赵大勇 庞继禄

山东能源新矿集团内蒙能源有限责任公司

急倾斜厚煤层综采一次采全高矿压控制技术

赵大勇 庞继禄

山东能源新矿集团内蒙能源有限责任公司

赵大勇（1961-）男，山东临沂人，高级工程师，主要从事煤矿生产技术和安全管理工作。

据统计，在我国急倾斜煤炭储量占我国煤炭资料储量的17%，年产量占全国煤炭总产量的8%～10%。急倾斜煤层在我国分布较广，赋存条件复杂，开采矿井数量多，开采难度大，近年来发生了多起重特大事故。急倾斜煤层采煤研究远没有达到缓倾斜煤层开采的水平。

我国在急倾斜厚煤层开采领域，主要推广综采放顶煤技术，取得了较好的效果，但是，在采高4.5～5.0m、倾角45～55°的矿井，不适合综放开采，且大倾角大采高机械化综采仍存在诸多难题，岩层控制为技术难点之一。

上海庙矿区主采煤层厚度达到5m以上，最大倾角达到52°，为主采煤层，储量丰富，目前在采矿井产能超过2000万t。本文以上海庙矿区福城煤矿1901S工作面为研究对象，研究急倾斜大采高综采顶板控制技术，为今后为上海庙矿区实现相似条件工作面的开采提供借鉴。

试验工作面生产地质条件

所采煤层为九层煤，厚约5.01m；煤层倾角平均33.7°，最大52°；密度1.4t/m3。煤层顶板依次为石灰岩（厚2.0m）、泥岩（厚7.4m）等。煤9底板按次序为粉砂岩（厚3.9m）、泥岩（厚3.3m）等。

1901S工作面位于+850水平一采区，平均埋深278.5m。

试验工作面区段布置方案

（1）工作面推进长度

急倾斜煤层不适合设计长距离工作面，根据该矿阶段划分条件，确定走向长度不大于2000m。

（2）工作面倾斜长度：根据工作面构造及采区设计方案，确定倾斜长度为162.5m，部分地段因构造切割使工作面长度发生变化。

（3）巷道支护设计

回风巷支护设计：巷道断面形状为矩形，净断面9.68m2。

运输巷支护设计：沿煤层顶板布置，采用锚带网支护。矩形断面，净断面11.0m2。

切眼支护设计：沿煤层顶板布置巷道，锚带网支护。

覆岩运动特征与控制方法

开采难题：易飞矸伤人，易片帮甚至冒顶，易底鼓或滑脱。

因此，为解决上述问题，首先研究围岩控制。

覆岩运动特征

（1）直接顶运动规律

由于大倾角煤层工作面直接顶冒落高度上下部不一致，只能计算平均的高度。

1）直接顶的厚度

MZ=（H－SA）/（KA－1）=0.75×（3.7～4.7）/（1.35－1）=7.9－10m；式中，MZ－直接顶厚度，3.7－4.7m；H－采高，m；SA－老顶在采空区沉降量，大约为0.25 H；KA－冒落矸石碎涨系数。

（2）直接顶的初次垮落步距

直接顶L为：

μ为质量指数（取0.6）、M为厚度，α为煤层倾角，得L为13m左右。

2）老顶运动规律

初次来压步距L为：

μ=0.7，得L=36m

将第二老顶数据代入，μ=0.7，M=15.5m，α=42°。得到：L2=55m。

图1　底板岩层计算模型

图2　工作面顶板压力的力学模型

图3　液压支架

底板滑移模型与控制分析

如采空区底板视为两端梁，则岩层所受的切向力可以视为对梁的轴向作用力，而法向力可以视为对梁的横向作用力。

建立岩层结构模型。α－岩层倾角，l－斜长、h－层厚，γ－密度，E－弹模，φ－内摩擦角，C－内聚力。q1－y方向的分量之和合力。P－轴压，q2 －x方向力。如图1所示。

边界条件：x=0，y=0，y’=0；x=L，y=0，y’=0。A处固定，B处滑块。

根据平衡条件（静力），微分方程为：

由此确定底座支架受力小于额定底板比压，是防止底板失稳的必要条件。

综采支架特性

根据文章，研究需要的支架特性。分析覆岩特征，1901S工作面覆岩结构特征见图2。

设支架工作阻力为P，则：

式中：La－每架支架所控制的工作面长度，1.75m；

γ－体积力，取23.0KN/m3；

h－垮落带直接顶厚度，9.39m；

LZ’－直接顶岩梁长度为支架控顶距Lh，4.34m；

n－取1，分层数（指老顶上部）；

γl1－体积力（冒落的下位老顶），取值同γ；

hl1－13.7m，指冒落的下位老顶厚度；

Llk1－ 18.0m，指冒落的下位老顶长度；

α为煤层倾角；

K－安全系数，取1.1；

η’－掩护梁矸石等影响稳定的系数，取0.9。

表1　工作面与支架对应分析

截深为0.8m。图3为选取的液压支架及工作状态。实测压力显现小于额定工作阻力。

支架防滑防倒结构设计

（1）下端头支架防倒设计

重点：下端头支架防倒。上端头不易倒架等。

设计方法：在顶梁安装防倒油缸，支架的后连杆通过补加油缸链子，快捷控制支架，有效避免倒架或支架偏移。

（2）两端头之外的支架防倒

设计方法：在顶梁补加侧向千斤顶，最下部数组支架尾部补加千斤顶防滑，顶梁补加千斤顶防倒。

通过在移架时控制千斤顶防倒、防滑，侧向千斤顶打开，满足防倒要求。

小结

（1）针对内蒙上海庙矿区急倾斜厚煤层地层条件，确定区段布置参数，研究覆岩移动规律，确定控制设计方案，形成系统设计方法；

（2）建立底板滑移模型和底板岩层运动的数学分析表达方法，确定采用大底座支架，实测没有超过额定底板比压，能够有效防止底板失稳；

（3）实践验证了设计满足开采要求。为上海庙矿区实现相似条件工作面的开采提供借鉴。

本项目的具体实施还考虑设备配套、具体地质构造特征等，制定针对的设计方案。