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1、2023/2/22,大倾角综采工作面安全高效开采技术研究,赵光明,大倾角综采技术,提纲,一、引言二、大倾角煤层的概念三、大倾角煤层开采技术四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特点六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议,一、引言,从煤炭资源的分布来看，我国大倾角煤层主要分布在新疆的乌鲁木齐矿区，甘肃的华亭矿区、靖远矿区和窑街矿区，宁夏的石炭井矿区，川渝的广旺、达竹、攀枝花、华釜山矿区，东北的辽源矿区，辽宁的沈阳矿区，安徽的淮南、淮北矿区，河北的开滦矿区，江苏的徐州矿区，河南鹤壁矿区，平顶山矿区的部分矿以及北京、广东和福建等省。
2、淮南矿区目前有新庄孜矿、李咀孜矿、潘北矿、李一矿和潘三矿等开采大倾角煤层。,2009年我国探明煤炭资源近1500亿吨，其中倾角小于35的储量大约为1289.25亿吨，倾角在3545 的储量约为135.75亿吨，倾角大于45 的储量约为75亿吨。2009年全国煤矿产煤29.648亿吨，其中倾角大于35的煤矿产煤2.381亿吨。从有关文献来看，大倾角煤层的产量呈逐年上升趋势，这说明对大倾角煤层的开采在我国越来越受到重视。,1、引言,2009年不同类型煤层煤炭探明储量,1、引言,2009年不同类型煤层煤炭产量统计,1、引言,我国在20世纪80年代开始出现大倾角煤层开采这一新名词，当时受设备和技术限制
3、，在25以上倾角的煤层中使用综合机械化采煤时就称其为大倾角综采。随着综采技术水平和回来设备的不断发展，综合机械化开采的应用范围不断扩大，大倾角煤层概念的界定下限由25增至30和32。七五期间国家将35 以上煤层综采技术列为重点攻关项目，当时正式称为大倾角煤层综采技术。,二、大倾角煤层的概念,平寿康教授等认为大倾角煤层是指3555的煤层。石平五教授指出，“大倾角煤层的倾角在35 60之间”。伍永平教授等认为大倾角煤层主要是指倾角大于35的煤层，上限是55或60。煤炭科学研究总院上海分院的陈梦资高级工程师认为大倾斜煤层煤层倾角为3555，急倾斜煤层5590。,二、大倾角煤层的概念,徐永折教授等学者
4、在煤矿开采学一书中按035、36 54和5590的煤层倾角对上覆岩层破坏的空间形态作了阐述。根据我国煤矿综合机械化开采技术和设备的发展现状，目前急需对我国现行的煤层倾角分类标准进行重新划分。特别是对大倾角煤层的概念进行统一界定，从而更加有利于综合机械化采煤技术的发展和国际学术交流。,二、大倾角煤层的概念,三、大倾角煤层开采发展史,3.1 大倾角煤层开采方法 50年代初期，大倾角煤层主要是发展倒台阶采煤法。60年代末到70年代初，伪斜柔性掩护支架采煤法取得了成功（淮南局大通矿），目前仍是我国开采急倾斜煤层的主要采煤方法。70年代中后期，在2m厚的煤层中成功试验了正（斜）台阶采煤法和俯伪斜走向长壁
5、分段水平密集采煤法。,三、大倾角煤层开采技术,80年代中，四川省鉴于大倾角煤层在煤炭生产中所占比例很大，一些矿区开始了以俯伪斜体系为代表的采煤方法改革。如四川广旺矿务局旺苍矿及芙蓉矿务局杉木树矿的伪俯斜走向长壁分段密集采煤法，芙蓉矿务局巡场矿的伪俯斜走向分段密集支柱采煤法及广旺矿务局唐家河矿伪斜小巷多短壁采煤法等。,自80年代开始，我国在大倾角薄及中厚煤层中进行了走向长壁综合机械化采煤的工业性试验。具有代表性的有:河北金牛能源公司葛泉矿急倾斜煤层走向长壁综采工作面（煤层倾角最大56）四川华蓥山广能集团有限责任公司绿水洞矿5634综采工作面（煤层倾角3743）开滦集团唐山矿业分公司（煤层倾角15
6、45）,三、大倾角煤层开采技术,大量的现场生产实践与试验研究表明，不论是国产的大倾角煤层综采设备还是从国外引进的大倾角煤层综采成套装备在理论与技术基础上存在问题，尽管科研与生产单位做了许多针对性的工作，但均没有获得满意的效果，开采大倾角煤层的矿井除工作面产量与效率低下外，几乎都发生过工作面支护系统大范围失稳引发的重大人员伤亡事故。,三、大倾角煤层开采技术,3.2 大倾角煤层开采岩层控制研究 在大倾角煤层开采方法研究的同时，在岩层控制领域也进行了探索。平寿康教授是我国研究大倾角煤层开采围岩灾害的奠基者，首次比较系统和全面地研究了大倾角煤层开采的矿压显现和防治技术。吴绍倩教授、石平五教授等完成的首
7、批煤炭科学基金项目“急斜煤层矿压显现规律研究”，采用现场实测、实验室实验和理论分析的方法较系统地研究了急倾斜煤层围岩运动和破坏规律。,三、大倾角煤层开采技术,石平五教授等提出了大倾角煤层“顶板-支架-底板”相互作用模型，较系统地研究了大倾角煤层底板破坏滑移力学过程、围岩灾变机理及其防治措施，并给出了相应的评价指标与体系。大倾角煤层开采岩层控制研究虽然解决了一些局、矿大倾角煤层的生产问题，并在特定的地质及生产技术条件下获得了成功，但是主要的研究与试验工作集中在非机械化开采领域，而对于大倾角煤层综合机械化工作面围岩控制理论的研究还没有成为体系。,三、大倾角煤层开采技术,四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿，
8、大倾角煤层综采试验的第一个工作面为6134工作面，平均倾角36，第二个试验工作面为5634工作面，倾角为3743。到2004年已采完12个工作面，生产商品煤206万（原煤239万)，工作面平均倾角最小32，最大42，工作面最大倾角52。,4.1 四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,（1）工作面支护装备工作面支架：ZYJ2300-13/32型大倾角掩护式液压支架高度：1.3 3.2 m宽度：1.42 1.59 m长度：3.704.53 m中心距：1.50 m初撑阻力：14101537 kN工作阻力：2063 2332 kN支护强度：0.400.49 MPa底板比压：
9、0.581.27 MPa拉架力：362 kN推溜力：121 kN泵站压力：31.4 MPa总体重量：8815 kg,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,开采高度：1.503.00 m工作面长：150 m顶板条件：II级基本顶(老顶)以下中等稳定和不稳 定顶板底板条件：直接底或煤底煤层倾角：3545（增加防护装置后可使用 倾角55）截深：0.63 m采煤方法：落法管理顶板的走向长壁工作面,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,端头支架 ZTHJ3400/16/25型大倾角侧移式端头支架(横向布置)高度：2.50 m宽度：1.60 m长度：4.70 m工作阻力：3400 kN支护强度：0.452
10、 MPa底板比压：0.708 MPa顶板条件：II级基本顶(老顶)以下中等稳定和不稳定顶板底板条件：直接底或煤底泵站压力：31.4 MPa总体重量：1375 kg,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,（2）主要工艺特征 割煤 采煤机由上而下割煤，斜切进刀。移架 采煤机向上回收浮煤时，先移端头支架，再由下向上依次移工作面支架。推溜 工作面支架前移过程中依次由下向上推 溜，推溜时溜子弯曲段保持15 20 m。,（3）6134综采工作面矿压显现规律,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿6134综采工作面（煤层厚度2.60 m2.85
11、 m，倾角2536）,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,（3）各采煤工作面回采情况,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,4.2 河北金牛能源公司葛泉矿 1521工作面是葛泉矿2005年投产的综采工作面，开采煤层为山西组2#煤，顶板属二类二级，伪顶局部发育。工作面里段倾角3246。倾斜长97101m，走向长度470m，煤厚1.63.2 m。工作面外段切眼沿断层走向布置，工作面倾角3855。工作面倾斜面长104 115m，走向长430m，煤厚2.33.1m。,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,ZY3200/13.5/28液压支架重量：12 t 支架高度：13502800 mm 泵站压力：
12、31.5MPa 初撑力：2616kN 支护强度：0.540.62MPa 对底板比压：1.031.17 MPa,在前三架支架中，设计了前梁连锁装置、底脚连锁装置，前四连杆连锁装置和后座防滑装置等。,（1）工作面支护装备,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,采煤机主要技术参数,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,工作面刮板输送机主要技术参数,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,（2）1521工作面设备布置特点 工作面刮板输送机在工作面内，不伸入顺槽，通过溜槽向位于下顺槽上帮的转载机卸载；工作面斜长有少量变化时，在工作面上端增减单体液压支柱支护，避免增减工作面刮板输送机的长度和工作面液压支架的
13、架数。用五架排头支架加强防倒防滑性能。,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,（3）1521综采工作面矿压显现规律,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,（4）1521工作面经济效益 工作面平均月产量6万t，直接工效21.3t/工(炮采时平均月产量1.0万t，直接工效1.3t/工)，最高月产7.0万t，工作面煤炭资源回收率提高了14，多回收煤炭4.71万t，直接经济效益为2871.0万元，取得了显著的经济效益，大大改善了开采的安全条件，降低了工人的劳动强度。,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,(1)大倾角煤层走向长壁工作面开采具有初次来压和周期来压现象
14、。与缓倾斜煤层开采时相比，在顶板条件相同时，老顶来压的步距较大，持续时间较长，但来压强度较同样岩性及生产技术条件下的缓倾斜煤层要小。(2)大倾角煤层走向长壁工作面开采时在工作面倾斜方向由于支撑条件不同，通常情况下，不论工作面为直线布置还是伪斜布置，其工作面倾斜中、上部区域的矿压显现要明显大于下部区域。,4.3 大倾角煤层走向长壁工作面矿压显现特征,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,(3)大倾角煤层工作面来压具有“时序性”，即沿工作面倾斜方向来压是不同步的。一般表现是工作面中部或中上部区域首先来压，相隔一段时间后(一天到三天不等)，工作面下部区域才出现来压显现特征。,图中实线为随工作面推进时
15、的顶板破断线，虚线为顶板的最终破断线，点划线为可能出现的副破断线：A，B，C为破断顺序)。,四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,5.1 直接顶沿工作面倾斜方向运动状态不同 由于倾角作用，工作面上部区域的直接顶岩层能够全厚度的垮落，且在放顶线后呈杂乱堆积并沿工作面倾斜下滑。采面中部位置的直接顶岩层则从下分层到上分层以不同的形式冒落，较下的岩层一般杂乱垮落而且块度不一，较上的岩层垮落则以较大块度、较整齐排列的形式垮落，而更上部的岩层则有可能在走向及倾斜方向上均形成“结构”。处于工作面倾斜下部区域内的直接顶岩层通常只有最下分层及其附近的岩层才会出现断裂与垮落，
16、其上各分层裂断整齐排列，较上分层的岩层则会形成“结构”。,大倾角煤层直接顶岩层在采场中、下段采空区后方形成的“砌体拱”结构模型,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,采场中段处直接顶小结构形成时水平挤压力：,式中：R为直接顶岩块在铰接点处的支反力；L为直接顶岩块长度；hZ为直接顶厚度；为直接顶岩层容重；为直接顶岩层内摩擦角；为岩块的下沉转角。,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,采场中段直接顶结构滑落失稳条件:,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,采场下段直接顶小结构形成时水平挤压力:,采场下段直接顶结构滑落失稳条件:,5.2“三带”发育高度沿工作面倾斜方向不同,工作面倾斜方向的中、上部顶
17、板中“三带”形成层位较高、下部较低或不明显。,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,5.3 工作面沿倾斜方向破断老顶岩块易形成“结构”在近水平或缓倾斜工作面，沿工作面线方向顶板不易形成“结构”。在大倾角煤层工作面，破断岩块在重力的倾向分力作用下，极易形成“结构”，该结构的实质是一个“三铰拱”，上部拱脚支撑于上顺槽上方的岩(煤)层内，下部拱脚由工作面中部(或中部偏上)的冒落矸石支撑。,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,倾斜方向破断老顶岩块平衡条件：,T沿层面的横向推力；R由于岩块自身重量形成的岩块间的压力；Q岩块间的剪切力,走向方向破断老顶岩块平衡条件：
18、,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,5.4 顶板破断过程的复杂性和不确定性 在顶板变形和破坏过程，倾角增大将在质量和数量方面带来根本性的变化。由于沿层面分力qsin的影响，在倾斜岩梁的下端增加了一个附加的压应力，在梁的上端增加了一个附加的拉应力，使得在梁的上表面和下表面出现的最大压应力和最大拉应力位置不同，相对缓倾斜煤层上表面最大压应力位置下移，而下表面最大拉应力位置上移。这必然增加了顶板岩层沿倾斜方向破坏的不确定性。,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,倾斜岩梁下部应力分布图,倾斜岩梁上部应力分布图,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,5.5 老顶在工作面中、上部区域运动较为剧烈 大
19、倾角煤层走向长壁工作面上覆岩层沿倾斜剖面在不同位置所受到的约束不同，因此在垂直方向上，不同位置的上覆岩层的运动状态不同。一般表现为工作面下部区域小于上部，中上部区域的岩层运动较下部剧烈。5.6 大倾角煤层走向长壁开采底板产生破坏滑移 随着煤层倾角增大，底板岩层自身重力中促使其稳定的分量减小，而导致其出现非稳态运动的分量相应增大，当倾角增大到35，底板岩层在卸荷过程中发生的运动会导致出现与顶板岩层相对应的破坏特征大量变形引发的裂断、膨胀，形成滑移体并产生沿滑移面的滑移。,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,未考虑设备滑底板破坏计算简图,考虑设备下滑时底板破
20、坏计算简图,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,未考虑设备影响时的底板破坏安全系数F:,考虑设备影响时的底板破坏安全系数F:,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,由破坏安全系数F得出的结论:在支架的初撑力和工作阻力足以保证支架的稳定性时，底板的稳定性优于无支架作用于底板时的稳定性。底板岩层的整体性以及力学性是影响底板岩层稳定性的主要因素，岩层的粘接力c和内摩擦角越大，底板的稳定性能越好，反之越差。煤层倾角是影响底板破坏的最重要因素。不管设备、支架对底板出于何种状态，倾角对底板都有影响，倾角越大，底板破坏越严重。支架与底板的摩擦系数与支架的下滑稳定性成正变，即越大，支架的稳定性越好，但是，当
21、支架失稳后，这个力对底板的破坏性增大。,五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特征,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,6.1支护系统与围岩的相互作用 工作面支架的稳定性 在大倾角煤层工作面，由于支架自身重量及施加于支架之上顶板破断岩块在空间运动过程中的推力作用，支架会出现前移过程中的“掉尾”、顶梁前端的局部“挤咬”等现象。,支架下滑的临界倾角：,单个支架静态自稳所需的最小初撑力只PS0，Pt0为:,支架倾倒的临界倾角：,单个支架静态自稳所需的工作阻力Ps，Pt分别为:,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,支架的稳定性随工作阻力(或初撑力)和支架与顶底板间摩擦系数的增大而上升，随支架重量、高宽比、顶
22、板荷载和煤层倾角的增大而降低。大倾角煤层工作面支架在自由状态下出现的下滑、倾倒和架间挤咬现象不可避免。要使支架在工作过程中正常推进，必须使支架的初撑力和工作阻力使顶梁与煤层顶板、底座与煤层底板间有足够的初撑力和工作阻力。,端头和排头支架对工作面支护系统稳定性的作用 大倾角煤层工作面防止支架下滑、倾倒及支架调整的最终依托是端头和排头支架。端头支架横向布置时对排头支架的稳定更加有利。排头支架除依靠来自于端头支架的“稳定阻力”外，自身还要有足够的初撑力和工作阻力，并需多架支架相互作用，互为依托前移，才能完成对顶板的支撑与控制作用。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,工作面设备对支护系统稳定性的影响
23、 大倾角煤层走向长壁工作面设备主要有高强度封闭式输送机和大功率采煤机，由于重量大且不能固定在底板上，在实际的推进过程中溜子和采煤机的整体下滑是不可避免的。此外，采煤机和溜子在工作过程中的震动，对设备的稳定性会产生特别的影响。采煤工作面设备和支架是联系在一起的，在工作面推进过程中两者会产生相互影响，故设备的整体运动必然会对支架的稳定产生负面影响。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,(1)顺向倾倒型失稳 顺向倾倒型失稳的特征是“底板滑移、支架下滑与破断顶板空间运移的倾向相同，轨迹耦合趋势一致，但下滑量底板支架和设备破断顶板。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统
24、,(2)逆向侧翻型失稳 逆向侧翻型失稳的特征是底板滑移、支架下滑与破断顶板空间运移的倾向相同，轨迹耦合趋势一致，但下滑量则与顺向倾倒失稳时相反，即底板支架和设备破断顶板。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,(3)错动型滑落失稳 错动型滑落失稳又可分为六种状态，即顶板超前型、顶板滞后型、支架超前型、支架滞后型、底板超前型、底板滞后型，其共同特征是底板、支架、顶板三者的移动量差异较大，超出了保持“支护系统”稳定的基本范围。,6.3 生产实践中需解决的关键技术 为保证大倾角煤层走向长壁综采工作面安全高效开采，在实际的生产管理中应注重以下几点：(1)煤层倾角 一般来说，一旦工作面完成之后，对工作面而
25、言，煤层倾角就成为了一个客观存在的确定因素，因此，对煤层倾角控制的唯一方法就是工作面伪斜布置，具体的伪斜角度则要根据工作面设备配置、主要回采工艺过程和参数来确定，通常为510，最大不超过15。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,(2)底板的变形、破坏与滑移 由底板变形、破坏而产生的滑移体运动是支护系统稳定性控制的基础，要使系统保持稳定，首要问题是保持底板的稳定。在实际生产中，科学地设计和选择支护形式，确定合理的底板比压，严格控制回采工艺过程，使底板能够在一个工作面控顶距内保持完整与稳定。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,(3)工作面支架(支护系统)和设备 不论在何种条件下，工作面支护系统
26、的工作阻力对顶板、底板和其本身的稳定都具有调节作用。由于支架的工作阻力除与顶板荷载有关外，还与支架本身的重量(包括工作面设备分摊到每个支架上的重量)有关，系统重量越大，保持其稳定所需的工作阻力越大，并且随着工作面倾角的增大，这种特性表现的更加突出。因此，在实际生产中，应在保证支架具有保持动态稳定性所需的最小工作阻力的前提下，尽量减轻支架重量。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,(4)工作面顶板破断岩块和上覆岩层荷载 由于顶板破断岩块在垂直岩层层面方向下沉的过程中，伴随着沿层面方向的滑动，导致支护系统出现失稳趋向，同时，破断岩块的重量越大，系统出现失稳的可能性越大。因此，在生产实际中，及时控制
27、顶板的下沉量，使其在控顶范围内的离层发展受到一定的限制，减小顶板内形成荷载的岩层有效厚度，从而减小顶板破断岩块的重量，有利于发挥支护系统有限的工作阻力。在对顶板的控制中要特别注重对破碎顶板的控制，防止出现冒顶。在工作面初次来压和周期来压期间，要充分利用支架的的富裕工作阻力使支护系统保持稳定。,六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统,七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议,7.1 对工作面优化设计 设计时要详细调查工作面生产技术条件，充分论证其是否具备综采开采条件。生产系统要简单，特别是运煤系统和供料系统。切眼应避开地质构造带，施工倾角、高度应控制一致。工作面长度要在技术经济上合理（150200
28、m为宜），尽量等长布置、伪仰斜布置。过渡支架位置要合理。,7.2 选取对复杂地质条件适应性强的综采设备 根据大倾角煤层综采特点，必须改变传统的“三机”选型设备配套理念，以支护系统的稳定性为设计核心。选用采高适应范围大、支护强度高、宽型顶梁和底座，较大缸径立柱、重量轻等特点的液压支架。和高阻力、大吨位的端头支架；选用大功率、牵引力大、爬坡能力强的电牵引采煤机。,七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议,选用全封闭、启动、制动、防滑性能好的刮板输送机。7.3 改进两巷支护 采用锚网（索）支护，尽量避免采用金属支架。使工作面上下出口的支护变的较为简单，能提高开机率。7.4 监测监控系统要完善 建立
29、工作面生产设备、支护系统工作状况和工作面围岩灾变监测监控体系。,七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议,7.5 改进综采工作面通讯系统 实现综采工作面通讯现代化，将分散的岗位、流动的作业人员以及生产组织人员有机地联系起来，使指挥、调度得心应手，生产过程中出现的各种问题，能够及时解决。7.6 现场管理要到位 杜绝、减少工作面冒顶事故。营造良好的设备、运行、操作环境。,七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议,做好生产准备班的检修工作，减少各类生产事故，增强处理事故的能力。在整个工作面的回采中，管理人员必须对工作面情况全部掌握清楚，把影响生产和安全的问题消除在萌芽之中。管理人员和操作人员应认真落实回采作业规程和相关技术安全措施，保证生产的正常进行。,七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议,
