复杂地质条件下轻型支架放顶煤开采实践

［摘要］西山矿区镇城底矿针对矿井煤层厚度变化大，断裂构造多，顶板破碎等复杂地质条件，采用轻型支架放顶煤取得显著的经济效益。为西山矿区推广应用轻型支架放顶煤开采技术提供了实践经验。

［关键词］复杂地质条件；轻型支架；放顶煤；实践

综合机械化放顶煤技术具有高产高效、生产集中、成本低等特点，在我国已得到迅猛发展。而轻型放顶煤支架由于其吨位小、架型轻便、稳定性好、对复杂地质条件适应性同时又具备了综放开采的其它优点，进一步受到煤炭生产单位的青睐。镇城底矿2003年4月在西山矿区采用轻型放顶煤技术开采2.3#煤获得成功，取得了明显的经济效益和社会效益，寻求出在复杂地质条件下建设高产高效矿井的有效途径。

1 复杂地质条件

1.1 地质构造

镇城底矿位于西山煤田的西北边缘，处在狮子河向斜与马兰向斜的结合部。区内断裂构造发肓，且为高角度正断层，从断层在井田的分布看北部断层尤为发肓，矿井在实际开采过程中揭露断层达680多条，落差3.Om以上的有140多条；褶曲构造多为辗转弯曲型，井田内大的褶曲共有9个，其中向斜5个背斜4个，绵延分布于整个井田；局部陷落柱发肓，在开采过程中共揭露陷落柱30多个，多集中于井田中部东翼采区，少量分布于西一采区，形态各异、大小不一，其大者长轴达200m，小者仅为5～6m，预计今后在大面积开采8#煤时可能会遇到更多的陷落柱。由于这些构造的影响，井田内很难布置规则的大储量工作面，致使采场能力大大下降，给回采工作带来极大的困难。

1.2 水文地质镇城底矿水文地质条件复杂，全井田储量2/3为奥灰水带压开采，而断层、陷落柱发肓，周边地方小煤矿星罗棋布，无疑给带压开采防治水工作带来更大的困难。

1.3 瓦斯、煤尘、煤的自燃根据矿井地质报告瓦斯相对涌出量0.086m3/t，绝对涌出量0.3m3/min，确定为低瓦斯矿井。但据近年开采实践及周边矿井的开采情况来看，在矿井东二采区及后期开采的南四、南五、南六采区，瓦斯涌出量明显增大，且个别工作面瓦斯涌出异常，严重影响矿井的安全生产；主采煤层为2.3#和8#煤层；其中2.3#煤层煤尘爆炸指数为30.31%(具有爆炸性)，煤的自燃属三类(易自燃发火)；8#煤层煤尘爆炸指数为26.61%(具有爆炸性)，煤的自燃属二类(可能自燃发火)。

1.4 煤层及顶底板 2.4#煤层厚度为2.6～5.23m，稳定可采，顶板为砂质泥岩及中砂岩，局部伪顶发肓，易冒落，煤质为肥煤；8#层厚度为2.95～5.02m,稳定可采，结构复杂，顶板为泥灰岩及石灰岩，煤质为肥煤和焦煤。

2 矿井采煤技术的发展过程

该矿于1986年11月投产，设计能力150万t/a，建设初期生产布局为“两综一高档”。自1986年投产以来，由于地质条件变化大(主要是断裂构造多，局部陷落柱发育)大采高综采设备难于发挥优势，矿井被迫于1993年将综采改为高档工作面，1994年达到设计能力150万t/a。虽说近年来该矿的高档普采技术已处于较好水平，但由于该项技术本身要达到高产高效是有限的，其技术指标与先进的采煤技术相比差距还很大，己不能适应市场竞争的需要。建设标准化的高产高效矿井，高档普采技术的弊端愈加明显。主要表现在以下几个方面：其一高档普采技术仍为劳动密集型，存在着用人多、效率低、效益低、安全条件差等诸多不利因素，特别是过断层和顶板条件差等条件下工作面安全难于保证。其二回采巷道布置困难，分层送巷矿井万吨掘进率高，材料消耗量大，而且高档回采工作面对断层适应性差；其三煤层厚度在3m及5m左右无论采用单层还是分层开采丢煤严重，特别是当煤层赋存不稳定、煤层厚度变化大时，丢煤尤为严重。为此根据矿井煤层的赋存条件及轻型支架的性能在该矿22202工作面首次采用轻型支架放顶煤开采技术。

3 回采工作面基本情况 

22202工作面为该矿南二采区首采面，北东为南二回风巷、皮带巷、轨道巷，其余均为未采区。走向680m，倾斜长125m～162m(见图1)

图1  22202工作面巷道布置 

3.1 工作面地质条件

图2工作面柱状图工作面煤层厚度为5.05～5.25m，平均5.1m，可采储量58万t，煤层稳定，倾角3～12°，平均9°，煤尘爆炸指数30.31%，具有爆炸性，煤层自燃发火属三类。基本顶为深灰色砂质泥岩，直接顶为厚灰白色细砂岩，厚1.15m，直接底为黑色砂质泥岩，厚0.60m，老底深灰色粉砂岩，厚1.13m(见图2)。工作面在掘进过程中共揭露7条正断层，其中对回采影响较大的有两条，产状分别为F2(H=4.5～6.0m∠40°)F7(H=5.5m∠50°)。

3.2 巷道布置工作面顺槽均为沿煤层底板布置，切眼沿煤层顶板布置。其参数见表1
     表1

22202工作面巷道参数

3.3 工作面设备选型

放顶煤支架采用郑州煤机厂生产的ZF3000/15/26型放顶煤支架，端头过渡支架为ZFG3600/17/26型；采煤机选用国产4MG—200W1型可调高双滚筒采煤机，液压无链牵引方式；工作面前后输送机均选用SGZ—630/220型刮板输送机；工作面运输顺槽选用国产SZB—730/75桥式转载机，DSP—1080胶带输送机。

4 采煤工艺

工作面采用一采一放单轮顺序低位放顶煤的生产方式，采高2.3m，采放比为1∶1.2，放煤步距0.6m。具体工艺过程为：割煤→移架→伸伸缩梁→移前部输送机→放顶煤→拉后部输送机。采煤机进刀方式采用端头斜切进刀，自开缺口割三角煤。

5 技术关键

5.1 初采

当工作面切眼沿顶送巷初采时，工作面回采由沿顶下切到沿底这一段距离，沿走向每推进0.6m下切量应控制在300mm以内。而且初采时工作面不放顶煤，同时必须避开工作面初次来压，以免使工作面支架在调整期内遭受项板突然来压，造成事故。

5.2 端面顶煤控制

放顶煤工作面顶板是强度较低的煤层，复杂地质条件下煤层变化大，顶煤厚度不匀，而且顶煤在支承压力的作用下已经发生断裂破坏，因此极易发生支架端面特别是构造带及其边缘无支护空间顶煤的冒落，进而引起直接顶的冒顶，造成工作面无法推进。为防止顶煤冒落：一是除支架要达到足够的初撑力外，还必须将工作面端面距控制到最小。因此，应选用抽屉式伸缩前探梁放顶煤支架，并正确使用维护好端部顶板的完整性。实践中，将伸支架伸缩梁作为生产工艺中一道重要的工序，在割煤过程中严格执行生产工艺，采煤机割煤后及时移架，追机移架距控制在2架(3m)，割煤速度与移架速度相匹配，移架后及时伸伸缩梁，做到了及时支护顶煤又防止片帮。

5.3 过断层及陷落柱

(1)布置工作面时将落差大于煤厚的断层及长轴大于6m的陷落柱，采取缩短(延长)工作面倾向长度尽量避开。 

(2)放顶煤工作面过断层应采用拉底托顶煤的方法通过，拉底采用打眼放震动炮松动岩石，采煤机扫岩的作业方式。 

(3)为控制工作面顶板防止冒顶事故，应采用打浅眼(眼深1.0～1.5m)分组放小炮(装药量小于300g/眼)，同时必须做到放炮后及时移架支护顶板，严禁空顶。 

(4)为保护好设备，断层区域内输送机的坡度应控制在5°以内，并保证输送机平缓过渡，严禁有陡坡。同时应在架前用旧皮带或铁板设置一道保护墙，防止放炮崩落的矸石损坏支架。

 5.4 回采率及含矸率的控制

放顶煤回采时，顶煤上方由原来平整的煤矸分界面随着支架前移和顶煤的下放逐渐形成煤矸混合带(见图3)。煤矸混合带厚度越大，工作面回采率越低，含矸率越高。反之煤矸混合带厚度越小则回采率越高，含矸率越低。依据矿井实际情况采取以下措施： 

(1)采高控制在2.3m以内，以保证项煤厚度；移架时始终保持带压移架，以减少对顶煤完整性的破坏，降低煤矸混合带的厚度，提高回采率。 

(2)放煤时轻摆尾梁，使项煤缓慢下沉逐渐移至放煤口，从而降低煤矸混合带的厚度。 

(3)后部输送机安设接煤器，严格执行见矸即收的原则，防止超高放煤。特别是断层处放煤时要将煤放净。

图2煤矸混合带示意图1煤层：2煤矸混合带：3矸石

6 效益分析

6.1 工作面回采情况 22202工作面最高单产7.1766万t，平均单产6.8663万t；最高日产4800t，平均日产2516t，日均出勤80人，最高回采工效35.8t/工，平均工效31.5t/工，回采率93%，工作面通过落差1.3m、4.5～6.Om2条正断层。

6.2 轻放与高档比较 

 表2 

轻放与高档工作面单产及效率比较

上述复杂条件下轻型支架放顶煤与一般条件下高档相比较，表中所列的掘进费用减少50%；用工减少34.3%；回采工效比高档采煤提高3.3倍。同等条件下如22202工作面针对4.5～6.0m断层斜穿工作面，采用高档普采技术由以往实践得知，即使形成工作面也难于采出，而综采分层则巷道掘进量增加1倍，断层则需过2次，对工作面设备损坏量大大增加，而单产及回采工效则大为降低。由此可以看出在复杂地质条件下(主要断裂构造多)轻放支架放顶煤在单产、工效、安全媒炭资源的回收上具有无可比拟的优势。

7 建议 

(1)针对断裂构造多、煤质松软的地质条件，工作面设计时两顺槽沿底送巷，切眼沿顶送巷，如果煤质坚硬可采用沿底送切眼。 

(2)工作面过断层，断层落差小于煤厚则可以通过，如断层落差大于煤厚则在设计时要尽量避开。 

(3)为提高工作面的回采率，减少端头不放煤及留煤柱的煤炭损失量，在工作面设计时应积极采用错层位重叠送巷技术。

8 结论 

轻型支架放顶煤技术具有高产高效、万吨掘进率低、职工劳动强度低、安全性好、吨位小架型轻便、增减支架容易、稳定性好、对复杂地质条件适应性强等特点，是复杂地质条件下建设现代化高产高效矿井的有效途径。