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1、大倾角综采工作面安全高效开采大倾角综采工作面安全高效开采技术研究技术研究 赵光明赵光明 大倾角综采技术大倾角综采技术7/22/2024提纲提纲 一、引言一、引言二、大倾角煤层的概念二、大倾角煤层的概念三、大倾角煤层开采技术三、大倾角煤层开采技术四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特点五、大倾角煤层综采工作面围岩破断特点六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议一、引言一、引言 从煤炭资源的分布来看，我国大倾角煤层主要从
2、煤炭资源的分布来看，我国大倾角煤层主要分布在新疆的乌鲁木齐矿区，甘肃的华亭矿区、靖分布在新疆的乌鲁木齐矿区，甘肃的华亭矿区、靖远矿区和窑街矿区，宁夏的石炭井矿区，川渝的广远矿区和窑街矿区，宁夏的石炭井矿区，川渝的广旺、达竹、攀枝花、华釜山矿区，东北的辽源矿区，旺、达竹、攀枝花、华釜山矿区，东北的辽源矿区，辽宁的沈阳矿区，安徽的淮南、淮北矿区，河北的辽宁的沈阳矿区，安徽的淮南、淮北矿区，河北的开滦矿区，江苏的徐州矿区，河南鹤壁矿区，平顶开滦矿区，江苏的徐州矿区，河南鹤壁矿区，平顶山矿区的部分矿以及北京、广东和福建等省。山矿区的部分矿以及北京、广东和福建等省。 淮南矿区目前有新庄孜矿、李咀孜矿淮南
3、矿区目前有新庄孜矿、李咀孜矿 、 潘北潘北矿、李一矿和潘三矿等开采大倾角煤层。矿、李一矿和潘三矿等开采大倾角煤层。 2009年我国探明煤炭资源近年我国探明煤炭资源近1500亿吨亿吨 ，其中，其中倾角小于倾角小于35的储量大约为的储量大约为1289.25亿吨，倾角在亿吨，倾角在3545 的储量约为的储量约为135.75亿吨，倾角大于亿吨，倾角大于45 的的储量约为储量约为75亿吨。亿吨。 2009年全国煤矿产煤年全国煤矿产煤29.648亿吨，其中倾角亿吨，其中倾角大于大于35的煤矿产煤的煤矿产煤2.381亿吨。亿吨。 从有关文献来看，大倾角煤层的产量呈逐年上从有关文献来看，大倾角煤层的产量呈逐年
4、上升趋势，这说明对大倾角煤层的开采在我国越来升趋势，这说明对大倾角煤层的开采在我国越来越受到重视。越受到重视。 1、引言、引言2009年不同类型煤层煤炭探明储量年不同类型煤层煤炭探明储量1、引言、引言2009年不同类型煤层煤炭产量统计年不同类型煤层煤炭产量统计1、引言、引言 我国在我国在20世纪世纪80年代开始出现大倾角煤层开采年代开始出现大倾角煤层开采这一新名词，当时受设备和技术限制，在这一新名词，当时受设备和技术限制，在25以上以上倾角的煤层中使用综合机械化采煤时就称其为大倾倾角的煤层中使用综合机械化采煤时就称其为大倾角综采。角综采。 随着综采技术水平和回来设备的不断发展，综随着综采技术水
5、平和回来设备的不断发展，综合机械化开采的应用范围不断扩大，大倾角煤层概合机械化开采的应用范围不断扩大，大倾角煤层概念的界定下限由念的界定下限由25增至增至30和和32。 七五期间国家将七五期间国家将35 以上煤层综采技术列为重以上煤层综采技术列为重点攻关项目，当时正式称为大倾角煤层综采技术。点攻关项目，当时正式称为大倾角煤层综采技术。二、大倾角煤层的概念二、大倾角煤层的概念l平寿康教授等认为大倾角煤层是指平寿康教授等认为大倾角煤层是指3555的煤层。的煤层。l石平五教授指出，石平五教授指出，“大倾角煤层的倾角在大倾角煤层的倾角在35 60之间之间”。l伍永平教授等认为大倾角煤层主要是指倾角大于
6、伍永平教授等认为大倾角煤层主要是指倾角大于35的煤层，上限是的煤层，上限是55或或60。l煤炭科学研究总院上海分院的陈梦资高级工程师煤炭科学研究总院上海分院的陈梦资高级工程师认为大倾斜煤层煤层倾角为认为大倾斜煤层煤层倾角为3555，急倾斜煤层，急倾斜煤层5590。二、大倾角煤层的概念二、大倾角煤层的概念l徐永折教授等学者在徐永折教授等学者在煤矿开采学煤矿开采学一书中按一书中按035、36 54和和5590的煤层倾角对上覆岩的煤层倾角对上覆岩层破坏的空间形态作了阐述。层破坏的空间形态作了阐述。l根据我国煤矿综合机械化开采技术和设备的发展现根据我国煤矿综合机械化开采技术和设备的发展现状，目前急需对
7、我国现行的煤层倾角分类标准进行状，目前急需对我国现行的煤层倾角分类标准进行重新划分。特别是对大倾角煤层的概念进行统一界重新划分。特别是对大倾角煤层的概念进行统一界定，从而更加有利于综合机械化采煤技术的发展和定，从而更加有利于综合机械化采煤技术的发展和国际学术交流。国际学术交流。二、大倾角煤层的概念二、大倾角煤层的概念三、三、大倾角煤层开采发展史大倾角煤层开采发展史 3.1 大倾角煤层开采方法大倾角煤层开采方法 50年代初期，大倾角煤层主要是发年代初期，大倾角煤层主要是发展倒台阶采煤法。展倒台阶采煤法。 60年代末到年代末到70年代初，伪斜柔性掩年代初，伪斜柔性掩护支架采煤法取得了成功（淮南局大
8、护支架采煤法取得了成功（淮南局大通矿），目前仍是我国开采急倾斜煤通矿），目前仍是我国开采急倾斜煤层的主要采煤方法。层的主要采煤方法。 70年代中后期，在年代中后期，在2m厚的煤层中成厚的煤层中成功试验了正（斜）台阶采煤法和俯伪功试验了正（斜）台阶采煤法和俯伪斜走向长壁分段水平密集采煤法。斜走向长壁分段水平密集采煤法。三、大倾角煤层开采技术三、大倾角煤层开采技术 80年代中，四川省鉴于大倾角煤层在年代中，四川省鉴于大倾角煤层在煤炭生产中所占比例很大，一些矿区开煤炭生产中所占比例很大，一些矿区开始了以俯伪斜体系为代表的采煤方法改始了以俯伪斜体系为代表的采煤方法改革。如四川广旺矿务局旺苍矿及芙蓉矿革
9、。如四川广旺矿务局旺苍矿及芙蓉矿务局杉木树矿的伪俯斜走向长壁分段密务局杉木树矿的伪俯斜走向长壁分段密集采煤法，芙蓉矿务局巡场矿的伪俯斜集采煤法，芙蓉矿务局巡场矿的伪俯斜走向分段密集支柱采煤法及广旺矿务局走向分段密集支柱采煤法及广旺矿务局唐家河矿伪斜小巷多短壁采煤法等。唐家河矿伪斜小巷多短壁采煤法等。 自自80年代开始，我国在大倾角薄及中厚煤层中进年代开始，我国在大倾角薄及中厚煤层中进行了走向长壁综合机械化采煤的工业性试验。具有行了走向长壁综合机械化采煤的工业性试验。具有代表性的有代表性的有: 河北金牛能源公司葛泉矿急倾斜煤层走向长壁综采河北金牛能源公司葛泉矿急倾斜煤层走向长壁综采工作面工作面（
10、煤层倾角最大（煤层倾角最大56） 四川华蓥山广能集团有限责任公司绿水洞矿四川华蓥山广能集团有限责任公司绿水洞矿5634综综采工作面采工作面（煤层倾角（煤层倾角3743 ） 开滦集团唐山矿业分公司（煤层倾角开滦集团唐山矿业分公司（煤层倾角1545）三、大倾角煤层开采技术三、大倾角煤层开采技术 大量的现场生产实践与试验研究表明，不论是大量的现场生产实践与试验研究表明，不论是国产的大倾角煤层综采设备还是从国外引进的大国产的大倾角煤层综采设备还是从国外引进的大倾角煤层综采成套装备在理论与技术基础上存在倾角煤层综采成套装备在理论与技术基础上存在问题，尽管科研与生产单位做了许多针对性的工问题，尽管科研与生
11、产单位做了许多针对性的工作，但均没有获得满意的效果，开采大倾角煤层作，但均没有获得满意的效果，开采大倾角煤层的矿井除工作面产量与效率低下外，几乎都发生的矿井除工作面产量与效率低下外，几乎都发生过工作面支护系统大范围失稳引发的重大人员伤过工作面支护系统大范围失稳引发的重大人员伤亡事故。亡事故。三、大倾角煤层开采技术三、大倾角煤层开采技术 3.2 大倾角煤层开采岩层控制研究大倾角煤层开采岩层控制研究 在大倾角煤层开采方法研究的同时，在岩层控在大倾角煤层开采方法研究的同时，在岩层控制领域也进行了探索。制领域也进行了探索。 平寿康教授是我国研究大倾角煤层开采围岩灾平寿康教授是我国研究大倾角煤层开采围岩
12、灾害的奠基者，首次比较系统和全面地研究了大倾害的奠基者，首次比较系统和全面地研究了大倾角煤层开采的矿压显现和防治技术。角煤层开采的矿压显现和防治技术。 吴绍倩教授、石平五教授等完成的首批煤炭科吴绍倩教授、石平五教授等完成的首批煤炭科学基金项目学基金项目“急斜煤层矿压显现规律研究急斜煤层矿压显现规律研究”，采，采用现场实测、实验室实验和理论分析的方法较系用现场实测、实验室实验和理论分析的方法较系统地研究了急倾斜煤层围岩运动和破坏规律。统地研究了急倾斜煤层围岩运动和破坏规律。三、大倾角煤层开采技术三、大倾角煤层开采技术 石平五教授等提出了大倾角煤层石平五教授等提出了大倾角煤层“顶板顶板-支架支架-
13、底板底板”相互作用模型，较系统地研究了大倾角相互作用模型，较系统地研究了大倾角煤层底板破坏滑移力学过程、围岩灾变机理及其煤层底板破坏滑移力学过程、围岩灾变机理及其防治措施，并给出了相应的评价指标与体系。防治措施，并给出了相应的评价指标与体系。 大倾角煤层开采岩层控制研究虽然解决了一大倾角煤层开采岩层控制研究虽然解决了一些局、矿大倾角煤层的生产问题，并在特定的地些局、矿大倾角煤层的生产问题，并在特定的地质及生产技术条件下获得了成功，但是主要的研质及生产技术条件下获得了成功，但是主要的研究与试验工作集中在非机械化开采领域，而对于究与试验工作集中在非机械化开采领域，而对于大倾角煤层综合机械化工作面围
14、岩控制理论的研大倾角煤层综合机械化工作面围岩控制理论的研究还没有成为体系。究还没有成为体系。三、大倾角煤层开采技术三、大倾角煤层开采技术 四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿，大倾角煤层综四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿，大倾角煤层综采试验的第一个工作面为采试验的第一个工作面为6134工作面，平均倾角工作面，平均倾角36，第二个试验工作面为，第二个试验工作面为5634工作面，倾角为工作面，倾角为3743。到。到2004年已采完年已采完12个工作面，生产商品个工作面，生产商品煤煤206万（原煤万（原煤239万万)，工作面平均倾角最小，工作面平均倾角最小32，最大，最大42，工作面最大倾角，工作面最大倾角52。4
15、.1 四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律（1）工作面支护装备）工作面支护装备工作面支架：工作面支架：ZYJ2300-13/32型大倾角掩护式液压支架型大倾角掩护式液压支架高度：高度： 1.3 3.2 m宽度：宽度： 1.42 1.59 m长度：长度： 3.704.53 m中心距：中心距： 1.50 m初撑阻力：初撑阻力： 14101537 kN工作阻力：工作阻力： 2063 2332 kN支护强度：支护强度： 0.400.49 MPa底板比压：底板比压： 0.581.27 MPa拉架力：拉架力： 362
16、kN推溜力：推溜力： 121 kN泵站压力：泵站压力： 31.4 MPa总体重量：总体重量： 8815 kg四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律四、大倾角煤层综采工作面矿压显现规律开采高度：开采高度： 1.503.00 m工作面长：工作面长： 150 m顶板条件：顶板条件： II级基本顶级基本顶(老顶老顶)以下中等稳定和不稳以下中等稳定和不稳 定顶板定顶板底板条件：底板条件： 直接底或煤底直接底或煤底煤层倾角：煤层倾角： 3545（增加防护装置后可使用（增加防护装置后可使用 倾角倾角支架支架和设备和设备破断顶板。破断顶板。六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统 (
17、2)逆向侧翻型失稳逆向侧翻型失稳 逆向侧翻型失稳的特征逆向侧翻型失稳的特征是底板滑移、支架下滑是底板滑移、支架下滑与破断顶板空间运移的与破断顶板空间运移的倾向相同，轨迹耦合趋倾向相同，轨迹耦合趋势一致，但下滑量则与势一致，但下滑量则与顺向倾倒失稳时相反，顺向倾倒失稳时相反，即底板即底板支架和设备支架和设备破破断顶板。断顶板。六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统 (3)错动型滑落失稳错动型滑落失稳 错动型滑落失稳又可分错动型滑落失稳又可分为六种状态，即顶板超为六种状态，即顶板超前型、顶板滞后型、支前型、顶板滞后型、支架超前型、支架滞后型、架超前型、支架滞后型、底板
18、超前型、底板滞后底板超前型、底板滞后型，其共同特征是底板、型，其共同特征是底板、支架、顶板三者的移动支架、顶板三者的移动量差异较大，超出了保量差异较大，超出了保持持“支护系统支护系统” 稳定的稳定的基本范围。基本范围。 6.3 生产实践中需解决的关键技术生产实践中需解决的关键技术 为保证大倾角煤层走向长壁综采工作面安全高效开为保证大倾角煤层走向长壁综采工作面安全高效开采，在实际的生产管理中应注重以下几点：采，在实际的生产管理中应注重以下几点： (1)煤层倾角煤层倾角 一般来说，一旦工作面完成之后，对工作面而言，煤一般来说，一旦工作面完成之后，对工作面而言，煤层倾角就成为了一个客观存在的确定因素
19、，因此，对层倾角就成为了一个客观存在的确定因素，因此，对煤层倾角控制的唯一方法就是工作面伪斜布置，具体煤层倾角控制的唯一方法就是工作面伪斜布置，具体的伪斜角度则要根据工作面设备配置、主要回采工艺的伪斜角度则要根据工作面设备配置、主要回采工艺过程和参数来确定，通常为过程和参数来确定，通常为510，最大不超过，最大不超过15。六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统 (2)底板的变形、破坏与滑移底板的变形、破坏与滑移 由底板变形、破坏而产生的滑移体运动是支由底板变形、破坏而产生的滑移体运动是支护系统稳定性控制的基础，要使系统保持稳定，护系统稳定性控制的基础，要使系统保持
20、稳定，首要问题是保持底板的稳定。在实际生产中，首要问题是保持底板的稳定。在实际生产中，科学地设计和选择支护形式，确定合理的底板科学地设计和选择支护形式，确定合理的底板比压，严格控制回采工艺过程，使底板能够在比压，严格控制回采工艺过程，使底板能够在一个工作面控顶距内保持完整与稳定。一个工作面控顶距内保持完整与稳定。六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统 (3)(3)工作面支架工作面支架( (支护系统支护系统) )和设备和设备 不论在何种条件下，工作面支护系统的工作阻力对顶不论在何种条件下，工作面支护系统的工作阻力对顶板、底板和其本身的稳定都具有调节作用。由于支架的工
21、板、底板和其本身的稳定都具有调节作用。由于支架的工作阻力除与顶板荷载有关外，还与支架本身的重量作阻力除与顶板荷载有关外，还与支架本身的重量( (包括包括工作面设备分摊到每个支架上的重量工作面设备分摊到每个支架上的重量) )有关，系统重量越有关，系统重量越大，保持其稳定所需的工作阻力越大，并且随着工作面倾大，保持其稳定所需的工作阻力越大，并且随着工作面倾角的增大，这种特性表现的更加突出。因此，在实际生产角的增大，这种特性表现的更加突出。因此，在实际生产中，应在保证支架具有保持动态稳定性所需的最小工作阻中，应在保证支架具有保持动态稳定性所需的最小工作阻力的前提下，尽量减轻支架重量。力的前提下，尽量
22、减轻支架重量。六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统 (4)工作面顶板破断岩块和上覆岩层荷载工作面顶板破断岩块和上覆岩层荷载 由于顶板破断岩块在垂直岩层层面方向下沉的过程中，由于顶板破断岩块在垂直岩层层面方向下沉的过程中，伴随着沿层面方向的滑动，导致支护系统出现失稳趋向，伴随着沿层面方向的滑动，导致支护系统出现失稳趋向，同时，破断岩块的重量越大，系统出现失稳的可能性越大。同时，破断岩块的重量越大，系统出现失稳的可能性越大。因此，在生产实际中，及时控制顶板的下沉量，使其在控因此，在生产实际中，及时控制顶板的下沉量，使其在控顶范围内的离层发展受到一定的限制，减小顶板内
23、形成荷顶范围内的离层发展受到一定的限制，减小顶板内形成荷载的岩层有效厚度，从而减小顶板破断岩块的重量，有利载的岩层有效厚度，从而减小顶板破断岩块的重量，有利于发挥支护系统有限的工作阻力。在对顶板的控制中要特于发挥支护系统有限的工作阻力。在对顶板的控制中要特别注重对破碎顶板的控制，防止出现冒顶。在工作面初次别注重对破碎顶板的控制，防止出现冒顶。在工作面初次来压和周期来压期间，要充分利用支架的的富裕工作阻力来压和周期来压期间，要充分利用支架的的富裕工作阻力使支护系统保持稳定。使支护系统保持稳定。六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统六、大倾角煤层走向长壁开采支护系统七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一
24、些建议七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议 7.1 对工作面优化设计对工作面优化设计 设计时要详细调查工作面生产技术条件，充分论设计时要详细调查工作面生产技术条件，充分论证其是否具备综采开采条件。证其是否具备综采开采条件。 生产系统要简单，特别是运煤系统和供料系统。生产系统要简单，特别是运煤系统和供料系统。 切眼应避开地质构造带，施工倾角、高度应控制切眼应避开地质构造带，施工倾角、高度应控制一致。一致。 工作面长度要在技术经济上合理（工作面长度要在技术经济上合理（ 150200m为为宜），尽量等长布置、伪仰斜布置。宜），尽量等长布置、伪仰斜布置。 过渡支架位置要合理。过渡支架位置要合理。
25、 7.2 选取对复杂地质条件适应性强的综采设备选取对复杂地质条件适应性强的综采设备 根据大倾角煤层综采特点，必须改变传统的根据大倾角煤层综采特点，必须改变传统的“三三机机”选型设备配套理念，以支护系统的稳定性为设计选型设备配套理念，以支护系统的稳定性为设计核心。核心。 选用采高适应范围大、支护强度高、宽型顶梁选用采高适应范围大、支护强度高、宽型顶梁和底座，较大缸径立柱、重量轻等特点的液压支架。和底座，较大缸径立柱、重量轻等特点的液压支架。和高阻力、大吨位的端头支架；和高阻力、大吨位的端头支架； 选用大功率、牵引力大、爬坡能力强的电牵引选用大功率、牵引力大、爬坡能力强的电牵引采煤机。采煤机。 七
26、、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议 选用全封闭、启动、制动、防滑性能好的刮板选用全封闭、启动、制动、防滑性能好的刮板输送机。输送机。 7.3 7.3 改进两巷支护改进两巷支护 采用锚网（索）支护，尽量避免采用金属支架。采用锚网（索）支护，尽量避免采用金属支架。使工作面上下出口的支护变的较为简单，能提高使工作面上下出口的支护变的较为简单，能提高开机率。开机率。 7.4 7.4 监测监控系统要完善监测监控系统要完善 建立工作面生产设备、支护系统工作状况和工作建立工作面生产设备、支护系统工作状况和工作面围岩灾变监测监控体系。面围岩灾变监测监控体系。七、
27、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议 7.5 7.5 改进综采工作面通讯系统改进综采工作面通讯系统 实现综采工作面通讯现代化，将分散的岗位、流实现综采工作面通讯现代化，将分散的岗位、流动的作业人员以及生产组织人员有机地联系起来，动的作业人员以及生产组织人员有机地联系起来，使指挥、调度得心应手，生产过程中出现的各种使指挥、调度得心应手，生产过程中出现的各种问题，能够及时解决。问题，能够及时解决。 7.6 7.6 现场管理要到位现场管理要到位 杜绝、减少工作面冒顶事故。杜绝、减少工作面冒顶事故。 营造良好的设备、运行、操作环境。营造良好的设备、运行、操作
28、环境。 七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议 做好生产准备班的检修工作，减少各类生产事故，做好生产准备班的检修工作，减少各类生产事故，增强处理事故的能力。增强处理事故的能力。 在整个工作面的回采中，管理人员必须对工作面在整个工作面的回采中，管理人员必须对工作面情况全部掌握清楚，把影响生产和安全的问题消情况全部掌握清楚，把影响生产和安全的问题消除在萌芽之中。除在萌芽之中。管理人员和操作人员应认真落实回采作业规程和管理人员和操作人员应认真落实回采作业规程和相关技术安全措施，保证生产的正常进行。相关技术安全措施，保证生产的正常进行。七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议七、大倾角煤层综采面安全高效开采的一些建议
