大傾角極堅硬頂板易發火煤層綜放開采關鍵技術研究*

孫曉冬馮國春馬兆瑞

（1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；2.中國科學院大學，北京市石景山區，100049；3.黑龍江鶴崗礦業有限責任公司富力煤礦，黑龍江省鶴崗市，154100）

大傾角極堅硬頂板易發火煤層綜放開采關鍵技術研究*

孫曉冬1，2馮國春3馬兆瑞1

（1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；2.中國科學院大學，北京市石景山區，100049；3.黑龍江鶴崗礦業有限責任公司富力煤礦，黑龍江省鶴崗市，154100）

針對富力煤礦大傾角極堅硬頂板易發火煤層綜放開采關鍵技術進行了研究。工作面設計采用正傾斜布置方式，巷道沿煤層底板布置，采用深孔爆破預裂和水力壓裂綜合技術治理堅硬頂板；設計使用的ZF5600/16/28型支撐掩護式液壓支架具有強力側推機構和可單獨動作的雙千斤頂調底機構；采用的工作面防倒防滑技術合理有效。實踐表明，工作面每日可推進4個循環，進尺3.2 m/日，測試回收率達到86.76%，取得了較好的經濟與社會效益。

大傾角煤層 易發火煤層 極堅硬頂板 綜放開采 防滑 深孔爆破預裂 水力壓裂

自20世紀80年代中期以來，我國煤炭行業經歷了國外傾斜或急傾斜綜采設備引進、自主成套設備研發、自主設備改良推廣和大傾角煤層大面積機械化開采。現階段已基本解決了傾角55°以內的長壁工作面的綜采技術問題，多個礦區在大傾角厚煤層工作面采用傾斜布置走向長壁綜放開采獲得了成功，取得了良好的經濟與社會效益。但部分礦區大傾角復雜條件下煤層開采仍然是難點問題，成功解決此類大傾角煤層開采成為行業發展的又一方向。

1　概況

富力煤礦是龍煤集團鶴崗分公司的主力礦井之一，核定生產能力為2 Mt/a。由于開采年限較長，剩余資源儲量多位于二水平-380 m以下11#煤層。11#煤層賦存條件復雜，煤層厚度4.94～10.8 m，平均厚度8.49 m，煤層傾角38°～45°，最大埋深約712.8 m，地表處于緩慢下沉帶內。該礦為瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量為22.59 m3/min，相對涌出量4.88 m3/t，所開采煤層均屬易發火煤層，煤塵具有爆炸性。11#煤層單軸抗壓強度測定結果見表1，平均單軸抗壓強度10.44 MPa，煤層強度較小，不利于工作面片幫冒頂控制。

表1　煤樣單軸抗壓強度測定結果

11#煤層直接頂為1.0 m的細粒砂巖，上部賦存有12.1 m的粗粒砂巖，平均普氏硬度系數為12.6，為極堅硬頂板，且煤層自然發火期短，11#煤層為大傾角極堅硬頂板易發火煤層。該類煤層工作面長度不宜布置過長，否則影響推進速度，不利于采空區防滅火，加之傾角大，無法提供足夠的迫使頂板及時破斷的壓力，采煤后易形成頂板懸空狀態，不能自然冒落，嚴重制約著采用走向長壁綜采放頂煤采煤工藝的實施。由于煤層松軟，工作面偽斜布置造成頂煤易于落入采空區，降低了頂煤回收率，也增加了采空區遺留浮煤發火幾率。

因此針對該類型煤層特點，研究適宜的安全高效高回收率開采方法，開發適應性較強的配套設備，不僅關系到富力礦的可持續發展，并且對鶴崗和東北礦區及國內類似煤層開采具有重要的參考意義。

2　工作面布置方式

工作面沿傾斜方向布置方式常用的有沿煤層底板布置、圓弧過渡布置和斜切布置3種，工作面傾斜布置3種方式示意圖如圖1所示。沿煤層底板布置方式（圖中a部分）的優點是有利于提高煤炭回收率，對煤層厚度變化適應性強，減少了采空區遺留浮煤，有利于采空區發火問題治理，但上下端頭頂板管理難度大。圓弧過渡布置方式（圖中b部分）的優點是有利于控制設備的整體下滑，簡化了下端頭支護，解決了刮板輸送機與轉載機搭接問題，缺點是上端頭支護難度大，回采過程中對圓弧段割煤工藝技術要求高，對煤層厚度變化適應性差，浪費了下端三角煤。斜切布置方式（圖中c部分）與沿煤層底板布置方式相比，有利于工作面設備的防倒防滑，但上下端頭頂板支護難度大，下端頭底煤損失大，不利于采空區浮煤發火治理。

圖1　工作面傾斜布置方式示意圖

經調研，大傾角工作面沿走向方向多采用偽仰斜布置，沿垂直于偽仰斜方向推進。這種布置方式可相對減小工作面傾角，推進過程中，前后輸送機和支架有上移方向位移分量，可抵消或減少前后輸送機與支架的下滑量。但偽仰斜布置增加了工作面管理難度，降低了移架和推進速度，增加了頂煤落入采空區的幾率。

通過比較分析認為在工作面設備滿足防倒防滑要求的情況下，應優先選擇正傾斜布置方式，不僅可適當增加移架速度，而且可提高頂煤回收率，避免上部頂煤遺落至采空區。

3　開采方案

11#煤層綜放工作面傾斜方向采用沿煤層底板布置方式，走向方向采用正傾斜布置方式，工作面傾斜長度100 m，割煤高度2.6 m，放煤高度5.89 m，采煤機截深確定為0.8 m，設計進尺3.2 m/日。工作面配套設備如表2所示。

表2　工作面配套設備

4　極堅硬頂板綜合治理技術

11#煤層上覆12.1 m的粗粒砂巖，厚度大且極其堅硬，易造成大面積懸頂，不利于頂煤回收，初次來壓和周期來壓期間一旦發生垮落往往來壓強烈，有明顯的動壓沖擊載荷現象。能否對極堅硬頂板有效處理是關系到11#煤層安全高效開采的關鍵技術問題之一。

國內堅硬頂板弱化多采用爆破技術，處理頂板對生產造成干擾大，存在一定的安全風險。同時考慮到11#煤層頂板巖石具有弱沖擊傾向性，因此工作面初采期間采用深孔預爆破方式弱化頂板，正?；夭善陂g采用高壓注水弱化方式弱化頂板。

4.1頂板深孔爆破弱化處理

初采期間對工作面上部約30 m的范圍頂板進行處理，處理頂板的垂直高度約為31.3 m，為此設計了一組深孔，共3個孔，鉆孔布置在距切眼約10 m處的卸壓巷道中。1#孔孔深40 m，水平夾角5°；2#孔孔深42 m，水平夾角23°；3#孔孔深38 m，水平夾角40°，可滿足處理高度要求。根據煤礦現有鉆機的型號、鉆頭及鉆桿尺寸，并考慮到炸藥直徑63 mm，以及達到爆破能量要求，確定炮孔直徑為75 mm，炮孔封孔長度14～19 m，炮孔布置方案見圖2，工作面回采前完成爆破弱化工作。

圖2　炮孔布置方案

4.2回采期間頂板高壓注水處理

試驗證明頂板高壓注水可有效地破壞巖體的完整性，達到保護采掘工作面的目的，這種技術比爆破弱化處理頂板技術易操作、安全系數高、成本低。

沿卸壓巷道每隔25 m施工一個高壓注水鉆孔，鉆孔方位與頂板卸壓巷垂直，鉆孔仰角5°，孔長50 m，鉆孔直徑75 mm。鉆孔打好后立刻進行封孔，封孔使用水泥封孔器，封孔長度10 m。工作面共施工20個高壓注水孔。

注水使用高流量3D2A-SZ泵注水，泵站壓力25 MPa。注水順序為自工作面向外部鉆孔依次注水。每孔每天注水時間為3 h以上，為避開受采動影響壓力增大區域，注水作業距工作面距離不小于30 m。

5　支架特殊結構設計

工作面采用鄭州煤機廠生產的ZF5600/16/28型四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架，支架中心距1.5 m，初撐力5234 k N，平均支護強度0.8 MPa。為適應超過40°的工作面傾角條件，支架設計了強力大行程側推機構，此結構屬于主動防倒機構，支架每側的側護板共設置8根側推千斤頂，總推力遠大于支架重量。側推機構每側行程150 mm，支架寬度調節范圍達到300 mm，使支架具有良好的防倒能力。支架底座一側設置防滑梁裝置，兩側均帶有2個可以單獨動作的底調千斤頂。當支架發生下滑時，可通過底調梁和相鄰支架的底調千斤頂調整支架狀態。

6　工作面防倒防滑技術

通過研究工作面支架受力特點，采用多種工作面防倒防滑技術，有效地控制了工作面設備的下滑。

（1）工作面設備。工作面采用了斜拉式防倒裝置，三組支架設置一組斜拉裝置，同時設置了頂梁平拉防倒裝置。正傾斜大傾角綜放工作面液壓支架要承受較大的側向力，設計的支架加大了側護板的強度和寬度，可有效封閉頂板并防止相鄰支架倒架。前、后刮板輸送機溜槽底部均焊接橫向防滑鋼筋用于防滑。

（2）移架工藝。在移架過程中，支架稍降，并帶有一定的支護阻力，擦頂前移，在限制頂煤向下位移的同時，能夠使支架承受一定的支護阻力，從而利于支架自身穩定，也能有效阻止支架傾倒、下滑。

（3）頂煤穩定性控制。由于支架上部頂煤破碎，極易造成冒頂垮落，不利于支架接頂，工作面支架上方設計鋪雙層金屬頂網。為提高頂煤回收率和維護支架穩定性，工作面放煤方式采用間隔多循環多輪次放頂煤方式，每個放煤口的放煤時間3～5 min，當放煤到工作面上端頭后，再由上端頭起進行下一輪次放煤，使煤及頂板均勻下降。

7　結語

（1）采用堅硬頂板深孔爆破預裂和水力壓裂綜合治理技術，可有效處理平均抗壓強度126 MPa、結構完整的砂巖頂板，降低了工作面礦壓顯現強度，為工作面安全生產提供了保障。

（2）開發了具有強力大行程側推機構、可單獨動作的雙千斤頂調底機構的ZF5600/16/28型支撐掩護式液壓支架，設計了前輸送機防滑底推千斤頂，設計了合理的工作面防倒防滑技術，適用于大傾角極堅硬頂板松軟煤層地質條件，滿足工作面正傾斜布置要求。

（3）11#煤層首采綜放工作面采用新型綜放設備及工藝技術后每日可推進4個循環，進尺3.2 m/日，測試回收率達到86.76%，取得了較好的經濟與社會效益，由于推進速度較快，還有利于防火工作，間接地降低了防火工作成本。

［1］ 劉躍飛.大傾角特厚煤層綜合放采場支架-圍巖相互作用關系研究［D］.太原：太原理工大學，2012

［2］ 李柱.大傾角煤層走向長壁大采高開采圍巖運移規律研究［D］.西安：西安科技大學，2013

［3］ 李來源.復雜條件大傾角綜放工作面冒頂倒架機理及控制技術研究［D］.山東科技大學，2011

［4］ 章之燕.大傾角綜放液壓支架穩定性動態分析和防倒防滑措施［J］.煤炭學報，2007（7）

［5］ 劉昌平.大傾角厚煤層長壁綜放工作面端頭支護技術實踐［J］.煤炭科學技術，2006（10）

［6］ 張帥.大傾角走向長壁綜采配套設備的防倒防滑措施［J］.河北煤炭，2007（3）

［7］ 韓書才，王永槐，楊吉文.急傾斜厚煤層走向長壁綜放工作面支護系統穩定性及其控制 ［J］.煤礦安全，2008（10）

［8］ 周勤.急傾斜厚煤層走向長壁綜放開采支護系統穩定性分析及控制［J］.機械管理開發，2009（4）

［9］ 翟紅勝.大傾角6～7 m厚煤層綜放開采支架與圍巖關系研究［D］.西安科技大學，2012

［10］ 高維智.大傾角巨厚含礫粗砂巖堅硬頂板弱化處理技術與應用［J］.中國煤炭，2012（3）

（責任編輯 張毅玲）

第四批礦產資源節約與綜合利用先進適用技術公布

日前，國土資源部公布了第四批礦產資源節約與綜合利用先進適用技術。

該批次發布的先進適用技術共51項，其中包括：“煤礦通風瓦斯（乏風）發電利用技術”等11項煤炭資源技術，“復雜碳酸鹽縫洞體雕刻及勘探開發技術”等8項油氣資源技術，“電解錳節能減排關鍵技術”等14項黑色金屬礦技術，“極高濃度氰化尾液3R-O新技術及配套裝備研究與應用”等9項有色及稀貴金屬礦技術，“低品質磷礦富化制磷技術”等8項化工及非金屬礦技術，以及 “CO2和O2原地浸出采鈾工藝”1項放射性礦技術。

據介紹，先進適用技術是提高礦山開發利用水平最有效的途徑，推廣先進適用技術對提高我國資源利用效率和保障能力、促進生態文明建設、健全礦產資源節約集約利用機制、促進礦業領域科技創新、提高礦產資源節約集約利用水平起到積極促進作用。

從2012年開始，國土資源部先后分3批一共推薦先進適用技術159項，其中采礦技術59項、選礦技術40項、共伴生礦產及尾礦等綜合利用技術60項；涵蓋了油氣、煤炭、金屬、非金屬礦產，其中油氣礦產技術22項，煤炭礦產技術34項、金屬礦產技術70項、非金屬礦產技術33項，有力促進了礦產資源節約與綜合利用技術水平的提高。

Research on the key technology of fully mechanized caving mining in flammable coal seam with large inclined angle and extra hard roof

Sun Xiaodong1，2，，Feng Guochun3，Ma Zhaorui1
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Shijingshan，Beijing 100049，China；3.Fuli Coal Mine of Heilongjiang Hegang Mining Co.，Ltd.，Hegang，Heilongjiang 154100，China）

The key technology of fully mechanized caving mining in flammable coal seam with large inclined angle and extra hard roof was researched.The working face adopted positive inclination arrangement，the roadway arranged along the coal seam floor，and deep-hole blasting presplitting method and hydrofracture technique were adopted to control the roof.ZF5600/16/28 chock-shield hydraulic supports were adopted，which had powerful side thruster and base adjustment device with two jacks，the jacks could run independently.The the technology of anti-skid and anti-collapse applied in working face was reasonable and effective.Practice showed that the working face advanced 4 production cycles and 3.2 m per day，and the test recovery reached 86.76%，this research achieved preferable economic and social benefits.

coal seam with large inclined angle，flammable coal seam，extra hard roof，fully mechanized caving mining，anti-skid，deep-hole blasting presplitting，hydrofracture

TD823

A

孫曉冬（1984-），男，河南濮陽人，助理研究員，博士研究生，主要從事煤礦安全高效開采、地質工程災害防治技術研究。

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目——中小煤礦機械化開采關鍵技術及示范（2012BAK04B08）