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:进展、实践、科学问题

大倾角煤层属难采煤层,在我国西部地区赋存广泛,此类煤炭资源的开发对区域经济发展起到了重要支柱作用。受煤层赋存条件制约,大倾角煤层的岩层运动机理复杂,作业空间受限,综合机械化开采难度大。自20世纪80年代起我国学者及一线工程技术人员便开始针对大倾角煤层的开采方法、岩层控制理论、关键技术装备展开研究。发展至今,已在理论、技术、装备等方面取得了较大进展,构建了较为完整的研究体系。从大倾角煤层长壁综采的进展、实践、科学问题3个方面系统梳理了已经取得的研究成果、积累的实践经验以及未来需要突破的关键科学问题。提炼出以下主要观点:①我国首次定义了大倾角煤层的概念(煤层倾角35°~55°)并给出了工程解释,但随着近年来装备水平与开采方法的不断提升革新,大倾角煤层倾角涵盖范围的工程解释应有所外延。自20世纪90年代起至今,在大倾角煤层长壁开采岩层控制基本理论与关键技术、工作面动力灾害防护方法、工作面主要装备研发等领域的研究与试验取得了较大进展。②在工程实践方面,除大倾角中厚煤层综采技术已趋于成熟外,大倾角厚煤层大采高综采、特厚煤层综放开采和薄煤层伪俯斜综采技术均有所突破并取得了一定效果,但仍存在诸多“瓶颈问题”亟需从科学层面予以解答。③仍需进一步加强复杂采动煤岩体力学性状与量化表征、复杂采动煤岩体力学行为及其对工作面灾变的控制作用、长壁采场“支架-围岩”系统多维交互动力学与多目标非稳态控制方法、非规则回采空间随机分离体形成-运动-损害过程及防护机制等科学问题研究,并以此为前提发明全新的开采方法、研发关键技术与装备,最终实现大倾角煤层安全高效与绿色开采。

大倾角煤层综采工作面再生顶板与支架失稳机理

针对底分层煤层开采诱导采场再生顶板二次破坏和支架失稳特点,以潘北矿1212(3)再生顶板下大倾角煤层工作面为例,综合运用井下钻孔三维成像对再生顶板结构实测、基于声发射监测技术的相似物理模拟和理论分析3种技术手段,对大倾角煤层综采面再生顶板顶板结构、垮落特征以及支架失稳模式进行了研究。通过对底分层再生顶板施工的3个钻孔进行孔壁成像确定了底分层再生顶板胶结压实状态,结合相似物理模拟确定了煤层回采过程中的再生顶板垮落规律,并采用理论计算分析了再生顶板运动对采场支架稳定性的影响程度。结果表明:①受煤层倾角影响,再生顶板压实程度呈现出采场下部高于采场中部,采场上部压实程度最弱的非对称压实特征;②底分层顶板3~5 m范围内岩层易在支架间冒漏,此范围再生顶板是改变支架位态的关键岩层;③底分层再生顶板破断失稳经历了6个阶段,基于声发射信号强弱程度确定了采场下部再生顶板高位悬臂梁的断裂和上部再生顶板的滑移是引起底分层顶板破碎严重的主因;④基于现场支架载荷数据,验证了相似物理模拟准确性,标划出采场上部是支架稳定性重点防控区域;⑤在综合厘定再生顶板-支架作用关系基础上,构建再生顶板运动下的大倾角煤层采场支架倾倒和下滑失稳模型,分析支架受力特征,获得支架在倾倒、下滑临界状态下的架间作用力分别为-126.8 kN,86.2 kN,揭示了再生顶板载荷作用位置对支架稳定性影响显著;⑥探讨了护帮、护顶和护架的三位一体协同支护体系。

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。

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。

大采高仰斜综采工作面矿压显现规律研究

针对某矿701仰斜大采高工作面在高强度采动影响下引起的围岩控制难题,采用数值模拟、现场观测相结合的方法对其采场矿压显现规律进行了分析。结果表明,701工作面初次来压步距约为30 m,周期来压步距约为10 m;倾斜方向工作面两端先于工作面中部发生来压现象。通过工作面煤壁前方支承压力曲线分布可知,最大应力集中系数随工作面推进距离增加而增大。根据现场实测发现,工作面中部支架的工作阻力远高于工作面两端头,初次来压时,作用于工作面中部支架的最大载荷为40 MPa,周期来压期间为30 MPa左右。在两巷中实测顶底板及两帮移近量发现,采煤面推进至距离观测站10 m时,两帮最大移近量为416 mm,顶底板移近量为408 mm。

大倾角三软不稳定煤层综放面推进缓慢原因与解决对策

长山子煤矿1125综放工作面回采大倾角三软松散不稳定煤层,顶板围岩破碎且伴有淋水。工作面自初采以来4个月推进速度极其缓慢(机巷与风巷分别累计推进仅20 m和38.3 m),其主要原因是顶板淋水、煤层夹矸、支架倾倒以及综采队经验不足等。提出了解决1125工作面推进缓慢的对策。

大倾角煤层长壁大采高综采技术

硬顶软煤大倾角厚煤层埋藏条件复杂,大采高综采难度大,通过工作面"三机"配套、回采工艺及巷道优化布置、超前预爆破、工作面安全管理保障技术和煤壁片帮综合防控技术集成体系的应用,解决了该类煤层走向大采高综采难题,取得了良好经济社会效益。

大倾角急倾斜智能化综采液压支架中心距控制管理技术研究

为了解决大倾角急倾斜智能化综采工作面液压支架等装备极易倾倒、下滑从而极大地影响采煤安全与效率等问题,提出液压支架中心距控制管理技术,分析大倾角急倾斜支架稳定性和安全控制技术,提出精准控制防倒防滑装置,实现液压中心距精准管理,有效防止架间漏矸及支架挤架、倒架等问题,解决大倾角急倾斜智能化综采存在的难题,为复杂地质条件煤层应用智能化控制技术奠定基础。

大倾角综放开采顶煤极限平衡状态界面位置

为确定大倾角煤层长壁综放工作面顶煤极限平衡状态的形成位置,指导该类采场顶煤与支架的相互作用关系分析,以长山子1125工作面为研究对象,采用数值分析、连续介质损伤力学分析、物理相似材料模拟实验相结合的研究方法,对顶煤的渐进损伤过程与应力边界,极限平衡状态的宏观等效损伤表征方法,大倾角长壁综放采场覆岩“关键域”层位影响下顶煤极限平衡状态界面沿倾斜方向的展布形态进行了研究。结果表明:支承压力峰值处顶煤内部的细观裂隙加速贯通为宏观裂隙,损伤累积开始加速,是顶煤极限平衡状态的起始边界;长山子1125工作面顶煤极限平衡状态界面处的宏观等效损伤D L=0.16;在不同覆岩“关键域”层位高度控制作用下,顶煤极限平衡状态界面分布在煤壁前方1.96~3.90 m,沿工作面倾斜方向呈“中上部距煤壁最远、中部次之,上下端头最近“的非对称展布。工作面端面顶煤的漏冒次数与倾斜方向支架工作阻力分布统计结果验证了顶煤极限平衡状态界面展布形态的合理性。

急倾斜“三软”煤层综放开采工作面稳定性控制研究

为了解决急倾斜"三软"煤层综放开采支架顶空、煤壁片帮、底板滑移、挤架倒架等技术难题,以杜家村煤矿1201工作面为例,通过研究工作面切眼的合理布设、工作面围岩的稳定性控制及配套设备与施工工艺的合理选择等,得出有效控制急倾斜"三软"煤层综放开采工作面稳定性的措施,取得了急倾斜"三软"煤层综放开采的成功,具有显著的经济、社会效益。

大倾角综采工作面的回采管理

大倾角煤层综采时,对设备的防倒防滑、支护系统的稳定性有特殊的要求,结合某综采面的生产实践,针对管理上的五大难题提出了相应的措施,总结了大倾角综采面设备的防倒、防滑措施,详细阐述了支架稳定性的控制原则和方法,通过这些措施保证了大倾角综采面的安全生产,同时也大幅度提高了工作面的单产。

新强煤矿急倾斜煤层综采工作面采煤工艺研究

在分析优化工作面作业方式和回采工序的基础上,提出了适合新强煤矿急倾斜煤层综采工作面的合理开采工艺并进行了实践应用。结果表明:使用该开采工艺,新强煤矿五采区取得了显著的经济效益,工作面煤炭采出率由原来的78%提高到91%,同时大大改善了开采的安全条件并降低了工人的劳动强度。

大倾角条件下综采工作面过断层回采实践

综采工作面遇断层时,极容易出现片帮、冒顶等顶板事故,尤其是在落差大于采高、大倾角工作面等困难条件下,给安全生产带来巨大的压力和困难,葛泉矿通过长短距离注浆加固、严格的回采工艺措施,实现了大倾角条件下综采工作面顺利通过大落差断层,避免了工作面搬家,杜绝了顶板事故,取得了宝贵的现场经验。

复杂难采煤层大倾角综采面回采工艺研究

在深入研究复杂难采煤层大倾角综采工作面地质条件的基础上,采取科学、合理的回采工艺和针对性的安全措施,确保了综采工作面的安全、高效生产。

综采工作面过地质构造带技术应用

下沟煤矿ZF202工作面为大倾角工作面,工作面推至3#~14#架时底板出现石核,且正端4#~6#架段出现一正断层。为解决该工作面顶板破碎、底板松软,导致支架接顶不实、倾斜严重、拉移困难的问题,采用预注射马丽散加固工作面破碎顶板及柱顶、链拉等措施推移支架达到正常回采的目的。经实践,ZF202工作面通过架前和运输顺槽超前支护段注射马丽散,3#~14#架架前顶板条件得到有效改善;运输顺槽超前支护段巷道改变了原来巷道顶板下沉、破碎,解决了原来转载机因巷道高度不够,拉移困难的难题。该技术的应用为处理工作面顶板破碎、底板松软、倾角大等问题积累了丰富的安全技术经验。

近距离煤层群下位煤层开采顶板来压规律与稳定性控制

针对近距离煤层群下位煤层在开采过程中,综采工作面与回采巷道容易出现的顶板冒落、煤壁片帮等动力灾害事故。本文以近距离煤层群14101综采工作面为工程背景,利用UDEC数值模拟软件对近距离煤层群下位煤层开采顶板垮落特征与来压规律进行研究,获得下位煤层开采顶板的来压规律。模拟结果表明来压强度低,但是来压频繁,导致顶板灾害事故容易发生。提出了工作面正常时期与特殊时期的顶板控制措施,通过对现场顶板矿压的监测,验证了顶板来压规律,采取相应的稳定性控制措施控制顶板,该研究对类似工作面开采顶板稳定性控制具有一定的参考价值。

自动放顶煤技术在急倾斜特厚煤层应用研究

研究了自动放顶煤及煤矸识别技术在乌东矿+475B_(3+6)急倾斜工作面中的应用。实践表明,自动放顶煤技术不仅提高了整个工作面放顶煤的自动化水平,也减少了工作面放煤操作工人数量,并通过安装后部摄像仪,实时采集后部放煤情况,为自动放顶煤提供了可靠的依据。

大倾角松软煤层综放采场RWSF系统失稳机理分析

结合长山子煤矿1121综放工作面工程实际,采取现场观测与理论分析相结合的方法对大倾角松软煤层综放采场的系统性失稳影响因子、至灾机制,演化过程进行了深入分析。提出大倾角松软煤层综放采场"R-W-S-F"系统概念,指出了该类采场"R-W-S-F"系统诸因子失稳的链式破坏和恶性互馈机制,并确定了工作面倾向中上部为系统稳定性控制的关键区域。