特厚煤層大采高綜采技術(shù)的應(yīng)用研究

焦張雄

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)沁水鑫基煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400)

引 言

隨著煤礦勘探技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來(lái)厚煤層及特厚煤層探明量不斷提升，據(jù)統(tǒng)計(jì)截止目前在我國(guó)已探明的地下煤炭?jī)?chǔ)量中，厚煤層以上的煤炭含量占了煤炭總量的40%以上。為了適應(yīng)對(duì)厚煤層的開(kāi)采，大采高綜采技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但在長(zhǎng)期應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，大采高綜采技術(shù)主要適用于煤層穩(wěn)定性好、巷道頂板礦壓地質(zhì)條件穩(wěn)定、煤層分布斜角小且煤層厚度不超過(guò)7m的綜采作業(yè)，無(wú)法適應(yīng)越來(lái)越多的特厚煤層的綜采技術(shù)要求，因此本文提出了新的適應(yīng)于特厚煤層的大采高綜放開(kāi)采技術(shù)，對(duì)其成套的開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了分析，力求在滿足井下安全開(kāi)采的基礎(chǔ)上大幅提升特厚煤層的綜采作業(yè)效率[1]。

1 特厚煤層巷道頂板運(yùn)移規(guī)律研究

為確保特厚煤層在綜采作業(yè)時(shí)的安全性，需首先對(duì)特厚煤層巷道頂板的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，本文以某礦特厚煤層為研究對(duì)象，通過(guò)向頂煤頂板內(nèi)安裝錨抓并布置頂煤位移跟蹤器的方案對(duì)頂板的移運(yùn)規(guī)律進(jìn)行研究，在進(jìn)行鉆孔時(shí)，設(shè)置與巷道的傾斜角為60°[2]，分別對(duì)頂煤和頂板的位移量進(jìn)行分析結(jié)果如圖1所示。圖中h表示頂煤深基點(diǎn)相對(duì)于液壓支架底板的高度。

由測(cè)量結(jié)果可知，頂煤深基點(diǎn)起始動(dòng)點(diǎn)工作時(shí)最大超前了約47 m，最小超前了約33 m，平均超前量約為37 m。頂板的深基點(diǎn)起始動(dòng)點(diǎn)的最大位置超前了約34 m，最小超前量為21 m，平均超前量約為27.4 m，頂煤的深基點(diǎn)的始動(dòng)點(diǎn)始終超前于頂板的深基點(diǎn)的始動(dòng)點(diǎn)。由此可知在特厚煤層中巷道頂板從始動(dòng)點(diǎn)就受到來(lái)自于綜采面的超前的支撐壓力的作用，使頂煤頂板進(jìn)入到支架的控頂區(qū)域的頂部，進(jìn)而造成頂板破斷產(chǎn)生垂直與巷道頂板的沉降。由于頂煤頂板受到縱向的約束顯著，因此其移運(yùn)規(guī)律主要表現(xiàn)為在承壓作用時(shí)候的水平方向上的擠壓變形。

圖1 測(cè)量位置頂板位移和頂煤位移變化曲線

2 大采高綜放開(kāi)采放煤步距研究

煤礦井下綜采作業(yè)中，煤炭的采出率、采出煤炭煤矸石的含量與綜采作業(yè)時(shí)的放煤步距有直接的聯(lián)系。當(dāng)放煤的步距過(guò)小時(shí)容易導(dǎo)致煤矸石容易堵塞放煤窗口，造成煤炭含矸率上升，同時(shí)也容易造成丟煤，當(dāng)放煤的步距過(guò)大時(shí)，煤層的煤極易落入采空區(qū)，導(dǎo)致大量的丟煤。同時(shí)綜采作業(yè)中的放煤步距也對(duì)煤矸的流動(dòng)形態(tài)有巨大影響，因此要提升特厚煤層的綜采效率，首先需要合理確定綜采作業(yè)時(shí)的放煤步距，本文分別對(duì)“一刀一放”及“兩刀一放”不同放煤步距[3]情況下的煤矸的流動(dòng)形態(tài)變化進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 一刀一放情況下的煤矸邊界變化曲線

圖3 兩刀一放情況下的煤矸邊界變化曲線

由分析結(jié)果可知，隨著放煤步距的不斷增加，在放煤后的煤矸的邊界曲線有效顯著的變化，頂煤的始動(dòng)點(diǎn)顯著前移，并且在放煤后的邊界線和放煤前的邊界線之間的距離也隨著放煤步距的增加而加大，這表明了隨著放煤步距的增加，每次的放煤量隨著加大。

不同放煤步距情況下，放煤后的殘?jiān)螒B(tài)如圖4所示。

圖4 不同放煤步距情況下的殘?jiān)螒B(tài)

由分析可知，當(dāng)采用“一刀一放”時(shí)，煤矸石和頂煤能夠同時(shí)到達(dá)放煤口處，煤矸石分界線略落后于尾梁下部邊界，而當(dāng)采用“兩刀一放”時(shí)頂煤先與采空區(qū)的矸石到達(dá)放煤口，導(dǎo)致矸石與煤炭混合降低了煤炭的質(zhì)量，因此采用“一刀一放”的放煤步距方案，能夠獲得更高的頂煤出采率。

3 高效綜采放煤機(jī)構(gòu)研究

液壓支架的放煤機(jī)構(gòu)也直接關(guān)系到頂煤出采率，現(xiàn)有的液壓支架放煤機(jī)構(gòu)的前支架是一組雙連桿結(jié)構(gòu)，后支架是單連桿的結(jié)構(gòu)，其位于液壓支架的中間位置，極大影響了放煤作業(yè)時(shí)的操作難度和對(duì)放煤效果的觀察。同時(shí)因后連桿位于支架中間位置，對(duì)前后的聯(lián)通巷道形成了一定的阻礙[4]，給井下綜采作業(yè)人員的移動(dòng)造成了極大影響。因此為進(jìn)一步提升井下綜采作業(yè)效率提高頂煤的出采率，本文提出了一種新的四連桿液壓支架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了各液壓支架支撐結(jié)構(gòu)的步距，將后側(cè)的單連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化為了雙連桿結(jié)構(gòu)，極大提升了綜采放煤作業(yè)時(shí)的操作便利性，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型四連桿液壓支架結(jié)構(gòu)

4 厚煤層綜采作業(yè)放煤方式的研究

綜采作業(yè)的放煤方式主要是指放煤口煤層放煤的放煤量以及放煤次數(shù)，目前常用的放煤方式主要包括單輪順序放煤、多輪順序放煤、單輪間隔放煤以及多輪間隔放煤方案，在特厚煤層條件下煤層單次出煤量大，采用單輪放煤方案容易造成煤炭積壓，因此易采用多輪放煤的方案。本文以某礦特厚煤層為研究對(duì)象，其煤層厚度約為10.7 m～13.2 m，分別對(duì)多輪間隔放煤以及多輪順序多口放煤方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明采用工多輪順序多口放煤方案能夠在最短的時(shí)間內(nèi)將采集的煤炭進(jìn)行放煤，效率最高。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)特厚煤層巷道頂板運(yùn)移規(guī)律研究，根據(jù)其移運(yùn)規(guī)律制定了滿足安全綜采條件的特厚煤層大采高綜采技術(shù)，對(duì)放煤步距、放煤方式及液壓支架放煤機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1) 特厚煤層其移運(yùn)規(guī)律主要表現(xiàn)為在承壓作用時(shí)候的水平方向上的擠壓變形。

2) 采用“一刀一放”的放煤步距方案，能夠獲得更高的頂煤出采率。

3) 采用四柱式液壓支架能夠簡(jiǎn)化特厚煤層綜采作業(yè)時(shí)的操作，拓寬視野，提升放煤效率。

4) 特厚煤層條件下，采用工多輪順序多口放煤方案能夠在最短的時(shí)間內(nèi)將采集的煤炭進(jìn)行放煤，效率最高。