轻型放顶煤工作面回采技术研究

摘要： 通过对上海大屯能源股份公司姚桥煤矿东三采区7517工作面回采过程的观察、分析和研究，系统总结轻型放顶煤工作面在回采过程中的层位和采高控制、过大断层、大倾角仰理、推广应用轻放回采技术具有十分重要的借鉴和指导意义。

关键词：轻放工作面   顶板管理   防治水   技术研究

7517轻型放顶煤工作面自2003年12月17日正式回采以来，至2005年2月份已推至原设计停采线，原停采先位于F154H=8m断层前，由于掘进过程中两道揭露F154H=8m断层贯穿整个工作面，但在实际回采过程中推至材料道F154断层时发现其在工作面并不连续，通过对F154断层的跟踪、分析、论证，同时由于当时工作面接续原因，矿遂决定工作面原设计停采线外延120m，至2005年4月底回采结束。历时16个半月，该工作面创下大屯矿区五个之最。一是回采时间最长，历时16个半月，走向推进805m，采出煤量116.5万吨。二是地质构造最复杂，断层最多，大小断层35条，其中F13和F154落差在6-10米。三是仰采角度最大达30度。四是涌水量最大达48万立方米。五是安全上消灭了轻伤以上事故。

1、概况

7517轻型放顶煤工作面位于大屯矿区姚桥矿东三采区。该工作面前期为7#煤、8#煤联合开采，回采至8#煤停采线时，7#煤单独开采。该工作面走向长度：7#煤为688-694/691m，8#煤为433-444/436.5m，倾向长度为161m。煤层厚度为：7#煤为4.50-8.00/5.95m，8#煤为：2.5-4.6/4.22m。煤层倾角：7#煤为5-14/9度，8#煤为5-14/9度；7#煤工业储量为922687吨，回采储量为784284吨，8#煤工业储量为413386吨，回采储量为351378吨。该工作面从切眼外约436.5m为7#、8#煤联合开采，而后单独开采7#煤。该工作面煤层结构简单，但该工作面地质构造较为复杂，在掘进过程中，揭露或预想的断层为21条，而实际回采过程中揭露大小断层35条，其中落差大于两米，对回采影响较大的断层有15条；落差在1.0-2.0米，对回采有影响的断层有10条；落差小于1.0米，对回采影响较小的断层有9条。该工作面主要充水水源为7#煤顶板砂岩水及7515老塘水；其中7515老塘静态水24万m3，动态水20m3/h；排出动态水24万m3，合计涌水量48万m3。

该工作面共安装液压支架131台，其中YFZ2200-16/24型四立柱支撑掩护式，长侧护整体顶梁带内伸缩梁轻型放顶煤支架127台，其主要技术特征为工作阻力：2661KN，初撑力：2238KN，支护强度：0.6MPa。ZFSB3800-16/28A型放顶煤支架两台，安装在工作面上下端头，其主要技术特征为：工作阻力：3800KN，初撑力：3195KN，支护强度：0.6MPa。煤机型号为6MG-200双滚筒采煤机，前后部溜子：SGD-630/220，转载机：SZZ-764/160桥式转载机，破碎机：PCM-110重锤式破碎机，机巷皮带：DSP-1080/160。

2、采煤方法和回采工艺

2.1采煤方法

走向长壁采煤、轻型放顶煤一次采全高，全部跨落法。

2.2采煤工艺

7#煤、8#煤联合开采时采用两采一放，7#煤单独开采时采用一采一放。7#煤、8#煤联采时，采用双轮间隔顺序放顶煤，煤机割煤两刀，放煤一次；7#煤单独开采时，采用单轮间隔顺序放煤，煤机割煤一刀放煤一次；采高2.2m：
煤机割煤       移架 →返刀扫底→推前溜→放煤→拉后溜

3、轻放工作面的矿压特点

3.1矿压观测的主要方法：

矿压观测研究使用ZDTZ-ⅡB型综采压力智能记录仪。它主要有四部分组成：1、圆图压力记录仪；2、红外传与入数据采集器 ；3、红外数据计算机通讯适配器；4、数据处理软件。压力监测记录仪有两个压力测孔，通过液压管路与支架立柱相连，但工作面安装6块压力监测圆图仪，24小时不间断自动记录一次支架压力数据，通过数据采集器收集圆图仪的数据，上井后通过红外适配器将数据自动传送到计算机。

3.2轻放工作面矿压显现规律及特点

3.2.1该轻放工作面具有较为明显的来压的规律，但来压缓和说明顶煤和直接顶在老顶来压时能够吸收老顶来压时的冲击能量，以缓冲来压强度。

3.2.2该工作面使用YFJ2200-16/24轻放支架，额定工作阻力能得到较好的发挥，支架的支护参数能较好的适应该工作面的顶板活动规律。从支架的结构功能看，支架的伸缩前梁能及时有效的防止端面距顶煤与顶板的冒落，生产中由于合理安排了回采工艺，支架能保持良好的工作状态，确保了工作面生产的良性循环。

3.2.3能否控制端面顶煤是轻放面能否成功的关键。端面距反映了端面无支护空间的大小，它对顶煤的稳定性有着非常重要的影响。现场观测表明：冒落度随端面距增大而增大，二者之间近似成线形关系。

3.2.4顶煤稳定性控制措施主要有以下几种：减少实际端面距；及时移超前架并伸出伸缩梁；提高支架的初撑力；减少支架的俯仰角；加快推进速度等。

3.2.5由于支架顶梁长，顶煤力学状态变化大（整体→松散体→冒落体），顶煤刚度在顶梁前后部有很大变化。因此，整体顶梁轻型放顶煤支架前后立柱受力存在不均衡性。前后柱工作阻力相比，前立柱利用率较高，支护性能发挥较好；后柱利用率低，支护性能发挥较差。其主要原因是顶煤放出后，支架顶梁后方的顶煤就会有部分滑落到放出空间，使支架切顶线前移，导致前立柱阻力增大，后立柱阻力降低；煤层松软、裂隙发育，使顶煤在支架顶梁后方破碎程度进一步增加，促使顶梁后上方顶煤进一步产生“扩容”、“让压”，后立柱压力减小；在大倾角条件下后立柱阻力减小，受力不充分造成支架歪斜，导致支架工作状态恶化。

3.2.6轻放工作面支架所受顶板压力并不是随采高的增加而响应增加的，这是因为放顶煤开采时上覆岩层的压力是通过顶煤传递给支架的，支架上方的顶煤变形、破碎、扩容及流失释放了上覆岩层巨大压力对支架的作用，支架支护的压力较小。顶煤较完整时，支架初撑力及平均工作阻力较大，支架支护的效能较好，来压时由于顶煤对顶板的压力的缓冲释放作用，来压强度较弱，来压动载系数小；当顶煤漏空时，支架初撑力及工作阻力均较低，但由于没有顶煤的缓冲、释放作用，来压时压力较大，来压显现强烈，而来压强度大又会造成采面片邦、漏顶加剧形成恶性循环。

4、主要技术措施

4.1过7515放水巷

4.1.1 7515放水巷担负着7515老塘探放水的排放，正常回采时首先将排水管路改向7517材料道通外侧排水，并在材料道增加了两趟排水管，原7515放水巷排水管路进行回收。同时，7515放水巷大部分是锚网支护，局部金属棚支护，正常回采前，提前对放水巷进行替改棚支护。

4.1.2回采过程中，由于7515放水巷基本上沿8#煤底板掘进。因此，在通过7515放水巷前，要掌握好工作面层位，严格沿底回采，确保了工作面与7515放水巷平透。在回采过程中，遇到放水巷巷道高度大于工作面采高时，采用道木、半圆木将巷道底板垫起通过。

4.1.3在回采过程中，由于7515放水巷受7517采动的影响，为避免发生巷道顶板事故，对7515放水巷内距工作面走向长度20m范围内巷道用半圆木配合DZ-2500或DZ-2800单体一梁三柱打走向棚进行超前支护，棚距0.8m，巷道压力显现变形严重时，加大超前支护距离，确保了7515放水巷顺利通过。

4.1.4 7515放水巷距7517切眼外20m与7517溜子道相交，距切眼外160m与材料道相交，斜穿整个工作面。自2003年12月26日开始至2004年3月12日，历时三个半月，安全顺利通过该放水巷。在此期间，顺利通过了H70、H26两个钻孔，在放水巷内，原钻机窝处顺利取出一跟长10的套管，6根长34m的套管。

4.2过东三探巷

4.2.1东三探巷在7517工作面都是沿7#煤顶掘进的，根据工作面的煤层厚度和采高，东三探巷在7517工作面的上方，在溜子道与东三探巷相交。

4.2.2由于东三探巷掘出时间较长。其大部分巷道是锚网支护，局部金属棚支护，而且该工作面回采前已在溜子道相交处打密闭墙，并对东三探巷进行注浆。因此，开始过东三探巷前矿组织通风科、救护队将密闭墙打开，然后由救护队队员对探巷内气体情况及巷道内的支护情况进行探险。当探至探巷内30m 处时发现巷道冒落1.6m（巷高2.0m）。逐撤出人员，但探巷内气体并不高。逐将密闭墙砌好，留一调节风眼，由老塘漏风将探巷内气体稀释。

4.2.3由于东三探巷位于材料道距切眼576m处，溜子道距切眼730m处，除机头10-15m东三探巷不是沿顶掘进外，其余均沿7#煤顶掘进。根据7#煤厚度4.5-5.4m，东三探巷巷道高度2.0m只要合理控制工作面层位，严格按7#煤底回采，严禁采高超高，同时由地测科派人每隔2-3天对探巷工作面位置进行探测，以便及时调整层位，煤层薄时必须及时破底回采。特别是机头10-15m非沿顶掘进段，除提前在探巷内打木垛接顶外，需提前探巷口10m破底回采，确保工作面从探巷下方安全顺利通过，防止发生漏、冒顶事故。同时对溜子道探巷口前、后10m进行三排超前支护，确保探巷口附近的顶板支护密度和强度。

4.2.4东三探巷自2005年1月10日开始,工作面每推进1米,工作面就有两台支架处于探巷下方位置。由于合理控制层位,及时调整支架支护状态及提高支架处撑力,至2005年3月21日顺利安全通过东三探巷,未发生一起漏、冒顶事故。

4.3过大断层、大角度仰采段的顶板管理

4.3.1过大断层的顶板管理

7517工作面在整个回采过程中，断层数量最多，且    F13和F154断层落差都在6-10米，且两条断层从开始出现到歼灭达三个月之久，F154断层在工作面全岩范围达40多余架，断层给生产管理、煤质管理和设备管理、安全管理造成极大困难，严重制约着安全生产。通过认真分析论证，主要采取以下几个方面技术措施：

（1）F13断层处放震动炮。由于该断层全岩部分为砂岩和细砂眼，且断层落差变化大，由刚开始落差H=3m增大到H=10.5m，且上盘在机尾、下盘在机头；工作面机尾与工作面最高点高差达5.4m ，给工作面层位调整带来极大困难。放炮后，及时移好超前架并打出伸缩梁支护顶板。

（2）断层带支架上网护顶，并严禁放煤。

（3）断层面周围顶板破碎时，及时上大板，半圆木接封顶，并提高支架初撑力，调整好支架支护状态，严禁支架“高射炮”或“前梁栽头”。移架时要迅速及时，采取带压擦顶移架。

（4）合理调整断层带附近层位，严禁采高超高，必要时适当降低采高。

（5） F154断层虽然在工作面全岩范围大，但全岩部分大部分为泥岩，只在中部含有少量砂岩，且矸石较脆，采用煤机滚筒破矸。但由于断层持续时间长，机电大班必须加强对机电设备的维护、保养工作，备齐备足所以设备的零部件，特别是煤机、前后部溜子、转载机、支架的备品备件，确保设备正常运转。

4.3.2大角度仰采段的顶部管理

顶板的岩层力学性质、厚度以及顶板内节理裂隙的发育程度，为有效的控制顶板事故提供了科学的依据，随着回采工作面的不断推进，不同层位顶煤移动发生规律性变化。顶煤层位不同，位移开始移动点也不同，层位越高，开始移动点距煤壁距离越远，顶煤位移量随煤壁的靠近而逐渐增大，但距煤壁一定距离时，顶煤位移速度增加较快。在煤壁附近，顶煤位移累计量继续增大，而且位移增量和位移速度也很大，形成上大下小的松动膨胀范围，大致为扇形。在松动膨胀范围内，顶煤已被裂隙切割成不同形状碎块体，在块与块之间，裂隙发育宽度较大，组成相互制约、相互作用的松动膨胀体。这种松动膨胀体一旦失去了约束作用，使发生移动和冒落。因此，在采煤工作面煤壁易造成漏顶和片邦事故，特别是端面距大时更是如此。在支架上方存在着松动膨胀层，顶板载荷不能全部传递到支架上，一部分载荷转入转移到煤壁深部。在支架上方所形成的膨胀层，对控制顶煤稳定防止漏顶增加难度。支架每一次前移，加剧顶煤一定范围的破碎，迫使顶煤向松散体发展并极易造成架前和架见漏顶。

根据采煤工作面顶板活动规律及漏、冒顶发生的机理，为加强采煤工作面顶板管理，特别是大角度仰采及8#煤向7#煤过度穿层段的顶板管理，主要采取以下几方面措施：

（1）采煤工艺上：采取及时带压擦顶移架，保持顶煤的完整性，缩小端面距，减少煤壁片邦；前后立柱高差不能过大，否则很容易损坏支架立柱缸体，并造成支架压死。

（2） 改变割煤方式：采用底上刀一块割煤，对及时控制顶板起到了较好的效果。

（3） 合理控制放煤量：在支架上方的松动层，在去掉约束后很容易移动、冒落，较大的混矸层，对控制煤壁片邦带来了难度。

（4）技术措施上：当工作面遇断层及顶煤破碎或煤层节理发育时，顶板极易过早在煤壁处切断，容易发生漏、冒顶事故，因此，采用铺网及上半圆木护顶，采用打螺纹钢超前护顶方法，以保护顶煤的完整性。

（5）加强工作面液压系统的维护工作，减少系统的漏、窜液现象的发生，及时更换支架易损部件，确保支架有足够的初撑力和良好的支护状态。

5、7517材料道过水窝

7517工作面材料道与7515采空区相邻，为沿空送巷巷道。7515采空区位于7517工作面上方。7515老塘总涌水量为48万m3，为确保7517工作面在回采过程中的安全，7517溜子道在掘进过程中已通过工作面打一放水巷，对7515老塘水进行排放，7517材料道形成后，遂在材料道最洼点建立排水基地，在材料道上邦向7515老塘积水区打10个钻孔，并在材料道最洼点打一长5.0m×宽2.0m×深1.5m的水仓，由3台多级泵通过两趟三寸排水管向外排水。
7517工作面开始回采后，将7515放水巷排水管掐掉，在材料道又增加两趟排水管，通过排水基地由材料道直接排往东七采区水仓。

5.1 7517材料道为沿空送巷

由于受围岩应力及采动影响，特别是受7515采空区影响，当工作面推至7515放水巷后，材料道最洼点顶板开始下沉，上邦及底板开始底鼓变形。遂决定采取强有力的支护措施，加大最洼点超前支护距离和支护密度，提高支护强度，同时加大卧底量，超前单体穿双鞋刚性连锁，有效控制顶底板及上下邦巷道变形量。

5.2矿地测科每天安排专人对7515老塘积水排放情况进行测量，并采取针对性措施。

由于7515老塘水泥煤多，水位不断上涨，造成7517材料道钻孔堵塞，因此，必须每天对各个钻孔进行打钻清理，确保钻孔排水畅通。

5.3由于7515老塘水影响，当工作面推至最洼点时，工作面机尾10余台支架开始有淋水，加之机尾断层影响，给工作面机尾及上出口顶板管理及煤流系统管理带来了难度。

遂决定在机尾材料道上方挖水仓，将机尾水用两台潜水泵排往排水基地水仓，每班安排专人抽水并交接班，出煤前将机尾水排干，确保机尾电机不受潮或不被烧坏，从而确保设备正常运转。

5.4经过5个多月的艰苦努力，7517工作面治水工作终于取得了决定性的胜利。

共排水7515老塘积水48万m3，7515老塘水给7517工作面回采带来的重大安全隐患解除了。

6、结语

7517轻型放顶煤工作面回采时间之长，回采难度之大，在大屯矿区生产史上是鲜见的。本文通过对轻型放顶煤工作面矿压显现的规律、顶板管理及防治水方面的经验和做法加以阐述，希望今后能给矿区轻型放顶煤工作面回采管理带来有益的启示，并确保矿区安全生产。

参考文献：

（1）姚桥矿轻型支架综放面支架一围岩关系研究，8-9

（2）富强，李报，王秀江 松软厚煤层综放开采顶煤运移规律研究[J]