超长壁大采高大倾角俯采工作面成功开采技术研究

【摘 要】综采工作面俯斜开采，特别是在工作面平均采高在5.6m，局部最高采高达到5.8m，且工作面局部俯采平均倾角达23°，在国内不多见。刘庄煤矿151301工作面在开采初期，通过在实践中多次创新传统施工工艺，围绕大采高大倾角俯采工作面“支架稳定性、老搪防窜矸及调整俯采施工工艺等”进行技术创新，成功在151301综采工作面近100m局部倾角平均坡度达到23°，局部最大倾角达到28°的条件下回采成功。

【关键词】大采高；大倾角；支架稳定性；防窜矸

1概况

151301工作面为刘庄煤矿西一采区第一个回采工作面，工作面胶带顺槽可采走向长为898.1m，轨道顺槽可采走向长为898.1m，该工作面可采倾向长为350.1m，煤层平均倾角23°，最大倾角28°，平均煤厚5.61m，平均可采面积为322351.6m2 ，工作面生产能力为48万吨/月，该面选用后退式单一倾斜长壁采煤方法下行开采，采用综合机械化设备，一次采全高，全部垮落法管理顶板，可开采6个月。

2大采高大角度俯斜开采相关技术难题

对于俯斜综采工作面，在平均采高达5.6米、支架最大控顶距达6.1米，局部平均倾角达23°，最大倾角达28°的条件下。其开采技术难度比较大，刘庄煤矿151301工作面在开采前期，通过充分进行理论论证，认为该面开采存在以下技术难题：

（1）受工作面倾角及大采高影响，支架稳定性差。

（2）工作面在俯采时矿压显现较为明显。

（3）老搪窜矸，移架时支架顶板及架间窜矸，封闭墙及支架易受冲击。

（4）煤机装煤效果差、运输机抵不动车，推溜时溜槽易上漂、采煤机易向煤壁一侧倾倒。

3大倾角工作面支架稳定性分析

3.1支架稳定性机理

大倾角工作面支架不仅受支承压力的作用，而且受倾斜方向支架重力分力的作用。同时，大倾角煤层的顶板不是沿法向移动，而是沿一条逐渐接近重力作用方向的曲线移动，顶板越不稳定，其移动曲线偏离法线越远。顶板移动的法线分量对支架产生垂直作用力可增加支架的摩擦阻力，有利于支架的稳定。而顶板移动的切向分量对支架产生侧向力，可导致支架倾倒。因此顶板运动方向与煤层法向夹角的变化对支架抗倒能力的影响是显著的。顶板运动轨迹对支架的滑动稳定性影响也很大。

3.2　支架稳定性分析

3.2.1　工作面支架防滑受力分析：

初撑力满足要求时，即151301工作面ZZ13000-27/60在液压达到22.4MPa时，其支架支撑力达到11400KN时，代入公式（3）中，其a取值远大于28°。因此，151301工作面在俯采期间，在初撑力满足要求时，俯采倾角在28°时支架稳定性理论上和实际生产中是可行的；

支架移架时，如采取降架移架，则N1取值为0时，a取最小值a=arctg0.35=19.5°，则最大俯采坡度只能满足19.5°，因此151301工作面在俯采最大角度达到28°时移架必须带压移架，严禁大幅度降架移架，以确保安全移架。

3.2.2工作面支架防倒力矩分析

工作面顶板垮落时，支架受顶板一斜向应力R作用，如图：在R与支架自重G的共同作用下，支架的稳定条件为：

由于顶板F增大引起θ和R　增大，从而使R（hsinθ-l1cosθ）也增大，即F越大，上述关系式就难以成立，因此煤层倾角越大，顶板来压时，在合力R和重力可以看出，减小支架重心h1相对于支架稳定性是有很大作用的。通过以上理论分析，对于支架在工作面俯采时，其影响支架稳定性的因素有：

（1）工作面回采倾角；倾角越小，稳定性越好

（2）工作面顶、底板与支架摩擦系数；摩擦阻力越大，支架稳定性越好

（3）支架初撑力；初撑力越大，稳定性越好

（4）工作面采高；工作面采高越低重心矮，支架稳定性越好

（5）工作面回采进度；回采进度越快，支架受顶板压力越小，支架稳定性越好

（6）工作面支架自重；自重越重，支架稳定性越好

3.3工作面回采期间稳架的安全技术措施

（1）提高支护阻力

理论分析和实践经验表明，较大的支架工作阻力对保持支架稳定性是有益的，要保证泵站有足够的压力，确保较大的初撑力。通过以上分析，正常回采时支架如按规程要求支撑力达到11400KN（22.4MPa）时，其支架稳定性比较好。

（2）确保支架与顶底板间的摩擦系数

煤层底板浮煤清理不彻底、顶板破碎、底板积水等，都会降低支架与顶底板间的摩擦系数。因此，应提高煤机截割质量，确保顶、底板平整，移架前必须清理干净架前浮煤，确保支架底座与底板严密接触；顶板破碎时要做好超前支护，确保顶、底板与支架之间的摩擦系数。

（3）严格控制采高，适当提高推进速度

控制采高可降低支架重心，有效保持支架的稳定性；适当提高推进速度，及时支护，既可以有效控制冒顶和控顶距的增加，又可以减轻支架的压力。

3.4工作面回采期间拉移支架的安全技术措施

大采高大倾角俯采支架的降架拉移时支架容易载头倾倒，为防止支架载头倾倒移架前支架前探梁护帮板护住煤壁。移架时略收侧护板，先降后立柱再略降前立柱，边拉架边收伸缩梁和护帮板，带压擦顶移架少降快拉，移够步距后立即升架先升前立柱后升后立柱，并将护帮板护住煤壁，将侧护板及时伸到位。采煤机割煤后，及时伸出支架的伸缩梁护住煤顶。采用防倒千斤顶将端头支架与中间架相连接，防止拉架时端头支架歪斜。

4大倾角大采高俯采防窜矸技术研究

4.1大采高、大倾角俯采工作面架后矸石冒落原理

采高是影响上覆岩层破坏的最重要的因素之一，采高越高、采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏越严重。一般来说，冒落带与裂隙带的总厚度与采高基本上成正比，在大倾角的条件下，堆积的矸石易在产生滑移，因此，大采高、大倾角综采工作面采空区冒落的特点是下部充填较满，而上部却形成冒空，导致架后堆积的矸石高度较高，在角度较大时，易从架间、上下隅角以及支架在降架时自支架上方窜出工作面，安全隐患较大。

4.2大采高、大倾角工作面防窜矸石相关技术方案

4.2.1封闭墙防窜矸石技术方案

大采高大倾角工作面对于上、下隅角封闭墙安全管理至关重要，在考虑其技术方案时需满足以下三个条件：

（1）考虑封闭墙密闭性，防止向采空区窜风；

（2）考虑封闭墙自身的防倒；

（3）考虑采空区滑矸对封闭墙的冲击；

因此采取以下技术方案：将封闭墙底板卧成平台并打设木垛，确保木垛向采空区方向有3～5°倾角，木垛采用耙钉进行整体加固，用钢丝绳将其固定在巷帮锚杆上，并采用编制袋对木垛空隙处进行封严，防止向采空区窜风。同时，该技术方案要充分考虑木垛对顶板有一定的支撑力作用，确保在工作面来压期间顶板垮落，造成采空区气浪瞬间涌出造成瓦斯超限。

4.2.2工作面防窜矸技术方案

（1）移架时，要及时使用侧护板调架，控制各架间隙，防止间隙过大导致的采空区窜矸。

（2）“带压擦顶”移架。即移架时，先降后立柱再降前立柱，待支架移动后，应立即停止降柱使之擦顶前移。要控制好降柱幅度，一般以不超过100mm为宜，防止采空区堆积的矸石自支架顶梁向工作面窜出。

4.2.3两巷防窜矸（煤）技术方案

两巷坡度大，运输机机尾、皮带机的煤、矸易窜出，因此在在离运输机机尾2～3m处设置挡矸网，使用铁丝将锚网固定在轨道顺槽超前支护的单体上，两单体之间用半圆木或钢管做撑子，挂好网后，防止采煤机在机尾10米范围内割煤时工作面煤矸沿顺槽窜矸伤人。

工作面胶带顺槽皮带运行速度较快，尤其是突然停机时，在巷道倾角大时大块矸石（煤块）易在惯性作用窜出伤人，因此在皮带架行人侧采取绑扎锚网的防护装置，确保大块煤矸在皮带机运行时安全。

5　倾角大采高俯采工作面割煤及推溜工艺

综采工作面大倾角俯斜开采，存在煤机装煤效果差、推溜易上漂，采煤机割煤由于所受的下滑分力的影响，使行走部和运输机销排受力较大，导致煤机行走部磨损严重、煤机滑靴局部磨坏、支架油缸密封件损坏严重等问题，其施工工艺调整如下：

（1）通过清理老塘侧运输机槽下浮煤，人为减小运输机的俯采角度，使运输机俯采角度不大于20°，同时在进刀方式上改变以往往返一次进两刀方式，采取往返一次进一刀，有效的改善煤机装煤效果。

（2）人为减小运输机的俯采角度，并对采煤机平滑靴原有基础上加高10cm，改变了采煤机重心，有效的防止采煤机倾倒及减少采煤机行走齿和滑靴的磨损。

（3）尽量减少运输机的俯采角度，并采用多次推溜、采煤机返刀清理煤壁侧浮货、人工在煤壁清理浮煤减少阻力，确保安全顺利推溜。

在推移运输机时时刻测量运输机的俯角a以确定每次卧底量。根据现场测量结果运输机实际的角度a一般为23?-39?。由此可得出每次卧底量h为50～300mm。

6结论

刘庄煤矿151301工作面的成功开采证明了在俯采最大坡度28°，采高近6m的条件下进行综合机械化开采是完全可行的，通过对大采高大倾角工作面矿压显现规律、支架稳定性分析、工作面及上、下隅角防窜矸、采煤机倾斜割煤、推移溜槽等技术难题的研究，确保工作面在复杂地质条件下安全高效回采。

参考文献：

[1]周玉华.综采工作面大倾角俯采的生产实践[J].煤矿开采，2005（10）

[2]谭习文，万世文，赵元，等.俯斜开采工艺系统的可靠性控制[J].煤矿安全，2003（5）.

[3]郑奎军，马旋.综采俯采工作面安全开采技术探讨[J].煤炭科技，2011（2）.

作者简介：

许东明，1969年10月出生，本科学历，现任刘庄煤矿生产副矿长。