国内大倾角煤层开采支护技术研究详解.docx
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国内大倾角煤层开采支护技术研究详解
5国内大倾角煤层开采支护技术研究
观音山煤矿C5煤层开采地质技术条件特点为:
煤倾角大,顶、底板较软。
由于该矿尚未开采,不能进行一些必要的现场实测,所以课题组在理论计算和模拟计算的基础上,通过对相似条件的矿井调研,以进行一些必要的工程类比,对支架选型将有重要的指导意义。
针对以上特点,课题组分别对徐州、淮南、双鸭山、四川、贵州、河南、河北、新疆、山东、甘肃等地,对垞城煤矿、新庄孜煤矿、东保卫煤矿、新集一矿、火铺矿、新庄煤矿、平煤十二矿、十三矿、三汇一矿、绿水洞煤矿、梁北矿、陈四楼矿、屯留矿、葛泉矿、王家山矿、艾维尔沟煤矿等矿井进行了现场、网络、电话调研工作,并对国内大倾角及软顶底板煤层开采及液压支架支护技术进行了分析研究。
自20世纪80年代开始,我国就一直致力于大倾角煤层的机械化开采的研究,煤炭科学研究院北京开采所、唐山分院、成都煤干院、西安矿业学院、中国矿业大学、中国矿业大学(北京)以及东北大学等科研院所从急倾斜煤层入手开始这方面的研究,同时引进国外技术与装备,在辽宁沈阳矿务局、北京矿务局、安徽淮南矿务局等矿区进行了试验与生产,取得了可喜的成果和经验。
5.1徐州矿务集团垞城煤矿
垞城煤矿隶属于徐州矿务集团,1970年5月开始建矿,1976年底投产,1982年达到设计生产能力,年产45万t/a,以后逐年提高。
2006年核定能力105万t/a。
自建矿以来,没发生过瓦斯涌出、突出等现象,瓦斯相对涌出量小于10m3/t·d,属低瓦斯矿井。
矿井可采及局部可采煤层1煤、2煤、7煤、9煤、20煤、21煤,主采煤层1、2煤。
2006年10月份以后开采9煤,调研截止时垞城煤矿正在回采的综采工作面有2个,分别是22109工作面和92101工作面,两个工作面所使用的综采支架架型不同,下面具体介绍。
5.1.122109工作面
地质说明见表5-1。
表5-122109综采工作面地质说明书
概况
煤层名称
2煤
水平名称
-750
采区名称
南翼采区
工作面
22109
地面标高(m)
+35
工作面标高(m)
-650~-720
走向长(m)
630
倾向长(m)
140
面积(m2)
88200
煤
层
煤层总厚(m)
0.6~2.2
1.6
煤层结构
复杂
煤层倾角
(°)
25~31
28
根据该面两道的掘进情况以及工作面内Ⅷ-18孔及周边Ⅷ-17、Ⅶ-15孔及22017工作面对煤层的控制情况分析、煤层结构比较复杂,夹矸厚度0~2.2米、煤层厚度0.6~2.2米,平均1.6米。
22109工作面的实测倾角在30°以上。
煤
层
顶
底
板
类别
岩石名称
厚度(m)
岩性特征
顶
板
伪顶
直接顶
泥岩
0.5~2.0
深灰色至灰色,局部含植物化石碎片
老顶
砂岩
2.0~4.1
灰色细砂岩、矿物质以石英为主,含泥质条纹。
平均抗压强度为83~146Mpa,为中等~不易冒落岩石。
底
板
直接底
砂质泥岩
1.32
灰色、含砂质不均,局部为细粒砂岩
老底
地
质
构
造
该工作面为一向东倾斜的单斜构造,走向方位角15°,呈缓波状弯曲;从勘探资料及目前的采掘情况看,该区域没见大的断裂构造。
矿压观测情况如表5-2。
表5-222105工作面实测矿压观测资料
直接顶类别
老顶级别
来压类别
来压步距(m)
支护强度(MPa)
支护方式
2
Ⅱ
初次来压
25
0.48
综采液压支架
2
Ⅱ
第一次周期压
16
0.35
2
Ⅱ
第二次周期压
15
0.32
顶板
下沉
平
均
60
mm
立
柱
载
荷
平均
25MPa
活柱
缩量
平
均
mm
2
岩
石
硬
度
顶
8
最
大
120
mm
最大
37MPa
最
大
mm
8
底
10
注:
该工作面直接顶初次垮落步距为7米
工作面液压支架:
工作面安装ZF3200/16/24B型液压支架100架,上下端头各安装ZFG3500/17/25型支架2架,共104架。
支架参数见表5-3及表5-4。
表5-3ZF3200/16/24B支架主要技术特征
支架高度
1600~2400mm
支护宽度
1430~1600mm
中心距
1500mm
支护强度
0.54~0.58MPa
初撑力
2524kN
顶底板比压
0.1~0.4MPa
工作阻力
3200kN
操作方式
本架
泵压
31.4MPa
重量
9800kg
推溜力
306kN
拉架力
485kN
表5-4ZFG3500/17/25B支架主要技术特征
支架高度
1700~2500mm
支架宽度
14301600mm
中心距
1500mm
支护强度
0.560.57MPa
初撑力
2524kN
顶底板比压
0.27~0.6MPa
工作阻力
3500kN
操作方式
本架
泵压
31.4MPa
重量
10280kg
这种类型的支架属于轻型放顶煤支架,支撑掩护式结构,它的特点在于不仅有前探梁,还有护帮板。
最初矿上想上综放工作面,但由于地质条件所限两个月后拆除后部溜子,综放改为综采。
在22107和22109两个工作面使用过,使用效果还是相当好的。
针对垞城煤矿2煤的地质条件来说,地质构造非常复杂,断层非常多,煤层厚度不稳定,一般在1.5m左右,1、2煤煤层间距不稳定,顶板破碎易冒落,煤层松软易片帮,在回采过程中采用及时支护的方式,对顶板破碎段采取超前移架的措施,前探梁和护帮板的作用非常明显,及时支护暴露顶板,减少端面距,护帮板及时护住煤帮,防止片帮。
它的缺点在于侧护板能伸出300mm左右,而前探梁处没有侧护板,当侧护板打开时,两架之间在煤壁侧的间隙很大,在移架过程中容易掉矸,影响煤质,还有可能掉矸伤人。
这一点在本设计中应该有借鉴作用。
5.1.292101工作面
垞城煤矿2006年10月份以后开采9煤,92101工作面地质说明见表5-5。
表5-592101工作面地质说明书
概况
煤层名称
9煤
水平名称
-750
采区名称
南翼采区
工作面
92101上面
地面标高
+34.5
工作面标高
-643.5~-761
走向长
大面
750~700
730
倾向长
大面
130~137
132
面积
(m2)
104992
小面
166
小面
52
煤
层
煤层总厚
0.8~3.2
1.8
煤层结构
复杂
煤层倾角
(°)
26~33
28
该面靠近冲刷边界,煤层赋存不甚稳定,两道开窝位置煤层厚度变异较大,煤层结构复杂,多为两层结构,层间距为0~2.6米,煤层厚度0.8~3.2米,平均1.8米,倾角26°~33°,平均28°,由北向南渐缓。
煤
层
顶
底
板
类别
岩石名称
厚度(m)
岩性特征
顶
板
伪顶
炭质泥岩
0.2~1.5
黑色至黑灰色,块状,性脆,易冒落。
直接顶
砂质泥岩
1.0~3.2
黑色至黑灰色,含砂量较高,可见植物化石碎片
老顶
砂岩
15~20
灰至灰白色细或中粒含镜煤条带,局部含黄铁矿薄膜。
外部直接顶板为薄层状,易冒落。
砂岩的其平均抗压强度为83~146Mpa,为中等~不易冒落岩石。
底
板
直接底
泥岩
2.5~3.0
块状,性脆,易破碎,含砂不均,含水量砂岩条纹。
下伏10煤。
老底
砂岩
顶部含砂较少,中间含砂均匀,底部含砂增多,含植物化石,层理不明显。
砂岩的其平均抗压强度为83~146Mpa,为中等~不易冒落岩石。
影响回采其他因素
地压
压力较大,延续时间比较长,复杂程度较简单
瓦斯、煤层自燃
该面属低瓦斯区域。
该煤层属自然发火煤层,自燃发火期为3~6个月。
摩氏硬度
煤层
夹矸
直接顶
直接底
Ⅱ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
矿压观测情况:
工作面直接顶初次垮落步距为2~3m,初次来压步距为11~15m,初次来压征兆不明显,来压时工作面顶板破碎,煤壁切顶持续2~3天,对工作面顶板管理影响不大。
周期来压步距为10m左右,来压征兆不明显,对工作面顶板管理影响不大。
工作面液压支架:
根据煤层赋存条件和采区设计,该面采用单一走向长壁后退式采煤方法,综合机械化采煤工艺,全部垮落法管理顶板。
工作面安装ZY4000/13/28B型液压支架120架,支护顶板。
支架技术特征如表5-6。
表5-6ZY4000/13/28B支架主要技术特征
支架高度
1300~2800mm
支护宽度
1430~1600mm
中心距
1500mm
支护强度
0.65~0.85Mpa
初撑力
2653-3101kN
顶底板比压
前0.176~1.33Mpa
工作阻力
3288-4011kN
操作方式
本架
泵压
31.5Mpa
重量
11804kg
推溜力
306kN
拉架力
485kN
该工作面支架属于掩护式支架,有前探梁,没有护帮板,对顶板适应性较好。
9煤顶板属复合性顶板,即千层顶。
相对于2煤,9煤顶板相对稳定,但遇断层等地质构造时,顶板破碎易冒落,顶板冒空以后移架困难,但整体使用效果较好。
5.2淮南矿业集团新庄孜煤矿
淮南矿业集团新庄孜煤矿56104综采工作面属五六采区,五水平,地面标高+18m~+21m,井下标高-382m~-494m。
该采区共分两个区段,本面为一区段,工作面采用走向长壁布置。
于06年4月开始回采,回采到位后进行刷面形成综采开切眼。
5.2.1工作面煤层及顶底板概况
工作面煤层情况见表5-7。
表5-7工作面煤层情况表
煤层厚度(m)
1.2~4.0
煤层结构(m)
0.5(0.6)2.3
煤层倾角(°)
28~32
3.2
30
开采煤层
B4
煤种
1/3焦煤
稳定程度
稳定
煤层情况
描述
B4煤层为结构复杂的中厚煤层。
煤层靠上部含一层砂质泥岩夹矸,厚0~0.7m,局部有夹矸插入体及底鼓变薄带。
局部煤层靠中上部含1~2层厚约0.2~0.4m的软分层。
工作面煤层顶底板情况见表5-8。
表5-8工作面煤层顶底板情况表
顶、底板名称
岩石名称
厚度(m)
特征
老 顶
细砂岩
12
浅灰色,细粒结构,含少量粉粒成分,见裂隙。
直接顶
灰色砂质泥岩
2.0~7.0
局部岩性破碎,向上为B5ba煤层,煤层厚分别为0.8m、0.9m左右,煤层间夹矸厚1.5m左右。
伪顶
直接底
灰色泥岩
2.0~4.0
老 底
56104工作面巷道布置示意图,见图5-1。
图5-156104工作面巷道布置示意图
5.2.2采煤方法及液压支架
56104综采工作面依据采区设计,采用走向长壁后退式采煤法,全部垮落法管理顶板,采用综合机械化采煤。
MG300/700型采煤机落煤、装煤,SGZ764/630型刮板输送机运煤,ZZ4400/18/38和ZZ4800/18/38支撑掩护式支架支护顶板。
根据地质资料,该面煤层倾角28°~32°,平均30°。
煤层厚度为1.2m~4.0m,平均3.2m,决定采高如下:
初采期间:
2.6~3.0m,平均2.8m;
正常回采:
3.0~3.4m,平均3.2m;
工作面采用四柱支撑掩护式液压支架支护工作面顶板,支护设备型号及其参数见表5-9。
表5-9支护设备选择情况表
设备名称
规格型号
数量/架
备注
液压支架
ZZ4400/18/38
127
液压支架
ZZ4800/18/38
13
型号:
ZZ4400/18/38
工作阻力:
4400kN
初撑力:
3516kN
支护强度:
0.76MPa
中心距:
1500mm
支架高度:
1800mm~3800mm
对地比压:
1.32MPa
型号:
ZZ4800/18/38
工作阻力:
4808kN
初撑力:
3524kN
支护强度:
0.83MPa
中心距:
1500mm
支架高度:
1800mm~3800mm
工作面初采时,开切眼安装121架ZZ4400/18/38型液压支架;当工作面回采至李Ⅶ线以南170m时,工作面将在机尾逐步添加液压支架,工作面安装ZZ4400/18/38和ZZ4800/18/38型支撑掩护式支架19架,工作面共140架综采支架。
5.2.3工作面支架防倒、防滑措施
(1)支架的防滑
①工作面机头、机尾各一组,中间支架每7~8架为一组,每组头3架在支架底座前端和后端隔架安装防滑千斤顶1套,后端防滑装置两端分别与其四连杆上的联接装置相连,以控制支架底座前端下滑,共计17套。
②每台支架底座后方预留孔内安装侧推千斤顶及加长杆1套,共计121套,用以调整架间空隙,防止支架向下甩尾,确保调架空间。
(2)支架的防倒
工作面机头、机尾各一组,中间支架每7~8架为一组,每组头3架在支架前梁隔架安装防倒千斤顶1套,以控制支架的倾倒与歪斜,共计17套。
(3)防倒防滑措施
①工作面前三架为固定支架,移固定支架的顺序:
先移第三架,再移第一架,最后移第二架。
移架时,要使用好固定支架的防倒、防滑和调架千斤顶进行调架,确保固定支架起到固定作用。
移第三架时应先对第一、二架支架进行注液,以防倾倒。
②严格移架顺序,正常情况下,工作面分成组作业,移架顺序为:
从上向下进行,先移基准架,后移中间架。
③移架时,将所移支架的侧护板打开,同时操纵上下支架的防倒千斤顶,使千斤顶始终处于张紧状态,移完架后及时升劲。
④工作面推采期间,严格控制工作面的回采方向,必要时调整工作面的伪倾角,控制支架下滑。
⑤当底板较软,支架下陷严重时,必须及时用单体配合进行抬架,杜绝野蛮操作,以防损坏设备。
⑥现场施工过程中,要强化支架的管理与正规操作,保证支架有足够的初撑力,控制倒架。
操作时带压擦顶移架;正确使用好侧推和防倒装置,严格正规操作和工程质量。
5.3双鸭山东保卫矿
5.3.1工作面煤层及顶底板概况
东保卫煤矿矿井设计生产能力为60万t/a,核定生产能力为80万t/a。
某面为三采区36煤层-240m工作面,该工作面走向长880m,工作面平均倾向长115m,煤层厚度变化范围为1.65~1.90m,煤层平均厚度1.75m,煤层倾角变化范围为20°~48°,煤层平均倾角为30°,煤容重1.3t/m3。
36煤层为简单结构煤层,煤层牌号为气煤。
36煤层为半亮煤,玻璃光泽,条带状结构明显,内生裂隙发育,硬度中等,常具接替状断口,条痕为黑褐色。
属于高瓦斯。
煤层自然发火期为3~6个月,煤炭自然倾向性为容易自燃,煤炭自燃等级为一级。
煤层顶板:
老顶为6.0m厚的黄白色粗砂岩,层理不发育,直接顶为1-2.5m厚的灰黑色细砂岩,层理较发育,伪顶为200-500mm厚的黄白色粗砂岩,层理发育,岩石较破碎。
煤层底板为3.6m厚的黄白色粗砂岩,岩石较完整,局部为中、细砂岩,层理较发育。
5.3.2采煤方法及液压支架
该工作面采用单一煤层走向长壁后退式综合机械化采煤法,一次采全高。
设计主要内容,见表5-10。
表5-10设计主要内容表
采煤方法
走向长壁后退式
工作面长
115米
落煤方式
机组落煤
倾角
20°-48°,平均30°
一次循环进度
600mm
采高
1.65-1.90米,
平均1.75米
作业方式
两班半采煤半班准备
采煤机
MG-200/501QWD
顶板管理
全部垮落法
刮板输送机
SGZ-730/320
液压支架
工作面:
ZJ3600-11/23
下端头:
ZTHJ11400/15/24
运输巷
输送机
转载机:
SZD-730/90
皮带机:
SJ-150
工作面使用ZJ3600-11/23型急倾斜支撑掩护式液压支架支护顶板,初期安装69部。
切眼下出口及下端头区使用3架ZTHJ11400/15/24型急倾斜端头支架,按3#2#1#顺序由切眼软帮向硬帮方向并排放在下巷,支护切眼下口处顶板。
上、下巷超前支护及上端头区使用单体液压支柱戴木板帽支护顶板。
ZJ3600-11/23型急倾斜支撑掩护式液压支架提供的支护强度为0.54~0.55MPa;ZTHJ11400/15/24型急倾斜支撑掩护式液压支架提供的支护强度为0.58~0.63MPa。
5.4国投新集一矿
131105综采工作面位于1水平3采区,于08年4月回采。
工作面开采标高约为-497~-594m,该工作面设计风巷可采平均走向长约为1116.6m,设计机巷可采平均走向长约为1066.8m,设计平均走向长1091.7m,平均倾向长160.8m,平均可采斜面积约为189316m2。
5.4.1工作面煤层及顶底板概况
11-2煤层:
黑色,块状、条带状,半亮型煤,结构较复杂,绝大部分含有2~3层夹矸。
纯煤厚2.85~3.85m,平均纯煤厚度为3.31m,全层厚度为4.09m。
局部受构造影响,煤层中不同程度的存在着“构造变薄带”。
煤层总体为宽缓的背斜构造,背斜轴位于8-9线和9线之间。
另外F10断层伴生的背斜构造从本工作面西部近东西向穿过工作面。
煤层走向80°~110°,煤层倾向350°~20°,煤层倾角18°~30°,平均为22°。
老顶:
中细砂岩、石英砂岩,灰色、青灰色,石英为主,含少量暗色矿物,硅质胶结,坚硬,层理发育,中厚层状,层面含大量黑色炭质碎屑及云母片,厚度0.83~22.65m,平均厚度9.53m。
直接顶:
泥岩、砂质泥岩;灰色,灰黑色,致密块状,略具贝壳状断口,含菱铁结核、黄铁矿膜,富含较完整的植物叶片化石(如栉羊齿、带羊齿、轮叶、瓣轮叶等),厚度4.96~11.79m,平均厚度8.43m。
在工作面西部煤层顶板向上3m左右通常发育有一层厚约0.5m炭质泥岩,在煤层顶板7~12m的范围内通常发育有厚0.27~0.83m的11-3煤层。
另处在8线附近局部直接顶缺失,煤层老顶砂岩直接与煤层接触。
直接底:
泥岩,浅棕灰色,块状、破碎,参差状断口,含大量植物根化石,厚度1.64~6.64m,平均厚度4.27m。
本工作面西部煤层底板向下约1m处通常发育有一层厚约0.3m的煤线。
具体见煤层及顶底板结构柱状图5-2。
图5-2煤层及顶底板结构柱状图
5.4.2采煤方法及液压支架
1)采煤方法的选择:
采用单一走向长壁、后退式采煤方法,沿煤层顶板采用综合机械化开采,全部垮落法管理顶板。
2)采高的确定
本工作面全煤层厚0.56m~3.61m,平均厚度为3.33m,为确保支架处于合理的支撑高度,保证采煤机正常开采,本工作面主要沿煤层顶底板回采,采高控制在3.33m。
煤层较薄或遇构造处,可适当割顶板或底板,但采高不得低于2.4m,煤层较厚处适当留底煤,采高不超过3.6m。
3)设备的选择
根据三采区11煤煤层的赋存条件以及该工作面上个工作面131103综采工作面的开采情况,采用如下配套设备:
(1)采煤机:
选用西安煤机厂生产的MG500/1130-WD型双滚筒电牵引采煤机。
主要技术参数:
截深800mm,采高1.80m~3.76m,牵引速度0~8.3~13.8m/min,牵引方式为销轮齿轨无链牵引,灭尘方式为内外喷雾式,整机重量60t。
(2)工作面运输机:
选用西北奔牛实业集团生产的SGZ—800/800型中双链刮板输送机。
主要技术参数:
刮板链速为1.21m/s,刮板链规格2-Φ34×126mm,刮板间距1008mm,中部槽规格1500×800×310mm。
水平弯曲度和垂直弯曲度为1~2°。
(4)液压支架:
支架选用郑州煤机厂产的ZZ7600/18/38型液压支架。
主要技术参数:
工作阻力7600kN,支护高度1.8m~3.8m,支架重量25t,底板比压1.72MPa,最大控顶距5157mm,最小控顶距4357mm,移架步距800mm。
支架技术参数见表5-11。
表5-11支架技术参数
型号
架型
工作阻力(kN)
支护面积(m2)
支护强度(MPa)
支护宽度(m)
支撑高度(m)
自重(kg)
ZZ7600-18/38
支撑掩护式
7600
6.23
1.067
1.43-1.60
1.8-3.8
25000
(5)上、下端头支护
工作面第一台液压支架和最后一台液压支架的侧护板外侧,根据具体情况沿走向打一排或两排“一梁三柱”托棚。
当转载机不影响时,另外分别在第一和最后一台液压支架的顶梁上沿走向各插一根直径200mm长3.0m的3/4半圆木或4.0m长工字钢梁,半圆木或工字钢梁与支架顶梁搭接长度0.5m,外露段用两根单体支柱支撑,两根单体的距离不得小于500mm,托住巷道中超前支护木梁,并随支架前移与侧护板外侧的抬棚交替前移,来加强上下端头的支护。
随工作面推进,两巷端头的铰接梁、单体回收时,要与支架切顶线保持平齐,以保证端头支架支护强度。
如果上下隅角顶板推进后沿走向15m还不及时冒落,则需随工作面推进在液压支架切顶线处每隔3~5m打2~3根切顶点柱,同时将顶部锚杆及锚索垫板卸掉,以便及时切顶。
5.5贵州盘江煤电(集团)公司火铺矿
5.5.1滥泥箐采区
1)采区煤层及顶底板概况
滥泥箐采区位于火铺矿井北翼的滥泥箐井田内,本区内为一东倾的简单单斜构造。
地层走向近于南北,倾向近于正东,倾角20~40°,平均33°。
采区煤层赋存条件好,储量丰富,滥泥箐采区1#、3#、5#、7#、12#、17#等六层煤,煤厚均在1.45m以上,均适宜综合机械化开采。
采区内可采煤层共12层(局部可采四层为表外储量)。
各煤层厚度,夹矸层数,对比可靠性、稳定性、可采范围、层间距见表5-12。
表5-12各煤层厚度概况
煤层编号
煤层厚度
夹矸层数
对比可
靠性
稳定性
可采范围
层间距离
两极值
两极值
两极值
平均值
平均值
平均值
1
1.24-1.68
1-3
可靠
不稳定
全区可采
8.0-15.6
1.62
2
11.52
3
1.77-1.94
0-1
可靠
较稳定
全区可采
6.2-17.2
1.88
1
10.27
5
1.47-1.51
1-3
可靠
较稳定
全区可采
16.1-38
1.45
2
28.03
7
1.80-1.93
0-1
可靠
较稳定
全区可采
19.5-23.7
1.92
1
21.55
12
1.79-3.6
0-1
可靠
较稳定
全区可采
1.6-14
2.78
0
8.93
17
2.32-4.04
0-1
可靠
不稳定
全区可采
7.6-22.8
2.87
0
11.66
20
1.10-1.28
0-2
较可靠
较稳定
全区可采
0.6-10.2
1.25
1
4.98
21
0-1.56
0-4
可靠
较稳定
大部可
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