急傾斜不規(guī)則煤層回采工作面頂板控制的方法和途徑

1、急傾斜不規(guī)則煤層回采工作面頂板控制的方法和途徑劉子清 張 軍南桐礦業(yè)有限責任公司硯石臺煤礦摘 要 本文針對急傾斜不規(guī)則煤層回采工作面頂板難以管理的特性。對偽斜掩護支架和偽斜分段走向密集相結合的采煤方法在該類型工作面的頂板管理進行剖析，著重從掩護支架架頭、架尾和兩種采煤方法交界處等重點部位進行探討。文章總結了應用所取得的經(jīng)驗成果，提出了可行的現(xiàn)場控制措施，對急傾斜不規(guī)則煤層的開采具有一定的應用價值。關鍵詞 急傾斜 不規(guī)則 頂板管理 掩護支架 分段密集一概況南桐礦業(yè)公司硯石臺煤礦位于重慶市萬盛區(qū)中北部。井田地處四川赤色盆地東南緣，位于鮮家坪大背斜強烈倒轉的西翼。井田受地層倒轉和構造運動的疊加影響，

2、地質構造十分復雜，大小斷層縱橫交錯，煤層沿走向和傾向厚度變化頻繁，屬于類地質礦井。煤系地層為二疊系龍?zhí)睹航M，下伏巖層為早二疊系厚層狀茅口組石灰?guī)r，上覆巖層為晚二疊系中厚層狀長興組石灰?guī)r?？刹擅簩訛榈罐D后的4#、6#煤層，煤層賦存極不穩(wěn)定，在同一開采區(qū)域內傾角和厚度變化頻繁，煤層平均變異系數(shù)為67%。4#煤層厚度0.16m，平均厚度m，煤層傾角0º70º，平均50º；6#煤層厚度0.15，平均厚度1.7，煤層傾角0º75º,平均55º。4#煤層和6#煤層均不同程度的受煤層走向或傾向斷層影響，導致煤層殲滅。如4601N3段回采工作面下部走

3、向長200m，傾向長15m范圍內煤厚00.4m；4402N2段回采工作面下部走向150m，傾向25m范圍內煤層被斷開?；夭晒ぷ髅婢鶠?35º68º的大傾角工作面，且煤厚變化異常。我們把具有這些類似賦存特點的煤層稱之為急傾角不規(guī)則煤層?？刹擅簩觽雾斁鶠?.2m左右的高炭泥巖，隨采隨落；直接頂為結構松散、破碎的粘土泥巖和砂泥巖互層，屬類極不穩(wěn)定型直接頂；老頂為約12m的硅質灰?guī)r，周期來壓顯現(xiàn)十分明顯，來壓強度較高；直接底為炭質泥巖及砂泥巖，十分松軟，支柱易鉆底。二急傾角不規(guī)則煤層回采工作面采煤方法選擇急傾角不規(guī)則煤層的賦存特點決定其采煤方法較為落后。九十年代以前均采用倉儲式、倒

4、臺階、正臺階、走向長壁、偽斜分段走向密集等采煤方法，由于煤層傾角大，支柱不穩(wěn)而導致工作面垮塌、溜煤傷人等事故頻發(fā)。當煤厚大于2.2m時，回采難度相當大，對頂板煤或底板煤的支護質量要求很高，稍有疏忽就有工作面垮塌的危險，形成了“怕厚”的毛病。初次來壓和周期來壓更是難以控制。而且其資源回收率低、坑耗高。九十年代后期較多的推廣偽斜柔性掩護支架采煤法，克服了上述采煤方法的弱點，但又出現(xiàn)了壓薄區(qū)域無法推進的新問題，只有回撤掩護支架或者采矸石推進，導致產(chǎn)量低、煤質差。又形成了“怕薄”的毛病。綜合上述兩種采煤方法的優(yōu)缺點，我們嘗試將偽斜柔性掩護支架（見圖1）采煤法和偽斜分段走向密集法進行互補，在同一急傾斜不

5、規(guī)則煤層回采工作面同時進行配套使用。由于偽斜柔性掩護支架采煤法其效果明顯，回采現(xiàn)場易于操作，決定采用偽斜柔性掩護支架采煤法為主、偽斜分段走向密集采煤法為輔的綜合采煤方法進行回采（見圖2）。經(jīng)試用證明，這種綜合采煤方法是切實可行的，且收效明顯。采煤工藝：采用風鎬落煤，人工扒煤。三急傾斜不規(guī)則煤層回采工作面頂板控制頂板管理方法：采用全部垮落法。偽斜柔性掩護支架采煤法為主、偽斜分段走向密集采煤法為輔的綜合采煤方法，是解決急傾斜不規(guī)則煤層回采工作面頂板管理的重要措施。但是掩護支架架頭、架尾和兩種采煤方法交界處等重點部位是頂板管理的重點環(huán)節(jié)，也是較為薄弱的地方。采用該采煤方法回采工作面的初采初放和收尾是

6、頂板管理的一大難點。1、偽斜柔性掩護支架采煤法為主、偽斜分段走向密集采煤法為輔的綜合采煤方法對急傾斜不規(guī)則煤層回采工作面頂板管理的優(yōu)點采煤工作面煤壁前方10m至煤壁后方15m為應力相對降低區(qū)，除此范圍內的前方煤壁和后方采空區(qū)為應力增高區(qū)。形成了以煤壁及采空區(qū)垮落帶為前后支承點的半拱式平衡，所以采場空間處于低應力狀態(tài)。采場支護的面積越小，支護材料承受的壓力就越小。掩護支架減小了采場空間，使半拱式平衡承受了更多的應力，大大減小了采場支護應力。掩護支架采用工字鋼按工程力學原理制成的，加之有單體液壓支柱控制掩護支架，足以承擔掩護支架背頂?shù)拿喉分亓蛻?。而掩護支架之間又采用卡心木料卡緊卡牢，因而不會發(fā)

7、生煤矸滄漏事故。掩護支架凹向煤壁安裝，兩端緊貼底板和煤壁，兩端腿子將掩護支架背頂?shù)拿喉分亓偷貞鬟f給底板和煤壁。掩護支架采用四根新鋼繩連接成整體，不會出現(xiàn)鋼繩斷裂、掩護支架散落的現(xiàn)象。因此掩護支架的安全承受強度是勿容置疑的。如回采工作面煤層賦存較好時，從而保證工作面全部采用掩護支架采煤法回采，減小支護難度，對頂板控制更有利。偽斜分段走向密集采煤法采用單體液壓支柱配合木開塊支護頂?shù)装澹纬扇斯ぜ夙?，全面背護頂板、底板。由于工作面采用偽斜分段密集采煤法的長度較短，按照0.8m柱排距進行支護，按傾向每隔1.6m做一段走向密集，控頂距在4.8m內，足以承受采空區(qū)煤矸重力和應力。2、回采工作面初采初

8、放的頂板管理“”型開切眼工作面或偽斜開切眼工作面，多采用偽斜柔性掩護支架采煤法進行初采初放，因為其頂板管理的難度較小。先用單體液壓支柱配合木料在開切眼內采用托梁形式加固工字鋼支架。安裝掩護支架前先在轉拐點以上10m處，用單體液壓支柱配合木料做一段牢固的走向密集假頂替換工字鋼支架，先采地溝，再安裝掩護支架直至風巷。拐點處的走向密集假頂也作為掩護支架的架尾密集，走向密集的單體支柱間距必須小于30cm，在其上鋪上材料墊層，保證其牢固可靠。在安裝掩護支架的同時，對工字鋼支架進行回收，但回收點必須滯后安架架頭2m，不得超過3m，確保架頭不滄漏矸。隨著工作的不斷推進，架尾密集不斷下落，直到完成初采初放。掩

9、護支架架尾的下落必須有走向密集進行控制，當下一段走向密集作好后，上一段走向密集才能進行回收。當煤層較厚時，則要全面進行扛背底板煤，一般不留背頂板煤。工作面回采經(jīng)半月左右會發(fā)生初次來壓，即工作面推進3040m。工作面在初采初放期間，禁止放頂煤，使采空區(qū)得到充填。初采初放期間，必須將掩護支架內的控架支柱加密到1m/根，掩護支架兩端腿子必須緊貼底板和煤壁，嚴禁出現(xiàn)頂板暴露。掩護支架架尾密集必須增打成雙排走向密集。若因煤層壓薄，出現(xiàn)頂板暴露，必須加打臨時支柱以加強支護。柔性掩護支架采煤法，初安裝掩護支架只需5天，初放在半月完成，初次來壓后采空區(qū)充填滿可認定初采初放結束，因此，工作面定初采初時間短，減少

10、頂板管理難度。 3、煤層傾角小于55º時的頂板控制當煤層傾角小于55º時，頂板管理難點在于掩護支架的放架和撤架。采用單體液壓支柱做控制動力改變掩護支架在工作面的運動狀態(tài)，以達到安全放架、安全頂板管理的目的。單體液壓支柱的即時升壓、卸壓的特點，能靈活控制掩護支架的運動方向，從而使掩護支架的移動在人為操作的掌控中，達到有效控制。這一特點對煤層傾角小于55º時的掩護支架移放架起到相當重要的作用。將單體液壓支柱底端打在煤壁或頂板上，頂端反撐在掩護支架的頂板側梁上，使掩護支架緊貼底板并受到一個偽斜向上的力。掏空掩護支架底板側梁下的煤矸，給單體支柱升壓以抬高掩護支架，使掩護支

11、架脫離底板向下運動，移動后，使掩護支架重新達到平衡，從而解決無動力放架導致仰架大面積暴露頂板的難點。值得注意的是在掏空掩護支架底板側梁下的煤矸時，要將掩護支架控制牢，防止下滑。放架前，先清找頂板懸矸，檢查掩護支架連接處是否有漏矸現(xiàn)象。如掩護支架不能緊貼頂板，用材料將掩護支架與頂板的間隙扛背好，確保放架時不滄漏矸。4、煤層壓薄區(qū)的頂板管理煤層壓薄區(qū)是指該區(qū)域的煤厚小于1.5m（掩護支架的內徑為1.7m），采用掩護支架回采需要仰架或采矸石推進。根據(jù)壓薄區(qū)煤層被壓薄面積大小，分為小面積壓薄區(qū)和大面積壓薄區(qū)。小面積壓薄區(qū)是指壓薄區(qū)的走向長小于10m且偽斜長小于10m的壓薄范圍，大之則為大面積壓薄區(qū)。1

12、)小面積壓薄區(qū)的頂板控制壓薄區(qū)煤厚在0.8m1.5m的條件下，可保持完整的頂?shù)装暹M行放架，不用采矸石，在技術上突破常規(guī)掩護支架翻架的概念，以單體液壓支柱作動力，讓掩護支架后仰，但頂板腿子必須貼緊頂板。放架時讓掩護支架在上部采空區(qū)矸石的壓力作用下以及在上下方掩護支架的帶動下，順煤層頂?shù)装遄匀幌乱??？丶懿捎枚虇误w液壓支柱加密控制，用單體液壓支柱和木材料配合支護暴露的頂板，如頂板破碎則要用材料進行全面背護。解決了人為挑頂而破壞頂板和暴露大面積頂板帶來的頂板管理難點問題。壓薄區(qū)煤厚小于0.8m時，則要強行采矸石使將掩護支架通過，一般情況下采底板矸石，不破壞頂板。2)大面積壓薄區(qū)的頂板管理采用小面積壓薄

13、區(qū)頂板管理技術應用于大面積壓薄區(qū)時，對整個工作面造成整體移架困難、頂板暴露面積太大，因而不適用于大面積壓薄區(qū)。由于掩護支架采煤法“怕薄”，不能通過大面積壓薄區(qū)，利用偽斜分段走向密集采煤法“怕厚”，適應薄煤層回采的特點，采用兩種采煤方法進行互補，因此用偽斜分段走向密集采煤法推進大面積壓薄區(qū)。同時采用兩種采煤方法進行回采，其技術關鍵是作走向密集斷繩撤架、兩種采煤方法交界處的頂板控制。根據(jù)壓薄區(qū)在工作面存在的部位，可分為上部壓薄區(qū)、中部壓薄區(qū)、下部壓薄區(qū)。采用柔性掩護支架與偽斜分段走向密集相結合的采煤方法來推進大面積壓薄區(qū)，可將上部壓薄區(qū)與下部壓薄區(qū)處理視為中部壓薄區(qū)的一種特殊情況。第一：切斷鋼繩前

14、的工作準備。根據(jù)壓薄區(qū)的出露情況選擇掩護支架鋼繩的切斷點、切斷方式、斷繩前后支護措施（見圖3）。將掩護支架鋼繩的切斷點選擇在壓薄區(qū)的下邊緣，有利于根據(jù)傾斜方向壓薄區(qū)確定實際撤架長度。工作面由下往上撤架，便于操作。工作面首先在壓薄區(qū)繼續(xù)向前推進，上部視情況適當推進，在采出的壓薄空間范圍內，用單體液壓支柱支護，保證初撐力達90KN以上，邊采邊支，支柱柱、排距均為0.8。頂?shù)装寰捎貌牧蠅|背，頂板破碎則全面背護，壓力較大時架設木垛、抬棚控制頂板。壓薄區(qū)下邊緣設第一排走向密集支柱，以支托斷繩后上部掩護支架的架尾和采空區(qū)矸石，并沿傾斜向上每隔1.6m設一排走向密集支柱。同時，重點對斷點上下方10范圍內鋼

15、絲繩與掩護支架的卡緊狀況進行全面檢查，對螺栓進行重新擰緊加固。第二：切斷鋼繩。當推進排后，走向密集長度達到m時，才用鏨子在選定的切斷點逐根進行斷繩。斷繩時，四根鋼繩不能在同一位置同時斷繩，每相鄰兩根鋼繩的斷點錯距保持.5m以上，先兩幫、后中間依次切斷。在斷繩的同時，設專人隨時觀察掩護支架穩(wěn)定情況，每斷掉一根后，要暫停分鐘，以待受力重新平衡后，無危險的情況下再斷第二根（當發(fā)現(xiàn)掩護支架不穩(wěn)定或有塌架危險時，要立即停止斷繩，并采取有效加固措施）。第三：鋼繩切斷后的支護措施。鋼繩斷開后，下架頭在單體液壓支柱的控制下不會倒向煤壁，需在下架頭安裝架掩護支架，阻止上部矸石竄入地溝，再卸壓單體液壓支柱，使其貼

16、至煤壁，最后進行撤架。斷繩后，上架尾在單體液壓支柱的控制下也不會移動，有走向密集作為承載點，可以達到斷繩時不滄漏矸石。撤架時，采取每次松兩架掩護支架，由下往上逐架回撤。采空區(qū)矸石按自然堆積角，逐漸堆積在分段走向密集上方，實現(xiàn)了同一工作面同時采用柔性掩護支架采煤法和偽斜分段走向密集采煤法進行回采。切斷鋼繩時的關鍵在于走向密集的可靠性，以確保鋼繩切斷后掩護支架能得到有效控制。此項技術解決了大面積壓薄區(qū)采用掩護支架仰架推進而難以管理頂板暴露的難點。5、工作面采用兩種采煤方法進行回采時，掩護支架的架頭、架尾及壓薄區(qū)與厚煤區(qū)結合帶的頂板控制兩種支護工藝相結合實現(xiàn)以后，工作面繼續(xù)推進時，兩種支護工藝的偽斜

17、角度和推進度保持一致。壓薄區(qū)上邊緣的結合部處理方式采用走向密集超前尾架34m（以矸石不竄入工作面為準），掩護支架架尾置于走向密集之上。壓薄區(qū)下邊緣的結合部處理方式采用走向密集滯后架頭0.8m1m,掩護支架架頭置于走向密集之下，架頭超前于密集下方采空區(qū)堆積矸石1m，隨時保持掩護支架兩腿沿頂、底板下滑緊貼煤壁。用超前的走向密集假頂來控制采空區(qū)矸石堆積，保證密集上未堆積矸石的空位有1m左右，使掩護支架架頭、架尾不會有矸石竄入。工作面推進過程中，上架尾的處理：如果煤厚達到或超過掩護支架的放架寬度，則掩護支架逐漸下放，少回撤或不回撤掩護支架；如果煤厚繼續(xù)被壓薄，則繼續(xù)回撤掩護支架，其間風巷安架按正常進行

18、。工作面推進過程中，下架頭的處理：如果煤層厚度達到或超過掩護支架的放架寬度，則在架頭開始逐漸向上安架，沿傾斜逐步增加掩護支架長度，縮短分段走向密集段數(shù)。如果煤層繼續(xù)保持壓薄狀態(tài)或往傾斜下方延展，則掩護支架架頭隨著推進逐漸下放，沿傾斜逐步縮短掩護支架長度，增加分段走向密集的段數(shù)。這種增加了支護強度的架頭、架尾管理解決了不同支護方式和不同支護材料交叉帶受力不均、頂板難控制的難點。6、厚煤區(qū)的頂板控制在工作面遇到煤厚大于的區(qū)域時，為了提高煤炭回收率，掩護支架一般沿煤層底板推進，對架頂煤進行回收。但同時也造成煤壁出現(xiàn)大面積空頂，煤易垮冒，給頂板控制造成一定的難度。針對上述放頂煤的頂板管理，主要規(guī)范放頂

19、煤的措施和加強放頂煤時的支護。采取的措施：選定放煤位置后，用單體液壓支柱加強放煤點掩護支架的支撐，然后在煤層頂板或底板側采出一個放煤空間，放頂煤口不得超過0.5×0.5m。放頂煤時，必須將放頂煤點上、下各5m范圍內的控架支柱加密至1m/根，上、下各10m范圍不得出現(xiàn)頂板暴露，否則嚴禁放頂煤。當發(fā)現(xiàn)煤中矸石增多時，放下掩護支架，終止放煤。當放頂煤時，放煤人員必須站在放頂煤點上方操作，下煤路線必須暢通，放煤點下方15m不得有人員操作或逗留。相鄰兩個放頂煤點必須保持工作面?zhèn)涡本嚯x15m以上，且相鄰兩放頂煤點不能同時進行，防止引起大面積動力現(xiàn)象。7、安全出口的頂板管理1）上出口的頂板管理：工

20、作面如果煤厚大于1.5m，將掩護支架直接安至回風巷平巷內，保證架內高度1.01.2m?；仫L巷最后一架金屬廂必須滯后平巷內的掩護支架1.42.1m，同時保證回風巷平架未堆矸的長度不小于1m。上出口如煤厚小于1.5m，則可以將掩護支架架頭下放到工作面中部，在架頭傾向上方1.6m內用單體液壓支柱配合木材料作一段牢固的走向密集，將架頭置于走向密集下方。架頭超前于密集下方采空區(qū)矸石堆積1m，確保不滄漏矸石。2）下出口的頂板管理：工作面下口掩護支架放到機巷金屬廂頂上，使掩護支架在金屬廂頂上呈走向平直狀態(tài)，架尾長度控制在35m。用單體液壓支柱控制架尾，不留煤柱，不另掘超前下煤眼和撤架眼。從而減少下出口的管理

21、環(huán)節(jié)，更有利于頂板控制。為便于撤架，架尾高度需要控制在0.61.0m之間，架尾段的單體控架支柱還應加密至1m/根。直接從架末端第一架開始逐一回收，而采空區(qū)任其自然垮落。機巷金屬廂頂必須采用材料全面背護，防止機巷垮塌。機巷下出口前方20m，必須采用單體液壓支柱配合絞接頂梁打成托梁進行加固支護。下出口如不能采用掩護支架回采，則以壓薄帶推進方式進行管理。8、工作面收尾的頂板控制當掩護支架上部架頭安至距采止線時，即停止安架，上出口段向前采出排，支護的同時以木垛、替棚等特殊支護維持工作面上口的暢通。隨著下部掩護支架的正常推進和架頭的逐漸下移，慢慢形成正臺階，正臺階控制在3個內，總長度控制在20m內，便于

22、上部支護。正臺階控制為排空為宜，控頂距2.43.2m，臺階斜長m，錯距0.8m。每個臺階相交處用木垛或走向密集加固，臺階角打好背頂支柱（見圖4）。架頭上方的空間用木支柱打成傾斜棚子，防止架頭竄矸，架頭逐漸下落至工作面中部。收尾期間架尾正常撤架，掩護支架的長度越來越小。當上部正臺階形成好以后，下部以偽斜方式直接收尾，支護空間3排2空，在采空區(qū)側做偽斜密集，迅速回撤掩護支架。最后用木支柱替換單體液壓支柱，直至完成收尾。收尾期間的頂板管理關鍵在于正臺階部分的有效控制，偽斜收尾時的高強度支護，均可采用抬棚、雙排密集等方式進行加固處理，定能很好的控制頂板。當工作面遇特殊情況（如大型構造、特厚煤區(qū)等）可直接以偽斜方式完成收尾。先用單體液壓支柱控制好掩護支架，其控架支柱全面加密至1.0m1.5m/根，然后在煤壁采出兩排空間用木支柱支護，做偽斜密集，單體液壓支柱加固，即可由下向上回撤掩護支架，回撤時必須加密架尾控架支柱以防架尾下墜。當掩護支架回收完，就用木支柱由下向上逐根替換單體液壓支柱，直至完成收尾。偽斜密集只保證煤壁留有通風、排水通道，人員禁止通行?；爻龅牟牧嫌上孪蛏线\送。采用上述兩種方法收尾，一般在一周內即可完成，且其方式簡單易操作、頂板易控制、材料消耗較少。解決了一般收尾工藝時間長、維護困難、易垮冒坍塌的難點，從而有效控制頂板。三效果通過