一种大倾角厚煤层组合式放顶煤开采方法

本发明属于大倾角厚煤层开采技术领域，涉及一种大倾角厚煤层组合式放顶煤开采方法。

背景技术：

大倾角煤层一般是指倾角为35°～55°的煤层，储量约占我国煤炭总量的15％～20％，为业界公认的难采煤层。大倾角厚煤层可采用综合机械化放顶煤技术进行开采。而大倾角煤层开采不同于其他煤层开采，由于垮落顶板(煤)向采空区下部区域滑移的特点，常用的放顶煤开采技术在大倾角厚煤层实际应用中，顶煤通过支架回收后造成工作面上部支架顶煤镂空，支架所受载荷变小，支架倾倒下滑及架间挤、咬现象加剧，造成“支架-围岩”稳定性控制难度增大，易造成安全事故；顶煤通过放煤口放出时，可能存在大块煤堵口问题，影响生产效率；传统放顶煤通过放煤口放煤过程中存在作业环境差、安全事故高的问题，严重限制了大倾角厚煤层的开采。

目前，大倾角厚煤层放顶煤开采主要从设备选型和放煤工艺两方面来实现安全、高效开采，但效果并不明显，在实际生产过程中依然存在着设备稳定性差、顶板管理难度大、煤炭回采率低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服目前大倾角厚煤层综放开采过程中支架稳定性差和煤炭回采率低的问题，提供一种设备稳定性好、煤炭回采率高、安全性高的大倾角厚煤层组合式放顶煤开采方法，实现大倾角厚煤层安全高效综放开采。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种大倾角厚煤层组合式放顶煤开采方法，包括：

步骤1，沿大倾角厚煤层工作面布设若干个液压支架，液压支架底座后端连接后刮板输送机；

步骤2，在后刮板输送机上部按照设定间距架设螺旋钻机；

步骤3，螺旋钻机钻杆伸入采空区，工作面采煤机割煤，液压支架前移；

步骤4，根据大倾角厚煤层工作面倾斜方向顶煤介态转化界面位置，分区域放煤，将支架后端顶煤回收，再经后刮板输送机将煤运出；

步骤5，一个循环完成后，螺旋钻机随着工作面不断前移；

步骤6，重复步骤1-5，连续开采，直至开采区开采完毕。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，步骤1中，后刮板输送机铺设在采空区底板上，通过液压千斤顶连接在液压支架底座后端，后刮板输送机与液压支架形成整体移动形式。

优选的，步骤2中，螺旋钻机按照每隔3-5架液压支架的距离，架设在后刮板输送机上，螺旋钻机设备与后刮板输送机形成整体，随后刮板输送机前移。

优选的，进一步在液压支架尾梁后方3～5米距离的钻杆上安装钻杆保护箱体。

优选的，步骤4中，顶煤介态转化界面位置，即工作面顶煤由连续介质状态转变为非连续介质状态界面位置，确定顶煤介态转化界面位置距工作面煤壁的距离。

优选的，步骤4中，分区域回收支架后方冒落顶煤，即螺旋钻机回收支架后方冒落顶煤时应中上部少回收，中部足量回收，下部尽可能回收，圆弧段禁止回收。

优选的，所述液压支架为底座连接掩护梁和顶梁构成，底座与顶梁之间设有2或4根千斤顶，掩护梁为带有倾斜支撑的全密闭式结构。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1)该方法改变了传统支架上部顶煤通过支架放煤口放煤的方式，采用组合式放顶煤开采技术通过在支架底座后端安装螺旋钻机，顶煤冒落后不再通过支架顶梁或尾梁放煤口放煤，而是通过支架后端的螺旋钻机将支架后方的冒落顶煤回收，可以使支架顶梁受载均匀，进而提高大倾角厚煤层放顶煤开采支架-围岩系统稳定性。利用安装在液压支架后端螺旋钻机的有利于顶板管理，可以提高大倾角厚煤层支架稳定性和煤炭回采率。

2)安装在支架后端的螺旋钻机可以对支架后方冒落的大块顶煤进行破碎，不会出现传统放顶煤放煤过程中大块煤堵口的问题，有利于将煤炭回采出来，可以提高生产效率。

3)采用分区域回收支架后方冒落顶煤，控制在螺旋钻机回收支架后方冒落顶煤过程中减小对顶煤破碎的顶煤介态转化界面靠近采空区“高危区域”的扰动，螺旋钻机回收支架后方冒落顶煤时满足中上部少回收、中部足量回收、下部尽可能回收和圆弧段禁止回收原则，能够避免碎裂的顶煤块体发生大尺度、非线性、不可控的滑移运动。

4)并且放煤区域远离工作面，可以减少传统放煤口放煤时粉尘大的问题，明显减低煤尘，改善工作面作业环境和提高开采安全性，提高煤炭回采率。

5)该方法可以解决大倾角厚煤层综放开采过程中顶煤通过支架回收后，支架上方顶板支护条件差、支架稳定性变差和煤炭回采率低的问题，以及有效解决传统放顶煤因放煤后支架载荷变小，造成支架倾倒下滑及架间挤、咬现象加剧的问题，可以有效提高支架-围岩系统的稳定性，降低事故率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明大倾角厚煤层组合式放顶煤开采方法平面示意图；

图2为图1的a-a剖面图；

图3为大倾角工作面倾斜方向顶煤介态转化界面展布形态图；

图4为顶煤由非连续介质转变为连续介质转化界面位置关系图；

图5为工作面顶煤回收分区域控制图。

图中：1、钻杆；2、后刮板输送机；3、螺旋钻机；4、液压千斤顶；5、保护箱体；6、液压支架底座；7、液压支架；8、支架后方冒落顶煤；9、工作面煤壁；10、顶煤介态转化界面；11、工作面端面破碎顶煤；12、圆弧段。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供的大倾角厚煤层组合式放顶煤开采方法，包括以下步骤:

步骤1：工作面开采系统布置。如图1所示，沿大倾角厚煤层工作面按照一定间距布设若干个液压支架7，在液压支架底座6后端通过液压千斤顶4铺设后刮板输送机2，后刮板输送机2铺设在采空区底板上，后刮板输送机2与液压支架7形成整体移动形式；

步骤2，沿大倾角工作面倾斜方向，如图2所示，在后刮板输送机2上按照每隔3-5架液压支架的距离，架设螺旋钻机3，螺旋钻机3与后刮板输送机形成整体，随后刮板输送机前移。

步骤2，螺旋钻杆1伸入采空区，在液压支架尾梁后方3～5米距离的钻杆上安装一个钻杆保护箱体5。

步骤4，工作面采煤机割煤，螺旋钻杆1伸入采空区支架后方冒落顶煤8中，可以根据需要接长钻杆1长度，通过钻杆1螺旋转动将支架后方冒落顶煤8回收；液压支架7前移。

步骤5，根据大倾角厚煤层工作面倾斜方向顶煤介态转化界面位置，分区域放煤，将支架后端顶煤回收；

如图3、图4所示，顶煤介态转化界面沿工作面倾斜方向呈“非对称三角拱”形的展布形态，造成倾斜方向不同位置工作面端面顶煤的碎裂程度具有显著的区化特征，工作面倾斜中上部顶煤碎裂程度最高、上部及中部次之、下部最小。

在顶煤介态转化界面靠近采空区一侧，顶煤进入非连续介质状态，碎裂的块体仅依靠外部约束保持原位镶嵌状态，一旦外部约束条件改变或消失顶煤块体间的原位镶嵌状态将立即发生破坏，碎裂的顶煤块体将发生大尺度、非线性、不可控的滑移运动。而在顶煤松软破碎的情况下，过多的回收支架后方冒落顶煤易诱发支架顶梁前端的破碎顶煤向尾梁方向流出，造成支架失稳，因此，在螺旋钻机回收支架后方冒落顶煤过程中应减小对顶煤破碎的“高危区域”的扰动。基于顶煤介态转化界面控制影响下的支架稳定性区化分布特征，大倾角松软煤层综放工作面在进行回收支架后方冒落顶煤作业时，回收顶煤工序应遵循“自上而下”的原则，不同区域的回收煤量应遵循中上部少回收，中部足量回收，下部尽可能回收，圆弧段禁止回收的原则。

顶煤介态转化界面10位置，即工作面顶煤由连续介质状态转变为非连续介质状态界面位置，工作面煤壁9在液压支架7前方，在工作面倾斜方向，顶煤介态转化界面10与距工作面煤壁9的距离l2为：

式中，e为煤体的弹性模量；a为顶煤宏观等效损伤变量的相关常数；u顶煤宏观等效损伤变量的相关系数；σc为煤体的单轴抗压强度；s为煤岩体经验常数；ε为煤体破坏时的极限应变。

如图5所示，分区域回收液压支架7的支架后方冒落顶煤8，即螺旋钻机回收支架后方冒落顶煤8时应按照中上部少回收、中部足量回收、下部尽可能回收，以及圆弧段禁止回收的原则，再经后刮板输送机将煤运出。其中，圆弧段12在下部区域与运输巷之间。

进一步，在钻杆1前端部分安装保护箱体5，钻杆1后端部分回收冒落顶煤8，保护箱体5用于保持支架7上部工作面端面破碎顶煤11稳定，用于提高支架-围岩稳定性。

采用本发明组合式放顶煤开采方法，解决了大倾角厚煤层工作面开采过程中支架倾倒下滑及架间挤、咬现象，实现支架-围岩稳定性，避免了安全事故，煤炭回采率高。本发明是一种针对大倾角厚煤层的组合式放顶煤开采的效果良好的方法。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。