（矿业工程专业论文）大倾角仰斜开采采场顶板控制的研究.pdf

大倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 摘要 倾斜煤层采用倾斜长壁采煤法开采，其巷道布置系统、通风系统 和运输系统简单，具有巷道掘进率低、原煤回收率高、生产能力大、 经济效益显著等优点，在国内外受到广泛重视和应用。随着煤层倾角 的增大，工作面顶板活动的规律与缓斜情况相比发生了相应的变化， 若套用现有的缓斜煤层开采的矿山压力显现规律来管理顶板，将产生 许多技术问题，从而影响生产和安全。当仰斜开采角度大于12 。时， 就存在顶板难以管理，工作面运输难度加大，工人劳动强度加大等一 系列问题。如何解决这些问题是推广大倾角仰斜开采的关键，而大倾 角仰斜开采采场顶板移动特征及其控制的研究则是大倾角仰斜开采的 前提条件。 本论文结合张庄煤矿23 15 工作面具有的仰采角度2 4 。、“三软” 煤层、单体液压支柱支护等实际，以倾斜长壁采煤法顶板移动的规律 为理论基础，采用计算机数值模拟的方法，分析顶板压力与移动的规 律，重点研究该工作面仰斜开采顶板的特征、采场顶板控制管理措施 本研究成果应用于大倾角仰斜开采工作面的实践中，实现了工作面安 全生产和高产高效，效果显著。 关键词：直接顶基本顶仰斜迎山角初撑力周期来压 查塑垄堡塑茎墨墨垄堡堡塑型竺坚壅 a b s t r a e t t h ea c c i v i t o u sc o a ls e a m a d o p t st i i tt oo n es i d ea l o n g t h ew a l lm i n e s ，i t st u n n e la r r a n g e st h es y s t e m ，w e l lv e n t i l a t e d s y s t e mw i t ht r a n s p o r tt h es y s t e ms i m p l e ，h a v et h et u n n e ld i g s i n t ot h er a t e1 0 w ，r a wc o a lr e c o v e r yt h er a t ei sh i g h ，p r o d u c i n g t h ea b i l i t y b i g ，t h e e c o n o m i c p e r f o r m a n c es h o w sa d v a n t a g e ， s u f f e r i n gt h ee x t e n s i v ev a l u i n ga b r o a dw i t h a p p l i e d a 1 0 n g w i t ht h eh o r n ya g g r a n d iz e m e n ti nc o a ls e a m ，t h er e g u a t i o no f t h ew o r kap l a n ka c t i v i t yc o m p a r e dw i t hi n c l i n e dc i r c u m s t a n c e t ot a k e p 1 a c et h eh o m o l o g o u sv a r i e t y ，i ft h es e tu s e st h e i n c l i n e dm i n e r a lm o u n t a i np r e s s u r ei nc u r r e n tt h a tc o a ls e a m m i n ep r e s e n t st h er e g u i a t i o nm a n a g eap l a n k ，w i l lp r o d u c em a n y t e c h n i q u e sp r o b l e m ，f r o mb u tt h ei n f l u e n c ep r o d u c ew i t ht h e s a f e t y w h e nt h ei n c l i n e dw o r ki nm i n e st h ea n g l et h e1 a r g e rt h a n 1 2 。，e x s i tap 1 a n kh a r dm a n a g e m e n t ，w o r kc o n v e y a n c ed i f f i c u l t y e n l a r g e m e n t ，t h ew o r k e rl a b o r sas e r i e so fp r o b l e mi ne t e i n e n i a r g e m e n ti ns t r e n g t h h o wt or e s o i v et h e s ep r o b l e m sisp r i o r c o n d i t i o nt h a tt h e k e yt h a tt h eb i g i n e x p a n s i o nc a p eis i n c li n e dt om i n e ，b u tt h eb i gc a p ei si n e l i n e dt om i n et h et h e n b i gi nar e s e a r c hf o rt h ep l a n kmovest h ec h a r a c t e r is t i cc a p e t h ei n c l i n e dm i n i n g t h ist h e s i sj o i a st o g e t h e rz h a n g z h u a n gc o a lm i n e ，2 3 1 5w o r k m a s k sh a v eo ft h ea d o p t st h ea n g l e2 4 。，“t h r e es o f t ”c o a ls e a m 。 f i r e c r a c k e r s e sa d o p t ，t h es i n g l eb o d yf l u i dp r e s s e sa r e g u l a t i o n f o rp i l l a re t c isa c t u a l t o i n gt i l tt oo n es i d e 1 0 n g l yt h e w a l l a d o p t s t h ec o a lm e t h o dap l a n km o v ea s t h et h e o r i e s l i 人倾角仰斜开采采场顶板摔制的研究 f o u n d a t i o n ，m e t h o dt h a ta d o p t i o nc a lc u l a t o rn u m b e ri m i r a t e ， a n a l y z eap 1 a n kp r e s s u r ea n da m b u l a t o r yr e g u l a t i o n ，t h ep o i n t r e s e a r c hs h o u l dw o r kt h ei si n c l i n e dt om i n eak n o t h o le c h a r a c t e r is t i c ，p u t t i n gf o r w a r dap 1 a n kc o n t r o ld e s i g nw i t ha i m a tt h es e x u a lm a n a g e m e n tm e a s u r e t h iss t u d yr e s u l ti sa p p l i e d i nw o r ko f2 3 15 c a p e sa r ei n c l i n e dt om i n ei nt h ef u l f i l l m e n t r e a l i z e st h ew o r ks a f e r yp r o d u e ew i t hh i g hp r o d u c ee f f i c i e n t l y ， t h er e s u lts h o w sg o o d k e yw o r d s i m m e d i a t ea n dm a i nr o o f ：u p w a r dm i n i n g ；a c c l i v i t o i sc o a s e a m ：p r o p s e t t i n ga n g le ：s e t t i n gl o a d ：p e r i o d i ew e i g h t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡三太堂有保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽理工大堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 导师鲐i 声岐 签字日期：训f 年年月 日 人倾角仰斜开采采场项板拎制的研究 1概述 倾斜长壁采煤法，即采煤工作面沿煤层倾斜方向向上或向下推进 采煤，工作面运输巷和回风巷由走向长壁采煤法的沿走向方向布置改 为沿倾斜方向布置，并可以取消采区上、下山的一种采煤方法。由 于它较走向长壁采煤法具有许多优越性以及较好的技术经济效果，国 内外应用倾斜长壁采煤法日益增多，并被一些国家列为开采倾斜煤层 的主要技术发展方向 】j 。大倾角仰斜开采是倾斜长壁采煤法的一种， 它具有缓斜煤层倾斜长壁采煤法的一般规律，但由于推进方向与走向 长壁不同，其矿山压力显现与围岩控制技术肯定也有很大变化【”，实 际回采施工中又有许多现象不同于缓斜煤层倾斜长壁采煤法，需要采 取不同的技术方案和安全管理措施。 1 1 倾斜长壁采煤法国内外研究 1 1 1国外现状研究现状 七十年代中期以前，应用倾斜长壁采煤法主要有原苏联的顿巴斯、 库兹巴斯和卡拉甘达等煤田，其产量占总产量的14 。在西欧和其 它国家，倾斜长壁采煤法应用也逐步广泛。七十年代以后，欧洲各主 要产煤国对倾斜长壁采煤法的应用更加重视。在建设的大型现代化示 范矿井中，如英国年产1 0 0 0 万t 的赛尔比矿、法国洛林煤田年产3 0 0 万t 的鸟沃矿、原苏联年产4 2 0 万t 的多尔然矿等，以及同本的s d 综 采工作面均采用了这种采煤法。据资料统计，采用仰斜开采的工作面 均达到了较高的技术经济指标。 倾斜长壁开采是本世纪5 0 年代始于苏联，而后逐步发展起来的一 种新的开采方法。它对矿井开拓和巷道布置是一种改革。实践证明， 在条件适合的情况下，其工程量减少和生产系统简单，可收到优于走 睡长壁开采的技术经济效益。尽管它的发展历史不长，但己为人们所 重视。从5 0 年代起，苏联，日本、德国、英国、法国、印度、波兰及 捷克和斯洛伐克等世界主要产煤国家相继试验研究和推广了这一新的 开采技术。苏联1 9 5 4 年开始采用倾斜长壁开采法，首先在顿巴斯的马 犬倾角仰斜开采采场顶板控制的岍究 凯耶夫煤炭公司的擒山谷矿进行了工业性试验，取得了较好的技术经 济效果。1 9 6 7 年在卡拉干达煤田的列宁矿、斯捷普娜娅矿和高尔巴切 夫矿的缓倾斜厚煤层中采用了俯斜式开采，这些工作面的技术经济指 标都大大超过了走向长壁采煤工作面。例如，列宁煤矿使用综合机械 化开采的俯斜式采煤工作面的日产量为1 1 9 3 t ，而走向长壁式工作面仅 为7 9 5 t ，劳动生产率由1 5 t 工提高到1 9 4 t 工。1 9 7 5 年初苏联共有倾 斜长壁工作面约3 2 0 个，其产量约占总产量的1 4 ，1 9 8 3 年使用倾斜 长壁开采产量约占总产量的1 2 6 ，1 9 8 4 年其产量占总产量的1 9 。 19 8 5 年，顿巴斯矿区使用盘区式和倾斜长壁丌采产量占总产量的8 5 。 近年来，随着采煤技术的不断进步，苏联倾斜长壁开采的范围日益扩 大，开采深度达1 0 0 0 多米，各种瓦斯等级的矿井都可采用倾斜长壁开 采法。在前苏联，倾斜长壁开采法已成为改革缓倾斜煤层采煤法的一 条重要途径，被列为丌采技术发展方向之一。用倾斜长壁开采法开采 大型矿井和特大型矿井有很多，例如，年设计能力为4 2 0 万t 的多尔 然矿，年设计能力为1 1 0 0 万t 的萨兰斯卡娅矿等。在波兰的矿井中， 倾斜长壁开采法也获得了成功的应用，如上西里西亚矿区的列宁煤矿， 鲍布列克和伽列巴矿等仰斜工作面所取得的技术经济指标都是很高 的。在列宁煤矿的4 9 号工作面，平均日产曾达18 0 0 2 3 4 0 t ，工作面日 进度为8 8 1 1 1 ，0 7 m 。南斯拉夫的“威列耶”矿区用俯斜长壁放顶煤采 煤法开采了倾角为0 15 。、层厚为1 4 0 m 的特厚褐煤层。西欧的一些 国家，倾斜长壁采煤法的应用日益广泛。七十年代初，西德的4 0 0 个 工作面中有5 0 多个工作面应用倾斜长壁开采法，其中大部分集中在萨 尔的列津矿、路易捷恩塔矿和瓦尔恩德特等矿。法国用倾斜长壁开采 法的产量占总产量的2 0 ，主要在洛林矿区。例如新建的年产量为3 6 0 万t 的呜沃矿全部采用倾斜长擘开采法。英国新建的赛尔比矿年产量 1 0 0 0 力- t ，也全部采用这种开采方法。 1 1 2 国内研究现状 长期以来，我国在开采倾斜和缓倾斜煤层时，普遍采用走向长壁 采煤法。倾斜长壁采煤法的应用，最初只是生产矿井为解决局部地区 或个别工作面由于地质构造变化，或者为了解决回采工作面衔接紧张 而采取的临时措施。近些年来，特别是随着综合机械化采煤的发展， 人倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 倾斜长壁采煤越来越引起人们的重视，并较快地在一些生产矿井和新 设计矿井中应用。目前，我国大多数倾斜长壁工作面采用仰斜开采， 俯斜开采所占比例较小，且通常应用于涌水量不大的采区。近年来， 倾斜长壁工作面在综采、放顶煤采煤法中均有成功的应用，尤其有的 矿区在大倾角倾斜长壁工作面的综采、放顶煤采煤实践方面也作了大 胆的尝试，积累了有益的成功经验。 我国从七十年代初开始试验研究倾斜长壁开采法。近2 0 年来，主 要试验研究了单一薄及中厚煤层，厚煤层和煤层群条件下的倾斜长壁 开采，积累了较为丰富的经验，使这一新技术逐步发展到目前比较成 熟的阶段。据统计，倾斜长壁式工作面产量占全国总产量的1 1 9 6 ， 有1 0 多个省市( 自治区) 的2 0 多个矿区、1 0 0 多个矿井采用倾斜长壁开 采法。有的矿井如大同矿务局的永定庄矿和松藻矿务局打通一矿，改 革了原来的巷道布置，变为全矿井的倾斜长壁开采系统。新设计的唐 山矿改扩建设计年生产能力为5 0 0 万t ，采用了倾斜长壁和走向长壁开 采相结合的方式。最近几年设计的年生产能力为4 0 0 万t 的燕子山矿、 济宁2 号矿井、阳泉贵石沟矿、东曲矿、年生产能力为3 0 0 万t 的古 交西曲矿、兖州矿务局兴隆庄矿等，均采用了倾斜长壁开采法。近1 0 年来新建的2 3 对矿井( 其中年生产能力为5 0 0 万t 的两对，4 0 0 万t 的 1 1 对，3 0 0 万t 的6 对，2 4 0 万t 的1 对，18 0 万t 的1 对，1 2 0 万t 的 1 对和1 0 0 万t 的l 对) 的不完全统计，采用倾斜长壁丌采( 有的矿井采 用倾斜长壁开采与走向长壁开采相结合的方式) 的矿井占6 2 1 7 ，由 此可见，倾斜长壁开采技术通过近几十年的发展，已积累了较为丰富 的经验，为煤矿的新井建设，挖潜增产，提高煤炭资源回收率和保证 安全生产，发挥着越来越大的作用，其生产规模正在逐步扩大。长期 以束，我国在开采倾斜和缓倾斜煤层时，普遍采用走向长壁采煤法。 倾斜长壁采煤法的应用，最初只是为了解决生产矿井局部地区或个别 工作面由于地质构造的变化，或者为了解决回采工作面接替紧张而采 取的临时措施。近些年来，随着综采技术的发展，仰斜长壁采煤越来 越引起人们的重视，并较快地在一些生产矿井和新设计矿井中推广应 用。我国大多数倾斜长壁工作面采用仰斜丌采，俯斜开采所占比例较 小；且多用于开采倾角8 。以下的缓倾斜煤层中，而在1 2 。以上的煤 层中应用较少。 大倾角仰斜开采采场顶板拄制的研究 目前，对大倾角仰斜工作面丌采的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 1 、倾斜长壁采煤法的巷道布置倾斜长壁采煤法的巷道布置的研究内 容有：合理确定主要运输大巷的位置、工作面巷道的布置、煤层群的 开采、回采工作面回风巷维护方法的选择等。例如：韩城矿区在倾斜 长壁采煤法的巷道布置生产实践中总结出4 种类型的巷道布置方法( 单 一煤层、煤层群、厚煤层分层、对拉工作面) 。为了保证工作面安全、 高产、高效生产，必须针对不同的煤层赋存条件，保证具有完善而简 单的生产系统。( 2 ) 、生产工艺研究及其可靠性分析目前在走向长壁工 作面中实行的生产工艺基本上在倾斜长壁工作面回采中都有应用。随 着近年综合机械化程度的提高，炮采工艺逐步减少，高档普采、综采、 放顶煤开采等先进回采工艺得到较大发展。尤其是不同煤层倾角下， 通过对走向长壁与倾斜长壁开采工艺可靠性分析，研究得出不同煤层 倾角范围应采取的不同采煤工艺。( 3 ) 、大倾角仰采研究大倾角仰采研 究的主要内容有生产工艺研究、影响因素、顶板控制设计。其中，对 大倾角仰采条件下矿山压力显现及控制的特点的研究，因其是合理选 择采煤方法和采取有效控制方法的科学论据，并能对选择及改进设备 提供可靠依据，故而显得极为重要。( 4 ) 、倾斜长壁开采的沿空成巷试 验研究无煤柱开采是煤矿开采的一种先进的丌采方法，其突出的优点 是能适应矿山压力的分布规律，有利于改善巷道的维护和稳定，有利 于合理丌发煤炭资源，提高煤炭回收率，有利于安全生产。( 5 ) 、运输 和通风方式的研究运输和通风是矿井生产中的重要环节，能否顺利地 进行对全矿生产有直接影响。正确地选择的确定运输和通风方式及其 设备，对于保证矿井的安全生产，创造良好的系统条件，提高劳动生 产率，减轻工人劳动强度，降低生产成本，具有十分重要的意义。 以上五个方面的研究，对提高倾向长壁工作面回采的高产高效都 有一定的作用。然而，仅仅从以上任一方面研究是不够全面的。影响 倾向长壁工作面高产高效的因素有许多，这些因素相互影响、相互制 约。但我们在实际工作中，可以针对回采工作面的特性，有目的地对 影响安全、高产、高效生产的主要因素重点进行研究。这些研究得出 的规律和经验的总结，对指导我们在相似条件下煤炭开采具有重要意 义。 ( 1 ) 、仰斜开采实例1 3 j 大倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 肥城矿业集团查庄煤矿十采区3 1 0 0 5 工作面开采3 t 煤层，煤厚 1 6 2 5 m ，煤层倾角1 4 2 0 。，最大2 4 。，平均1 7 。该工作面由于受断层 影响，采取工作面近走向布置，仰斜推采，倾斜长5 3 3 m ，走向4 0 1 9 9 r n ， 平均1 4 0 m 。工作面采用高档普采方式，使用d y 1 5 0 采煤机落煤，先 沿顶板割煤，再沿底板割煤，双向单刀完成一个循环。工作面使用 h d j a 1 0 0 0 型铰接项梁，采煤机割顶煤后立即挂粱，梁梁之间相互平 行、垂直于煤壁：使用d z 系列单体液压支拄支护项板，柱距6 5 0 r a m ， 排距1 0 0 0 m m ，沿推进方向煤层倾角每4 。支柱迎山角增加1 。3 10 0 5 工作面采用倾斜长壁仰斜推进采煤法，全部垮落法管理顶板。该工作 面共安全回采煤炭2 5 2 万t ，为在大倾角煤层中使用倾斜长壁采煤法提 供了实践经验。 ( 2 ) 、倾斜长壁对拉工作面开采实例( 4 j 双鸭山矿务局双阳煤矿二井，在倾斜长壁仰斜开采对拉工作面中， 采用随采随掘随留巷的办法，实现了百万t 高产工作面，获得了较高的经 济效益该工作面位于主井左翼六层煤中，上限标高，5 2 m ，下限标高 。1 4 0 m ，煤层倾角8 1 2 。，煤层厚度2 2 2 6 m ，平均厚度2 4 m 。煤层项板 为砂岩，直接底板为为o 3 m 炭质页岩，该工作面为低瓦斯工作面，煤层 无自然发火倾向。顶板管理方式为全部垮落法。两工作面的错距一般 为1 2 m ，最大不能超过最小控顶距。其错距处的支护采用单体支柱管 理顶板，长钢梁沿倾斜方向布置。钢梁为矿用1 1 撑工字钢，一梁三柱， 错步式迈进，棚间距为1 0 m ，工作面的两个端头的支护采用单体支柱 管理顶板。该对拉工作面全部使用国产综合机械化设备，用m l s 3 1 7 0 双滚筒采煤机割煤，斜切进刀，自开缺口双向割煤，及时支护。作业 方式为“三、八”工作制，两班半采煤，半班准备，采取正规循环作 业，循环进度0 6 m 。该工作面巷道系统采用倾斜长壁布置，适应该区 域的地质条件，为开采创造了有利条件。在整个开采区域内，有断层 落差2 0 m 以上的倾斜断层3 条，将煤层切割成倾斜条带状。开采初期， 在该区域的上部曾采用走向长壁开采，平均每一个工作面2 7 月搬家一 次，有时回采1 1 5 个月就需搬家一次。搬家频繁，费用高，对生产 影响大。采用倾斜长壁布置后，避免了回采巷道多次穿过断层，工作 面的推进长度增加到5 0 0 m 以上，搬家次数减少6 0 以上。平均每个工 作面搬家仅1 2 次，节省了大量的掘进和维护费用。采用倾斜长壁布 人倾角仰斜开采采场顶板挡制的训宄 置，使运输系统更加简单、辅助环节少、生产集中，由于巷道构成简 单，风路短，通风设施少，又降低了通风费用。 采用对拉工作面布置是实现百万t 工作面的重要条件之一。由于 实现了随采随掘随留巷的无预掘巷技术，无需增加新的巷道工程量， 便可将回采工作面的长度增加1 倍以上，有效提高了工作面单产。同 时减少煤柱损失5 1 0 ，降低掘进率15 3 0 。对中间巷的维护采 取了切实可行的加强支护管理，对正常生产基本没有影响。 ( 3 ) 、俯斜综采放顶煤开采技术实例1 5 j 贵州水城矿务局大湾煤矿，设计能力9 0 万t 年，开采二塘向斜中深 部煤层，煤系地层为二叠统龙潭组，井田走向长1 1 k m ，倾斜宽2 5 3k m ， 可采和局部可采煤层9 层( 2 、4 、5 、7 1 2 号) ，全区可采三层( 2 、7 、 1 1 ) ，现生产的一采区有一综一高2 个工作面。矿井开拓方式为主立井、 副斜井联合布置。基本平行于向斜轴在+ 15 0 0 m 水平布置带式运输大巷 和轨道运输大巷，在+ 16 2 2 m 水平布置总回风巷，通过斜石门联合开采 煤层群，采煤方法为倾斜长壁俯斜开采。 1 1 1 1 0 2 工作面是一采区东翼1 1 号煤层的第一个工作面，走向长 1 6 0 m ，倾斜长6 2 0 m ，煤层厚度3 9 5 1 m ，倾角9 1 4 。，容重1 3 5 1 0 3 k g m 3 ，f o 5 ，含高岭土夹矸2 4 层，煤层层理、节理发育，结构 复杂但赋存稳定，煤种为主焦煤。煤层直接顶为沙质泥岩，厚度 0 8 2 0 m ，属二类中等顶板，基本顶属i i 类，底板为泥岩、砂质泥岩， 属类。 1 1 1 10 2 综放工作面为俯斜开采，机、轨巷分别从1 1 e 1 1 号层集中 机巷和集中轨巷开始布置到切眼位置，从1 6 2 2 总回风巷布置1 0 2 回风 石门，方位和1 1 1 10 4 机巷相同。施工时，1 1 1 1 0 4 机巷和1 1 1 1 0 2 回采 巷道同时掘出，作为1 1 1 10 2 工作面回风和抽放瓦斯之用。1 1 1 1 0 2 机巷 长5 9 6 m ，轨巷长6 2 0 m ，两巷净断面均为9 7 5 m 2 ，矿用1 1 号工字钢梯 形架棚支护，由于受煤柱影响，浚工作面实际回采长度4 5 0 m ，地质储 量5 7 6 万t ，可采储量4 3 8 万t 。 根据1 1 号煤层厚度，项、底板岩性，通过调研，决定采用 z f s b 4 0 0 0 1 4 2 6 低位放顶煤支架。该支架具有较强的支撑能力，较强 的抗纵横向水平力及偏载能力，后部空间大，放煤插板行程大，前端 比压小等特点。主要配套设备如表1 1 。该工作面布置基本支架1 0 2 架， 大倾角仰斜开采采场顶板摔制的研究 过渡支架5 架( 机头2 架，机尾3 架) ，前部刮板机机头、机尾采 工作面主要配套设备表卜1 序号设备名称型号数量 1液压支架z f s b 4 0 0 0 1 4 2 61 0 7 2采煤机4 m g 2 0 0 wl 3刮板输送机s g b 6 3 0 ，2 2 02 4带式输送机s d j 一1 5 02 5转载机 s z z 7 6 4 1 3 2 l 6乳泵d r b - 2 2 0 3 1 5 l 用垂直布置方式，两端头采用矿用1 1 号工字钢作梁配合单体液压支柱 进行支护，一梁四柱交替迈步前进。 煤机在采面中部斜切进刀，截深o 6 m ，向机头( 尾) 割煤，前滚 筒割顶煤、后滚筒割底煤，到机头( 尾) 翻刀后扫底清浮煤。该进刀 方式具有煤机在机头( 尾) 停留时间短、有利于瓦斯管理和端头支护， 克服俯斜面装煤效果不好的缺点。合理的放煤步距是顶板和破碎的直 接顶同时到达放煤口，顶煤、直接顶随支架的前移按空间关系顺序堆 积。经对比试验，放煤步距为0 6 m 。采用单轮顺序放煤方式。为了兼 顾提高顶煤放出率，满足通风、行人、维护设备等要求，煤层厚度平 均4 5 m ，割煤厚度控制在2 2 2 m ，采放比为1 ：1 2 。 该工作面于2 0 0 0 年1 0 月中旬开始回采，于2 0 0 1 年5 月中旬结束。 经统计，俯斜综放能取得较高的采出率，最高达到9 5 8 0 ，t 煤工效 是同等条件下高档面的3 倍。在综放面未生产之前，大湾煤矿2 个高 档普采工作面生产，最高月产5 2 3 2 5 t ，平均月产38 3 6 5 t ，矿井处于严 重亏损状态。综放面生产后，在原有的2 个高档普采面均停采的状况 下，矿井最高月产8 4 4 4 5 t ，平均单产7 2 1 4 8 t ，相当于4 个高档普采面 的产量，矿井经济效益十分显著。 该矿通过俯斜开采综采放项煤工作面的试验，取得了以下几个方 面的经验：1 、俯斜布置的综放工作面，无论顶板冒放性如何，都较有 利提高顶煤回收率，减少含矸率，是解决较薄厚煤层综放开采回收率 偏低的技术途径之一；2 、该布置方式工作面在纵向上基本处于水平状 大倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 念，不存在设各下滑问题，有利于设备管理，设备故障率低，工序不 受限制等特点；3 、通过实践，俯斜面布置方式对防止端面片帮冒顶效 果较好，1 1 1 1 0 2 综放工作面煤层f 一 2 3 1 6 工作面2 3 1 5 工作面 机厦 厦 机 麓奄 鲁 巷 切瞑切眼 圈1 - 32 3 1 5 、7 3 1 6 伸斜开采工作面巷道布置平面示意圈 4 火倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 2倾斜长壁采煤法工作面顶板移动的一般规律 当今煤矿丌采技术的发展、煤炭产量及其它经济指标的提高，主 要取决于两个方面：一是生产设备的现代化，即综合机械化采煤设备 及其控制自动化的不断发展；一是对开采条件的自然变化规律的掌握， 即采煤方法和采煤工艺的不断完善。这两者均与矿山压力的显现有着 密切的联系。因此，认识和掌握矿山压力显现规律，是合理选择采煤 方法和采取有效控制方法的科学论据，并能对选择及改进设备提供可 靠依据。为研究特殊条件下倾斜长壁采煤法工作面顶板移动的规律及 其控制方法，我们首先要掌握一般情况下倾斜长壁采煤法工作面矿山 压力显现和顶板移动的一般规律。 2 1 项板岩石的力学性质及顶板分类 煤层的顶板岩石由于其组成成分十分复杂多样，表现为非均质性， 因而其力学性质也十分复杂。在三向压缩的应力状态下，岩石强度最 大；在单向受拉时，岩石强度最小，最容易出现断裂破坏。在受压条 件下，岩石一般沿最大剪应力面发生破坏，对均质、无弱面影响即理 想状态下的岩石，其滑移角q = 4 5 。+ 1 l r 2 。岩体内的弱面对岩石的 各种力学指标和破坏性能有极大影响，岩石强度是描述岩石力学性能 的一个重要指标。 根据围岩相对于开采煤层的位置和垮落性能的不同，我们通常将 煤层的顶板岩层分伪顶、直接顶、基本顶( 基本顶) 三种。伪顶直接 位于煤层之上，是极易垮落的较薄岩层，通常由炭质页岩等强度较低 的岩层所组成，厚度一般很薄，随落煤而一起垮落。直接顶位于伪顶 或煤层( 有的煤层没有伪顶) 之上的一层或几层岩层，通常是由泥岩、 页岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层所组成，回采时一般随回柱或支 架移动而自行垮落，有时则需人工放顶。基本顶( 基本顶) 位于直接 顶之上，有时也直接位于煤层之上的厚而坚硬的岩层，通常由厚层状 砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层所组成，基本项在采空区常能维持相当 大的悬露面积而不随直接顶垮落。 大倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 淮北矿区煤层顶板围岩、煤层类型基本划分表表2 1 类别 特征描述参考指标示例 完整岩层完整，层理不 岩层厚度般超过1 米， i 完整的砂岩、粉砂岩或泥 闸河矿区部分6 煤，桃圆矿部分 开 发育 8 煤，海孜矿部分1 0 煤顶板 岩 i i 较完 层理不太发育，一岩层厚度0 7 l l 米，裂闸河矿区部分3 、4 、5 、6 煤层 般没有煤线，但有隙较发育的砂岩或较完整，宿县、临涣矿区部分1 0 煤， 顶板 整型 诱发草帽项的裂隙的粉砂岩、泥岩宿县矿区部分3 、6 煤层项板 分类 较破 层理发育，有煤岩层厚度一般不超过o 8闸河旷区啬盼3 、4 、5 煤，祁南 i i i 线，易形成草帽顶米，裂隙铰发育的粉砂岩矿部分1 0 煤、临涣矿区部分，、 碎型 脱落或泥岩，自稳时间短8 、1 0 煤顶板 破碎 松散破碎，裂隙非 常发育，有煤线或 裂隙非常发育的粉砂岩、临涣矿区，轴矿、朱仙庄矿 型 泥岩或煤，自稳性差部分8 、1 0 煤i 曩报 有伪顶 坚硬煤体较稳定，煤帮f 1 0 ，巷道两帮最终移闸河矿区6 煤，宿县、临涣矿区 型 自稳性较好近量不超i 寸4 0 0 i i 口l o 煤 煤层 巾硬中等稳定状态，煤 f 值为0 5 1 0 ，巷道两 闸河矿区3 、4 、5 煤，临涣矿区 帮最终移近量不超过 分类 型帮能够自稳、宿县矿区部分7 、8 、1 0 煤 6 0 0 m m 松散 极松散软弱状态， f o 5 ，巷道两帮最终移 闸洞矿区部分4 煤，临涣矿区、 片帮严重，巷道成芦岭矿、朱仙庄矿部分7 、8 、 型碴0 0 1 0 0 1 m 型困难 l o 煤 煤层顶板也可根掘冒落性进行分类，这种分类方法综合了岩层的 岩相成分、岩层的构造、结构、分层性、裂隙程度、物理力学性质、 顶板垮落的正常步距等指标。一般分为八级：易冒落顶板、中等冒落 顶板、难冒落顶板、很难冒落顶板、缓慢下沉顶板、容易冒落和出现 适度的二次下沉的项板、冒落程度中等和不易冒落的并出现适度的二 次下沉的顶板、出现剧烈的二次下沉的顶板。 淮北矿区煤层顶板围岩( 煤层顶2 3 m 范围内岩层) 一般分为完 整型、较完整型、较破碎型、破碎型四类。其顶板、煤层类型基本划 分、岩石力学参数见表2 一l 、2 2 。 大倾角仰斜开采采场顶板摔制的研究 岩石力学参数表2 - 2 厚度容重泊松比抗压强度 抗拉弹性 l 岩性 强度模量 粘结力 ( m ) ( k n m3 )( m p a )( m p a ) ( m p a )( c , p a ) i 中砂岩 42 5 8o 2 18 76 31 1 96 9 l 粉砂岩 4 5 2 60 1 5 6 7 8 4 91 0 8 47 6 5 鑫罂 827 50 1 87 861 2 9 0 1 0 o 4 泥岩 2 5 4o 2 43 930 4 66 1 4 8 3 煤3 8 1 4 50 4 5131 70 2 71 1 4 3 泥岩 2 5 10 2 13 730 4 6 5 7 2 ，6 6 中细 4 7 2 4 70 2 67 35 71 0 2 35 3 砂岩 9 2 2 2 采场围岩的应力分布 在未采动的岩体内的原始应力是处于平衡状态的。岩体原始应力 与赋存浓度和上覆岩层的容重成正比。随着开采深度的增加，矿山压 力的显现也就愈加复杂和强烈。岩石在在层中长期受三向压力的作用， 象弹性材料一样能够蓄积弹性潜能。根据虎克定律，其体变弹性能为： 1 u ，= ! 旦( o ，+ o2 + o 。) 2 5 e 当巷道开挖或工作面回采后，引起应力状态发生变化，由三向状 态变为双向状态，使原始应力平衡状态破坏，导致岩体内的应力重新 分布，并趋于新的平衡。在采场中，围岩静止是相对的，因而围岩内 应力系统永趋于相对平衡状态。其状态如图2 1 所示。 b 一束空詹穿碎矸上应力奇布c 一穗电压办蛙 图2 - 1采场围岩的应力分布 大倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 等条件的不同，一般顶板岩层的破坏形式有四种：松散破坏、层状破 坏、大块塌落和自然下沉。通常煤系地层为中等强度的沉积岩、层理 和节理比较发育的页岩、砂岩，其破坏形式多为层状破坏。 走向长壁工作面与倾斜长壁工作面中的岩层移动规律的主要区别 在于岩层倾角的影响。一般，在缓斜和倾斜的角度范围内，_ 岩层的破 坏形式和冒落方式的性质是没有变化的。但倾角对冒落后的碎矸堆积 和采场顶板下部层的稳定性将有影响。因此，在倾斜长壁开采条件下， 岩层移动及其自然平衡的基本形式与走向长壁相比并无本质上的差 异。倾角带来的影响仅会使移动和平衡条件的参数有所不同。 2 3 1采场上方岩层的自然平衡条件 由于采场上覆岩层的破坏形式和厚度不同，使上方岩层达到自然 平衡的最普遍形式有两种：岩块梁和碎支承。 ( 1 ) 、岩块梁系采场的上覆岩层已断裂，但岩块间尚未失去联系， 在各岩块下沉时，由于转动产生的水平挤压力，或由于滑动产生的摩 擦力，使它仍能承受荷载，从而使上方岩层达到自然平衡。 b c a - - h h 。麟岩莱ib h k 囊接岩莱；c l m 0 5 ，岩琏莱 图2 3 岩块梁平衡条件 1 9 欠倾角仰斜开采采场顶板控制的研究 在工作面前方煤体上的应力呈波形分布，并形成应力升高区，此区 应力最大值常称为支承压力：在采场后方被压实的碎矸带上，也形成波 状的应力分布。这说明，采场上方岩层的重量荷载主要由前方的煤体 和采空区的压实碎矸带承担，起了支承座的作用，即以两个拱脚为支 点，而形成稳定的压力拱。因此，采场中的支架仅受了上方部分岩石 重量的作用。应力升高区的作用范围，随着远离煤层的距离不同而变 化。 岩层倾角的变化对采场围岩的应力分布的性质基本上没有影响， 但对应力分布值是有影响的。因岩石具有倾斜角时，上覆岩层的重量 可以分解为沿其层理方向的分力p ：和法线方向的分力p ，如图2 2 ： l p l2 g c o s f z l 尸2 = gs i n a o l 图2 2倾角对应力分布值的影响 显然，随着倾角a 的增大，p ，将减小，而p ：则增大。因此，岩层 的法线应力o 也将随着a 的增大而减小，层理方向的应力。：将随之 增大。在倾斜长壁工作面中，与走向长壁工作面相比，顶板的下沉量 及支架载荷并无明显增大现象，而层理方向的位移量及其作用力则有 显著增大，并且当倾角在8 1 2 。以上时，这种现象趋于明显。 2 3 采场围岩移动及其平衡条件 采场中随着采空面积的增大，在矿山压力的作用下，上覆岩层将 产生变形、挠曲直至破坏冒落。根据岩层的性质、厚度、结构和强度 夫倾角仰斜开采采场顶板 亭制的研究 对层状破坏的岩石，当冒落的岩层厚度h 和下方自由空问的高度 h ：当h h 时，可以形成“砌体”岩梁或“铰接”岩梁，如图2 3 a 、b 所示。 岩层下方自由空间高度是形成岩梁的极限高度，在采场中它等于 岩梁的实际允许最大下沉值。其平衡条件可表示为： ah h 。1 0 式中：hn i 一岩梁的厚度，m ； h 一岩梁的允许最大下沉值，i l l i l l ； h h 一( k 1 ) eh 10 3 h 一采高，m ； 。 k 一岩石的压实碎涨系数； h 。一冒落岩石的总厚度，m ； 故得： h 。( h - 4 h 1 0 ) ( k 一1 ) ，i l l 。 对大块岩块，当岩块的宽度l 与高h 之比l h 1 0 ，就可形成岩 块梁的拱系；当l h 0 5 时，可形成较稳定的岩块梁。如图2 3 c 所 不。 ( 2 ) 、碎矸支承是靠直接顶冒落的碎矸直接支承上覆岩层，从而达 到自然平衡，如图2 4 所示。 图2 - 4 碎矸支承上覆岩层平衡形式 其平衡条件为： h - k h + eh ，m ； 式中：h 一直接顶冒落的总厚度，m ； h 一采高，m ； 大倾角仰斜开采采场顶板挣制的研究 k 一冒落岩石的碎涨系数。 在走向长壁工作面，层状和松散破坏岩层的冒落总厚度 h = 2 3 h 时，对上覆岩层的活动就能起到支撑和缓冲作用，维 持其自然平衡。此条件对缓倾斜倾斜长壁工作面也适用。 2 3 2工作面采向及倾角对采场顶板下部岩层稳定状态的影响 由于采场的直接顶多是易冒落的岩层，故在采空区的顶板已经冒 落，采场工作空间有支架支护的情况下，顶板对工作面即呈悬梁状态。 虽然受采动影响，悬梁已被自然裂隙或压力裂隙切割成岩块体，但在 支架的支撑作用下仍能维持平衡。在缓倾斜和倾斜煤层的走向长壁工 作面中，它与支架相互作用，还能形成一定的挠曲形状，如图2 5 所 不。 厶向 l 颂板挠曲形状2 顿叛表面层的应力状态 图2 5走向长壁工作面顶板的挠曲状态 从图中可以看出，从煤壁至拐点0 之间的顶板处于压应力区，从 拐点至采空区的顶板处于拉应力区。显然，顶板受压力作用易于保持 稳定；受拉力作用，则易于破碎和冒落。为了保持顶板的良好稳定状 态，应选择好支架的力学性能，力求使拐点后移，直至采空区中。 对仰斜长壁工作面，由于倾角的影响，顶板将产生向采空区方向的 水平分力( 即沿层理方向的分力) ，如图2 6 a 所示。在此水平分力的 人倾手自仰斜开采采场顶板控制的研究 作用下，顶板的悬臂岩层将向采空区方向移动。此时，岩块间几乎完 全失去联系，使顶板的下部岩层均受拉力作用，因而它更易于出现裂 隙和加剧破碎，并且有将支柱推向采空区侧的趋势。当仰角大于 6 8 。时，在每个回采循环中，支柱向采空区侧倾斜5 8 。，个别情 况中甚至更大。 a a 抑斟i 作面b 一俯许工作面 图2 - 6倾斜长壁工作面直接顶板稳定状态 同理，煤壁的水平位移量也会增大，特别是靠近顶板的上部煤层， 更易沿滑移线滑落，使片帮和压出现象严重。因此，虽然倾角能起到 减弱煤层法线应力的作用，但由于煤层的水平位移量增大，又使顶板 的初始下沉量和自梁顶端至煤壁支承点的无支护距离( 面积) 随之增 大，从而必将导致顶板下部岩层的稳定性及其维护条件变坏。 对于俯斜长壁工作面，如图2 6 b ，项板岩块的水平分力方向与仰 斜工作面相反，即指向煤壁侧。由于此处的岩层为连续端，故在各岩 块间产生挤压力，顶板的下部岩层均受压力作用它有使顶板裂隙密合 的趋势，有利于顶板保持连续性和稳定性。但须注意防止煤壁处工作 空间的顶板漏矸或冒落，以免改变顶扳岩块的受力状态，而使其恶化。 同理，煤壁的水平位移和压出现象也将减弱，有利于顶板下部岩层的 大倾角仰斜开采采场顶板拄制的研究 稳定性及其维护。 从图2 - 6 我们也可以看出，倾角a 越大，影响也越大，仰斜工作 面中的顶板愈加不稳定，而俯斜工作面中的顶板愈加稳定。 2 4 矿山压力显现特点 国内外对走向长壁工作面的矿山压力显现已做了大量的观测和研 究工作，并得出了一系列描述采场压力显现规律的理论。因此，为了 了解和分析倾斜长壁工作面的矿山压力显现，我们从来压特点和顶板 破碎度两个方面与走向长壁工作面进行对比和分析。 2 4 1倾斜长壁工作面的来压特点 为了对倾斜长壁和走向长壁工作面的来压特点起先对比，我们选 取在张庄矿同一煤层( 3 煤层) 中地质条件相近分别采用两种方法的两 个工作面( 2 3 1 5 仰斜工作面、2 3 7 2 2 + 走向长壁工作面) 。 2 3 l5 倾斜长壁工作面的矿山地质和技术条件为：煤层总厚度3 5 m ， 直接顶为0 4 14 8 m ，平均厚度3 m 的泥岩、泥质页岩，基本顶为厚 5 0 1 4 o m 的灰、灰白色中细粒砂岩，以石英为主；直接底板是厚1 4 2 7 m 的灰色块状泥岩，含植物根茎化石。工作面长度1 4 0 m ，采高1 8 m ( 分层开采) 。仰采倾角2 4 。，炮采工作面。 2 3 7 2 2 + 走向长壁工作面的矿山地质和技术条件为：煤层总厚度平 均3 2 m ，直接顶厚度为灰、深灰色致密块状泥岩、砂质泥岩，含植物叶 茎化石，厚度3 7 m 。基本顶为厚6 0 1 2 o m 的灰、灰白色中细粒砂 岩，以石英长石为主：底板是厚1 4 5 o m 的浅灰色块状泥岩，含植物 根茎化石。工作面长度1 3 5 m ，采高2 3 m 。煤层倾角7 1 6 。，平均1 2 。， 炮采工作面。 在上述条件中，两工作面的采高与直接顶厚度之比比较接近，在 矿压规律性上二者是有可比性的。 在倾斜长壁工作面中，通过2 1 个循环( 循环进度i o m ) 的观测 结果表明，基本顶初次来压前顶板状况是良好的，没有出现裂隙、悬 石和冒落，支架后方直接顶经常有0 9 1 o m 的岩块悬浮。