大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，煤层开采现场采取支架工作阻力控制技术和煤壁超前预加固技术保证工作面煤壁稳定性；采取顶板耦合爆破放顶技术解决坚硬顶板条件下工作面开采；采取小仰伪斜角度工作面布置方法保证伪斜角处于控制范围内，采取全时动态工作面矿压监测技术掌握工作面顶板来压规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行预报。本发明的有益之处在于有效改善了大倾角煤矿的片帮和冒顶发生次数。
【专利说明】大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术
【技术领域】
[0001] 本发明属于煤层开采【技术领域】，涉及大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒 顶控制技术。
【背景技术】
[0002] 大倾角煤层是指埋藏倾角为35° -55°的煤层，在我国各大矿区均有赋存。研究 与实践表明，大倾角煤层实现机械化开采以来，煤层厚度达到3. 5m以上的大倾角煤层均采 用长壁综放开采，开采效率低、工艺复杂等问题一直未能得到完善地解决。新疆焦煤集团 下属矿区大部赋存有大倾角煤层，自建矿以来，一直从事大倾角煤层机械化开采实践与攻 关，现2130矿井工作面5#煤层为主焦煤，是我国稀缺煤种，煤层厚度3. 58-9. 77m，平均厚 度5. 77m，属特厚煤层，现在若采用原走向长壁综放开采，势必导致顶煤回收率低、该类稀缺 资源浪费严重等问题。众所周知，一般倾角条件下，煤壁片帮是大采高工作面开采的技术难 题，片帮增加了冒顶的概率，严重威胁安全和影响生产。而大倾角大采高开采条件更为复 杂，煤壁片帮影响因素众多，安全开采难度更大，结合现场试验工作面实际，研究多因素条 件下大倾角煤层大采高工作面煤壁片帮机理，优化开采技术参数，可为防止工作面煤壁片 帮防治提供理论与技术支持，进而实现大倾角大采高工作面安全生产。
[0003] 大倾角煤层长壁大采高开采过程中，工作面煤壁片帮具有如下特点：（1)频次高： 片帮现象频繁，几乎每班开采均有不同程度的片帮发生。（2)范围大：片帮范围大，一般可 影响到工作面长度的1/3。（3)分区域：片帮主要发生在工作面长度方向的中部区域，上部 次之，最后为下部区域。一般煤壁上部煤体首先发生片帮，易形成台阶状煤壁。同时，除具 有与一般倾角煤层片帮相同的特征，大倾角煤层大采高工作面还具有如下新特征：
[0004] (1)蔓延性：片帮具有从工作面下方向工作面上方扩展的特征，即小范围发生片 帮后，会继续向倾斜上方煤体扩散。
[0005] (2)滑冒特征：即当小范围煤壁煤体冒落后，其冒落空间倾斜上方的煤体具有煤 壁外侧和下方冒落空间两个自由面，即有两个方向处于无约束状态，此时，在该范围煤体在 顶板压力、重力沿倾斜向下的分力作用下发生小范围滑移、片冒，随后逐渐扩展，形成从该 范围向上部逐渐延伸的滑冒现象。
【发明内容】
[0006] 本发明提供大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，解决了大倾 角煤层开采过程中的片帮和冒顶的问题。
[0007] 本发明采用的技术方案是煤层开采现场采取支架工作阻力控制技术和煤壁超前 预加固技术保证工作面煤壁稳定性；采取顶板耦合爆破放顶技术解决坚硬顶板条件下工作 面开采；采取小仰伪斜角度工作面布置方法保证伪斜角处于控制范围内，采取全时动态工 作面矿压监测技术掌握工作面顶板来压规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行 预报。
[0008] 本发明的技术特点还在于：支架工作阻力控制技术为：提高支架的实际初撑力和 工作阻力，提高泵站的供液压力，采用初撑力保持阀提高初撑力，使初撑力达到支架工作阻 力的80%，即5200kN ;及时带压移架，使支架顶梁顶住煤壁；在机组割煤移架后，立即打开 护帮板护帮，在机组割煤前，提前于采煤机1-2架再将护帮板收起，使工作面煤壁始终在扩 帮板支撑下；改造支架柔性顶梁结构，将柔性顶梁与固定顶梁刚性固定在一起，减小顶梁对 煤壁的控制距离，防止柔性顶梁低头现象发生；利用推溜杆侧调作用，保证支架对溜子下滑 的控制，以减小俯伪斜角度。顶板耦合爆破放顶技术包括巷道走向切顶和工作面倾向切顶 方案：
[0009] (1)两巷走向切顶方案：
[0010] 回采巷道切顶孔布置：在回风巷和运输巷距煤壁50-100m范围内布置超前单排孔 切顶，其中，回风巷垂直于顶板布置，运输巷炮孔采用与坚直方向夹角20°布置，钻孔间距 300mm，钻孔直径> 38mm，钻孔长度10-15m，爆破孔装药采用间隔装药；
[0011] ⑵工作面倾向切顶方案：
[0012] 在工作面前方每隔100m的位置，分别在回风巷和运输巷向顶板掘进水平巷道，并 在水平巷道向工作面方向顶板布置一排平行顶板的切断孔，孔深45m，孔间距300mm，钻孔 直径> 45_，采用间隔装药。煤壁超前预加固技术包括采面走向孔加固方案和采面倾向钻 孔加固方案：
[0013] (1)采面走向孔加固方案：
[0014] 用电煤钻在采煤面煤壁布孔双排错位注浆孔，孔深8-10m，孔径42mm，孔间距 3. 5m，注浆压力2. 4MPa;走向孔加固工艺：停产及安全防护，煤壁打孔，注浆孔全长PVC插 管，封孔，带压注浆> 8小时保压凝固，安检及复产，每走向推进6m进行1次加固；
[0015] ⑵采面倾向钻孔加固方案：
[0016] 在采煤面的机、风巷用钻机沿煤层倾向布置单排注浆孔和利用的现有瓦斯抽采钻 孔，超前煤壁3-8m采用单孔注浆带压加固方式，要求上、下钻孔均距煤层顶板2-1. 5m、孔间 距4. 0m，孔的长度覆盖工作煤壁易垮落的片帮区，孔口封孔长度大于8m，钻孔孔径彡75mm， 钻孔下PVC管的深度为：仰孔不小于孔深50 %、俯孔不小于孔深80 %，封孔压力彡4. OMPa ; 倾向钻孔加固工艺：安全防护，煤层倾向打孔或利用已有的瓦斯抽放孔，注浆孔PVC插管， 封孔，带压注浆> 8小时保压凝固，工作面倾向单孔加固最小安全煤柱> 3m。小仰伪斜角 度工作面布置方法为降低工作面仰伪斜角度，并严格控制工作面伪斜角度小于3°。全时 动态工作面矿压监测技术为布置智能矿压监测仪，对工作面矿压进行了全方位连续动态监 测，对工作面周期来压进行实时跟踪观测统计，包括来压步距、来压强度、持续周期等参数， 掌握来压规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行预报。
[0017] 本发明的有益之处在于有效改善了大倾角煤矿的片帮和冒顶发生次数。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术两巷切顶 示意图；
[0019] 图2是本发明工作面切顶方案示意图；
[0020] 图3是本发明采空区老顶压裂试验方案示意图；
[0021] 图4是本发明采面走向孔加固试验方案示意图；
[0022] 图5是本发明采面倾向钻孔加固试验方案示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0024] 大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术通过对大倾角煤层大采 高工作面煤壁片帮、冒顶进行深入分析，现场需采取以下主要技术措施：支架工作阻力控制 技术措施，科学合理的支架工作阻力和和严格的支架操控技术是保证工作面煤壁稳定性的 关键：
[0025] (1)提高支架的实际初撑力和工作阻力，尽可能提高泵站的供液压力，采用初撑力 保持阀提高实际初撑力。一般情况下，初撑力应达到支架工作阻力的80%，即5200kN。
[0026] (2)及时带压移架，使支架顶梁顶住煤壁，及时调整工作面的支架下滑导致的歪 倒、陷底、挤架等现象。
[0027] (3)加强支架受损部件排查，及时更换损坏立柱、不合格管路和密封胶圈、失效安 全阀等，保证支架在正常阻力状态下运行。
[0028] (4)提高护帮板的使用率，在机组割煤移架后，立即打开护帮板护帮，在机组割煤 前，提前于采煤机1-2架再将护帮板收起，使工作面煤壁始终在扩帮板支撑下。
[0029] (5)改造支架柔性顶梁结构，将柔性顶梁与固定顶梁刚性固定在一起，减小顶梁对 煤壁的控制距离，防止柔性顶梁低头现象发生。
[0030] (6)充分利用推溜杆侧调作用，保证支架对溜子下滑的控制，以减小俯伪斜角度。
[0031] (7)加强工人支架操作的培训与管理，严格执行支架每个操控细节，严禁违反操作 工序操控支架（如：护帮板插入煤壁等），保证每个工序高质量完成。
[0032] 顶板耦合爆破放顶技术优化：
[0033] 顶板预爆破弱化是解决坚硬顶板条件下工作面开采的关键技术问题，因地制宜地 对炮孔布置参数进行动态优化才可保证良好的放顶效果，也可有效地防止工作面部分区域 阻力过高导致的煤壁片帮。及时准确的观测工作面顶板分层、厚度变化、裂隙分布、倾角变 化情况，有针对性的调整回风巷、运输巷循环放顶炮孔的布置角度、装药量及装药分段数等 参数，保证不同炮孔之间耦合效果达到最优。同时，根据现场实际情况，在原有放顶方案基 础上，增加巷道走向切顶和工作面倾向切顶方案：
[0034] (1)两巷走向切顶方案
[0035] 回采巷道切顶孔布置：针对工作面顶板弱化效果不好，增加切顶方法对顶板进 行弱化，即在回风巷和运输巷距煤壁50-100m范围内布置超前单排孔切顶，其中：回风巷 垂直于顶板布置，运输巷炮孔采用与坚直方向夹角20°布置，钻孔间距300mm，钻孔直径 > 38mm，钻孔长度10-15m，爆破孔装药采用间隔装药，如图1所示。
[0036] (2)工作面倾向切顶方案
[0037] 在工作面前方每隔100m的位置，分别在回风巷和运输巷向顶板掘进水平巷道，并 在水平巷道向工作面方向顶板布置一排平行顶板的切断孔，孔深45m左右，孔间距300mm， 钻孔直径> 45mm，采用间隔装药，如图2所示。
[0038] (3)采空区老顶压裂试验方案
[0039] 为了检验采空区上方老顶破坏与否，在回风巷距煤壁10-15m顶板处，向采空区布 置一个俯孔，长度40m，保证封孔长度超过支架后方，封孔长度> 20m，钻孔直径> 75mm，如 图3所示。
[0040] 煤壁超前预加固技术：
[0041] 煤体节理裂隙发育，因而对煤壁进行加固是保证煤壁稳定性的有效手段，采用廉 价、实用的加固方法和材料，在工作面上、下端头超前钻孔或充分利用报废的瓦斯抽放孔对 煤壁进行超前加固，既不影响工作面正常推进，又起到了控制煤壁的作用。当工作面遇到断 层等异常带或煤体很破碎时，可采用注浆加固的方法直接对煤壁加固，以提高煤壁的强度， 防止片帮、冒顶。
[0042] (1)采面走向孔加固试验方案：
[0043] 用电煤钻在采煤面煤壁布孔双排错位注浆孔，孔深8-10m，孔径Φ42πιπι，孔间距 3. 5m(可根据实际情况调节），注浆压力2. 4MPa，布孔方式如图4所示。走向加固工艺：停 产及安全防护--煤壁打孔--注浆孔全长PVC插管--封孔--带压注浆--彡8小时 保压凝固--安检及复产，每走向推进6m进行1次加固，安全防护措施由矿另定。
[0044] (2)采面倾向钻孔加固试验方案：
[0045] 在采煤面的机、风巷用钻机沿煤层倾向布置单排注浆孔和利用的现有瓦斯抽采 钻孔，超前煤壁3-8m采用单孔注浆带压加固方式，要求上、下钻孔均距煤层顶板2-1. 5m、 孔间距4. 0m，孔的长度覆盖工作煤壁易垮落的片帮区，孔口封孔长度大于8m，钻孔孔径 Φ彡75mm，钻孔下PVC管的深度为：仰孔不小于孔深50%、俯孔不小于孔深80%，封孔压力 > 4. OMPa，布孔方式如图5所示；倾向加固工艺：安全防护--煤层倾向打孔（或利用已有 的瓦斯抽放孔）--注浆孔PVC插管--封孔--带压注浆--彡8小时保压凝固--安 检，工作面倾向单孔加固最小安全煤柱> 3m，安全防护措施由矿另定。
[0046] 小仰伪斜角度工作面布置：
[0047] (1)降低工作面仰伪斜角度，并严格控制工作面伪斜角度小于3°，降低采面仰伪 斜布置导致煤壁片帮的可能性。
[0048] (2)布置专人对工作面伪斜角度进行实时跟踪观测，保证伪斜角处于控制范围内。
[0049] 全时动态工作面矿压监测技术：
[0050] (1)及时布置智能矿压监测仪，对工作面矿压进行了全方位连续动态监测，结合理 论计算，预测预报工作面顶板来压时间，并在工作面来压期间采取有效措施减少片帮程度， 如加强支架支撑力、确保支架稳定性及加强管理等。
[0051] (2)指定专人对工作面周期来压进行实时跟踪观测统计，包括来压步距、来压强 度、持续周期等参数，以便掌握来压规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行预 报。
[0052] 其他控制措施：
[0053] 除以上列举的措施可以防止片帮发生，在保证安全的前提下，也可采用适当提高 工作面推进速度（大于3m/d)、适时降低工作面采高（3. 5m左右）来降低片帮冒顶的概率。
[0054] 实施效果：
[0055] 2013年6月至2013年11月，根据本发明大倾角煤层大采高综采煤壁片帮控制技 术，进行了片帮治理现场试验，效果表明：
[0056] (1)有效地解决了大倾角大采高工作面安全开采的核心技术，工作面中上部区域 煤壁片帮明显改善，频次明显减小，每班最多2-3次片帮，未发生较大片帮，保证了工作面 正常推进；
[0057] (2)由片帮引起的瓦斯超限是煤壁片帮的衍生灾害之一，综合控制技术实施后，有 效地控制了因煤壁片帮导致的瓦斯超限，减少了工作面瓦斯超限次数；
[0058] (3)煤壁片帮联合控制措施同时降低了煤壁片帮冒顶后的修复成本，改善了工人 作业环境，也保证了工作面的安全。
[0059] (4)煤壁片帮联合控制技术有效地保证了工作面支架和及其他装备良好的运行情 况，降低了工作面伪仰斜角度，改善了顶板预爆破弱化效果，完备了工作面矿山压力监测手 段，使工作面处于良性循环状态。
【权利要求】
1. 大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，其特征在于：煤层开采现 场采取支架工作阻力控制技术和煤壁超前预加固技术保证工作面煤壁稳定性；采取顶板耦 合爆破放顶技术解决坚硬顶板条件下工作面开采；采取小仰伪斜角度工作面布置方法保证 伪斜角处于控制范围内；采取全时动态工作面矿压监测技术掌握工作面顶板来压规律，保 证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行预报。
2. 按照权利要求1所述大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，其特 征在于：所述支架工作阻力控制技术为：提高支架的实际初撑力和工作阻力，提高泵站的 供液压力，采用初撑力保持阀提高初撑力，使初撑力达到支架工作阻力的80%，即5200kN ; 及时带压移架，使支架顶梁顶住煤壁；在机组割煤移架后，立即打开护帮板护帮，在机组割 煤前，提前于采煤机1-2架再将护帮板收起，使工作面煤壁始终在扩帮板支撑下；改造支架 柔性顶梁结构，将柔性顶梁与固定顶梁刚性固定在一起，减小顶梁对煤壁的控制距离，防止 柔性顶梁低头现象发生；利用推溜杆侧调作用，保证支架对溜子下滑的控制，以减小俯伪斜 角度。
3. 按照权利要求1所述大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，其特 征在于：所述顶板耦合爆破放顶技术包括巷道走向切顶和工作面倾向切顶方案 ： (1) 两巷走向切顶方案：回采巷道切顶孔布置：在回风巷和运输巷距煤壁50-100m范 围内布置超前单排孔切顶，其中，回风巷垂直于顶板布置，运输巷炮孔采用与坚直方向夹角 20°布置，钻孔间距300mm，钻孔直径> 38mm，钻孔长度10-15m，爆破孔装药采用间隔装药； (2) 工作面倾向切顶方案：在工作面前方每隔100m的位置，分别在回风巷和运输巷 向顶板掘进水平巷道，并在水平巷道向工作面方向顶板布置一排平行顶板的切断孔，孔深 45m，孔间距300mm，钻孔直径彡45mm，米用间隔装药。
4. 按照权利要求1所述大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，其特 征在于：所述煤壁超前预加固技术包括采面走向孔加固方案和采面倾向钻孔加固方案 ： (1) 采面走向孔加固方案：用电煤钻在采煤面煤壁布孔双排错位注浆孔，孔深8-10m， 孔径42mm，孔间距3. 5m，注浆压力2. 4MPa ;走向孔加固工艺：停产及安全防护，煤壁打孔，注 浆孔全长PVC插管，封孔，带压注浆> 8小时保压凝固，安检及复产，每走向推进6m进行1 次加固； (2) 采面倾向钻孔加固方案：在采煤面的机、风巷用钻机沿煤层倾向布置单排注浆孔 和利用的现有瓦斯抽采钻孔，超前煤壁3-8m采用单孔注浆带压加固方式，要求上、下钻孔 均距煤层顶板2-1. 5m、孔间距4. 0m，孔的长度覆盖工作煤壁易垮落的片帮区，孔口封孔长 度大于8m，钻孔孔径> 75mm，钻孔下PVC管的深度为：仰孔不小于孔深50%、俯孔不小于孔 深80%，封孔压力> 4. OMPa ;倾向钻孔加固工艺：安全防护，煤层倾向打孔或利用已有的瓦 斯抽放孔，注浆孔PVC插管，封孔，带压注浆> 8小时保压凝固，工作面倾向单孔加固最小安 全煤柱彡3m。
5. 按照权利要求1所述大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，其特 征在于：所述小仰伪斜角度工作面布置方法为降低工作面仰伪斜角度，并严格控制工作面 伪斜角度小于3°。
6. 按照权利要求1所述大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术，其 特征在于：所述全时动态工作面矿压监测技术为布置智能矿压监测仪，对工作面矿压进行 了全方位连续动态监测，对工作面周期来压进行实时跟踪观测统计，包括来压步距、来压强 度、持续周期等参数，掌握来压规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行预报。
【文档编号】E21D23/12GK104088638SQ201410289650
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】伍永平, 李方立, 解盘石, 黄国春, 贠东风, 陈建杰, 王红伟, 尤国俊 申请人:西安科技大学