。為保證支架底座比壓與工作面底板相適應(yīng)，對(duì)5#上煤層底板比壓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并提出了測(cè)試報(bào)告，報(bào)告認(rèn)為5#上煤層預(yù)留底煤時(shí)底板屬于Ⅲa較軟底板，以直接底為底板屬于Ⅲb較軟底板。比壓測(cè)試結(jié)論：

5#上煤層底煤為底時(shí)：

底板平均壓入強(qiáng)度為：qm=9.45 MPa；

平均底板剛度為：Km=0.25 MPa·mm-1；

底板容許比壓為：qc=7.09 MPa；

底板容許剛度為：Kc=0.19 MPa·mm-1。

5#上煤層底板為底時(shí)：

底板平均壓入強(qiáng)度為：qm=16.72 MPa；

平均底板剛度為：Km=0.51 MPa·mm-1；

底板容許比壓為：qc=12.54 MPa；

底板容許剛度為：Kc=0.38 MPa·mm-1。

支架設(shè)計(jì)方案充分考慮了工作面底板較軟的情況，增加底座接觸底板的面積，以降低底座對(duì)底板的平均比壓（目前為2.93～3.24 MPa），基本能夠適應(yīng)5#上煤層的底板條件；同時(shí)，為了增強(qiáng)支架對(duì)5#煤層底板的適應(yīng)性，支架配置了抬底座機(jī)構(gòu)，提高支架的拉架能力。

工藝與設(shè)備可靠性：目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于大采高綜采開采工藝已作了深入研究，基本掌握了大采高綜采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)自行研制生產(chǎn)的大采高綜采設(shè)備可靠性也有了很大提高。目前，煤層厚度6 m以下的一次全高開采工藝和綜采裝備都比較成熟，這種采煤方法已經(jīng)成為我國(guó)厚煤層綜采的主要發(fā)展方向，是厚煤層礦區(qū)實(shí)現(xiàn)高效集約化生產(chǎn)的重要途徑。

3 開采過(guò)程監(jiān)測(cè)和管理

為加強(qiáng)頂板管理采取的措施：

（1）提高支架支護(hù)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)支架最大工作阻力為11 000 kN，開采的5#上-103工作面初步來(lái)壓步距為9 m，來(lái)壓時(shí)頂板壓力為35～38 MPa，周期來(lái)壓時(shí)頂板壓力為33～38 MPa，而支架最大工作阻力為42.5 MPa，可以承受住頂板來(lái)壓沖擊，控制住了頂板。

（2）支架設(shè)計(jì)增加了伸縮梁，充分利用伸縮量的作用，控制頂板下落，由于頂板較軟，在支架初始支撐壓力作用下，頂板易碎，在前梁漏頂，伸縮梁在割煤過(guò)后及時(shí)伸出，滯后機(jī)組后滾筒不得超過(guò)3個(gè)支架，停機(jī)后機(jī)組上方全部超前拉架，支架的端面距控制在0～100 mm之間，基本控制了頂板的垮落。

（3）規(guī)范職工的操作，通過(guò)采用擦頂移架措施，避免了與支架接觸的頂板層進(jìn)一步破碎，保持了支架與頂板的良好接觸，維持了頂板的完整性。移架和收伸縮量同步操作，始終控制端面距為0～100 mm之間。當(dāng)工作面出現(xiàn)片幫現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行超前拉架控制頂板。

（4）頂板監(jiān)測(cè)管理，一是成立頂板監(jiān)測(cè)組，安裝了一套頂板在線監(jiān)測(cè)，時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板變化情況，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采取措施；二是在每根立柱上安裝一塊數(shù)字顯示感應(yīng)壓力表，驗(yàn)收員動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，拉架工按表拉架升架，操作動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)進(jìn)行量化，確保人員操作達(dá)標(biāo)，控制頂板。要保證工作面支架初撐力達(dá)標(biāo)率在90%以上。

（5）加強(qiáng)兩巷超前、端頭、封口柱的管理力度，支護(hù)必須到位，每天由監(jiān)測(cè)人員對(duì)兩巷超前、封口柱進(jìn)行初撐力的抽查，對(duì)初撐力達(dá)不到11.5 MPa的，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)液，保證初撐力合格率達(dá)到90%以上。

（6）加強(qiáng)液壓系統(tǒng)的管理，尤其是乳化液濃度的管理，本礦乳化液用水為地面高山水池直接供水，首先水質(zhì)得到了保證，其次強(qiáng)化泵站司機(jī)操作規(guī)范，每班定點(diǎn)定時(shí)測(cè)乳化液濃度，同時(shí)礦上制定了專門的乳化液管理制度，對(duì)乳化液濃度不達(dá)標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)重考核，乳化液就像支架的血液一樣重要，乳化液濃度達(dá)到了要求，支架初撐力就得到了保障。

4 綜合分析評(píng)價(jià)

（1）山浪煤礦5#上-103工作面于2011年4月1日試生產(chǎn)，大采高一次采全高，一次試采成功。通過(guò)采取兩巷超前、端頭、封口加強(qiáng)支護(hù)等措施，頂板得到有效控制，從安裝至結(jié)束，全過(guò)程進(jìn)行安全監(jiān)管，杜絕了頂板事故，支架、回采溜子、機(jī)組三機(jī)配套選型合理，沒(méi)有出現(xiàn)因三機(jī)配套不合理出現(xiàn)的事故。

（2）支架采用大流量帶壓移架快速液壓系統(tǒng)，保持支架與頂板的良好接觸，控制頂板的下沉。采用整體頂梁，端部承載能力大，可有效控制工作面前部頂板，防止片幫。采用伸縮梁結(jié)構(gòu)，有效控制采煤機(jī)割煤后新暴露頂板的冒落。采用二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)，增大護(hù)幫深度，有效控制煤壁片幫。優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，增大支架底座的接地面積，減小支架的底座比壓。支架配置抬底機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)支架對(duì)軟底板的適應(yīng)性。頂梁與掩護(hù)梁帶雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板（單側(cè)使用），可有效控制架間的漏矸問(wèn)題。支架采用1 750 mm的中心距，孔軸間隙小于1 mm，有效提高支架的穩(wěn)定性。支架設(shè)計(jì)有自動(dòng)控制的噴霧滅塵系統(tǒng)，在采煤機(jī)割煤時(shí)，噴霧滅塵裝置開啟，實(shí)現(xiàn)噴霧滅塵。支架結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度板材，確保支架的可靠性，并降低支架重量。

5 結(jié)論

根據(jù)山浪煤礦5#上煤層賦存條件、礦井開采技術(shù)條件、井下實(shí)際開采情況，以及對(duì)國(guó)內(nèi)外綜合機(jī)械化開采發(fā)展水平等情況綜合分析，認(rèn)為大采高一次采全高工藝適合三軟煤層的開采，通過(guò)合理的三機(jī)配套的選型、加強(qiáng)支護(hù)、頂板在線監(jiān)測(cè)、測(cè)工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等一系列措施，有效地控制住了頂板，杜絕了頂板事故的發(fā)生。