急倾斜不规则煤层回采工作面顶板控制的方法和途径.docx
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急倾斜不规则煤层回采工作面顶板控制的方法和途径
急倾斜不规则煤层回采工作面顶板控制的方法和途径
刘子清张军
南桐矿业有限责任公司砚石台煤矿
摘要本文针对急倾斜不规则煤层回采工作面顶板难以管理的特性。
对伪斜掩护支架和伪斜分段走向密集相结合的采煤方法在该类型工作面的顶板管理进行剖析，着重从掩护支架架头、架尾和两种采煤方法交界处等重点部位进行探讨。
文章总结了应用所取得的经验成果，提出了可行的现场控制措施，对急倾斜不规则煤层的开采具有一定的应用价值。
关键词急倾斜不规则顶板管理掩护支架分段密集
一．概况
南桐矿业公司砚石台煤矿位于重庆市万盛区中北部。
井田地处四川赤色盆地东南缘，位于鲜家坪大背斜强烈倒转的西翼。
井田受地层倒转和构造运动的叠加影响，地质构造十分复杂，大小断层纵横交错，煤层沿走向和倾向厚度变化频繁，属于Ⅳ类地质矿井。
煤系地层为二叠系龙潭煤组，下伏岩层为早二叠系厚层状茅口组石灰岩，上覆岩层为晚二叠系中厚层状长兴组石灰岩。
可采煤层为倒转后的4#、6#煤层，煤层赋存极不稳定，在同一开采区域内倾角和厚度变化频繁，煤层平均变异系数为67%。
4#煤层厚度0.1～6m，平均厚度２m，煤层倾角0º～70º，平均50º；6#煤层厚度0.1～5ｍ，平均厚度1.7ｍ，煤层倾角0º～75º,平均55º。
4#煤层和6#煤层均不同程度的受煤层走向或倾向断层影响，导致煤层歼灭。
如4601N3段回采工作面下部走向长200m，倾向长15m范围内煤厚0～0.4m；4402N2段回采工作面下部走向150m，倾向25m范围内煤层被断开。
回采工作面均为35º～68º的大倾角工作面，且煤厚变化异常。
我们把具有这些类似赋存特点的煤层称之为急倾角不规则煤层。
可采煤层伪顶均为0.2m左右的高炭泥岩，随采随落；直接顶为结构松散、破碎的粘土泥岩和砂泥岩互层，属Ⅲ类极不稳定型直接顶；老顶为约12m的硅质灰岩，周期来压显现十分明显，来压强度较高；直接底为炭质泥岩及砂泥岩，十分松软，支柱易钻底。
二．急倾角不规则煤层回采工作面采煤方法选择
急倾角不规则煤层的赋存特点决定其采煤方法较为落后。
九十年代以前均采用仓储式、倒台阶、正台阶、走向长壁、伪斜分段走向密集等采煤方法，由于煤层倾角大，支柱不稳而导致工作面垮塌、溜煤伤人等事故频发。
当煤厚大于2.2m时，回采难度相当大，对顶板煤或底板煤的支护质量要求很高，稍有疏忽就有工作面垮塌的危险，形成了“怕厚”的毛病。
初次来压和周期来压更是难以控制。
而且其资源回收率低、坑耗高。
九十年代后期较多的推广伪斜柔性掩护支架采煤法，克服了上述采煤方法的弱点，但又出现了压薄区域无法推进的新问题，只有回撤掩护支架或者采矸石推进，导致产量低、煤质差。
又形成了“怕薄”的毛病。
综合上述两种采煤方法的优缺点，我们尝试将伪斜柔性掩护支架（见图1）采煤法和伪斜分段走向密集法进行互补，在同一急倾斜不规则煤层回采工作面同时进行配套使用。
由于伪斜柔性掩护支架采煤法其效果明显，回采现场易于操作，决定采用伪斜柔性掩护支架采煤法为主、伪斜分段走向密集采煤法为辅的综合采煤方法进行回采（见图2）。
经试用证明，这种综合采煤方法是切实可行的，且收效明显。
采煤工艺：
采用风镐落煤，人工扒煤。
三．急倾斜不规则煤层回采工作面顶板控制
顶板管理方法：
采用全部垮落法。
伪斜柔性掩护支架采煤法为主、伪斜分段走向密集采煤法为辅的综合采煤方法，是解决急倾斜不规则煤层回采工作面顶板管理的重要措施。
但是掩护支架架头、架尾和两种采煤方法交界处等重点部位是顶板管理的重点环节，也是较为薄弱的地方。
采用该采煤方法回采工作面的初采初放和收尾是顶板管理的一大难点。
1、伪斜柔性掩护支架采煤法为主、伪斜分段走向密集采煤法为辅的综合采煤方法对急倾斜不规则煤层回采工作面顶板管理的优点
采煤工作面煤壁前方10m至煤壁后方15m为应力相对降低区，除此范围内的前方煤壁和后方采空区为应力增高区。
形成了以煤壁及采空区垮落带为前后支承点的半拱式平衡，所以采场空间处于低应力状态。
采场支护的面积越小，支护材料承受的压力就越小。
掩护支架减小了采场空间，使半拱式平衡承受了更多的应力，大大减小了采场支护应力。
掩护支架采用工字钢按工程力学原理制成的，加之有单体液压支柱控制掩护支架，足以承担掩护支架背顶的煤矸重力和应力。
而掩护支架之间又采用卡心木料卡紧卡牢，因而不会发生煤矸沧漏事故。
掩护支架凹向煤壁安装，两端紧贴底板和煤壁，两端腿子将掩护支架背顶的煤矸重力和地应力传递给底板和煤壁。
掩护支架采用四根新钢绳连接成整体，不会出现钢绳断裂、掩护支架散落的现象。
因此掩护支架的安全承受强度是勿容置疑的。
如回采工作面煤层赋存较好时，从而保证工作面全部采用掩护支架采煤法回采，减小支护难度，对顶板控制更有利。
伪斜分段走向密集采煤法采用单体液压支柱配合木开块支护顶底板，形成人工假顶，全面背护顶板、底板。
由于工作面采用伪斜分段密集采煤法的长度较短，按照0.8m柱排距进行支护，按倾向每隔1.6m做一段走向密集，控顶距在4.8m内，足以承受采空区煤矸重力和应力。
2、回采工作面初采初放的顶板管理
“＞”型开切眼工作面或伪斜开切眼工作面，多采用伪斜柔性掩护支架采煤法进行初采初放，因为其顶板管理的难度较小。
先用单体液压支柱配合木料在开切眼内采用托梁形式加固工字钢支架。
安装掩护支架前先在转拐点以上10m处，用单体液压支柱配合木料做一段牢固的走向密集假顶替换工字钢支架，先采地沟，再安装掩护支架直至风巷。
拐点处的走向密集假顶也作为掩护支架的架尾密集，走向密集的单体支柱间距必须小于30cm，在其上铺上材料垫层，保证其牢固可靠。
在安装掩护支架的同时，对工字钢支架进行回收，但回收点必须滞后安架架头2m，不得超过3m，确保架头不沧漏矸。
随着工作的不断推进，架尾密集不断下落，直到完成初采初放。
掩护支架架尾的下落必须有走向密集进行控制，当下一段走向密集作好后，上一段走向密集才能进行回收。
当煤层较厚时，则要全面进行扛背底板煤，一般不留背顶板煤。
工作面回采经半月左右会发生初次来压，即工作面推进30～40m。
工作面在初采初放期间，禁止放顶煤，使采空区得到充填。
初采初放期间，必须将掩护支架内的控架支柱加密到1m/根，掩护支架两端腿子必须紧贴底板和煤壁，严禁出现顶板暴露。
掩护支架架尾密集必须增打成双排走向密集。
若因煤层压薄，出现顶板暴露，必须加打临时支柱以加强支护。
柔性掩护支架采煤法，初安装掩护支架只需5天，初放在半月完成，初次来压后采空区充填满可认定初采初放结束，因此，工作面定初采初时间短，减少顶板管理难度。
3、煤层倾角小于55º时的顶板控制
当煤层倾角小于55º时，顶板管理难点在于掩护支架的放架和撤架。
采用单体液压支柱做控制动力改变掩护支架在工作面的运动状态，以达到安全放架、安全顶板管理的目的。
单体液压支柱的即时升压、卸压的特点，能灵活控制掩护支架的运动方向，从而使掩护支架的移动在人为操作的掌控中，达到有效控制。
这一特点对煤层倾角小于55º时的掩护支架移放架起到相当重要的作用。
将单体液压支柱底端打在煤壁或顶板上，顶端反撑在掩护支架的顶板侧梁上，使掩护支架紧贴底板并受到一个伪斜向上的力。
掏空掩护支架底板侧梁下的煤矸，给单体支柱升压以抬高掩护支架，使掩护支架脱离底板向下运动，移动后，使掩护支架重新达到平衡，从而解决无动力放架导致仰架大面积暴露顶板的难点。
值得注意的是在掏空掩护支架底板侧梁下的煤矸时，要将掩护支架控制牢，防止下滑。
放架前，先清找顶板悬矸，检查掩护支架连接处是否有漏矸现象。
如掩护支架不能紧贴顶板，用材料将掩护支架与顶板的间隙扛背好，确保放架时不沧漏矸。
4、煤层压薄区的顶板管理
煤层压薄区是指该区域的煤厚小于1.5m（掩护支架的内径为1.7m），采用掩护支架回采需要仰架或采矸石推进。
根据压薄区煤层被压薄面积大小，分为小面积压薄区和大面积压薄区。
小面积压薄区是指压薄区的走向长小于10m且伪斜长小于10m的压薄范围，大之则为大面积压薄区。
1）小面积压薄区的顶板控制
压薄区煤厚在0.8m～1.5m的条件下，可保持完整的顶底板进行放架，不用采矸石，在技术上突破常规掩护支架翻架的概念，以单体液压支柱作动力，让掩护支架后仰，但顶板腿子必须贴紧顶板。
放架时让掩护支架在上部采空区矸石的压力作用下以及在上下方掩护支架的带动下，顺煤层顶底板自然下移。
控架采用短单体液压支柱加密控制，用单体液压支柱和木材料配合支护暴露的顶板，如顶板破碎则要用材料进行全面背护。
解决了人为挑顶而破坏顶板和暴露大面积顶板带来的顶板管理难点问题。
压薄区煤厚小于0.8m时，则要强行采矸石使将掩护支架通过，一般情况下采底板矸石，不破坏顶板。
2）大面积压薄区的顶板管理
采用小面积压薄区顶板管理技术应用于大面积压薄区时，对整个工作面造成整体移架困难、顶板暴露面积太大，因而不适用于大面积压薄区。
由于掩护支架采煤法“怕薄”，不能通过大面积压薄区，利用伪斜分段走向密集采煤法“怕厚”，适应薄煤层回采的特点，采用两种采煤方法进行互补，因此用伪斜分段走向密集采煤法推进大面积压薄区。
同时采用两种采煤方法进行回采，其技术关键是作走向密集断绳撤架、两种采煤方法交界处的顶板控制。
根据压薄区在工作面存在的部位，可分为上部压薄区、中部压薄区、下部压薄区。
采用柔性掩护支架与伪斜分段走向密集相结合的采煤方法来推进大面积压薄区，可将上部压薄区与下部压薄区处理视为中部压薄区的一种特殊情况。
第一：
切断钢绳前的工作准备。
根据压薄区的出露情况选择掩护支架钢绳的切断点、切断方式、断绳前后支护措施（见图3）。
将掩护支架钢绳的切断点选择在压薄区的下边缘，有利于根据倾斜方向压薄区确定实际撤架长度。
工作面由下往上撤架，便于操作。
工作面首先在压薄区继续向前推进，上部视情况适当推进，在采出的压薄空间范围内，用单体液压支柱支护，保证初撑力达90KN以上，边采边支，支柱柱、排距均为0.8ｍ。
顶底板均采用材料垫背，顶板破碎则全面背护，压力较大时架设木垛、抬棚控制顶板。
压薄区下边缘设第一排走向密集支柱，以支托断绳后上部掩护支架的架尾和采空区矸石，并沿倾斜向上每隔1.6m设一排走向密集支柱。
同时，重点对断点上下方10ｍ范围内钢丝绳与掩护支架的卡紧状况进行全面检查，对螺栓进行重新拧紧加固。
第二：
切断钢绳。
当推进３～４排后，走向密集长度达到３m时，才用錾子在选定的切断点逐根进行断绳。
断绳时，四根钢绳不能在同一位置同时断绳，每相邻两根钢绳的断点错距保持２.5m以上，先两帮、后中间依次切断。
在断绳的同时，设专人随时观察掩护支架稳定情况，每断掉一根后，要暂停３～５分钟，以待受力重新平衡后，无危险的情况下再断第二根（当发现掩护支架不稳定或有塌架危险时，要立即停止断绳，并采取有效加固措施）。
第三：
钢绳切断后的支护措施。
钢绳断开后，下架头在单体液压支柱的控制下不会倒向煤壁，需在下架头安装２～３架掩护支架，阻止上部矸石窜入地沟，再卸压单体液压支柱，使其贴至煤壁，最后进行撤架。
断绳后，上架尾在单体液压支柱的控制下也不会移动，有走向密集作为承载点，可以达到断绳时不沧漏矸石。
撤架时，采取每次松两架掩护支架，由下往上逐架回撤。
采空区矸石按自然堆积角，逐渐堆积在分段走向密集上方，实现了同一工作面同时采用柔性掩护支架采煤法和伪斜分段走向密集采煤法进行回采。
切断钢绳时的关键在于走向密集的可靠性，以确保钢绳切断后掩护支架能得到有效控制。
此项技术解决了大面积压薄区采用掩护支架仰架推进而难以管理顶板暴露的难点。
5、工作面采用两种采煤方法进行回采时，掩护支架的架头、架尾及压薄区与厚煤区结合带的顶板控制
两种支护工艺相结合实现以后，工作面继续推进时，两种支护工艺的伪斜角度和推进度保持一致。
压薄区上边缘的结合部处理方式采用走向密集超前尾架3～4m（以矸石不窜入工作面为准），掩护支架架尾置于走向密集之上。
压薄区下边缘的结合部处理方式采用走向密集滞后架头0.8m～1m,掩护支架架头置于走向密集之下，架头超前于密集下方采空区堆积矸石1m，随时保持掩护支架两腿沿顶、底板下滑紧贴煤壁。
用超前的走向密集假顶来控制采空区矸石堆积，保证密集上未堆积矸石的空位有1m左右，使掩护支架架头、架尾不会有矸石窜入。
工作面推进过程中，上架尾的处理：
如果煤厚达到或超过掩护支架的放架宽度，则掩护支架逐渐下放，少回撤或不回撤掩护支架；如果煤厚继续被压薄，则继续回撤掩护支架，其间风巷安架按正常进行。
工作面推进过程中，下架头的处理：
如果煤层厚度达到或超过掩护支架的放架宽度，则在架头开始逐渐向上安架，沿倾斜逐步增加掩护支架长度，缩短分段走向密集段数。
如果煤层继续保持压薄状态或往倾斜下方延展，则掩护支架架头随着推进逐渐下放，沿倾斜逐步缩短掩护支架长度，增加分段走向密集的段数。
这种增加了支护强度的架头、架尾管理解决了不同支护方式和不同支护材料交叉带受力不均、顶板难控制的难点。
6、厚煤区的顶板控制
在工作面遇到煤厚大于２ｍ的区域时，为了提高煤炭回收率，掩护支架一般沿煤层底板推进，对架顶煤进行回收。
但同时也造成煤壁出现大面积空顶，煤易垮冒，给顶板控制造成一定的难度。
针对上述放顶煤的顶板管理，主要规范放顶煤的措施和加强放顶煤时的支护。
采取的措施：
选定放煤位置后，用单体液压支柱加强放煤点掩护支架的支撑，然后在煤层顶板或底板侧采出一个放煤空间，放顶煤口不得超过0.5×0.5m。
放顶煤时，必须将放顶煤点上、下各5m范围内的控架支柱加密至1m/根，上、下各10m范围不得出现顶板暴露，否则严禁放顶煤。
当发现煤中矸石增多时，放下掩护支架，终止放煤。
当放顶煤时，放煤人员必须站在放顶煤点上方操作，下煤路线必须畅通，放煤点下方15m不得有人员操作或逗留。
相邻两个放顶煤点必须保持工作面伪斜距离15m以上，且相邻两放顶煤点不能同时进行，防止引起大面积动力现象。
7、安全出口的顶板管理
1）上出口的顶板管理：
工作面如果煤厚大于1.5m，将掩护支架直接安至回风巷平巷内，保证架内高度1.0～1.2m。
回风巷最后一架金属厢必须滞后平巷内的掩护支架1.4～2.1m，同时保证回风巷平架未堆矸的长度不小于1m。
上出口如煤厚小于1.5m，则可以将掩护支架架头下放到工作面中部，在架头倾向上方1.6m内用单体液压支柱配合木材料作一段牢固的走向密集，将架头置于走向密集下方。
架头超前于密集下方采空区矸石堆积1m，确保不沧漏矸石。
2）下出口的顶板管理：
工作面下口掩护支架放到机巷金属厢顶上，使掩护支架在金属厢顶上呈走向平直状态，架尾长度控制在3～5m。
用单体液压支柱控制架尾，不留煤柱，不另掘超前下煤眼和撤架眼。
从而减少下出口的管理环节，更有利于顶板控制。
为便于撤架，架尾高度需要控制在0.6～1.0m之间，架尾段的单体控架支柱还应加密至1m/根。
直接从架末端第一架开始逐一回收，而采空区任其自然垮落。
机巷金属厢顶必须采用材料全面背护，防止机巷垮塌。
机巷下出口前方20m，必须采用单体液压支柱配合绞接顶梁打成托梁进行加固支护。
下出口如不能采用掩护支架回采，则以压薄带推进方式进行管理。
8、工作面收尾的顶板控制
当掩护支架上部架头安至距采止线２～３ｍ时，即停止安架，上出口段向前采出２～３排，支护的同时以木垛、替棚等特殊支护维持工作面上口的畅通。
随着下部掩护支架的正常推进和架头的逐渐下移，慢慢形成正台阶，正台阶控制在3个内，总长度控制在20m内，便于上部支护。
正台阶控制为４排３空为宜，控顶距2.4～3.2m，台阶斜长６～８m，错距0.8m。
每个台阶相交处用木垛或走向密集加固，台阶角打好背顶支柱（见图4）。
架头上方的空间用木支柱打成倾斜棚子，防止架头窜矸，架头逐渐下落至工作面中部。
收尾期间架尾正常撤架，掩护支架的长度越来越小。
当上部正台阶形成好以后，下部以伪斜方式直接收尾，支护空间3排2空，在采空区侧做伪斜密集，迅速回撤掩护支架。
最后用木支柱替换单体液压支柱，直至完成收尾。
收尾期间的顶板管理关键在于正台阶部分的有效控制，伪斜收尾时的高强度支护，均可采用抬棚、双排密集等方式进行加固处理，定能很好的控制顶板。
当工作面遇特殊情况（如大型构造、特厚煤区等）可直接以伪斜方式完成收尾。
先用单体液压支柱控制好掩护支架，其控架支柱全面加密至1.0m～1.5m/根，然后在煤壁采出两排空间用木支柱支护，做伪斜密集，单体液压支柱加固，即可由下向上回撤掩护支架，回撤时必须加密架尾控架支柱以防架尾下坠。
当掩护支架回收完，就用木支柱由下向上逐根替换单体液压支柱，直至完成收尾。
伪斜密集只保证煤壁留有通风、排水通道，人员禁止通行。
回出的材料由下向上运送。
采用上述两种方法收尾，一般在一周内即可完成，且其方式简单易操作、顶板易控制、材料消耗较少。
解决了一般收尾工艺时间长、维护困难、易垮冒坍塌的难点，从而有效控制顶板。
三．效果
通过急倾斜不规则煤层柔性掩护支架与分段走向密集相结合的采煤方法顶板管理的实践，确保了工作面支护的稳定性和有效性，有效的对急倾斜不规则煤层顶板进行控制。
1、解决了厚煤区与压薄区交界处的顶板管理。
厚薄煤层交界处也是两种采煤方法的交界处，对于顶板管理是一个较为重要的环节，采取了走向密集和特殊加固措施加强支护，很好的进行顶板管理和控制。
2、解决了压薄区顶板控制。
根据掩护支架过薄化带困难的特点，利用单体液压支柱进行搭配使用，充分发挥掩护支架的“柔”性，在薄化带中也能正常推进。
在大面积薄化带中，根据掩护支架安装、撤出简单灵活的特点，及时适应煤厚变化。
特别解决了压薄区域煤厚变化频繁，顶板难控制的问题。
3、解决了倾角大、工作面易冲垮的难题。
单纯的采用单体液压支柱或木支柱支护时，因为煤层倾角较大，支柱抗横向冲击力不够，因而常常造成工作面面积不等的垮塌。
而柔性掩护支架是一个连接的牢固整体，将压力逐步传递给煤壁、控架支柱、机巷的金属厢。
机巷金属厢所受压力为纵向正压力，并经厢体传递给周边岩体，确保安全性。
4、解决了回采工作面初采、收尾时间长，期间支护、维护困难、顶板易垮落的难点。
以缩短初采、收尾时间为主要手段，加强特殊支护措施，顶板控制更加可靠，达到安全初采、安全收尾、控制项板的目的。
四．总结
急倾斜不规则煤层柔性掩护支架与分段走向密集相结合的采煤方法顶板控制方法和途径，为急倾斜不规则煤层开采的顶板管理开辟了新的途径，较之传统的柔性掩护支架采煤法和伪斜分段走向密集采煤法具有适应性强、顶板控制更加可靠的特点。
因此，对急倾斜不规则煤层回采顶板控制有着深远的影响。
急倾斜不规则煤层回采工作面的回采产量都不是很高，推进速度较慢。
如何在增加产量的同时控制好顶板，对于广大采矿工程技术人员是一项新的研究课题，且是一个势在必行且难度极高的攻克关口。
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