极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践

李正杰，姚常亮，任 超，李 峰

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.通化矿业(集团)有限责任公司 吉林江源煤业有限责任公司，吉林 通化 134000；3.陕西永陇能源开发建设有限责任公司 崔木煤矿，陕西 宝鸡 721000)

开采技术与装备

极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践

李正杰1，姚常亮2，任 超2，李 峰3

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.通化矿业(集团)有限责任公司 吉林江源煤业有限责任公司，吉林 通化 134000；3.陕西永陇能源开发建设有限责任公司 崔木煤矿，陕西 宝鸡 721000)

为了在极复杂地质条件下安全有效开采急倾斜难采厚煤层，以江源煤业4号煤层为试验对象，从工作面布置、回采工艺、顶煤冒放性、设备选型配套、顶煤及坚硬顶板弱化等角度进行分析，给出了采用“单滚筒采煤机+轻放支架”、端头直接整体进刀方式、顶煤及坚硬顶板处理技术等斜切分段短壁综放开采的主要参数和关键技术。通过工业性试验的成功应用，为江源煤业1号、6号煤层以及类似赋存条件急倾斜厚煤层的综合机械化开采提供了技术实践参考。

极复杂地质条件；斜切分段；综放开采；坚硬顶板

我国急倾斜煤层的采煤方法较多，每种采煤方法均有其适用条件，随着条件、环境和技术的发展，很多采煤方法已经被淘汰。目前被认为比较适用、安全性相对较高、且经济效益较好，或者机械化程度相对较高的急倾斜煤层采煤方法[1-5]主要有走向长壁综合机械化采煤法、柔性掩护支架采煤法、水平分段放顶煤采煤法和走向长壁综合机械化放顶煤采煤法。对于倾角大于60°的特厚煤层，采用水平或斜切分层(段)短壁放顶煤方法已有较为成熟的开采经验，如在新疆、宁夏等矿区以及神东阿刀亥煤矿的急倾斜厚煤层中均有应用[6-7]，煤层厚度基本在10～12m以上，选用轻放支架，短壁综合机械化开采。而对于倾角小于35°的厚煤层而言，通常采用大倾角长壁综采或综放技术进行回采，如在四川攀枝花矿区花山煤矿、绿水洞煤矿以及甘肃华亭东峡煤矿等有实践应用[8-9]。但对于倾角45°左右的厚煤层，在采煤方法的选择上存在一定的困难，若采用大倾角综采(放)技术，工作面设备稳定性如设备下滑、倾倒以及煤壁稳定性、端面顶板控制等问题突出，对工作面管理要求非常严格，实现综合机械化、高产高效、安全开采等难度大；若采用分段放顶煤开采，由于煤层倾角相对较小，顶煤冒放性及采出率等问题又不容忽视，且在国内外类似可供参考的成功实践很少。

江源煤业目前主采上石炭系太原组4号煤层，煤层厚度6m，倾角45°，该煤层赋存条件属于极复杂型，受断层严重切割，采区可推进长度普遍较短，仅为380m左右。此外，高瓦斯、松软煤层、坚硬顶底板、易自燃等潜在灾害因素致使开采技术难度大，实践证明，原水力采煤方法无法保障安全，同时受限于断层影响，综合机械化长壁工作面布置及实施困难。根据现场取样并在实验室测试得出，4号煤的视密度为1296kg/m3，单轴抗压强度为6.31MPa，煤层较软；顶板砂岩的视密度为2700kg/m3，单轴抗压强度达到99.36MPa，为坚硬顶板；底板页岩的视密度为2907kg/m3，单轴抗压强度83.77MPa，为坚硬底板。4号煤层开采属于“两硬夹一软”结构，钻孔柱状图如图1所示。

图1 4号煤层钻孔柱状

为保障4号煤层安全开采及提高工作面机械化水平，拟采用斜切分段综合机械化放顶煤采煤方法，经查阅文献，该法在该复杂条件下理论可行，但开采参数多为下限值，缺少类似的开采实践。针对4号煤层，该采煤方法存在3大技术难点：煤层倾角下限影响顶煤冒放性；开采厚度下限制约综采装备的布置及改变回采工艺；厚硬难垮顶板影响开采安全。通过对4号煤层的优化设计和试验应用，证明了该采法在极限开采条件下的可行性，有效解放了4号煤层，为相邻1号和6号煤层的安全开采提供了参考依据，并为拓展应用急斜厚煤层斜切分段放顶煤采煤方法提供了一次成功实践。下面从工作面布置、设备选型配套、回采工艺、顶煤冒放性、顶煤及坚硬顶板处理等角度进行重点分析。

1 工作面布置条件

设计江源井田4号煤层斜切分段放顶煤工作面斜切角度为20°，工作面长度10.5m，采煤机沿工作面全采高割煤长度约6m，首采面可推进长度仅210m，试验阶段高度15m，其中机采高度2.8m，放煤高度12.2m，采放比为1∶4.35。下阶段高度根据实际顶煤冒放性情况适当调整，为了增加工作面储量、降低巷道掘进率，在保障安全回采的前提下，宜尽可能提高阶段高度。

从提高顶煤采出率并兼顾综采设备布置、巷道稳定性等方面考虑，工作面优化布置了2条拱形巷道，运输巷布置在煤层内，回风巷沿煤层底板布置，为半煤岩巷，如图2所示。运输巷采用29U型钢支护，巷道净宽为4.2m，净高为3.3m；回风巷采用锚网支护，巷道净宽为4.0m，净高为2.95m。

图2 工作面及巷道布置

首采工作面设备选型配套如表1所示。其中，采煤机选用MGD150-NW电牵引短壁单滚筒采煤机，单截割电机，机身长度仅3m，结构紧凑；运输巷中采用水运溜煤槽运煤。工作面设备布置如图3所示。

表1 工作面设备选型

图3 工作面设备布置剖面

2 回采工艺分析

急倾斜煤层斜切分段综放开采工艺主要包括采煤机割煤、移架、放顶煤、推移前后输送机。采煤机截深为0.6m，循环推进度为0.6m，放煤采用多轮、间隔、等量放煤方式，“一采一放”。与常规的综放工艺不同之处在于工作面的进刀方式，本设计采用端部整体直接进刀方式。其工序如下：

当采煤机运行向机尾时，推移前溜机头和中部位置，采煤机割透机尾煤壁后停机，将采煤机整体推向煤壁一个步距，如图4(a)，开机直至采煤机滚筒全部切入煤壁，实现进刀；采煤机摇臂上升至顶刀位置，割煤至前溜机头，如图4(b)；反向推进割底刀至机尾位置，恢复至初始状态，如图4(c)。

图4 短壁放顶煤工作面进刀

3 放顶煤开采顶煤冒放性数值分析

3.1 数值模型建立

以江源煤业4号煤层为模型背景，根据煤层的实际地质条件，建立3DEC数值计算模型，模拟的4号煤层厚度6m，倾角45°，埋深950～1150m，按1000m考虑，简化的耦合数学模型长×宽×高为100m×12m×150m。根据煤层赋存条件，将数值计算模型简化为10个岩层的结构体进行研究。工作面推进方向沿X轴正方向，模型底部限制垂直移动，上部施加覆岩等效载荷，模型前后和侧面限制水平移动，采用大应变变形模式Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏。初始模型如图5所示。

图5 初始模型

3.2 顶煤冒放性分析

4号煤层煤质较软，顶板坚硬，在不采用顶板预裂爆破的情况下，工作面上方顶煤的移动变形情况如图6(a)所示。

由图6可知，顶煤在顶板压力作用下发生塑性破坏，但塑性破坏范围仅为顶煤上方6m以内，因此，受厚硬顶板影响，顶煤冒放性不佳。建议对坚硬顶板进行预裂爆破弱化处理，顶板弱化后顶煤的冒放效果如图6(b)所示，顶煤塑性破坏范围大大增加，冒放性得到有效改善。

图6 顶煤移动变形特征模拟

3.3 围岩移动规律分析

4号煤层倾角为45°，其顶板法向分力为重力的0.71倍，因此，顶板变形量减小。按每个阶段的垂高15m计，由上而下分别采用FLAC3D模拟了3个开采阶段围岩的移动变形规律。在第1阶段开采时，顶板以弯曲变形为主，在充分采动状态下，围岩的变形破坏状态如图7所示。

由图7可知，第1阶段开采时，由于开采空间较小，顶板主要以弯曲变形为主，底板变形不明显。由于煤层角度较大，顶板水平和垂直变形兼有。在工作面充分采动时，顶板最大水平变形量为90.6mm，顶板垂直方向约6m范围出现破坏，以中上部顶板为主。

开采第2阶段、第3阶段垂高均为15m，充分开采后围岩破坏状态及水平位移云图如图8所示。

图7 第1阶段开采围岩移动变形破坏特点

开采第2，3阶段时，顶底板破坏范围逐渐增大。当开采至第2阶段时，顶板最大变形量达到138mm，顶板12m范围内出现破坏现象；当采至第3阶段时，顶板水平位移量继续增大，最大变形量达到204mm，破坏范围增加至垂直煤层高度18m。随着工作面开采阶段的增加，顶板破坏范围和离层量逐渐扩展并向上覆岩层移动。由此可见，采用斜切分段综放开采4号煤层时，顶板以弯曲变形为主，主要表现为岩层间离层的逐渐扩展，预计工作面矿压显现相对较弱。

图8 开采第2，3阶段时围岩破坏状态及水平位移

4 坚硬顶板处理技术

为了改善顶煤冒放性及防止坚硬顶板大面积悬顶[10]，设计在回风巷对顶煤、在运输巷对坚硬顶板进行超前深孔预裂爆破，炮孔布置如图9所示。

图9 爆破炮孔布置方案

运输巷、回风巷各炮孔布置参数见表2，3所示，其中，岩1号炮孔处理高位坚硬砂岩顶板，处理厚度为18m的整层坚硬砂岩，防止下阶段回采时顶板突然大面积垮落产生暴风或压架事故；岩2号、岩3号、岩4号炮孔主要用来预裂中低位直接顶坚硬岩层，防止本阶段采空区空洞过大；煤1号、煤2号、煤3号炮孔主要作用是处理高位顶煤，提高顶煤采出率，根据前文模拟分析，低位顶煤冒放性良好，不需要专门爆破处理。

表2 运输巷炮孔参数

表3 回风巷炮孔参数

5 开采实践

江源煤业4号煤层从2016年底回采至2017年2月24日已累计安全回采2个工作面，其中，短壁放顶煤首采面推进210m，接续工作面推进126m，正常回采时日推进6～8刀，平均3.9m，日产量288～673t，平均523t，见图10所示。通过对工作面顶板和顶煤进行弱化处理，工作面压力变化情况如图11所示。可知，工作面存在来压现象，但来压不强烈，来压时支架前柱压力达到23.5MPa，非来压时20MPa左右，动载系数为1.175；此外，斜切分段综放开采支架压力受放煤影响较大，尤其是后立柱，受放煤影响，后立柱基本在0～5MPa之间，甚至出现拔后柱现象，而前立柱由于顶煤向采空区方向运移，前柱压力会缓慢释放，表现在压力曲线的缓慢下降。

图10 工作面日产量统计

6 结 论

(1)针对江源煤业4号煤层厚度6m、煤层倾角45°、地质类型复杂的开采情况，认为采用斜切分段综放开采时开采参数处于下限值，但具有可行性，并给出了工作面布置、设备选型配套、回采工艺等关键技术及参数指标。

(2)采用数值模拟方法分析了斜切分段顶煤冒放性，认为顶煤、坚硬顶板在不采取弱化措施时冒放性不佳，安全性差。设计采用了深孔预裂爆破的方案，对上位顶煤和坚硬顶板进行弱化处理，提高了顶煤冒放性和采出率，预防出现大面积悬顶。

(3)现场开采实践证明了该采法可行，工作面矿压显现不强烈，根据矿压曲线分析，建议改用两柱掩护式放顶煤支架为宜，并且对后续阶段工作面矿压及顶板垮落情况保持密切关注。

[1]佐安功.急倾斜煤层开采的几种方法[J].山东煤炭科技，2013(3)：41-42.

[2]程玉武.急倾斜煤层俯伪斜走向长壁采煤法的实践[J].煤炭科学技术，2003，31(10)：31-32.

[3]陈建民，王景辉.俯伪斜柔性掩护支架采煤法的应用与发展[J].煤炭科学技术，2004，32(12)：8-10.

图11 工作面支架受力监测曲线

[4]高召宁，石平五.急斜近距离煤层水平分段轻型液压支架放顶煤联合开采的实践[J].中国矿业，2007，16(1)：77-79.

[5]刘赫男，孙运江，谢生荣，等.大倾角特厚煤层斜切分层综放开采实践[J].煤矿开采，2014，19(6)：35-38.

[6]鞠文君，李 前，魏 东，等.急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征[J].煤炭学报，2006，31(5)：558-561.

[7]刘文郁.急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采液压支架选型[J].煤矿开采，2016，21(1)：50-52.

[8]伍永平，贠东风，周邦远，等.绿水洞煤矿大倾角煤层综采技术研究与应用[J].煤炭科学技术，2001，29(4)：30-32.

[9]贠东风，张袁浩，程文东，等.东峡煤矿大倾角特厚煤层采煤方法比较与分析[J].中国煤炭，2015，41(9)：61-64.

[10]徐 刚，贾 昆，于永江.深孔爆破技术在煤矿中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25(S1)：28-30.

[责任编辑：王兴库]

PracticalofFully-mechanizedTopCoalCavingwithObliqueSegmentationSectionunderSteepInclinedThickSeamandExtraComplicatedGeologicalSituation

LI Zheng-jie1，YAO Chang-liang2，REN Chao2，LI Feng3

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Tonghua Mine(Group)Co.，Ltd.，Jilin Jiangyuan Coal Co.，Ltd.，Tonghua 134000，China；3.Cuimu Coal Mine，Shaanxi Yonglong Energy Development and Construction Co.，Ltd.，Baoji 721000，China.)

In order to mining steep incline difficulty mining thick coal seam safety and effectively under extra complicated geological situation，it taking No.4 coal seam of Jiangyuan coal industry as experimental object，and then the following parameters were analyzed,such as mining working face layout，mining technique，top coal cavability，equipment selection and matching，top coal and harden roof weaken and so on，and then the main parameters and key technique of oblique segmentation section and short wall fully mechanized top coal caving were put forward ,which include “ single drum shearer and light-duty caving support”，ends integrated feed way and top coal seam and harden roof weaken and so on.After successfully application in field，it references for steep incline and thick seam fully mechanized top coal caving of No.1，No.6 coal seam and similar situation.

extra complicated geological situation；oblique segmentation section；fully mechanized top coal caving；harden roof

TD823.21

A

1006-6225(2017)05-0021-06

2017-05-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.006

国家自然科学青年基金(51504136)

李正杰(1987-)，男，河南永城人，研究实习员，硕士，主要从事矿山压力与岩层控制的相关研究工作。

李正杰，姚常亮，任 超，等.极复杂地质条件急倾斜厚煤层斜切分段综放开采实践[J].煤矿开采，2017，22(5)：21-26.