孙晓冬冯国春马兆瑞

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2.中国科学院大学，北京市石景山区，100049；3.黑龙江鹤岗矿业有限责任公司富力煤矿，黑龙江省鹤岗市，154100）

大倾角极坚硬顶板易发火煤层综放开采关键技术研究*

孙晓冬1，2冯国春3马兆瑞1

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2.中国科学院大学，北京市石景山区，100049；3.黑龙江鹤岗矿业有限责任公司富力煤矿，黑龙江省鹤岗市，154100）

针对富力煤矿大倾角极坚硬顶板易发火煤层综放开采关键技术进行了研究。工作面设计采用正倾斜布置方式，巷道沿煤层底板布置，采用深孔爆破预裂和水力压裂综合技术治理坚硬顶板；设计使用的ZF5600/16/28型支撑掩护式液压支架具有强力侧推机构和可单独动作的双千斤顶调底机构；采用的工作面防倒防滑技术合理有效。实践表明，工作面每日可推进4个循环，进尺3.2 m/日，测试回收率达到86.76%，取得了较好的经济与社会效益。

大倾角煤层 易发火煤层 极坚硬顶板 综放开采 防滑 深孔爆破预裂 水力压裂

自20世纪80年代中期以来，我国煤炭行业经历了国外倾斜或急倾斜综采设备引进、自主成套设备研发、自主设备改良推广和大倾角煤层大面积机械化开采。现阶段已基本解决了倾角55°以内的长壁工作面的综采技术问题，多个矿区在大倾角厚煤层工作面采用倾斜布置走向长壁综放开采获得了成功，取得了良好的经济与社会效益。但部分矿区大倾角复杂条件下煤层开采仍然是难点问题，成功解决此类大倾角煤层开采成为行业发展的又一方向。

1　概况

富力煤矿是龙煤集团鹤岗分公司的主力矿井之一，核定生产能力为2 Mt/a。由于开采年限较长，剩余资源储量多位于二水平-380 m以下11#煤层。11#煤层赋存条件复杂，煤层厚度4.94～10.8 m，平均厚度8.49 m，煤层倾角38°～45°，最大埋深约712.8 m，地表处于缓慢下沉带内。该矿为瓦斯矿井，瓦斯绝对涌出量为22.59 m3/min，相对涌出量4.88 m3/t，所开采煤层均属易发火煤层，煤尘具有爆炸性。11#煤层单轴抗压强度测定结果见表1，平均单轴抗压强度10.44 MPa，煤层强度较小，不利于工作面片帮冒顶控制。

表1　煤样单轴抗压强度测定结果

11#煤层直接顶为1.0 m的细粒砂岩，上部赋存有12.1 m的粗粒砂岩，平均普氏硬度系数为12.6，为极坚硬顶板，且煤层自然发火期短，11#煤层为大倾角极坚硬顶板易发火煤层。该类煤层工作面长度不宜布置过长，否则影响推进速度，不利于采空区防灭火，加之倾角大，无法提供足够的迫使顶板及时破断的压力，采煤后易形成顶板悬空状态，不能自然冒落，严重制约着采用走向长壁综采放顶煤采煤工艺的实施。由于煤层松软，工作面伪斜布置造成顶煤易于落入采空区，降低了顶煤回收率，也增加了采空区遗留浮煤发火几率。

因此针对该类型煤层特点，研究适宜的安全高效高回收率开采方法，开发适应性较强的配套设备，不仅关系到富力矿的可持续发展，并且对鹤岗和东北矿区及国内类似煤层开采具有重要的参考意义。

2　工作面布置方式

工作面沿倾斜方向布置方式常用的有沿煤层底板布置、圆弧过渡布置和斜切布置3种，工作面倾斜布置3种方式示意图如图1所示。沿煤层底板布置方式（图中a部分）的优点是有利于提高煤炭回收率，对煤层厚度变化适应性强，减少了采空区遗留浮煤，有利于采空区发火问题治理，但上下端头顶板管理难度大。圆弧过渡布置方式（图中b部分）的优点是有利于控制设备的整体下滑，简化了下端头支护，解决了刮板输送机与转载机搭接问题，缺点是上端头支护难度大，回采过程中对圆弧段割煤工艺技术要求高，对煤层厚度变化适应性差，浪费了下端三角煤。斜切布置方式（图中c部分）与沿煤层底板布置方式相比，有利于工作面设备的防倒防滑，但上下端头顶板支护难度大，下端头底煤损失大，不利于采空区浮煤发火治理。

图1　工作面倾斜布置方式示意图

经调研，大倾角工作面沿走向方向多采用伪仰斜布置，沿垂直于伪仰斜方向推进。这种布置方式可相对减小工作面倾角，推进过程中，前后输送机和支架有上移方向位移分量，可抵消或减少前后输送机与支架的下滑量。但伪仰斜布置增加了工作面管理难度，降低了移架和推进速度，增加了顶煤落入采空区的几率。

通过比较分析认为在工作面设备满足防倒防滑要求的情况下，应优先选择正倾斜布置方式，不仅可适当增加移架速度，而且可提高顶煤回收率，避免上部顶煤遗落至采空区。

3　开采方案

11#煤层综放工作面倾斜方向采用沿煤层底板布置方式，走向方向采用正倾斜布置方式，工作面倾斜长度100 m，割煤高度2.6 m，放煤高度5.89 m，采煤机截深确定为0.8 m，设计进尺3.2 m/日。工作面配套设备如表2所示。

表2　工作面配套设备

4　极坚硬顶板综合治理技术

11#煤层上覆12.1 m的粗粒砂岩，厚度大且极其坚硬，易造成大面积悬顶，不利于顶煤回收，初次来压和周期来压期间一旦发生垮落往往来压强烈，有明显的动压冲击载荷现象。能否对极坚硬顶板有效处理是关系到11#煤层安全高效开采的关键技术问题之一。

国内坚硬顶板弱化多采用爆破技术，处理顶板对生产造成干扰大，存在一定的安全风险。同时考虑到11#煤层顶板岩石具有弱冲击倾向性，因此工作面初采期间采用深孔预爆破方式弱化顶板，正常回采期间采用高压注水弱化方式弱化顶板。

4.1顶板深孔爆破弱化处理

初采期间对工作面上部约30 m的范围顶板进行处理，处理顶板的垂直高度约为31.3 m，为此设计了一组深孔，共3个孔，钻孔布置在距切眼约10 m处的卸压巷道中。1#孔孔深40 m，水平夹角5°；2#孔孔深42 m，水平夹角23°；3#孔孔深38 m，水平夹角40°，可满足处理高度要求。根据煤矿现有钻机的型号、钻头及钻杆尺寸，并考虑到炸药直径63 mm，以及达到爆破能量要求，确定炮孔直径为75 mm，炮孔封孔长度14～19 m，炮孔布置方案见图2，工作面回采前完成爆破弱化工作。

图2　炮孔布置方案

4.2回采期间顶板高压注水处理

试验证明顶板高压注水可有效地破坏岩体的完整性，达到保护采掘工作面的目的，这种技术比爆破弱化处理顶板技术易操作、安全系数高、成本低。

沿卸压巷道每隔25 m施工一个高压注水钻孔，钻孔方位与顶板卸压巷垂直，钻孔仰角5°，孔长50 m，钻孔直径75 mm。钻孔打好后立刻进行封孔，封孔使用水泥封孔器，封孔长度10 m。工作面共施工20个高压注水孔。

注水使用高流量3D2A-SZ泵注水，泵站压力25 MPa。注水顺序为自工作面向外部钻孔依次注水。每孔每天注水时间为3 h以上，为避开受采动影响压力增大区域，注水作业距工作面距离不小于30 m。

5　支架特殊结构设计

工作面采用郑州煤机厂生产的ZF5600/16/28型四柱支撑掩护式放顶煤液压支架，支架中心距1.5 m，初撑力5234 k N，平均支护强度0.8 MPa。为适应超过40°的工作面倾角条件，支架设计了强力大行程侧推机构，此结构属于主动防倒机构，支架每侧的侧护板共设置8根侧推千斤顶，总推力远大于支架重量。侧推机构每侧行程150 mm，支架宽度调节范围达到300 mm，使支架具有良好的防倒能力。支架底座一侧设置防滑梁装置，两侧均带有2个可以单独动作的底调千斤顶。当支架发生下滑时，可通过底调梁和相邻支架的底调千斤顶调整支架状态。

6　工作面防倒防滑技术

通过研究工作面支架受力特点，采用多种工作面防倒防滑技术，有效地控制了工作面设备的下滑。

（1）工作面设备。工作面采用了斜拉式防倒装置，三组支架设置一组斜拉装置，同时设置了顶梁平拉防倒装置。正倾斜大倾角综放工作面液压支架要承受较大的侧向力，设计的支架加大了侧护板的强度和宽度，可有效封闭顶板并防止相邻支架倒架。前、后刮板输送机溜槽底部均焊接横向防滑钢筋用于防滑。

（2）移架工艺。在移架过程中，支架稍降，并带有一定的支护阻力，擦顶前移，在限制顶煤向下位移的同时，能够使支架承受一定的支护阻力，从而利于支架自身稳定，也能有效阻止支架倾倒、下滑。

（3）顶煤稳定性控制。由于支架上部顶煤破碎，极易造成冒顶垮落，不利于支架接顶，工作面支架上方设计铺双层金属顶网。为提高顶煤回收率和维护支架稳定性，工作面放煤方式采用间隔多循环多轮次放顶煤方式，每个放煤口的放煤时间3～5 min，当放煤到工作面上端头后，再由上端头起进行下一轮次放煤，使煤及顶板均匀下降。

7　结语

（1）采用坚硬顶板深孔爆破预裂和水力压裂综合治理技术，可有效处理平均抗压强度126 MPa、结构完整的砂岩顶板，降低了工作面矿压显现强度，为工作面安全生产提供了保障。

（2）开发了具有强力大行程侧推机构、可单独动作的双千斤顶调底机构的ZF5600/16/28型支撑掩护式液压支架，设计了前输送机防滑底推千斤顶，设计了合理的工作面防倒防滑技术，适用于大倾角极坚硬顶板松软煤层地质条件，满足工作面正倾斜布置要求。

（3）11#煤层首采综放工作面采用新型综放设备及工艺技术后每日可推进4个循环，进尺3.2 m/日，测试回收率达到86.76%，取得了较好的经济与社会效益，由于推进速度较快，还有利于防火工作，间接地降低了防火工作成本。

［1］ 刘跃飞.大倾角特厚煤层综合放采场支架-围岩相互作用关系研究［D］.太原：太原理工大学，2012

［2］ 李柱.大倾角煤层走向长壁大采高开采围岩运移规律研究［D］.西安：西安科技大学，2013

［3］ 李来源.复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架机理及控制技术研究［D］.山东科技大学，2011

［4］ 章之燕.大倾角综放液压支架稳定性动态分析和防倒防滑措施［J］.煤炭学报，2007（7）

［5］ 刘昌平.大倾角厚煤层长壁综放工作面端头支护技术实践［J］.煤炭科学技术，2006（10）

［6］ 张帅.大倾角走向长壁综采配套设备的防倒防滑措施［J］.河北煤炭，2007（3）

［7］ 韩书才，王永槐，杨吉文.急倾斜厚煤层走向长壁综放工作面支护系统稳定性及其控制 ［J］.煤矿安全，2008（10）

［8］ 周勤.急倾斜厚煤层走向长壁综放开采支护系统稳定性分析及控制［J］.机械管理开发，2009（4）

［9］ 翟红胜.大倾角6～7 m厚煤层综放开采支架与围岩关系研究［D］.西安科技大学，2012

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（责任编辑 张毅玲）

第四批矿产资源节约与综合利用先进适用技术公布

日前，国土资源部公布了第四批矿产资源节约与综合利用先进适用技术。

该批次发布的先进适用技术共51项，其中包括：“煤矿通风瓦斯（乏风）发电利用技术”等11项煤炭资源技术，“复杂碳酸盐缝洞体雕刻及勘探开发技术”等8项油气资源技术，“电解锰节能减排关键技术”等14项黑色金属矿技术，“极高浓度氰化尾液3R-O新技术及配套装备研究与应用”等9项有色及稀贵金属矿技术，“低品质磷矿富化制磷技术”等8项化工及非金属矿技术，以及 “CO2和O2原地浸出采铀工艺”1项放射性矿技术。

据介绍，先进适用技术是提高矿山开发利用水平最有效的途径，推广先进适用技术对提高我国资源利用效率和保障能力、促进生态文明建设、健全矿产资源节约集约利用机制、促进矿业领域科技创新、提高矿产资源节约集约利用水平起到积极促进作用。

从2012年开始，国土资源部先后分3批一共推荐先进适用技术159项，其中采矿技术59项、选矿技术40项、共伴生矿产及尾矿等综合利用技术60项；涵盖了油气、煤炭、金属、非金属矿产，其中油气矿产技术22项，煤炭矿产技术34项、金属矿产技术70项、非金属矿产技术33项，有力促进了矿产资源节约与综合利用技术水平的提高。

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

孙晓冬（1984-），男，河南濮阳人，助理研究员，博士研究生，主要从事煤矿安全高效开采、地质工程灾害防治技术研究。

“十二五”国家科技支撑计划资助项目——中小煤矿机械化开采关键技术及示范（2012BAK04B08）