大倾角特厚煤层综放开采矿压显现规律研究

朱希宝

摘要：新技术的引进为煤矿行业的发展创造了更多便利条件。煤矿巷道大多采用机械化掘进，与传统钻爆工艺相比优势明显。掘进机械有其特定的适用条件和使用范围，常用的悬臂式掘进机爬坡能力一般小于１８°，而煤层赋存条件各异，巷道布置形式多样，一些巷道倾角超过其适用范围，特别是大倾角煤层开采时，采区上山和工作面切眼等巷道倾角大，只能采用钢丝绳牵引耙装机装载排渣，但高瓦斯、煤与瓦斯突出和有煤尘爆炸危险矿井的煤巷、半煤岩巷掘进工作面和石门揭煤工作面，煤矿安全规程规定严禁使用钢丝绳牵引的耙装机，限制了耙装机的使用。因此，亟需进行大倾角综放开采工艺的优化研究。基于此，本篇文章对大倾角特厚煤层综放开采矿压显现规律进行研究，以供参考。

关键词：大倾角特厚煤层；综放开采；矿压显现规律

引言

通过综放开采工艺可以大大提高矿井生产能力，实现安全高效生产，顶煤的冒放性是影响综放工作面生产效率的重要因素。若综放工作面顶煤冒放性差，会造成采煤机截割之后，顶煤难以垮落，影响煤炭资源的回收率，必须采取强制放顶煤的技术措施。而各煤矿综放开采实际工程地质条件千差万别，因此必须根据其工程地质条件的情况，对影响顶煤冒放性因素进行综合分析，进而对顶煤的冒放性进行综合评价。

1大倾角厚煤层开采的现状与技术难点

在大倾角厚煤层开采中，工作面长度比较短，单产量较低，矿产资源采出率偏低，存在很多安全隐患。大倾角厚煤层介于倾斜煤层和急倾斜煤层之间，在大倾角厚煤层开采中，可利用长壁综采放顶煤开采技术，但是在资源开采过程中，支架系统稳定性控制难度较大，采场设备可能发生下滑或者倾倒等问题。通过对各矿区大倾角厚煤层开采经验进行分析，在大倾角厚煤层开采过程中，主要存在以下几个特点：第一，大倾角厚煤层采场覆岩活动剧烈，顶板管理难度较大。第二，煤层倾角可对支架结构稳定性产生较大影响，在开采工作面，各类设备容易发生倾倒或者下滑事故。第三，综采设备技术水平有待提升，很难满足大倾角厚煤层开采实际需要。第四，在大倾角厚煤层工作面开采中，回采工艺技术和管理难度均比较大。

2影响大倾角机械化采煤生产工艺的因素

2.1煤层厚度

煤层厚度影响大倾角综合机械化采煤生产的效率，会给机构设置带来技术性难题。由于采煤的机械设备需要有更加坚固的支撑地面，这会导致机械设备在倾角煤开采过程中所触及的范围变小，煤层越厚会导致大型机械设备的调高范围缩小，支架运行角度范围缩小，这会令大型机械设备的操作范围受限，运动不够灵活。煤层是地壳变迁而形成煤的特殊形态，很多煤层的薄厚程度不同，影响煤层的定性分析，施工人员不能通过区域性煤层厚度布置单一的开采设备，只能在大型机械周围实时检查工作煤层厚度，适时进行支架的装配和更换，这增加了工作人员的任务量。

2.2顶板底板

大倾角煤层开采过程中，顶板和底板设施往往是临时的，稳定性和坚固性达不到许用值域，由于顶板的厚度设施不当被大型设备戳穿，而底板是承载大型设备移动和原地转动的最重要的支撑构件，由于铺设紧凑性不达标，大型设备移动过程中会造成底板之间的相互挤压和摩擦，导致底板的二次破裂，而二次破裂后的底板已经没有维修的价值，只能在破坏的底板上方布置新一层底板，这将降低大倾角煤层的开采效率，不利于大型机械开采设备工作效率的提高。

2.3煤层破坏

大倾角煤层开采会对煤层造成破坏，由于煤存在的空气含水量较大，一旦被大型机械设备破坏，块状的煤直接就会变成粉末状，粉末会因自身重力的原因下降，部分粉末会黏滞在机械设备表面，在进行下一次开采时，粉末将会对开采过程造成摩擦，影响新煤层的开采。如果煤层破坏程度严重，会导致煤层断裂甚至坍塌，带来更多的粉尘，同时增加生产环境中瓦斯的含量，带来更多的操作风险。在煤层开采前，应进行超声波探测，探明煤层硬度和煤层内部的含氧量，只有做到科学规划，才能将煤层破坏带来的风险降到最低。

3大倾角特厚煤层综放开采矿压显现规律研究

3.1矿井及工作面基本情况

某煤矿面积60.731km2，保有储量约12亿t，产能10Mt/a。9-301工作面位于三采区，工作面走向长1327m，倾斜长247m，北侧与采区暗斜井相邻，其南侧与井田边界相邻，西侧与已回采的9-101工作面相邻，东侧煤炭资源未开采，部分地段上覆5#煤层5-108、5-101采空区。盖山厚度为320～500m，平均埋深460m。9#煤层厚度10.8～12.4m，平均11.8m；倾角4°～34°，平均20°。机采高度、放煤高度分别为3.2m、8.6m，采用一采一放的方式，割煤步距0.8m。9-301工作面煤层顶板情况如表1所示。

表1 9-301工作面煤层顶板情况

3.2模型建立

基于9-301工作面空间与地质情况，通过FLAC3D模拟软件构建相应模型，来分析回采过程当中顶板应力规律。约束模型在X轴两侧、Y轴两侧和Z轴底部上的位移，将大小为7.2MPa的等效载荷作用于Z轴上部，并将其设置为自由面，将自重载荷设定为Z轴。模型长度500m，宽度400m，高度250m，包含648960个单元、683995个节点。数值模拟模型如图1所示。

图1 9-301工作面数值模型

3.3大倾角特厚煤层开采矿压监测分析

将9-301工作面支架的矿压监测数据作为研究对象，在工作面上、中、下部分别选取部分支架数据进行分析，以支架平均循环末阻力与其均方差之和作为周期来压判断依据，工作面顶板来压步距统计情况如表2所示。

表2 工作面顶板来压步距统计情况

根据以上3架支架的矿压数据并结合图2可知，9-301工作面平均初次来压步距26.2m，平均周期来压步距5.3m。工作面布置ZF12000/22/35型放顶煤液压支架，来压、非来压期间的支架工作阻力峰值分别为10334.58kN、9375.92kN，分别占其额定工作阻力的86.1%、78.1%，支架在顶板周期来压期间的平均动载系数为1.11。除此之外，在工作面不同位置，其所布置支架承载压力和来压步距具有差异性，工作面上部支架所承载压力要比中下部支架要大，并且工作面上部来压步距也比中下部要大。

图29-301工作面开采过程中顶煤水平位移分布

结束语

综上所述，1)根据大倾角特厚煤层综放开采控制理论等相关文献的研究成果，确定大倾角特厚煤层综采矿压显现规律强度、开采深度、煤层厚度、煤层倾角、煤层顶底板条件、煤层夹矸及其他定性影响因素的隶属函数，并以此建立灰色－模糊评价模型。2)根据庞庞塔矿9－301工作面实际工程地质条件，其矿压显现规律一般不采取措施即可顺利放出，但需要在现场生产中加强工作面支架等机电设备防倒滑管理。3）优化改进后的掘进工艺在施工安全、提高工效和单进、降低劳动强度、标准化创建等方面均取得了较理想的效果，是钢丝绳牵引耙装机理想的替代设备，也是煤矿大倾角巷道掘进的高效作业方式，应用前景广阔。

参考文献

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