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淮北矿区近距离煤层大采高综合机械化放顶煤开采技术研究
淮北矿业集团有限责任公司技术中心 李建
1、立项背景
1）国内外放顶煤开采技术状况及主要技术经济指标：综放开采技术于20世纪60年代始于欧洲，俄罗斯、乌克兰、前南斯拉夫、罗马尼亚等国也由于条件的限制，以及其它采煤技术进步等，综放开采规模很小，水平很低，没有达到高产高效水平。最高平均月产只有4.96万t（法国的布朗齐矿）。
我国自从1982年引进综放开采技术，到1992年，我国成为世界上唯一应用长壁放顶煤开采技术并实现高产高效的国家。
1990年阳泉一矿8603综放面月产突破14万t。
1991到2000年，综放开采在条件适宜矿井（中硬煤层（f＝1～3），煤厚6～10m，煤层倾角≤25°，顶板属中硬以软（Ⅱ级2类以下））向着高产高效的方向发展着，工作面平均月产达到54万吨。
1996年靖远矿务局魏家地矿在高瓦斯、易燃、突出厚煤层中进行了综放开采技术研究与应用，并取得了成功，工作面平均月产达到6万吨。
1998年大同矿务局 “两硬”厚煤层的综放开采，达到了工作面采出率80.3%，月产12万。
1999年淮北矿业集团公司，在高瓦斯突出、“三软”煤层中进行了轻型支架综放开采技术研究，工作面平均月产达到5万吨。特别是2004年以来淮北矿区芦岭和朱仙庄的特厚煤层综合机械化放顶煤开采的成功，朱仙庄建成了百万吨综放队。
2）尚待解决的问题：涡北矿是安徽省“861”行动计划的重点工程，81、82属近距离煤层，煤层极软（f<0.5）、地质构造复杂（断层落差2～8m）、基本顶较坚硬、近距离煤层的夹层不稳定、煤层厚且不稳定（分层厚度均在3.5m以上）的条件，安全高效开采问题是一重大技术课题。
3）立项目的：实现极软、地质构造复杂、近距离煤层的大采高综合机械化放顶煤高产高效开采，单个工作面年产量达110万吨以上；通过采取有效技术措施，消除因较坚硬基本顶大面积垮落，造成采空区瓦斯等有害气体大量涌出的安全隐患。
2、总体思路及技术方案
1）总体思路
运用系统科学的思想进行综合系统的思考与研究。综合运用理论分析、实验、现场观测、模拟研究的方法，指导研究方案的确定，确定可行的技术方案。在现场观测基础数据的基础上，进行FLAC数值模拟计算，获得开采的一般性规律，而后开展室内模拟试验，与现场测试、数值计算等进行相互验证和对比分析，制定初步开采方案，进行系统的工业试验，现场观测，检验和改进研究成果。
（1）选择确定合理的机械化开采方法，是实现极软、地质构造复杂、近距离煤层的大采高综合机械化放顶煤开采的核心。
（2）防治煤壁片帮与端面漏冒是开采工艺的关键技术问题。
（3）研制与开采条件相适应的液压支架是保障工作面高效推进的关键。
（4）研究放顶煤过断层技术，解决工作面过落差2～8米的断层是重大技术难题。
（5）消除了因较坚硬基本顶大面积垮落，造成采空区瓦斯等有害气体大量涌出的安全隐患等问题是实现高效机械化开采的前提和安全保障。
2）技术方案
近距离煤层大采高综合机械化放顶煤开采是实现安全高效的最佳开采技术之一。针对针对煤层极软（f<0.5）、地质构造复杂（断层落差2～8m）、基本顶较坚硬、近距离煤层的夹层不稳定、煤层厚且不稳定（分层厚度均在3.5m以上）的条件，淮北矿业集团联合有关高校、科研院所共同开展科技攻关，主要技术方案、所开展的主要工作和取得的成果如下：
（1）开采方法选择
系统研究分层综合机械化开采、分层普采、大采高综合机械化放顶煤开采等3种厚煤层开采方法在涡北近距离煤层的适应性。分层普采技术相对落后效率低。采用分层综合机械化开采：巷道开拓工作量大；下分层开采其顶板为再生顶板，顶板破碎，工作面压力大，煤壁易片帮，顶板管理难度大；分层开采采上分层时，由于厚度在4.17米，工作面采高最多在3.5米，这样人为造成煤炭资源的丢失；还存在效率低、成本高、落差大于3米的断层难以通过等。
在国内特别是在淮北矿业集团，厚煤层综采放顶煤开采工艺已成为厚煤层开采主要技术发展方向之一，其优势主要表现为：高产高效；巷道掘进率低；工作面搬家次数少；大量节省劳力投入、大幅度提高矿井和原煤工效；节省电力消耗，减少材料消耗，降低成本；对地质条件、煤层赋存条件有很大的适应性。
通过综合比较，决定采用近距离煤层大采高综合机械化放顶煤开采。
（2）围岩控制技术
煤壁片帮与端面漏冒的机理与防治技术。极软煤层开采所面临的重要技术难题之一就是煤壁片帮严重，以及端面漏冒。通过理论分析、数值模拟和实验室研究，详细研究了煤壁片帮的力学机理，并指出极软煤层开采煤壁片帮的主要原因是煤壁压力大和煤体抗剪切强度低，为此从减缓煤壁压力和增加煤壁抗剪强度出发，进行研究和实施相关技术。通过理论分析，建立了支架工作阻力与煤壁压力的理论模型（图1），指出提高支架工作阻力，可缓解煤壁处的压力，减少煤壁片帮与端面漏冒，合理的支架工作阻力既要能够平衡顶板的压力，也要有利于缓解煤壁处的压力，减少煤壁片帮与端面漏冒。煤体注水可降低煤体的抗压强度，增加煤体粘聚力，提高抗剪强度（图2），同时可使支承压力分布平缓，压力峰值远离煤壁（图3），对于防止煤壁片帮具有重要作用。煤体注水后，抗压强度降低，抗剪强度提高，导致工作面前方的支承压力峰值区远离煤壁20%，峰值压力降低14%，减缓了煤壁处的压力，有利于防止煤壁片帮与端面漏冒。煤壁浅孔动压注水是解决极软煤层综放开采煤壁片帮与端面漏冒的有效技术措施。
图3 工作面支承压力变化规律图
（3）建立放煤理论与指导采放工艺与参数确定。
采放工艺与参数是保证资源高回收率和高产高效的重要因素，在理论分析、相似材料模拟、数值模拟和现场观测基础上，指出了放矿椭球体理论的局限性，并且对低位放煤不再适用，因此针对低位放煤实际提出和完善了散体介质流理论（图4），揭示了顶煤流动与放出的实质，指导了放煤工艺与参数的确定，进而制订了合理的采放工艺参数，保证了工作面生产的顺利进行，工作面回收率达到90%以上。
放出煤量可由分块面积积分确定，见图4，放出煤量Q为：
（4）支架架型确定与研制。
由于涡北矿煤层赋存条件的特殊性，支架架型选择应保证支架对本煤层的适应性，同时在满足放顶煤开采，优选正四连杆放顶煤液压支架。
支架高度的确定：由于本煤层的特殊性，采用放顶煤开采方式进行，逮82煤层顶板而82煤层普遍厚度3.5米。因此工作面支架的高度，以满足作业人员操作空间及设备维护空间为前提，以单一煤层的厚度来确定：最大采高：H采max=3.8m，最小采高H采min=2.2m。
顶梁结构形式确定：支架选用整体刚性顶梁形式。
超前支护形式的确定：本支架采用2个 100缸径伸缩梁千斤顶，行程700mm；2个100缸径护帮千斤顶，护帮板挑平时可增加1000mm的护顶量。在工作面循环步距600mm的情况下，可弥补由于梁端距产生的无支护空间，实现伸缩梁端对煤壁—前部顶煤的“三角区”以及煤壁直接支撑的重要功能；本支架伸缩梁前端向上支撑力不小于1900kN，向前支撑力可达450kN。
底座形式及前端比压的确定：支架底座为刚性分体式底座，不仅排矸性能好，对底板起伏不平的适应性强，而且具有很高的强度和刚度。
抬底装置的确定:为提高支架对较软不稳定煤层工作面的适应性，采用底座带抬底千斤顶装置。
支架液压系统的选择:“降、移、升”移架速度可达15秒/架，可以满足全工作面的快速推进的需要。
支架密封形式确定:支架伸缩梁结构在支架设计、制造上，采用了全封闭、整体结构，如图5所示；支架顶梁与掩护梁侧护板之间采用弧形配合结构，使可能导致漏煤的间隙大大减小，如图7所示；支架在尾梁上不仅设有双侧活动侧护板，而且侧护之间采用弧形配合结构，较好解决了一般放顶煤支架从放煤机构尾梁处漏煤的问题，其结构如图9所示；支架采用可活动尾梁侧护板结构（见图10），满足该条件下邻架尾梁间在各种状态下的密封要求。
图5 全封闭、整体结构伸缩梁结构示意图
图6 普通顶梁-掩护梁侧护板配合示意图 图7 本支架顶梁-掩护梁侧护板配合示意图
图8 普通掩护梁-尾梁侧护板配合示意图 图9本支架顶梁-掩护梁侧护板配合示意图
图10 本放顶煤邻架尾梁带活动侧护板密封示意图
提高支架稳定性的措施：工作面支架通常通过推移杆的限位，及弹簧组件、侧推千斤顶控制的活动侧护板的复位达到防倒防滑，保证支架工作的稳定性。加大复位弹簧直径，增加其作用力；采用大缸径侧推千斤顶，增强其调架能力；顶梁侧护板和掩护梁、尾梁侧护板分开控制，便于调架；在支架顶梁上和底座的后部分别安装有防倒和防滑千斤顶；在底座后部上还设有后部输送机防滑装置安装耳板。
提高支架支撑能力、防拔后柱措施：前、后柱采用不同缸径（前大、后小），既可使支架合力点前移，又可在后柱支撑能力减小的条件下，使支架仍具有较高的支撑能力；将前、后柱上铰点在顶梁上的位置尽量前移（相对于顶梁与掩护梁的铰接点），以使支架的合力作用点前移；在后柱上腔安装闭锁阀，使后柱产生抗拉力；增强后柱的抗拉能力，即加大机械加长段连接销的直径。
（5）研究先进的放顶煤过断层技术
通过近距离煤层间夹矸的点荷载与水理性质实验得出结论，夹矸岩层的抗拉强度和抗剪强度比较低，比较容易受到拉破坏和剪切破坏；而且岩石在浸水后，强度下降的幅度很大。岩石试件自然状态下的抗压强度50.94MPa，但夹矸或过断层顶梁上的82煤层底板泥岩，本身有裂隙再通过支架支撑破坏，有很好的冒放性。
试验工作面过落差2～8米的断层3条，过断层期间采用煤机平推硬过，下盘破底，上盘逮82顶的方法进行回采，如图11所示。煤机过断层带期间，要及时伸出支架伸缩前梁超前支护顶板，并及时拉超前架支护新暴露出的顶板。若煤壁端面距大于340mm，必须及时架设走向棚超前支护顶板，端面距大于500mm，必须架设超前棚支护顶板。人工超前架设走向棚时，其梁采用规格为ø200×2000的半圆木，腿用DZ25-25/100的单体液压支柱，一梁一柱，棚距为700±50mm。待少降液压支柱收回支架伸缩前梁，把半圆木一端放入梁窝内不少于300mm，另一端迅速搭在支架前梁上不少于300 mm，并及时用塘柴、笆片，板皮过严顶，迅速升起液压支架，及时在煤壁侧栽腿，用板皮大笆将煤壁封严背实后煤机方可进刀回刀。
由于受断层影响，必须峒峒保持提车趋势进行回采。提车段采用煤机进行，采用煤机上滚筒挑顶，下滚筒破底的方法进行。过断层带期间，确保工作面“三直一平”两畅通”工作面采高控制在2500mm±50mm，支架成一直线，其偏差不大于±100mm，支架相临落差不大于侧护板的2/3，运输机垂直弯曲度不大于250，支架仰角不大于70，每峒提车布距不小于50mm。为了防止煤壁端面出现片帮、冒顶现象，煤机过后及时伸出支架伸缩前梁打开支架护帮板超前支护顶板，并滞后煤机5～8架顺序推车，滞后8～10架顺序移架。
图11过断层剖面示意图一
（6）研究采煤工作面矿压规律，消除重大安全隐患
通过回采工作面矿压监测，得出较坚硬基本顶初次来压步距。通过采取有效技术措施，消除因较坚硬基本顶大面积垮落，造成采空区瓦斯等有害气体大量涌出的安全隐患。8102试验工作面基本顶厚度15～23米，平均18.5米，岩性为硅、铁质胶结砂岩，属较坚硬顶板。根据矿压监测基本顶初次来压步距43m。为了消除了因较坚硬基本顶大面积垮落，造成采空区瓦斯等有害气体大量涌出的安全隐患。采取的技术措施是基本顶来压前只采不放，之后正常放顶煤；周期来压期间也正常放顶煤，实现了安全生产。
为了提高初次放顶期间的资源回收率，在以后的回采工作面8201工作面对切眼的上部基本顶提前预裂，确保减小基本顶初次来压步距，工作面回采13米时，正常放顶煤工作面的资源回收率达90%以上。
主要结论
该课题是针对针对煤层极软（f<0.5）、地质构造复杂（断层落差2～8m）、基本顶较坚硬、近距离煤层的夹层不稳定、煤层厚且不稳定（分层厚度均在3.5m以上）的条件，开展近距离煤层大采高综合机械化开采的关键技术问题进行了系统研究，采用理论分析、实验、数值计算等多种方法进行研究、分析，以及工业试验与工程实践，获得的主要结论如下：
（1）针对淮北矿区的涡北煤矿81、82的近距离煤层，煤层极软（f<0.5）、地质构造复杂（断层落差2～8m）、基本顶较坚硬、近距离煤层的夹层不稳定、煤层厚且不稳定（分层普遍厚度在3.5m以上），研究围岩控制及工艺的理论，研究使用近距离煤层大采高综合机械化放顶煤技术，是复杂条件下安全高效开采技术的重大突破。
（2）近距离煤层大采高综合机械化放顶煤技术的研究成功，实现了投产达产当年建成煤炭行业安全高效矿井。
（3）相似材料模拟试验研究表明：保持工作面端面顶煤的完整性，及时封闭顶煤是防止端面片帮、冒顶的关键。
对于“三软”厚煤层端面煤体稳定性直接取决于煤体强度。煤体强度较小，容易造成上覆顶煤破碎变形，煤层愈软，裂隙愈发育，煤壁片帮愈严重，端面局部冒顶亦愈严重。端面距是影响端面冒顶的重要因素之一，软煤顶煤处于无支护状态，空顶距愈大，愈容易造成端面冒顶、片帮。软煤端面破坏往往先产生架前冒顶，使端面无支护自由面扩大，而后出现煤壁片帮。所以在支架的架型设计和工序安排时应注意及时移架，支护顶煤。
（4）煤壁处的压力随着支架工作阻力P增大而减小。较大的工作阻力有利于防止煤壁片帮，小的工作阻力会导致煤壁片帮面积和深度迅速增大，当支架工作阻力达到6000KN以上时，对煤壁片帮的面积和深度改善最好。
研究成果表明，适当增加支架的水平推力，有利于减小煤壁压力和防止煤壁片帮破坏、端面漏冒，对于极软煤层放顶煤开采具有重要的现实意义。
（5）煤层注水实验结果表明：淮北矿区软煤的合理的注水量是使煤体的含水率为12%~15%，此的抗压强度降低程度大大小于硬煤（硬煤注水软化的原因）；而抗剪强度和抗拉强度的增加明显提高软煤的防片帮，同时还表明煤壁注水前后，其支承压力的变小，出现位置也前移了。
a粘聚力C随含水率的增加而增大，在含水率w＝16％，取得极大值，增加了120%，增大幅度明显; 内摩擦角总体上随含水率的增加而减小，在含水率w＝16％时，内摩擦角f取极小值，只降低了12%，降低幅度较小。含水率介于12%~17%时，综合抗剪强度在处于较大值，增加了30%~60%。
b随着含水率的逐渐加大，抗拉强度也随之加大，当含水率达到16％时，抗拉强度取得极大值。
c煤体抗压强度随着含水率增加而降低，降低幅度可达60%以上。煤体抗压强度的降低可使支承压力前移，有利于缓解煤壁压力。
（6）根据散体介质流理论及近距离煤层特征。8102工作面跟82底板回采，工作面割煤高度为2.6～3.7m；普遍采高为3.5m，过断层控制在2.8m，放煤高度一般为6.11m，工作面采放比为1：1～1：3之间。有利于提高资源回收率，有利于改善工作面环境（降温），有利于安全高效。
（7）通过近距离煤层间夹矸的点荷载与水理性质实验研究及实践证明：结合煤层之间夹矸、正断层下盘为泥岩的可放性好，资源回收率高。试验阶段成功地过落差8米的大断层，是难采煤层开采方法的重大突破。
（8）基本顶厚度15～23米，平均18.5米，岩性为硅、铁质胶结砂岩，属较坚硬顶板。基本顶来压前只采不放，该面根据矿压监测基本顶初次来压步距43m前没有放顶煤，之后正常放顶煤；周期来压期间也正常放顶煤，实现了安全生产。为了提高初次放顶期间的资源回收率，在以后的回采工作面对切眼的上部基本顶提前预裂，确保减小基本顶初次来压步距是可行的。
（9）研制的 ZF6800/19/38型放顶煤液压支架，通过工业试验与矿压监测，能够有效控制了煤壁片帮和端面冒顶，大幅度提高煤层开采效益，取得了安全高效开采。
3、与同类技术比较
目前，我国是世界上唯一应用长壁放顶煤开采技术并实现高产高效的国家，十余年来，我国在综放开采技术及相应研究领域的研究工作始终处于国际领先水平。
目前我国的综放开采技术及相应研究工作主要的发展方向是：（1）在条件适宜的矿井（中硬煤层f＝1～3、煤厚6～10m、煤层倾角≤25°、顶板属中硬以软（Ⅱ级2类以下））向高产高效的方向发展着，工作面年产超过800万t，综放面成为了全国高产高效面的主体；（2）在如高瓦斯突出、易燃厚煤层，顶板软、煤层软、底板软的“三软”厚煤层，顶板坚硬、煤层坚硬的“两硬”厚煤层，大倾角厚煤层（煤层倾角≥25°）等难采厚煤层的综放开采技术也获得了进展。
虽然我国综放开采技术取得了巨大成绩，在复杂难采条件煤层的推广应用方面发展迅速，但是涡北矿81、82属近距离煤层，煤层极软（f<0.5）、地质构造复杂（断层落差2～8m）、基本顶较坚硬、近距离煤层的夹层不稳定、煤层厚且不稳定（分层厚度均在3.5m以上）的条件，安全高效开采问题是一重大技术课题。
本课题的研究成功。首先解决了，我国极软、地质构造复杂、近距离煤层的大采高综合机械化放顶煤开采问题；其次，过断层技术先进，试验工作面过落差2～8米的断层3条，填补了我国综采工作面放顶煤开采过断层的一项空白；第三，研发了适用于极软、地质构造复杂、基本顶较坚硬、近距离煤层的夹层不稳定、煤层厚且不稳定的条件，研制了ZF6800/19/38型“三软”煤层大采高放顶煤液压支架；第四、通过回采工作面矿压监测，得出较坚硬基本顶初次来压步距。通过采取有效技术措施，消除了因较坚硬基本顶大面积垮落，造成采空区瓦斯等有害气体大量涌出的安全隐患。
上述问题的相关研究成果均居于国内领先水平。本课题是一项技术集成的综
合性研究课题，总体水平居于国内领先地位，鉴于我国在放顶煤开采领域的国际领先地位，本课题的研究成果在国内外居于领先水平。
4、实施效果及应用情况
（1）实施效果：本课题在涡北矿8202工作面试验成功，与一次采全高综放开采与分层综采相比，直接开采成本下降了17.18元/t，累计节约成本17.18×1100000=1889.8万元。该项技术在涡北矿的推广应用，大幅度改善了工人作业环境和安全条件，经济、社会效益巨大。
（2）应用情况：
2007年，在淮北涡北矿应用，单个工作面年产原煤110万吨，总产值高达8.6亿元；吨煤成本342元，创直接经济效益50268万元。
2007年，在淮北朱仙庄矿应用，2个工作面年产原煤200万吨，与以往采用的轻放开采相比，直接开采成本下降13.32元/t，节支2664万元。
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