花山矿薄煤层综采可研.docx
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花山矿薄煤层综采可研
攀枝花煤业（集团）有限责任公司
花山煤矿大倾角薄煤层综采可行性研究
天地科技股份有限公司开采所事业部
2007年2月
1矿区概况
1.1攀煤集团基本情况
1.1.1历史沿革
攀枝花煤业（集团）有限责任公司的前身是成立于20世纪60年代的渡口矿务局，80年代更名为攀枝花矿务局，2000年3月改制为攀枝花煤业（集团）有限责任公司。
矿区从1965年开始建设以来，进行过多次总体规划和设计，到1973年先后建成6对矿井，由于煤炭资源的枯竭，其中的龙洞煤矿、沿江煤矿已分别关闭或破产，现在还有4对矿井，分别是：
大宝顶煤矿、小宝鼎煤矿、花山煤矿和太平煤矿。
设计原煤生产能力390万t/a，2004年公司核定生产能力410万t/a，2003年全国百强煤炭企业中排名第59位，是四川省最大的煤炭企业。
攀煤集团公司自开发建设近40年来，累计生产原煤11000多万t，洗精煤5500多万t，在优化我国煤炭工业布局，促进西南地区经济发展中发挥了重要作用，为攀枝花市的建设和经济发展做出了重大贡献。
1.1.2矿区位置和开采范围
攀煤集团公司位于四川省攀枝花市西区，横跨金沙江南北两岸，占地总面积209km2，其中江南为169km2，江北40km2。
矿区中心和生产矿井分布在金沙江南岸，北岸有精煤分公司、恒威公司、九鼎公司、矸石电厂等非煤产业单位。
矿区交通运输以铁路和公路为主，成昆铁路为主要运输通道，攀枝花站（金江站）北距成都770km，南至昆明387km。
市内铁路支线在成昆铁路三堆子站接轨，沿金沙江北岸向西至格里坪，穿过矿区中心北缘。
矿区公路网通过金沙江3004、3007两座大桥与市内公路干线相连接。
矿区地形复杂，沟谷发育，南高北低，最高海拔标高+2518m，最低为金沙江水面，海拔标高+1020m。
摩梭河自南向北经矿区中部流入金沙江。
区内气候属高原型亚热带气候，四季不分明，气温年差较小而日差较大，旱雨季十分明显，春冬两季多风。
矿区地震烈度7度。
攀枝花煤田东起东风井田F22断层及F6断层，西至太平场（V）井田F22断层，南到野猪塘，北抵金沙江。
东西宽11km，南北长15km，总面积为169km2。
1.1.3煤炭资源和开采地质条件
攀煤（集团）公司所在矿区位于四川省攀枝花市宝鼎矿区，矿区煤炭资源十分丰富，已探明储量4.8亿t，深部预测储量9.3亿t（其中+300m标高至现开采水平预测储量为3.2亿t），是四川省确定的2个煤炭稳定发展的矿区之一，也是西南地区重要的煤炭能源生产基地。
矿区含煤地层为三迭系大荞地煤组，含煤132层，煤层总厚74.85m，其中可采煤层73层，可采煤层总厚58.5m，可采煤层在储量上以厚～中厚煤层为主，在层数上以薄煤层为主。
煤层结构就全层来说多系复杂或极复杂结构，但在可采区域，一般是简单或较简单结构。
全矿区内可采煤层以较稳定为主，主要可采煤层属稳定或较稳定煤层，次要可采煤层稳定性较差。
后期冲刷带对可采煤层的影响一般不大，仅在矿区南段的少部分煤层受冲刷，但范围均不大。
矿区煤的变质程度为焦煤～贫煤阶段，以焦煤为主，瘦煤为辅，在总储量中焦煤占50.9％，瘦煤占45.5％，贫煤占3.6％，均为低磷、低硫的优质炼焦用煤。
煤层倾角一般为25°～45°，局部地段在45°以上。
矿井均为低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险性。
按照原煤炭工业部的要求，攀煤（集团）公司在1991年根据《矿井地质规程》第二章的规定对小宝鼎、太平、花山和大宝顶等4座煤矿的地质构造进行了分类，并在1991年7月22日经原中国统配煤矿总公司批准（中煤总生字〔1991〕第338号），四个矿的地质条件均为Ⅱ类断层、Ⅲ类褶皱。
宝鼎矿区由原国家地质部云南地质局第八、第九、第十地质勘探队于1964～1968年勘探，当时共划分为五个井田，即灰家所（Ⅰ）井田、宝鼎（Ⅱ）井田、大荞地（Ⅲ）井田、太平场（Ⅴ）井田和东风井田。
尚未勘探的深部矿区——即现勘探标高以下至-500m标高，预测储量有9.3亿t，其中现勘探标高至+300m约有3.2亿t，+300m以下约有6.1亿t，根据原勘探地质资料预测深部资源较为丰富，是该公司生产矿井较为理想的接续区。
宝鼎矿区深部资源勘探项目（现已勘探标高～+300m）得到攀枝花市、四川省发改委和国家发改委的高度重视和支持，深部勘探项目已于2004年6月开工，该项目预计2006年上半年完工，完工后预计可获得地质储量3.2亿t。
井田范围内可采煤层多为中厚煤层，含0～4层夹矸，厚0～0.5m不等，少数可采煤层为单一结构的薄煤层，煤层倾角一般25°～45°，根据煤层赋存条件，小宝鼎，大宝顶和花山等三个矿采煤方法基本采用走向长壁开采方法，采煤方法较落后，主要是炮采，2005年该公司有6个高档普采面及1个大倾角综采试采面，机采产量为74.96万t，仅占总产量的27.58%。
由于受大箐向斜的影响，井田西部（现太平矿）煤层倾角变化大，一般为65°，采煤方法多数为柔性掩护支架采煤法，部分为木支护刀柱式采煤。
1.2花山煤矿概况
1.2.1地理位置与交通条件
攀煤（集团）公司花山煤矿位于攀枝花市西区宝鼎矿区东北部，金沙江南岸。
地理位置：
东经10°35′00″，北纬23°35′20″。
矿区有公路通巴关河和格里坪车站，距最近的巴关河车站3km，巴关河车站和格里坪车站位于成昆铁路的2201支线上，该支线与其接轨于三堆子火车站。
原煤通过过江索道运至巴关河洗煤厂入洗。
1.2.2井田位置及储量
花山煤矿西起摩梭河，与太平煤矿为邻，东至39#煤层+1220m标高投影线，与小宝鼎煤矿相邻，北起金沙江，南至A9勘探线，与大宝顶煤矿相邻。
井田含煤层为三迭系大荞地煤组，含煤100余层，其中可采煤层或局部可采煤层49层，可采煤层总厚度29.25～52.28m；主要可采煤层10层，次要可采煤层9层，其余为局部可采煤层，以近距离中厚及薄煤层为主；主要可采煤层为中厚煤层，煤层厚度为2～3.5m，较为稳定，煤层倾角一般为30～45°，局部地区受地质构造影响有急倾斜煤层，煤层倾角总的趋势是由北向南逐渐变大。
花山煤矿开采该范围1～39#煤层，各可采煤层主要特征见表1-1。
截止2004年底保有储量16724.4万t，可采储量10737.4万t。
1.2.3井型及生产能力
花山煤矿于1966年1月开工建设，设计年生产能力为60万t，1970年10月正式投产。
1987年4月原煤炭部批准花山矿改扩建方案，净增设计生产能力120万t，扩建后年生产能力180万t，经川煤三处施工，于1989年12月正式投产。
1.2.4花山煤矿地质特征
1.2.4.1地质构造
井田内地质构造复杂，以褶曲为主、断层次之；主要构造线方向为近南北至北25°东，与区域构造线方向一致。
经勘探和生产共发现褶曲19条，其中较大的有2#、7#、9#向斜及6#、7#、8#背斜等6条褶曲。
褶曲主要形态以背斜紧密、向斜宽缓、不对称型褶曲为主。
地层由新到老，褶曲幅度增大，即由1#～39#煤层，褶曲幅度增大，褶曲轴部小断层和裂隙较发育。
井田内现共发现落差大于5m的断层64条，其中落差大于20m的大中型断层34条，落差大于50m的断层8条，大部分断层为高角度走向或斜交逆断层。
矿井地质构造类型为Ⅲ～ⅢbⅡdⅢfg,水文地质类型为Ⅱ类一型，即中等偏简单。
1.2.4.2水文地质
井田系弱、极弱含水层，地下水源主要由周期性大气降雨渗入补给，其次是含水层裂隙补给。
金沙江近平行岩层走向流经39#煤层边界外，而受不可采煤段多段隔水层所隔，江水对矿井充水基本没有影响。
水文地质条件属简单类型，矿井正常涌水量130m3/h，雨季涌水量700m3/h。
1.2.5瓦斯、煤尘及自燃发火
1.2.5.1瓦斯
根据2006年瓦斯等级鉴定结果，全矿相对瓦斯涌出量为7.17m3/t，绝对瓦斯涌出量15.53m3/min；+1030水平四采区相对瓦斯涌出量为6.62m3/t，绝对瓦斯涌出量8.12m3/min；六采区相对瓦斯涌出量为2.60m3/t，绝对瓦斯涌出量0.32m3/min；+900水平一采区相对瓦斯涌出量为9.53m3/t，绝对瓦斯涌出量6.9m3/min，由此可知矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井。
但个别煤层如3#、4#、15#、23#等煤层瓦斯含量有随着采深的增加而逐渐增高的趋势，2006年上述煤层瓦斯相对涌出量大于10m3/t，属高瓦斯区域。
1.2.5.2煤尘
根据煤炭科学研究总院重庆分院对矿井煤层煤尘爆炸性的鉴定结果可知，1#煤层爆炸指数21.97％，3#煤层爆炸指数18.70％，4#煤层爆炸指数19.05％，6#煤层爆炸指数20.64％，14#煤层爆炸指数27.57％，15#煤层爆炸指数21.05％，17#煤层爆炸指数20.80％，21#煤层爆炸指数18.78％，23#煤层爆炸指数22.28％。
根据以上鉴定结果，可知各煤层均属有煤尘爆炸危险性的煤层。
1.2.5.3自燃发火
经煤炭科学研究总院重庆分院对矿井煤层自然发火期的鉴定，结果如下：
1#煤层自然发火期大于6个月，3#煤层自然发火期大于5个月，4#煤层自然发火期大于9个月，14#煤层自然发火期大于6个月，17#煤层自然发火期大于12个月，得到该矿煤层为不易自燃煤层的结论，且该矿自建矿30多年以来煤矿未发生自燃现象。
2薄煤层赋存条件及储量评价
2.1煤层开采储量评价
花山矿含煤地层为三迭系大荞地煤组，含煤100余层，其中可采煤层或局部可采煤层49层；主要可采煤层10层，次要可采煤层9层，其余为局部可采煤层，以近距离中厚及薄煤层为主。
主要可采煤层为中厚煤层，煤层厚度为2～3.5m，较为稳定，煤层倾角一般为30°～45°。
煤层顶板多为灰色薄层状泥质砂岩和浅灰中厚层状粉砂岩，底板为灰色质粉砂岩，地质构造以褶皱为主，断层次之，水文地质条件为中等偏下，煤尘有爆炸性，煤层不易自燃，属低瓦斯矿井。
截止2006年底保有储量16724.4万t，可采储量10737.4万t，以矿井生产能力150万t/a计，尚可服务50年以上。
花山矿现有开拓煤量1761万t，见表2-1，其中+1030生产水平开拓煤量1140.4万t，+900生产水平开拓煤量620.6万t。
通过对花山矿开采煤层状况的分析，认为花山矿的煤层条件总体上是好的，尚保有较多的可采储量，具有扩大生产能力的资源条件。
2.2大倾角薄煤层综采煤层选择及其赋存条件
2.2.1大倾角薄煤层综采煤层的选择依据
在大倾角薄煤层中，最佳综采煤层的选择依据如下：
1）煤层倾角小于50°；
2）煤层厚度在1.1～2.2m之间；
3）煤层直接顶，按缓倾斜煤层顶板分类标准应属2类或3类，可随采随冒充填采空区；
4）煤层基本顶，套用缓倾斜煤层顶板分类标准应属Ⅱ类或Ⅲ类，在采空区基本无悬顶，工作面回采时，基本顶初次来压、周期来压强度小；
5）煤层强度在20～40MPa之间，回采时，工作面煤壁直立，不易片帮；
6）煤层底板，套用缓倾斜煤层底板分类标准应属Ⅱ类或Ⅲ类，工作面回采时液压支架不易陷底；
7）煤层结构简单，夹矸层数少、厚度薄、强度低；
8）煤层瓦斯相对涌出量、绝对涌出量低，为低瓦斯煤层；煤层自燃发火期长，属不易自燃煤层；煤尘爆炸指数低，煤尘没有爆炸危险性；
9）煤层可采储量大，能布置推进度较长的工作面；
10）煤层地质构造简单，断层、褶曲少，易布置出推进度较长的工作面。
表2-1为花山煤矿现开拓煤层可采储量统计表。
表2-1全矿现开拓煤层可采储量统计表单位：
万t
采区
煤层
+1030水平
四采区
+1030水平
六采区
+900水平
一采区
+900水平
二采区
合计
采煤方法
1#
0
99.3
27.1
0
126.4
中厚煤层综采
3-2
0
0
21.4
0
21．4
4#
11.1
81.5
43.2
0
135.8
中厚煤层综采
5#
44.6
44.7
0
0
89.3
薄煤层综采
6#
16.4
0
0
0
16.4
7#
0
0
16.9
0
16.9
14#
0
0
6.4
0
6.4
中厚煤层综采
15#
68.7
126.2
0
0
194.9
中厚煤层综采
17#
23.6
56.3
0
29.3
109.2
薄煤层综采
20#
0
0
0
62.8
62.8
薄煤层综采
21-2
14.8
52
0
86.6
153.4
薄煤层综采
21-3
39
83
0
0
122
薄煤层综采
22-2
6.8
39.8
0
0
46.6
薄煤层综采
23-1
40
85.1
0
25
150.1
中厚煤层综采
23-2
67
86.1
0
129.2
282.3
中厚煤层综采
24#
0
54.4
0
172.7
227.1
薄煤层综采
合计
332
808.4
115
505.6
1761
根据上述选择条件，对花山矿各个可采煤层进行筛选对比，认为适合综采的薄煤层有5＃、17#、20#、21＃、21-3、22-2、24#、27#共8层煤。
2.2.2适合综采的大倾角薄煤层赋存条件
花山煤矿目前已开拓准备出的水平中适合采用大倾角薄煤层综合机械化采煤方法的煤层有5＃、17#、20#、21＃、21-3、22-2、24#、27#共8层煤，其赋存条件分述如下：
①5#煤层：
煤厚平均1.83m，煤层倾角26°～42°，平均倾角34°。
直接顶为薄层状泥质粉砂岩及粉砂岩，基本顶为厚10.0m的灰色厚层状含砾粗砂岩；直接底为厚层状细砂岩。
焦煤，f=2；自燃发火期大于12个月，属不易自燃煤层；煤尘有爆炸性。
5#煤层综合柱状图见图2-1。
图2-15#煤层综合柱状图
②17#煤层：
煤厚平均0.93m，煤层结构复杂，含2层夹矸，倾角26°～42°；伪顶为灰色泥岩，直接顶为泥质粉砂岩，基本顶为厚层状灰色含砾砂岩；直接底为薄层状泥质粉砂岩和粉砂岩，老底为厚层状浅灰色含砾粗砂岩。
煤质为焦煤，属不易自燃煤层；煤尘有爆炸性。
17#煤层综合柱状图见图2－2。
图2-217#煤层综合柱状图
③20#煤层：
煤厚平均1.09m，结构复杂，含3层夹矸，倾角26°～42°，伪顶为薄层状泥质粉砂岩夹煤线，再上为0.43m的18＃煤层，直接顶为厚4.5m的深灰色中厚层状泥质粉砂岩，基本顶为灰白色厚层状石英中粒砂岩至粗砂岩；直接底为薄层状泥质粉砂岩，老底为厚层状浅灰色粉砂岩。
属不易自燃煤层；煤尘有爆炸性。
20#煤层综合柱状图见图2-3。
图2-320#煤层综合柱状图
④21#煤层：
Ⅰ井田21#煤层煤厚平均2.05m，倾角15～44°，伪顶为薄层状泥质粉砂岩，直接顶为灰色厚层状细砂岩，基本顶为浅灰色厚层状中粒砂岩；直接底为厚层状泥质粉砂岩，之下为21-3煤层和泥质粉砂岩。
Ⅱ井田21#煤层煤厚平均1.6m，含一层0.4m夹矸，倾角15～44°，伪顶为薄层状泥质粉砂岩21-2煤层互层，直接顶为灰白色薄层状粉砂岩，基本顶为厚层状含粒粗粒砂岩；直接底为薄层状泥质粉砂岩，老底为粉砂岩。
21#煤层属不易自燃煤层；煤尘有爆炸性。
21#煤层综合柱状图见图2-4~5。
图2-421#煤层（Ⅰ井田）综合柱状图
图2-521#煤层（Ⅱ井田）综合柱状图
⑤24-2煤层：
煤厚平均1.70m，含两层夹矸，倾角21°～62°，直接顶为含炭泥质粉砂岩，在上为厚度2.16m的24-1煤层，基本顶为厚层状粉砂岩和中粒砂岩；直接底为厚层状粉砂岩。
属不易自燃煤层；煤尘有爆炸性。
24-2煤层综合柱状图见图2－6。
图2-624-2煤层综合柱状图
⑥27#煤层：
煤厚平均1.5m，结构复杂，含2层夹矸，倾角25°～44°，直接顶为浅灰色薄层状泥质粉砂岩，老顶为灰白色厚层状粗砂岩；直接底为薄层状泥质粉砂岩，老底为中厚层状粉砂岩。
属不易自燃煤层；煤尘有爆炸性。
27#煤层综合柱状图见图2-7。
图2-1027#煤层综合柱状图
2.3薄煤层综采储量及薄煤层综采工作面接替
表2-2开拓煤层中适于薄煤层综采可采储量统计表单位：
万t
采区
煤层
+1030水平
+900水平
合计
编号
煤厚/m
——————————
倾角/°
四采区
六采区
二采区
5#
1.2
20～40
44.6
44.7
／
89.3
17#
0.72
26～42°
23.6
36.3
/
59.9
20#
1.0
26～42°
／
／
32．1
32.1
21-2
0.96
15～44°
14.8
52.0
72．6
139.4
21-3
1.4
20～45
/
83.0
／
83
22#
0.65
10～45°
57
39.8
／
96.8
24#
1.70
21～62°
/
44.4
82．8
127.2
27#
1.12
25～44°
／
／
35．7
35.7
合计
140
300.2
223.2
663.4
花山矿在已开拓准备出来的水平中，适用综采的薄煤层储量总计663.4万t，用一个薄煤层综采工作面开采，年产按30～40万t考虑，现开拓薄煤层储量可满足1个薄煤层综采面开采22～16.6年。
若考虑上下延+700水平适宜综采的薄煤层27#煤层可采储量119.2万t，则全矿适宜综采的薄煤层储量共计782.6万t，煤层储量及赋存条件都较好，具有提升薄煤层产量、扩大再生产的资源条件。
根据花山矿技术科2006年9月编制的大区接续计划，2007年至2018年薄煤层综采工作面接替见表2-3。
预计2007年10月4055薄煤层综采首采面开始初采，然后依次开采4056工作面和四采区22＃煤层，2012年左右进入+900水平二采区开采21#、24#煤层，2015年左右进入+1030水平六采区开采21-3煤层，至2018年结束回采。
1套综采设备的服务年限可达10年左右，也即可利用至2018年，则利用该套薄煤层综采设备可开采出348.6万t煤炭资源，而薄煤层综采工作面单产可达到34.8万t/a，较目前薄煤层工作面单产18万t/a增加了16.8万t/a，产量增加了93.3%，经济效益非常显著。
表2-3薄煤层综采工作面接续表
工作面名称
开采煤层
煤层倾角
/°
采高
/m
可采储量
/万t
工作面
斜长/m
走向长/m
4055
5#
35
1.8
24
260
440
4056
35
1.8
20
120
800
4226
22#
39
1.8
16.6
110
600
4058
5#
35
1.7
24.5
130
800
4228
22#
39
1.8
18
120
600
4248
24#
39
1.4
16.5
120
700
22211
21#
25～40
1.6
18
100
800
22213
25～40
1.6
20
110
800
22241
24#
28
2.0
28
104
740
22243
28
2.0
28
120
740
621-31
21-3
33
2.4
23
125
550
621-32
33
2.4
14
125
350
621-33
33
2.4
23
125
550
621-34
33
2.4
23
125
550
621-35
35
1.4
13
120
550
621-36
35
1.4
13
120
550
621-37
35
1.4
13
120
550
621-38
35
1.4
13
120
550
总计
348.6
2.4复杂条件下综采工作面布置
花山地质构造复杂，断层发育，褶皱复杂，井田内次一级褶皱发育。
工作面顺槽内胶带输送机通常情况下，必须直线铺设，否则就会跑偏，但由于地质条件的变化，在巷道掘进中巷道取直是非常困难的，针对这种情况，建议根据实际地质条件，可考虑采用折线布置：
普通带式输送机作直线运输，当遇到变向运行（即运输巷道交叉）时，采用两部输送机搭接运输。
3大倾角薄煤层综采工作面采煤工艺
3.1首采工作面地质情况
3.1.1工作面位置
根据花山煤矿发展规划，结合回采工作面接续安排，为了加快综采机械化的发展，将薄煤层综采工作面布置在4055工作面，图3-1为4055工作面平面布置图。
3.1.2工作面地质情况
4055工作面位于+1030水平4采区，此处5#煤层平均厚1.83m，含1层夹矸，为0.53m泥质粉砂岩，煤层倾角平均35°；可采储量24万t。
直接顶为深灰色薄层状粉砂岩及泥质粉砂岩，平均厚2.0m，老顶为厚层状含砾粗砂岩，平均厚10.0m。
底板为细砂岩。
5#煤层综合柱状图见图3-2。
工作面内地质构造较简单，5#煤层强度系数f=2；煤质为焦煤，瓦斯相对涌出量为3.97m3/t。
自燃发火期大于12个月，属不易自燃煤层；煤尘有爆炸性。
3.1.34055工作面基本参数与采煤方法
根据花山煤矿生产技术部做的4055工作面设计图，4055工作面走向长440m，平均斜长260m，煤层平均倾角35°，采高1.83m，可采储量24万t。
根据花山煤矿四采区5#煤层地质条件和拟定的基本方案，4055工作面将采用长壁后退、顶板全垮式综合机械化采煤法。
图3-2花山煤矿4055综采工作面柱状图
图3-14055大倾角综采工作面平面图
3.2工作面巷道设计及支护方式
花山煤矿4055工作面斜长260m，走向长440m，工作面生产能力为年产40万t，根据对通风断面的验算，工作面采用双巷布置方式。
根据瓦斯涌出量对风量的要求以及工作面顺槽设备布置对巷道断面的要求，初步确定工作面回风巷断面为3.5×3.0m2（宽×高），掘进断面10.5m2；运输巷断面为3.7×2.8m2（宽×高），掘进断面10.36m2，见图4-3。
将两顺糟的宽度分别定为3.5m和3.7m，主要考虑设备和人行的需要，运输巷为机轨合一巷。
4055工作面巷道沿顶、破底掘进，采用锚、梁、网，锚索补强型的组合支护方式。
a—回风巷
b—运输巷
图3-3综采工作面巷道断面图
3.3大倾角综采工作面采煤工艺
4055工作面为煤层倾角达到35°的大倾角工作面，为防止工作面设备下滑，采用工作面下端头斜切进刀，上行割煤、跟机移架，下行清浮煤单向割煤工艺。
3.3.1回采工艺流程
1）工作面回采工艺
采煤机采用单向割煤，下端头斜切进刀，上行割煤、液压支架及时支护顶板，跟机移架，下行清浮煤的单向割煤工艺。
2）回采工艺流程
采煤机下端头斜切进行刀——正常上行割煤——移架——推移输送机（斜切进刀段）——采煤机返向下行清浮煤（采煤机割煤至机尾后）—下端头斜切进刀。
3.3.2采煤机割煤
3.3.2.1采煤机割煤方式及运行顺序
大倾角综采工作面一般采用下端头斜切进刀、单向割煤的方式，采用这种割煤工艺的原因是：
1）.如采取双向割煤，并要求跟机移架，必然要求自上而下移架与自下而上移架往复进行，这样容易造成工作面支架状态纷乱，使支架下滑，造成支架歪斜、出现倒架，咬架、背架等现象。
2）.双向割煤时，因溜前浮煤多，推溜不到位，造成工作面顶板被反复支撑，并使工作面达不到平直
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