我国大倾角煤层开采技术变革与展望

大倾角煤层是我国煤炭资源的主要赋存样式之一。在地域分布上呈现出广泛性与区域性,据不完全统计,全国25个省、自治区、直辖市均涉及该类煤层开采,在中西部地区储量丰富、产量大、生产集中程度高。在赋存条件上呈现出多样性与复杂性,不同区域成煤时期不一,构造控煤过程迥异,形成了多样且复杂的开采条件,催生了不同的开采技术要求。大倾角煤层开采的技术难度大。煤层倾角导致采场围岩运动破坏呈现非对称性显现特征,支护系统稳定性控制与“三机”配套与协同、采准巷道布置与支护、工作面“人-机”环境安全保障等工作的难度显著加剧,严重制约了矿井安全高效开采。大倾角煤层开采的区域经济需求强,该类煤层赋存与生产较集中的区域多见以煤炭工业为主的资源型城市,经济结构相对单一,煤炭资源安全高效开发利用对区域能源保供、民生保障、经济保稳具有兜底作用。长期以来,大倾角煤层开采技术变革聚焦于解决“难”与“需”的矛盾,在采煤方法与工艺、岩层控制理论与技术、成套装备研制与应用3个方面不断完善、创新、发展,实现了由非机械化向机械化开采的转变,安全产效水平大幅提升,人员劳动强度大幅下降,作业环境显著改善。20世纪90年代中期,川煤集团绿水洞煤矿首次成功实现了大倾角中厚煤层长壁综采,冲破了大倾角煤层机械化开采技术“禁区”。在此示范作用下,大倾角厚煤层长壁综放开采、大采高综采、薄煤层伪俯斜长壁综采三项首创性工程实践先后取得成功。这一过程中创新了工作面非线性限位布置与调斜方式,确立了“支架-围岩”系统稳定性多维交互控制模式,研发了工作面成套装备,取得良好收效,综合机械化开采技术适用范围进一步拓宽。与此同时,大倾角煤层开采仍存在许多亟待突破的关键科学问题与技术瓶颈,导致自动化、智能化水平提升与近水平/缓倾斜煤层相较仍存在较大差距。需进一步强化倾斜层状煤系地层煤岩体采动力学行为研究,揭示其对采场围岩灾变的控制机制,并实现量化表征;需进一步阐明岩体承载结构-采场装备群组系统间的多维动态作用过程与规律,完善装备与围岩多维动态多目标协同控制理论与技术基础,实现技术转化应用。在科学问题取得突破的基础上进行采煤方法、回采工艺、岩层控制、成套装备的系统性技术创新与研发,破解大倾角煤层开采安全-产效双提升的制约技术瓶颈,使大倾角煤层综合机械化开采倾角上限在有可靠技术保障的前提下向上延伸(扩展),为实现自动化、智能化开采奠定基础。

大倾角煤层长壁综采顶板冒落形态与支架稳态控制

为研究大倾角煤层走向长壁综采工作面采空区顶板冒落形态与支架稳态控制,通过理论分析、试验研究与现场观测,在厘定走向长壁综采工作面初次来压与周期来压矿压显现规律基础之上,分析耦合效应下的顶板冒落形态的演化机理和支架失稳的典型分区特征。结果表明:沿倾斜自下而上顶板冒落呈非对称的向斜与背斜形态,且冒落与断裂岩块的堆积密实程度逐渐减小,直至采空区上部形成空穴;沿走向采空区下部顶板冒落呈谷峰相间(锯齿)状态;倾向中上部支架受向背斜冒落顶板影响,支架与围岩呈非均匀接触,是支架最易倾倒的部分,且倒架后中上部支架两立柱工作阻力差异最为明显。针对现用支架不具“带压移架”功能,采用“少降快拉”移架的稳态控制方法并指导现场拉架操作,获得良好的支架稳态控制效果,确保了大倾角煤层走向长壁综采工作面的安全高效生产。

大倾角煤层综采产效要素系统分析与促产提效精准策略研究

大倾角煤层迄今仍为国际公认的复杂难采煤层,我国赋存较多且广泛,煤质优良。近10多年,先进的大倾角煤层长壁综采技术发展较快,工作环境改善,劳动强度降低,安全水平提升,但一直存在产量低、效率差等亟待解决的问题,致使综采技术经济优势和投资效益不能充分发挥,制约了大倾角煤层综采的高效持续发展。基于多年的系统研究与工程实践,综合分析认为大倾角煤层综采产量效率主要受到地质、设备、工艺、人员、管理、其他等6方面的因素制约,并确定各因素的权重。依据各影响因数的权重有的放矢地采取精准探测、精准检修、精准操作、精准管理、精准培训和精准补充等措施,尤其应更加关注采矿自动化和智能化发展方向并将其作为大倾角煤层综采促产提效的核心精准对策,从根本上改变大倾角煤层综采用人多、产效低的被动现状,实现大倾角煤层长壁综采安全高产减人提效之目标。

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中,重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递,介观层状采动模型优势破裂面方向偏移,宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明,在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显:(1)煤岩组合界面倾角35°~60°时,非均衡传力特性逐渐凸显,界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转,且偏转量随倾角增加逐渐增大;煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏,煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律,在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏,以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性,特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变,形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明,重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点,突破传统开采方法与技术瓶颈,研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。

大倾角软顶软煤回采巷道支护技术

为解决大倾角软顶软煤回采巷道的变形与失稳问题,以李子垭矿南二井3102工作面回采巷道支护为研究对象,分析了松软破碎顶板软煤层易冒落加剧了巷道支护难度,原钻爆法破岩和支护施工工艺不合理,由此依据煤层地质条件和巷道变形破坏特点,确定"锚杆锚索+大托盘+金属网+W型钢带+喷浆"联合支护和"管棚+注浆"超前支护方案,并采用FLAC3D有限差分软件对支护方案有效性进行计算,分析显示巷道位移为22～140mm、垂向应力125～198MPa,巷道围岩应力集中得到有效控制。

大倾角采煤机与刮板输送机应用效果及技术改进

基于大倾角中厚煤层走向长壁综采、大倾角厚煤层走向长壁综放和大倾角4.5 m大采高综采工作面开采现状,分析了采煤机和刮板输送机在大倾角煤层综采实践中的应用效果,论述了大倾角采煤机及刮板输送机针对大倾角特殊条件所进行的持续改进情况。大倾角采煤机的持续改进主要集中在保证其制动可靠、牵引力足、润滑良好、装煤率高以及操控安全;大倾角刮板输送机的持续改进主要包括确保其结构强度高、防滑可靠和安全防护优良3个方面。特别指出大倾角采煤机及刮板输送机的持续改进应突破传统的近水平或缓倾斜条件下的设计理念与方法,改进的关键应立足大倾角特殊条件提升采煤机和刮板输送机的适应性与可靠性。最后指出了大倾角采煤机和刮板输送机深化改进面临的主要问题及解决方案。

大倾角煤层长壁综采支架典型应用实例及改进研究

通过分析我国大倾角煤层走向长壁综合机械化开采技术取得的发展,结合大倾角中厚煤层综采、大倾角特厚煤层长壁综放和大倾角厚煤层4.5 m大采高综采工程实践的典型实例,论述了大倾角煤层综采支架的使用效果与改进情况。归纳总结出了直接决定大倾角综采支架使用效果的亟待解决的重大问题,如支架过重、侧护板伸缩不灵、底调千斤顶现场无法更换以及不能带压移架等。建议以"工作阻力适中化、抗倒滑可靠化、架重轻型化"的理念主导大倾角液压支架的持续改进,最后对掣肘大倾角综采支架持续改进的相关深层次问题进行了梳理与思考,以协同促进大倾角综采支架向标准化发展。

三软煤层大倾角综放面倒架原因分析及扶架技术研究

针对长山子煤矿1121综放面支架倒架、咬架的实际问题,通过对工作面地质条件、支架受力情况及设备情况的分析,建立工作面支架工作的力学模型,分析得到导致支架倒架的主要原因为顶底板松软、采高超高、支架上方空顶、支架防倒防滑装置不完备、个别支架侧护板故障和管理方面的因素,研究了解决三软大倾角工作面倒架问题较为有效的动态扶架技术。

大倾角支架底调机构应用效果分析

大倾角液压支架底调机构是实现调节架间位置关系的重要机构。大倾角煤层开采时支架与围岩系统的不稳定导致支架稳定性降低,支架易倾倒、下滑,需要利用底调机构及时调整支架间的位置关系,维持支护系统稳定。底调机构设计的合理与否,将直接影响调架功能。通过改进底调机构实现对工作面支架的防倒、防滑,增强支架在大倾角工作面的稳定性和适用性。

大倾角特厚易燃煤层倾斜分层走向长壁综采技术

为了提高矿井资源采出率,解决东峡煤矿同类型赋存煤层的开采技术难题,对其37220工作面采用倾斜分层走向长壁综采放顶煤采煤法。通过理论分析、物理相似模拟、数值模拟及现场观测,对工作面回采巷道布置、"三机"设备选型与配套、矿山压力与顶煤运移规律、工作面围岩应力分布特征与支架稳定性、回采工艺、安全保障技术等进行研究。现场应用结果表明:工作面采用异面空间布置,简化了回采工艺,并提高了支护系统稳定性,基于异面空间布置并采用不同架型的支架能满足工作面生产需要,以"一通三防"为主的安全保障技术有效保障了工作面的安全生产。工作面单产最高达105 kt/月,煤炭采出率89.7%,掘进率25 m/万t,吨煤成本较水平分段放顶煤降低120.95元/t。

深部开采综采工作面矿压显现规律研究

以内蒙古新街矿区红庆河煤矿为地质原型,通过相似模拟实验观测和数据分析,揭示深部开采扰动影响的"三带"特征及分布规律、工作面矿压显现规律及支架的工作阻力,为研究深埋煤层开采的矿压规律提供了一定科学依据。

大倾角厚煤层综放支架侧护板载荷监测研究

为评价东峡煤矿大倾角厚煤层37220-2综放工作面支架侧护板的适应性,通过对侧护板载荷进行现场监测,得到侧护板载荷特征。监测结果显示,大倾角厚煤层综放开采时,支架侧护板载荷通常在200 k N以下,工作面来压期间侧护板载荷高达1 000 k N。监测分析结果表明:大倾角煤层液压支架侧护板不仅起到密闭防止架间漏矸的作用,而能起到调架和防止支架下滑和倾倒的作用;37220-2工作面综放支架侧护板采用100 mm大缸径侧护千斤顶基本能有效地发挥调护作用。

大倾角“三软”突出煤层回采巷道顶板监测与支护

随着大倾角"三软"突出复杂煤层开采深度及巷道断面的不断增加,回采巷道的支护问题日趋严重。通过对李子垭南二井3102回采巷道顶板的监测分析,对回采巷道断面及支护参数进行优化,使其回采巷道能够适应"三软"突出复杂煤层条件,有效控制回采巷道的变形、破坏,提高围岩稳定性。

大倾角软煤大采高综采工作面伪斜布置

大倾角软煤大采高综采工作面合理布置形式对保障矿井安全高效生产至关重要。以新疆焦煤集团2130煤矿25221工作面为工程背景,分析了大倾角软煤大采高综采工作面伪仰斜布置与伪俯斜布置的特点。通过力学分析结合数值模拟,着重研究了伪仰斜工作面煤壁片帮加剧的机理及伪俯斜布置抑制煤壁片帮的优越性。指出大倾角软煤大采高综采工作面伪俯斜布置须采用与之相适应的异型液压支架支护顶板。

大倾角煤层长壁综采面上端头支护技术

大倾角煤层走向长壁综采(放)工作面上端头存在着顶、底板三角区。上端头采用抬棚、基本架或端头支架支护。工程实践表明,采用端头支架支护方式解决了大倾角走向长壁综采(放)工作面上端头支护技术难题,取得了良好的支护效果,降低了劳动强度,确保了上端头的安全,提高了生产效率。

大倾角非稳定软煤综放面倾倒支架的安全复位

大倾角非稳定软煤综放开采时,支架与围岩系统的不稳定导致支架易倾倒、下滑。工作面发生倒架事故后,复位难度大,安全隐患多。分析研究长山子煤矿1121大倾角软煤综放工作面倾倒支架在安全复位过程中存在的主要危险源。工作面支架复位时,针对存在的危险源采取相应的安全保障技术,确保人员和设备安全。1121综放工作面严格采用并落实安全保障技术,确保了倾倒支架的复位工作安全顺利进行,支架恢复正常工作,保证了工作面的安全生产。

东峡煤矿大倾角煤层综放工作面顶煤放出特征研究

针对华能华亭煤业集团有限责任公司东峡煤矿37220-2大倾角综放工作面,进行顶煤放出实验研究,分析了不同放煤顺序、放煤步距对放煤过程中冒落区煤矸的移动、放出率以及含矸率的影响。结果表明,考虑到东峡煤矿特厚煤层回采过程中的支架稳定性控制难题,现场宜采用两采一放,自上而下的放煤顺序,合理的放煤步距为1.2 m。

瑞能煤矿区段煤柱中巷支护技术

在瑞能煤业有限责任公司采空区留下的相临的2条块区段煤柱中间试掘运输巷和回风巷(简称区段煤柱中巷)。由于2条巷道均出现压力大,造成巷道难以支护,影响正常掘进。以该矿区段煤柱中巷支护为工程背景,采用三维有限差分法数值计算软件(FLAC3D)分析巷道掘出后围岩的应力场和位移场并对不同支护方式巷道的变形破坏机理进行对比性模拟,并根据模拟实验结果制定支护方案,为区段煤柱中巷支护方案的优化确定提供科学依据。

东峡煤矿大倾角特厚煤层采煤方法比较与分析

基于华亭煤业集团东峡煤矿大倾角特厚煤层赋存条件,通过对走向长壁倾斜分层综采放顶煤与水平分段综采放顶煤采煤法的技术经济比较与综合分析,认为走向长壁倾斜分层放顶煤采煤法技术较优越、更为经济合理。现场实践也取得了良好经济技术效果。

大倾角不稳定松散煤层综放面合理布置形式研究

"水平—圆弧—倾斜"切眼布置方式已在大倾角特厚煤层综放工作面取得了良好效果,但其适应性还有待进一步研究。文章基于长山子煤矿1125大倾角工作面不稳定松散煤层的赋存条件,综合分析了"水平—圆弧—倾斜"切眼布置方式的特点、切眼参数的选择和支架与刮板输送机对该种布置方式的适应性以及处于圆弧段上端点支架持续倾倒状况,阐述长山子煤矿大倾角不稳定松散煤层综放面不宜布置"水平—圆弧—倾斜"切眼的原因,提出该面应布置成直线形式并在现场实施,消除了圆弧段支架持续倾倒现象,得出长山子煤矿大倾角不稳定松散煤层工作面合理布置形式为直线布置。