理論與實(shí)踐：關(guān)于大傾角極堅(jiān)硬頂板易發(fā)火煤層綜放開采關(guān)鍵技術(shù)的探索
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現(xiàn)階段已基本解決了傾角55o以內(nèi)的長壁工作面的綜采技術(shù)問題，多個(gè)礦區(qū)在大傾角厚煤層工作面采用傾斜布置走向長壁綜放開采獲得了成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。但部分礦區(qū)大傾角復(fù)雜條件下煤層開采仍然是難點(diǎn)問題，成功解決此類大傾角煤層開采成為行業(yè)發(fā)展的又一方向。
1 概況
富力煤礦是龍煤集團(tuán)鶴崗分公司的主力礦井之一，核定生產(chǎn)能力為2 Mt/a。由于開采年限較長，剩余資源儲(chǔ)量多位于二水平- 380 m以下11 3煤層。11#煤層賦存條件復(fù)雜，煤層厚度4. 94～10.8m，平均厚度8. 49 m，煤層傾角38o～45o，最大埋深約712.8 m，地表處于緩慢下沉帶內(nèi)。該礦為瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量為22. 59 m3/min，相對涌出量4. 88 m3/t，所開采煤層均屬易發(fā)火煤層，煤塵具有爆炸性。11#煤層單軸抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果見表1，平均單軸抗壓強(qiáng)度10. 44 MPa，煤層強(qiáng)度較小，不利于工作面片幫冒頂控制．
11 8煤層直接頂為1.0 m的細(xì)粒砂巖，上部賦存有12.1 m的粗粒砂巖，平均普氏硬度系數(shù)為12.6，為極堅(jiān)硬頂板，且煤層自然發(fā)火期短，11#煤層為大傾角極堅(jiān)硬頂板易發(fā)火煤層。該類煤層工作面長度不宜布置過長，否則影響推進(jìn)速度，不利于采空區(qū)防滅火，加之傾角大，無法提供足夠的迫使頂板及時(shí)破斷的壓力，采煤后易形成頂板懸空狀態(tài)，不能自然冒落，嚴(yán)重制約著采用走向長壁綜采放頂煤采煤工藝的實(shí)施。由于煤層松軟，工作面?zhèn)涡辈贾迷斐身斆阂子诼淙瞬煽諈^(qū)，降低了頂煤回收率，也增加了采空區(qū)遺留浮煤發(fā)火幾率。
因此針對該類型煤層特點(diǎn)，研究適宜的安全高效高回收率開采方法，開發(fā)適應(yīng)性較強(qiáng)的配套設(shè)備，不僅關(guān)系到富力礦的可持續(xù)發(fā)展，并且對鶴崗和東北礦區(qū)及國內(nèi)類似煤層開采具有重要的參考意義。
2 工作面布置方式
工作面沿傾斜方向布置方式常用的有沿煤層底板布置、圓弧過渡布置和斜切布置3種，工作面傾斜布置3種方式示意圖如圖1所示。沿煤層底板布置方式（圖中a部分）的優(yōu)點(diǎn)是有利于提高煤炭回收率，對煤層厚度變化適應(yīng)性強(qiáng)，減少了采空區(qū)遺留浮煤，有利于采空區(qū)發(fā)火問題治理，但上下端頭頂板管理難度大。圓弧過渡布置方式（圖中b部分）的優(yōu)點(diǎn)是有利于控制設(shè)備的整體下滑，簡化了下端頭支護(hù)，解決了刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接問題，缺點(diǎn)是上端頭支護(hù)難度大，回采過程中對圓弧段割煤工藝技術(shù)要求高，對煤層厚度變化適應(yīng)性差，浪費(fèi)了下端三角煤。斜切布置方式（圖中c部分）與沿煤層底板布置方式相比，有利于工作面設(shè)備的防倒防滑，但上下端頭頂板支護(hù)難度大，下端頭底煤損失大，不利于采空區(qū)浮煤發(fā)火治理。
經(jīng)調(diào)研，大傾角工作面沿走向方向多采用偽仰斜布置，沿垂直于偽仰斜方向推進(jìn)。這種布置方式可相對減小工作面傾角，推進(jìn)過程中，前后輸送機(jī)和支架有上移方向位移分量，可抵消或減少前后輸送機(jī)與支架的下滑量。但偽仰斜布置增加了工作面管理難度，降低了移架和推進(jìn)速度，增加了頂煤落人采空區(qū)的幾率。
通過比較分析認(rèn)為在工作面設(shè)備滿足防倒防滑要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇正傾斜布置方式，不僅可適當(dāng)增加移架速度，而且可提高頂煤回收率，避免上部頂煤遺落至采空區(qū)。
3 開采方案
11 4煤層綜放工作面傾斜方向采用沿煤層底板布置方式，走向方向采用正傾斜布置方式，工作面傾斜長度100 m，割煤高度2.6 m，放煤高度5. 89 m，采煤機(jī)截深確定為0.8 m，設(shè)計(jì)進(jìn)尺3.2m/日。工作面配套設(shè)備如表2所示。
4 極堅(jiān)硬頂板綜合治理技術(shù)
11#煤層上覆12.1 m的粗粒砂巖，厚度大且極其堅(jiān)硬，易造成大面積懸頂，不利于頂煤回收，初次來壓和周期來壓期間一旦發(fā)生垮落往往來壓強(qiáng)烈，有明顯的動(dòng)壓沖擊載荷現(xiàn)象。能否對極堅(jiān)硬頂板有效處理是關(guān)系到II#煤層安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。
國內(nèi)堅(jiān)硬頂板弱化多采用爆破技術(shù)，處理頂板對生產(chǎn)造成干擾大，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)考慮到11#煤層頂板巖石具有弱沖擊傾向性，因此工作面初采期間采用深孔預(yù)爆破方式弱化頂板，正�；夭善陂g采用高壓注水弱化方式弱化頂板。
4.1 頂板深孔爆破弱化處理
初采期間對工作面上部約30 m的范圍頂板進(jìn)行處理，處理頂板的垂直高度約為31.3 m，為此設(shè)計(jì)了一組深孔，共3個(gè)孔，鉆孔布置在距切眼約10 m處的卸壓巷道中。1#孔孔深40 m，水平夾角5o；2#孔孔深42 m，水平夾角23o；3#孔孔深38 m，水平夾角40o，可滿足處理高度要求。根據(jù)煤礦現(xiàn)有鉆機(jī)的型號(hào)、鉆頭及鉆桿尺寸，并考慮到炸藥直徑63 mm，以及達(dá)到爆破能量要求，確定炮孔直徑為75 mm．炮孔封孔長度14—19 m，炮孔布置方案見圖2，工作面回采前完成爆破弱化工作。
4.2 回采期間頂板高壓注水處理
試驗(yàn)證明頂板高壓注水可有效地破壞巖體的完整性，達(dá)到保護(hù)采掘工作面的目的，這種技術(shù)比爆破弱化處理頂板技術(shù)易操作、安全系數(shù)高、成本低。
沿卸壓巷道每隔25 m施工一個(gè)高壓注水鉆孔，鉆孔方位與頂板卸壓巷垂直，鉆孔仰角5o，孔長50 m，鉆孔直徑75 mm。鉆孔打好后立刻進(jìn)行封孔，封孔使用水泥封孔器，封孔長度10 m。工作面共施工20個(gè)高壓注水孔。
注水使用高流量3D2A- SZ泵注水，泵站壓力25 MPa。注水順序?yàn)樽怨ぷ髅嫦蛲獠裤@孔依次注水。每孔每天注水時(shí)間為3 h以上，為避開受采動(dòng)影響壓力增大區(qū)域，注水作業(yè)距工作面距離不小于30 m。
5支架特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工作面采用鄭州煤機(jī)廠生產(chǎn)的ZF5600/16/28型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架中心距1.5 m，初撐力5234 kN，平均支護(hù)強(qiáng)度0.8 MPa。為適應(yīng)超過40o的工作面傾角條件，支架設(shè)計(jì)了強(qiáng)力大行程側(cè)推機(jī)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)屬于主動(dòng)防倒機(jī)構(gòu)，支架每側(cè)的側(cè)護(hù)板共設(shè)置8根側(cè)推千斤頂，總推力遠(yuǎn)大于支架重量。側(cè)推機(jī)構(gòu)每側(cè)行程150 mm，支架寬度調(diào)節(jié)范圍達(dá)到300 mm，使支架具有良好的防倒能力。支架底座一側(cè)設(shè)置防滑梁裝置，兩側(cè)均帶有2個(gè)可以單獨(dú)動(dòng)作的底調(diào)千斤頂。當(dāng)支架發(fā)生下滑時(shí)，可通過底調(diào)梁和相鄰支架的底調(diào)千斤頂調(diào)整支架狀態(tài)。
6工作面防倒防滑技術(shù)
通過研究工作面支架受力特點(diǎn)，采用多種工作面防倒防滑技術(shù)，有效地控制了工作面設(shè)備的下滑。
(l)工作面設(shè)備。工作面采用了斜拉式防倒裝置，三組支架設(shè)置一組斜拉裝置，同時(shí)設(shè)置了頂梁平拉防倒裝置。正傾斜大傾角綜放工作面液壓支架要承受較大的側(cè)向力，設(shè)計(jì)的支架加大了側(cè)護(hù)板的強(qiáng)度和寬度，可有效封閉頂板并防止相鄰支架倒架。前、后刮板輸送機(jī)溜槽底部均焊接橫向防滑鋼筋用于防滑。
(2)移架工藝。在移架過程中，支架稍降，并帶有一定的支護(hù)阻力，擦頂前移，在限制頂煤向下位移的同時(shí)，能夠使支架承受一定的支護(hù)阻力，從而利于支架自身穩(wěn)定，也能有效阻止支架傾倒、下滑。
(3)頂煤穩(wěn)定性控制。由于支架上部頂煤破碎，極易造成冒頂垮落，不利于支架接頂，工作面支架上方設(shè)計(jì)鋪雙層金屬頂網(wǎng)。為提高頂煤回收率和維護(hù)支架穩(wěn)定性，工作面放煤方式采用間隔多循環(huán)多輪次放頂煤方式，每個(gè)放煤口的放煤時(shí)間3～5 min，當(dāng)放煤到工作面上端頭后，再由上端頭起進(jìn)行下一輪次放煤，使煤及頂板均勻下降。
7結(jié)語
(l)采用堅(jiān)硬頂板深孔爆破預(yù)裂和水力壓裂綜合治理技術(shù)，可有效處理平均抗壓強(qiáng)度126 MPa、結(jié)構(gòu)完整的砂巖頂板，降低了工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。
(2)開發(fā)了具有強(qiáng)力大行程側(cè)推機(jī)構(gòu)、可單獨(dú)動(dòng)作的雙千斤頂調(diào)底機(jī)構(gòu)的ZF5600/16/28型支撐掩護(hù)式液壓支架，設(shè)計(jì)了前輸送機(jī)防滑底推千斤頂，設(shè)計(jì)了合理的工作面防倒防滑技術(shù)，適用于大傾角極堅(jiān)硬頂板松軟煤層地質(zhì)條件，滿足工作面正傾斜布置要求。
(3) 11#煤層首采綜放工作面采用新型綜放設(shè)備及工藝技術(shù)后每日可推進(jìn)4個(gè)循環(huán)，進(jìn)尺3.2 m/日，測試回收率達(dá)到86. 76%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，由于推進(jìn)速度較快，還有利于防火工作，間接地降低了防火工作成本。
