复杂条件综放工作面开采综合技术研究

摘  要：文章通过分析大倾角、高地压、冲击地压、煤层自然发火、顶板水等对综放工作面的影响，研究了对策，制定了工作面安全开采措施，保证了工作面安全生产，取得了较好的经济效益及宝贵的实践经验。

关键词：大倾角；顶板水；冲击地压；综放技术

新汶矿区华丰煤矿是一个有百年开采历史的老矿井，进入-840m水平（埋深955m）后，深部开采面临很多的技术难题。由于开采深度的增加，特别是进入-600m的深度后，冲击地压频繁发生，深部矿压显现强烈，巷道维护困难；开采主采煤层4层煤顶分层时，冲击地压难以控制，现行的防治对策不能达到从根本上控制、缓解冲击危险的程度。为此，针对华丰矿深部开采的冲击地压灾害、大倾角厚煤层开采技术、巷道布置与工作面顶板控制、顶板砾岩水控制技术、安全高效开采技术等关键问题进行了研究。经试验工作面的应用，取得了较好的经济效益和社会效益。

1  工作面生产条件

1.1工作面位置及生产地质条件

1409工作面位于华丰煤矿-1100水平前组一采区第一区段的第一个工作面，上下限标高分别为-750m、-840m，埋深880m～970m。工作面走向长2100m，倾斜长150m，工作面由西向东推采。工作面上为平均7m的水平隔离煤柱，与2408和1408工作面采空区相邻，下为未开采区，西为未开采区，东为四层煤尖灭带。

工作面开采的4层煤平均厚6.4m，为较稳定煤层，煤层倾角30～35°，平均32°，硬度系数f=1.5～2.5。直接顶为2.5～9m粉细砂岩，基本顶总厚度为78m，其中第一分层22m，为中细和中粗砂岩，第二分层56m，为中细砂岩。基本顶之上为60m厚的泥岩和红土层，红土层之上为厚500m以上的坚硬砂砾岩层。直接底为4.4m厚的中砂岩。

表1      工作面赋存条件表

 

走向长度	2100m	牌号	气煤	工业储量	320.96万t
倾斜长度	150m	自然发火期	3～4个月	地质损失	45.28万t
煤层厚度	6.4m	沼气等级	低	开采损失	7%
平均采高	2～2.4m	煤尘爆炸指数	35.5%	可采储量	230.2万t
煤层倾角	32°	冲击倾向性	煤层强烈顶板中等	工作面回采率	93%
容重	1.30t/m3	预计涌水量	正常4.42m3/min最大6.78m3/min	顶煤回采率	80%
煤层硬度	f=1.5～2.5	实测断层数	1条	预计可采期	32个月

1.2  工作面开采条件分析

影响综放技术应用的工作面生产条件主要有埋深、矿山压力、煤体的冒放性、煤层倾角等，经研究4层煤具有较好的冒放性，因此对1409工作面综放技术方案产生影响的主要为倾角、矿山压力等安全性因素。

1.2.1  工作面倾角大

工作面倾角的大小将对设备下滑、支架的稳定性产生重要影响。在重力分力作用下，工作面倾角越大，设备的下滑力越大。1409工作面平均倾角320，最大360，工作面支架、运输机具有较强的下滑趋势，因此应完善防滑措施。工作面倾角增大后，支架的稳定性将会降低，生产期间操作不善易产生倒架、咬架现象。因此大倾角工作面应适当降低采高以降低支架的重心提高支架的稳定性，同时架间应采取防倒措施。

1.2.2  大采深

1409工作面上下顺槽标高分别为-750m、-840m，采深达970m。上覆岩层的自重应力已超过4层煤的抗压强度；同时华丰矿水平应力也较高，经原岩地应力测量，最大水平应力为33—42Mpa。较高的原岩应力与工作面采动应力叠加后易使煤体提前破坏，将给工作面机道及上下顺槽管理带来困难。

1.2.3  冲击地压

（1）1409工作面冲击地压发生原因

4层煤冲击倾向性试验结果表明，华丰矿4层煤具有强烈冲击倾向性，其直接顶具有中等冲击倾向性。华丰矿四层煤及其直接顶冲击倾向鉴定结果见表2。

表2      4层煤及其直接顶冲击倾向鉴定结果

4层煤			直接顶
动态破坏时间（ms）	弹性能量指数	冲击能量指数	弯曲强度(MPa)	弯曲能量指数
33.3	13.05	5.1	22.2	49.5
强烈冲击倾向			中等冲击倾向

4层煤上部为500—800m的巨厚砾岩层，整体性强，完整性系数为0.92，抗压强度为20.6MPa，抗拉强度为2.74MPa，采后不易冒落下沉而在与红土层的界面上产生离层空间。随着采空面积的加大，砾岩层原来的应力状态发生改变，从而增加了4层煤工作面的应力水平。当砾岩层缓慢下沉并周期性断裂跨落时，将对下部的煤岩体产生冲击载荷，从而加剧4层煤工作面煤体的应力集中，导致4层煤工作面冲击危险增强。因此工作面上方巨厚砾岩层活动是4层煤工作面发生冲击地压的重要原因。

1409工作面采深已达970m，岩层自重应力已超过4层煤的抗压强度；同时华丰矿深部水平构造应力也较高，最大水平应力为33—42Mpa。较高的原岩应力易使煤体产生应力集中而破坏，从而导致4层煤冲击地压的发生。

（2）4层煤冲击地压发生情况

华丰煤矿自1992年元月首次发生冲击地压以来，共发生0.5级以上冲击地压28000余次，1.0级以上冲击地压2900余次，1.5级以上冲击地压490余次，大于2.0级以上的7次，最大震级2.9级。共发生破坏性冲击地压104次，造成工作面停产的11次，严重影响了矿井的安全生产。华丰煤矿冲击地压共造成多次人身伤亡事故，特别是发生3起多人伤亡事故，累计造成41人重伤，4人死亡。根据统计，华丰煤矿破坏性冲击地压共破坏巷道2000余米，平均顶底板移进1.2米，两帮移进0.8米，摧毁巷道500余米，断面收缩率75%以上，其中大部分顶底板闭合，需要停产大修；多次给回采工作面造成严重影响，累计破坏工作面长度400余米，平均底板鼓起1.1米，煤壁向老空区移进0.5米，支架倒塌；共损坏单体液支柱407根，铰接顶梁503根。同时，冲击地压造成了严重的设备、设施损坏，损坏开关、电机多台，损坏风门多道、矿车多辆等。冲击地压事故已累计对矿井造成直接经济损失850万元。

（3）冲击地压对综放工作面破坏分析

冲击地压对工作面支护体的破坏一般由冲击载荷引起。研究表明，华丰矿4煤工作面冲击地压发生时冲击载荷主要表现为2个方向，1是沿煤层顶底板的垂直方向，将造成支架的突然下缩而使支架结构件破坏；2是沿煤层走向的水平方向，将造成煤体向采空区突出，并导致支架在水平方向上产生错动而损坏支架结构件的连接部分。因此高能量冲击地压将给支架的成功应用带来严重影响。

1.2.4  顶板水

华丰矿4层煤主要受顶板水的威胁，其顶板共有2个含水层，分别为第三系砾岩含水层和顶板砂岩含水层。在华丰井田，第三系以角度不整合覆盖于煤系地层上。第三系的砾岩层厚500—800m，局部富水性较强。砾岩含水性在垂向上具有分带性，在平面上存在分区性，受地表水的补给。工作面开采过程中，砾岩产生的裂隙带使上下含水层沟通，导致工作面顶板出现淋水并在下顺槽老空侧出水。一般情况顶板砾岩出水量受砾岩断裂影响较为明显。4层煤以上约100m有一层厚20m的含水中砂岩，含水性相对较弱且不均匀，是4层煤的直接充水含水层，多以工作面淋水、下顺槽老空侧出水的形式出现。

华丰矿以往开采的所有4层煤分层开采工作面均有不同程度的顶板水出现，一般工作面顶板淋水量为0.2—1.5m3/min，下顺槽老空侧出水量为1.5—4.5m3/min。

1409工作面大地电磁勘探和瞬变电磁勘探结果表明，在1409工作面切眼以东0～500m、切眼以东650～870m为两个相对富水区域，预计工作面在该区域出水量将明显增加。

由于1409工作面为综采放顶煤一次采全高，上覆岩层裂隙高度将必分层开采明显增加，导水高度随之增加，因此1409工作面开采期间涌水量将必分层开采时有大幅度增加。

工作面推采期间，顶板水将在控顶区内通过顶煤进入工作面，对顶煤提前造成破坏而使机道掉顶、片帮。顶板水落在底板上将减小支架底座与底板的摩擦系数，特别是浮煤清理不干净时，支架及设备的下滑趋势将会增大。同时顶板水将给工作面设备维护及下顺槽转载机的前移带来困难。

1.2.5  自然发火

华丰矿4层煤为自燃发火煤层，自燃发火倾向性为Ⅱ类，鉴定结果见下表3。

表3         煤自燃发火倾向性鉴定表

水分(%)	灰分(%)	挥发分(%)	真密度(g/cm3)	吸氧量(ml/g)	结果
2.98	6.91	42	1.46	0.48	Ⅱ类自燃

4层煤发火期为3-4个月，最短一次42天。自开采以来，有记录的自然发火事故39次，造成了巨大的经济损失。但自1993年以来华丰矿坚持了“预防为主、综合治理”的指导思想，采用了均压通风、灌注黄泥浆、注阻化剂、凝胶、高水材料充填等防火新技术，对自然发火进行综合治理，同时利用人工观测、束管监测、红外线探测相结合的观测手段，及时进行预测预报，使“三线一带”等易发火地点得到了有效控制，连续实现了矿井九年无自然发火。

经分析1409工作面存在5个自然发火隐患点，分别为工作面开采线附近、停采线附近、上下端头老空浮煤、后部老空浮煤、顺槽顶部离层碎煤，工作面开采期间应将发火隐患点进行重点管理。

2  工作面巷道布置及设备配套

2.1  巷道布置与支护 

2.1.1切眼

切眼沿煤层底板布置，净宽×高= 7.5×2.4m2，矩形断面；采用锚网挂钢带支护；煤柱区一侧及顶板为f18 2200mm等强度螺纹钢锚杆，工作面一侧为f28 1800mm木锚杆，锚杆间排距为800×800mm；顶板用锚索加强支护，锚深6.5m，锚索间距2.0m，排距2.4m；配三排单体液压支柱，单体点柱间距1.6m，单体配铰接顶梁支护；工作面切眼按3部分先后掘进，先掘Ⅰ区，宽2.2m，后刷帮掘Ⅱ区、Ⅲ区，Ⅱ区宽2.2m，Ⅲ区宽2.3m。切眼支护见断面图1、平面图2。

2.1.2上下顺槽

上下顺槽均为矩形断面。上顺槽沿煤层底板布置，与上部采空区留设7m煤柱，宽×高为3.2×2.6m2。下顺槽沿煤层底板布置，宽×高为4.0×2.8 m2。采用锚网支护，锚杆规格为f18 2200mm等强螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800×800mm；顶板布置单根锚索支护，锚深6.5m，间距1.6m。见支护断面图3、4。

上顺槽布置在煤层底板，易实现与工作面的搭接，避免工作面上端头丢失三角底煤。上顺槽为进风、行人及辅助运输巷。

图2  工作面切眼支护平面图

下顺槽布置在顶板，实现了与工作面的弯曲过渡，利于工作面支架及设备的稳定。用于煤炭运输与回风；在巷道下帮设有水沟，保证了巷道的流水坡度。

2.2  工作面设备配套

选用ZF4800/16/26型正四连杆放顶煤支架，支架为整体顶梁，双活动侧护板，具有防倒防滑设施；上端头布置2架、下端头布置3架ZFG4800/17/28型过渡放顶煤支架。

采煤机为MG250/575-W型双滚筒液压无链牵引采煤机，为铸造齿形销轨牵引方式。工作面前后部刮板输送机均选用SGZ730/200型中双链铸焊封底式刮板输送机，垂直向弯曲±3°。转载机为SZZ730/160型中双链转载机，运量为1000t/h，为整体焊接车箱结构溜槽，为闸盘及伸缩机头辅助紧链，配备ZY-1100型自移装置。选用PCM110型双速破碎机，出料粒度为150～300mm，装机功率为160kW。石门及岩石集中巷选用STD-1000/2×75型绳架吊挂带式输送机，输送能力为630t/h。设备电压等级为1140V。 

图3  工作面上顺槽支护断面图

图4  工作面下顺槽支护断面图

3   采煤工艺

3.1  开采方法

工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法开采，割煤高度2.4m，放煤高度4.0m，采放比为1：1.67。采煤机采用端头斜切进刀方式，下行割煤，上行装煤，截深0.6m。液压支架及时移架护顶，由下往上随机顺序带压擦顶移架，临架操作。放煤步距为1.2m，从下往上分段双轮顺序放煤，分段距离30m。

3.2  回采工艺流程

上端头斜切进刀—下行割煤—移架—放顶煤—拉后部输送机—上行清浮煤（割煤至机头后）—自下而上推前部输送机—推前部输送机尾（斜切进刀段）——上端头斜切进刀。

4   工作面主要技术

4.1  设备的防倒防滑

1409工作面为大倾角工作面，平均倾角320，工作面支架及设备的防倒防滑主要采取了以下措施： 
（1）上部顺槽沿煤层底板布置，下顺槽沿顶板布置，切眼采取“变坡”布置，工作面下部15m为过渡弯曲段，下端头支架起到了支点的作用，由下段支架的稳定控制上段大倾角支架的稳定，提高了工作面支护系统的稳定性。见图4-1所示。

图4-1巷道变坡布置示意图

（2）支架安有防滑、防倒千斤顶，采取带压擦顶的移架方式，运输机具有防滑机构。

（3）工作面采取上行推溜、移架的作业顺序，有效地防止了支架、设备的下滑。

（4）工作面伪斜开采，伪倾角一般控制在5～8°，工作面上头超前下头8～10m，分解了支架设备的下滑力。

4.2  顶板水治理

4.2.1  出水量分析

工作面推采40m时开始出水，初期出水量较小，但随着工作面推进，出水量呈上升趋势，工作面累计推采230m时，出水量达到最达值，为13.5m3/min。分析工作面出水量与顶板来压规律可知，在工作面出水量达到最大值以前，工作面顶板来压随着出水量的增大而出现，说明在工作面开采初期，随着工作面采空区冒落高度的增大，导水裂隙带不断升高，出水量随之增大。

4.2.2  防治水措施

（1）巷道布置 

工作面下顺槽严格按中腰线掘进，保证巷道5‰的流水坡度。为保证巷道掘进期间不出现低洼地段，在运输石门往工作面推采方向掘进时，采用了“人”字型掘进方式，即先掘进30m上坡，人为制造一个坡度，该段巷道按反方向流水，然后再按5‰的坡度下山掘进。

（2）疏水系统

首先对1409工作面进行了大地电磁勘探和瞬变电磁勘探，找出了工作面富水区。工作面开采前，在下顺槽均匀布置了顶板放水孔，孔距50m，见表2（为部分钻孔）。放水钻孔一方面降低了工作面出水量，另一方面减小了出水压力。

表2          下顺槽放水钻孔情况表

序号	孔口标高（m）	出水位置	出水标高	倾角（°）	初始水压（Mpa）	最终水压（Mpa）	最初水量（m3/min）	最大水量（m3/min）	钻孔深度（m）
1	-824.3	128.5	-700.7	43			0.15	0.15	160
2	-824.6	126.5	-700.6	38			0.1	0.1	151.6
3	-825.9	122.4	-708.2	43	5.8	3.0	0.1	0.22	150.9
4	-827.5	136	-696.7	43	5.9	3.0	0.1	0.1	145.5
5	-827.2	135	-701.1	38	5.9	3.0	0.01	0.05	153.0
6	-829.7	138.2	-735.4	43	5.8	2.8	0.15	0.2	152.8
7	-831.3	133	-740.6	43	5.8	2.7	0.1	0.3	155

（3）排水系统

沿工作面下顺槽、运输石门、岩石集中巷布置了水沟，并在矸石井车场绕道布置了临时水仓泵房，临时泵房最大排水能力为20.0m3/min，保证了工作面出水量的及时上排。

4.3  冲击地压防治

4.3.1  综采放顶煤的开采方法缓解了工作面煤体应力集中程度

综放工作面推采期间，顶煤受支承压力的作用提前发生破坏，在支架上方起到了一个塑性垫层的作用，有利于缓冲顶板来压对工作面的冲击载荷，降低了冲击地压对工作面的破坏程度。由于顶煤的作用，综放工作面始终处于内应力场的保护范围之内，工作面内部冲击危险明显减小。

4.3.2  开采解放层

为从根本上降低工作面的冲击危险，对1409工作面实施开采解放层方案。先开采了位于4层煤之下40m的6层煤。6层煤平均厚1.05m，为弱冲击煤层。见解放层开采效果走向剖面图5及倾向剖面图6。

图5    解放层开采效果走向剖面图

图6     解放层开采效果倾向剖面图

物理相似模拟及数值计算结果表明，6层煤开采后4层煤顶底板均能得到较大范围和较大幅度的卸压，直接底、直接顶和基本顶卸压幅度约35%。在走向上前、后保护角分别为80°和70°，倾向上上、下保护角分别为80°和40°。 
为使1409工作面开采范围全部在解放范围之内，在倾向上布置了1609、10两个6层煤工作面作为解放层进行开采，工作面上下顺槽标高分别为-750m、-920m。1409工作面切眼位于1609、10切眼以里20m，1409工作面停采线同样位于1609、10工作面切眼20m以里，从而保证了1409工作面的保护范围。

4.3.3  煤层注水

1409工作面开采前在上下顺槽对工作面煤体进行了超前注水。上顺槽注水孔布置在下帮，孔距10m，孔深40m。下顺槽注水孔布置在上帮，孔距20m，孔深80m。上顺槽注水孔采用岩石电钻打眼，下顺槽注水孔采用SMG150型液压钻机打眼，下套管用水泥注浆封孔。采用3D2-SZ高压注塞泵高压注水，注水压力6～10Mpa。注水孔超前工作面一般大于50m。通过注水后，工作面煤体含水率均达到4%以上。

4.3.4  综合监测预报措施

在工作面上下顺槽利用煤粉监测、流动电磁辐射监测、可视化实时电磁辐射监测和钻孔应力计监测并配合微震监测、顶板动态观测对工作面冲击危险进行监测预报，实现了工作面冲击危险的综合监测预报。

当监测出工作面煤体应力有明显上升时，及时落实了针对性爆破卸压措施，避免了冲击地压的发生，保证工作面的安全开采。

4.4  工作面片帮冒顶治理

受上覆岩层运动的影响，工作面出现周期性的煤壁片帮冒顶现象，严重时片帮深度达2.5m，冒顶高度达8.0m以上，给工作面正常生产带来严重影响。在实际生产过程中，通过采取煤壁化学聚合加固、锚固、改变采煤工艺等，较好地处理了煤壁片帮冒顶现象，保证了工作面正常推采。

4.4.1  化学聚合加固技术

马利散®N是一种由由树脂和催化剂两种成份组成的注射产品，该产品中的树脂和催化剂以1：1的容积比混合发生快速反应生成低度泡沫，并膨胀到原体积的2倍左右。通过2各气泵注入煤壁，低粘度混合物以液体状态渗透入煤壁细小裂缝，经过几分钟的膨胀粘合，可有效地加固和密封处理顶板破碎和煤壁裂隙。马利散®N固化后具有较高的粘合力和良好的柔韧性，能承受一定的顶板压力。其注浆工艺见图7。

其生产工艺流程为：在煤壁破碎区架前打眼——下注射管——下封孔器——注浆。

注浆孔眼深眼深4.0-5.0m，仰角250—300，眼距2.0—4.0m。封孔深度一般为1.5m，注浆量以泵升压到2.0Mpa左右为准，一般每孔注浆50—150Kg。经现场鉴定浆液扩散半径一般大于2.5m。

1-泵体 2-支撑架 3、4-活塞

5、7-料桶 6-进气阀 

8-截至阀 11、12-吸料管

13、14-输料管 15、16-溢料管

17、18-出料管 19-注射管

20-注射器 21、22-压力表

23、24-止回阀

25、26、27、28、29、30-球阀

31、32-出料孔 33-汇料器

34三通联管节

图7  马利散®N注浆工艺图

4.4.2  煤壁锚固

对于片帮冒顶严重的区域，通过打探钎、打木锚杆进行煤壁超前加固。探钎眼孔口距离顶板0.2—0.3m，眼深4.5m，眼距0.5m，仰角不大于100。将4.2m长1寸钢管插入钻孔，然后用支架伸缩梁托起钢管外露部分。利用钢管托起冒落的矸石并加固前方顶煤。在探钎眼下部进行木锚杆加固，锚杆规格为ф18×2000mm，锚杆间排距为750×500mm，距顶板500mm。

每循环施工一次，直到工作面采过片帮冒顶区。

4.4.3  小循环进尺缩小控顶时间

工作面推采片帮冒顶区时，将煤机滚筒降至底板，沿底板割煤，循环进尺为0.2—0.3m，跟机推溜、移架及时支护顶板，较好地控制了煤壁片帮现象。

4.5  综合防灭火措施

4.5.1  采空区注氮、注浆、注水

工作面推采期间除加大工作面推进速度、提高顶煤回收率外，对采空区浮煤进行了处理。

（1）利用移动式注氮机在工作面上端头（工作面为下行风）通过埋管向采空区注氮，制氮机为JXZD-300型井下移动式制氮机，制氮量不低于300m3/h，氮气出口压力不低于0.5Mpa；利用埋设的两趟管路交替注氮，埋管滞后工作面切顶线一般25～50m；同时在工作面取样测定氧气浓度，以控制注氮量。

（2）在工作面上端头向采空区进行埋管注浆，注浆浓度一般为50—70%，注浆范围一般滞后工作面切顶线15～35m。通过黄土浆液将浮煤与氧气隔绝，降低氧化程度及浮煤温度。

（3）在上覆岩层弱含水区，沿倾向在架间通过插管向采空区注水，以降低采空区浮煤氧化温度。

4.5.2  气体与煤体氧化程度监测

利用矿井安全监测系统对工作面下端头进行CO连续监测，当CO气体浓度有上升趋势时，利用流动监测仪对工作面采空区CO涌出情况进行监测，确定出重点氧化区，采取针对性治理措施。

当工作面CO浓度增大时，利用红外场强测试仪对工作面采空区浮煤温度进行监测，确定出高温区，实施重点治理。

5  结    语

华丰煤矿1409综放工作面开采条件复杂，采深达970m，平均倾角320，最大为340，具有冲击地压威胁，煤层具有强烈自然发火性，工作面顶板出水最大为14.5m3/min。但通过大量理论研究与现场实践，解放华丰矿冲击地压危险煤层储量1092万吨， 解决了深部开采的技术难题，丰富和发展了煤矿开采方法，提出了冲击地压治理的新技术、新方法，为国内外同类条件煤层实现安全开采探出了新路子。