大倾角煤层综采面围岩控制及支护

2018-05-18韩耀文

机械管理开发 2018年4期

韩耀文

（大同煤矿集团阳方口矿业有限公司，山西忻州 036702）

引言

随着我国采煤技术的不断提高和对煤炭需求量的增加，采矿行业逐渐向地质条件严峻的大倾角煤层转移，传统矿区中在地质上占有极大优势的煤层储量逐渐减少，而较多的具有良好开采条件的煤矿储量已接近枯竭，大倾角煤层开采受到人们的关注。例如，晋南和晋北的矿区有部分倾角相对较大的煤层，在对其开采的过程中，虽然已运用了较为安全的回采技术和采场围岩控制技术，但都受到了煤层自身的多方面限制，而且安全隐患也很突出。因此，在大倾角煤层开采过程中，安全问题越来越受到重视。

对较大倾角的煤层综合开采进行了一次仔细的技术方法研究，其主要内容为大倾角煤层在特殊地层条件下围岩的复杂运动和地层活动状况，并在对大倾角煤层机械化开采围岩和工作面支护系统的研究中找寻关键点，解决了机械化开采过程中存在的技术性及核心性的问题，使煤层开采机械化进程有效推进，开采技术显著提高[1]。

1 工作面简述及开采技术特点概述

某矿的工作面地面标高为+18～+21 m，井下标高为 -382～-494 m，长度 900 m，倾斜长度 182～210 m。该面煤层的倾角为24°～36°，平均30°，足以见得倾角并不小，表1为煤层顶底板岩性介绍。

表1 为煤层顶底板岩性

该工作面采用走向长璧后退式综合机械化采煤方式，并用全部垮落法管理顶板。同时该工作面还采用双滚筒采煤机双向割煤，往返一次进两刀，效率较高，耗时较短。现将煤矿的综合采集方法运用到大倾角煤层中，但由于相对缓斜煤层倾角大，使得大倾角煤层开采技术具有以下三个特点：第一，由于煤层倾角比较大，所以工作面下部的采空区便成为了顶板破断垮落岩块滑落的承接地。但是顶板破断垮落岩的倾角远不及煤层倾角之大，而且走向长壁在开采的过程中，极易在工作面倾斜方向形成不均匀填充，从而使不同的工作面或同一工作面不同位置矿压出现不同，可见煤层的倾斜角过大和由此导致的工作面的不均匀填充对其造成的影响较大。第二，在大倾角煤层中实施综采，由于支架不稳定，而且有容易塌陷的特征和围岩系统的不稳定性，从而使整个系统都不是特别的稳定，我们也需要进行综合开发。还可能由于坍塌事故可能导致不稳定情况发生，特别是在动态负荷的倾斜方向形成大角度变形大、采场倾斜等。第三，综合开采还有倾角过大会引起投入人力物力资源过多而又不能合理利用，造成资源的浪费[2]。

2 大倾角煤层回采支护

2.1 关于支架本身的控制

支护系统最基础的部分是支架，其自身带有的结构及其他的参数对整个支护系统都有着重大的影响。

为了防止支架的下滑，需要提高支架整体稳定性，保证支架有一定的初撑力和足够的支撑阻力。近些年来，某矿大倾角工作面，使用ZZ4400/18/38型支撑掩护式液压支架（参数见下页表2），支护强度满足顶板压力的要求，使用效果良好。想要支架长时间处于完好无损的状态，就必须要提高支架的初撑力。要使其更加稳定化，就像漏液、串液这种问题必须杜绝，以此来解决压力问题。大倾角煤层对系统的稳定性提出了更高的要求，在之前的基础上又加强了支护系统的稳定性。当倾角变大，支护系统的稳定性将会不断地表现出来。所以，为了增加支护系统稳定性，要考虑支护阻力在其中发挥的作用。通常意义上的采场支架和围岩相互作用体系是一套完整、齐全的组合系统。在这个系统中，支架对围岩有影响，围岩对支架也有影响，二者相互作用、相辅相成。系统运转时围岩的运动状态会影响在工作状态下支架的承载力大小，而在工作状态下的支架也能影响围岩的运动状态，因此，支架在大倾角煤层的开采中发挥的作用也是取得成功的重要因素之一。在分析好岩层结构后，结合大倾角煤层的情况进行综合分析。对工作面上覆岩层结构进行综合分析后，有必要对大倾角长壁煤层长壁采煤法进行研究。其长壁综采工作中，支架和围岩相互作用可以用图来表示[3]。

表2 ZZ4400/18/38型支撑掩护式液压支架技术参数

2.2 支护支架受力分析

在整个工作面支护中，液压支架作为主要的结构物是控制围岩的重要支撑物。其在工作面受力分析如图1所示。支架稳定的平衡条件为：

式中：P1为支护初撑力（工作阻力）引起的围岩对支

架的反作用力为底板对支架的支撑力分别为上、下邻架所受挤压力；θ为煤层倾角；G为支架自重；D为支架底座宽度；h为支架支撑高度；μ1为煤层顶板与支架间的摩擦因数；μ2为煤层底板与支架间的摩擦因数。

图1 支架在工作面的受力分析

一般可以近似认为μ1和μ2相等，均为μ0。所以支架能够自稳的最大倾角为

煤层倾角θ越大，底板失稳、滑移、破坏的可能越大。大倾角煤层综采技术的核心就是支护系统的稳定性，倾角增大，工作面支护系统失稳外载加大，所以要提高支护的工作阻力，加强支护系统的稳定性[4]。

2.3 顶板稳定性控制

2.3.1 会受到直接顶厚度的影响

能够影响岩层稳定性的因素有很多，其中直接顶板厚度对工作面顶板压力的影响最大，在日常操作中，如果基本顶离煤层的距离越远，也就是直接顶的厚度越大，岩层再被爆破砍断后缓慢下沉而不是直接垮塌的成功性也越大。

工作面直接顶厚度的最佳数值约5 m，因此，如果可以将直接顶的厚度控制得当的话，那么顶板条件足够为整个操作系统提供稳定的支撑[5]。

2.3.2 来压期间顶板控制措施

技术性的问题已经成为当前开采过程中的关键，是开采成功的重要保障。当顶板受压时，人工爆破破碎岩体的重量与支护的稳定性成反比。也就是说垮塌掉落的岩石越多，重量越大，支架的负担就越大，整个支撑系统的稳定性也就越差。为了解决这一问题，首先，应加固支架，尽可能增大支架的支撑力，以确保支撑的到位。其次，要调整好支架的基本角度，防止出现退山现象。最后，还要确保支架与顶板的接触必须严丝合缝，若是想要移动支架也必须一次到位，不得有二次移动。