急倾斜大采高综采成套技术与研究

1、急倾斜大采高综采成套技术研究与应用研究报告 急倾斜大采高综采成套技术研究与应用研究报告内蒙古福城矿业有限公司北 京 科 技 大 学2011年12月目 录 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc3179529891 绪论 PAGEREF _Toc317952989 h 1HYPERLINK l _Toc3179529901.1 急倾斜厚煤层综采的必要性 PAGEREF _Toc317952990 h 1HYPERLINK l _Toc3179529911.2 急倾斜煤层开采现状 PAGEREF _Toc317952991 h 2HYPERLINK l _Toc31795

2、29921.2.1 国外急倾斜煤层开采现状 PAGEREF _Toc317952992 h 3HYPERLINK l _Toc3179529931.2.2 国内急倾斜煤层开采现状 PAGEREF _Toc317952993 h 4HYPERLINK l _Toc3179529942 地质与开采条件的特点与工作面设计研究 PAGEREF _Toc317952994 h 7HYPERLINK l _Toc3179529952.1 地质条件分析 PAGEREF _Toc317952995 h 7HYPERLINK l _Toc3179529962.1.1 煤层赋存条件 PAGEREF _Toc317

3、952996 h 8HYPERLINK l _Toc3179529972.1.2 水文地质 PAGEREF _Toc317952997 h 11HYPERLINK l _Toc3179529982.1.3 主要地质构造分析 PAGEREF _Toc317952998 h 11HYPERLINK l _Toc3179529992.1.4 顶底板结构及上覆岩石岩性分析 PAGEREF _Toc317952999 h 13HYPERLINK l _Toc3179530002.1.5 煤层的物化指标 PAGEREF _Toc317953000 h 14HYPERLINK l _Toc317953001

4、2.2 开采煤层条件分析 PAGEREF _Toc317953001 h 14HYPERLINK l _Toc3179530022.3 工作面设计 PAGEREF _Toc317953002 h 14HYPERLINK l _Toc3179530032.3.1 工作面设计、工作面巷道布置概况 PAGEREF _Toc317953003 h 14HYPERLINK l _Toc3179530042.3.2 工作面参数确定 PAGEREF _Toc317953004 h 17HYPERLINK l _Toc3179530053 急倾斜大采高工作面岩层运动与矿山压力规律研究 PAGEREF _Toc

5、317953005 h 19HYPERLINK l _Toc3179530063.1 急倾斜煤层开采岩层运动与矿山压力的一般规律 PAGEREF _Toc317953006 h 19HYPERLINK l _Toc3179530073.1.1 急倾斜煤层开采岩层断裂高度与分布形态 PAGEREF _Toc317953007 h 19HYPERLINK l _Toc3179530083.1.2 大倾角煤层采场矿压显现特点 PAGEREF _Toc317953008 h 21HYPERLINK l _Toc3179530093.2 福成煤矿大倾角大采高工作面岩层运动规律研究 PAGEREF _To

6、c317953009 h 21HYPERLINK l _Toc3179530103.2.1 福成煤矿大倾角大采高工作面覆岩赋存特征 PAGEREF _Toc317953010 h 21HYPERLINK l _Toc3179530113.2.2 福成煤矿大倾角大采高工作面直接顶运动规律 PAGEREF _Toc317953011 h 23HYPERLINK l _Toc3179530123.2.3 福成煤矿大倾角大采高工作面老顶运动规律 PAGEREF _Toc317953012 h 24HYPERLINK l _Toc3179530133.3 福城煤矿急倾斜煤层开采顶板运动结构分析 PAGE

7、REF _Toc317953013 h 25HYPERLINK l _Toc3179530143.3.1 直接顶岩层运动结构模型 PAGEREF _Toc317953014 h 25HYPERLINK l _Toc3179530153.3.2 上覆岩层运动结构模型 PAGEREF _Toc317953015 h 27HYPERLINK l _Toc3179530163.4 急倾斜大采高工作面岩层的空间结构及应力场分布 PAGEREF _Toc317953016 h 28HYPERLINK l _Toc3179530173.4.1 沿走向分析 PAGEREF _Toc317953017 h 29

8、HYPERLINK l _Toc3179530183.4.2 沿倾向分析 PAGEREF _Toc317953018 h 30HYPERLINK l _Toc3179530194 底板运动模型研究 PAGEREF _Toc317953019 h 35HYPERLINK l _Toc3179530204.1 底板运动形式 PAGEREF _Toc317953020 h 35HYPERLINK l _Toc3179530214.2 影响因素分析 PAGEREF _Toc317953021 h 36HYPERLINK l _Toc3179530224.3 底板滑移模型研究 PAGEREF _Toc3

9、17953022 h 37HYPERLINK l _Toc3179530235 急倾斜大采高工作面支架选型与防倒防滑研究 PAGEREF _Toc317953023 h 41HYPERLINK l _Toc3179530245.1 工作面综采支架选型 PAGEREF _Toc317953024 h 41HYPERLINK l _Toc3179530255.1.1 工程类比和经验估算法 PAGEREF _Toc317953025 h 41HYPERLINK l _Toc3179530265.1.2 传递岩梁理论计算法 PAGEREF _Toc317953026 h 44HYPERLINK l _

10、Toc3179530275.2 急倾斜工作面支架防倒滑研究 PAGEREF _Toc317953027 h 50HYPERLINK l _Toc3179530285.2.1 急倾斜工作面综采支架受力分析 PAGEREF _Toc317953028 h 51HYPERLINK l _Toc3179530295.2.2 1901S工作面支架受力分析 PAGEREF _Toc317953029 h 53HYPERLINK l _Toc3179530305.3 1901S工作面支架防倒防滑技术研究 PAGEREF _Toc317953030 h 57HYPERLINK l _Toc3179530315

11、.3.1 支架防滑防倒结构设计 PAGEREF _Toc317953031 h 57HYPERLINK l _Toc3179530325.3.2 支架防滑防倒措施 PAGEREF _Toc317953032 h 57HYPERLINK l _Toc3179530336 急倾斜大采高工作面“三机”配套研究 PAGEREF _Toc317953033 h 60HYPERLINK l _Toc3179530346.1 急倾斜煤层开采的主要特点 PAGEREF _Toc317953034 h 60HYPERLINK l _Toc3179530356.2 三机配套选型研究 PAGEREF _Toc317

12、953035 h 60HYPERLINK l _Toc3179530366.2.1 “三机”的选型原则 PAGEREF _Toc317953036 h 61HYPERLINK l _Toc3179530376.2.2 综采设备的几何尺寸配套 PAGEREF _Toc317953037 h 61HYPERLINK l _Toc3179530386.2.3 综采工作面“三机”横断面配套尺寸关系 PAGEREF _Toc317953038 h 63HYPERLINK l _Toc3179530396.2.4 综采工作面“三机”生产能力配套 PAGEREF _Toc317953039 h 64HYPE

13、RLINK l _Toc3179530406.3 1901s综采工作面“三机”配套选型 PAGEREF _Toc317953040 h 65HYPERLINK l _Toc3179530416.3.1 1901s工作面地质概况 PAGEREF _Toc317953041 h 65HYPERLINK l _Toc3179530426.3.1.1 工作面位置及范围 PAGEREF _Toc317953042 h 65HYPERLINK l _Toc3179530436.3.1.2 煤层及顶底板特征 PAGEREF _Toc317953043 h 66HYPERLINK l _Toc31795304

14、46.3.1.3 水文地质条件 PAGEREF _Toc317953044 h 66HYPERLINK l _Toc3179530456.3.1.4 影响回采的其他开采技术条件 PAGEREF _Toc317953045 h 66HYPERLINK l _Toc3179530466.3.2 采煤方法 PAGEREF _Toc317953046 h 67HYPERLINK l _Toc3179530476.3.3 工作面设备配置 PAGEREF _Toc317953047 h 68HYPERLINK l _Toc3179530486.4 结论 PAGEREF _Toc317953048 h 73

15、HYPERLINK l _Toc3179530497 急倾斜大采高综采工作面开采工艺研究 PAGEREF _Toc317953049 h 74HYPERLINK l _Toc3179530507.1 概况 PAGEREF _Toc317953050 h 74HYPERLINK l _Toc3179530517.1.1 地质概况 PAGEREF _Toc317953051 h 74HYPERLINK l _Toc3179530527.1.2 工作面设计、工作面巷道布置概况 PAGEREF _Toc317953052 h 75HYPERLINK l _Toc3179530537.1.3 工作面回风

16、巷运输巷切眼 PAGEREF _Toc317953053 h 76HYPERLINK l _Toc3179530547.2 综采工作面设计 PAGEREF _Toc317953054 h 77HYPERLINK l _Toc3179530557.3 回采工艺确定 PAGEREF _Toc317953055 h 78HYPERLINK l _Toc3179530567.3.1 采煤方法 PAGEREF _Toc317953056 h 78HYPERLINK l _Toc3179530577.3.2 采煤工艺 PAGEREF _Toc317953057 h 78HYPERLINK l _Toc31

17、79530587.3.3 割煤方式 PAGEREF _Toc317953058 h 79HYPERLINK l _Toc3179530597.3.4 移架方式 PAGEREF _Toc317953059 h 79HYPERLINK l _Toc3179530607.3.5 移溜方式 PAGEREF _Toc317953060 h 80HYPERLINK l _Toc3179530617.3.6 工作面移机头、机尾措施 PAGEREF _Toc317953061 h 80HYPERLINK l _Toc3179530627.3.7 采煤机进刀方式 PAGEREF _Toc317953062 h

18、81HYPERLINK l _Toc3179530637.3.8 工作面开采方案 PAGEREF _Toc317953063 h 84HYPERLINK l _Toc3179530647.3.9 劳动组织与生产技术 PAGEREF _Toc317953064 h 85HYPERLINK l _Toc3179530657.3.10 工作面正规循环生产能力 PAGEREF _Toc317953065 h 87HYPERLINK l _Toc3179530667.3.11 工作面设备配置 PAGEREF _Toc317953066 h 88HYPERLINK l _Toc3179530677.4 工

19、作面顶板管理 PAGEREF _Toc317953067 h 91HYPERLINK l _Toc3179530687.4.1 顶板管理方式 PAGEREF _Toc317953068 h 91HYPERLINK l _Toc3179530697.4.2 工作面支护方式 PAGEREF _Toc317953069 h 91HYPERLINK l _Toc3179530707.4.3 特殊时期的顶板管理 PAGEREF _Toc317953070 h 92HYPERLINK l _Toc3179530717.5 创新点 PAGEREF _Toc317953071 h 93HYPERLINK l

20、_Toc3179530728 1901S工作面顺槽沿空留巷开采方案探讨 PAGEREF _Toc317953072 h 94HYPERLINK l _Toc3179530738.1 1901S工作面概况 PAGEREF _Toc317953073 h 95HYPERLINK l _Toc3179530748.2 1901S工作面沿空留巷可行性研究 PAGEREF _Toc317953074 h 98HYPERLINK l _Toc3179530758.3 1901S工作面沿空留巷设计 PAGEREF _Toc317953075 h 99HYPERLINK l _Toc3179530769 急倾

21、斜大采高综采工作面安全保障技术研究 PAGEREF _Toc317953076 h 101HYPERLINK l _Toc3179530779.1 顶板管理研究 PAGEREF _Toc317953077 h 101HYPERLINK l _Toc3179530789.1.1 急倾斜大采高顶板可能产生问题 PAGEREF _Toc317953078 h 101HYPERLINK l _Toc3179530799.1.2 顶板管理采取的措施 PAGEREF _Toc317953079 h 102HYPERLINK l _Toc3179530809.2 工作面过断层的安全技术研究 PAGEREF

22、_Toc317953080 h 105HYPERLINK l _Toc3179530819.3 设备的下滑研究 PAGEREF _Toc317953081 h 107HYPERLINK l _Toc3179530829.3.1 运输机的防滑措施 PAGEREF _Toc317953082 h 107HYPERLINK l _Toc3179530839.3.2 支架防倒、滑及安装 PAGEREF _Toc317953083 h 108HYPERLINK l _Toc3179530849.3.2.1 支架防倒 PAGEREF _Toc317953084 h 108HYPERLINK l _Toc3

23、179530859.3.2.2 支架防滑 PAGEREF _Toc317953085 h 109HYPERLINK l _Toc3179530869.3.2.3 预防压架安全措施 PAGEREF _Toc317953086 h 109HYPERLINK l _Toc3179530879.3.2.4 回风巷支架组装 PAGEREF _Toc317953087 h 110HYPERLINK l _Toc3179530889.3.3 煤机防滑研究 PAGEREF _Toc317953088 h 111HYPERLINK l _Toc3179530899.4 通防管理研究 PAGEREF _Toc31

24、7953089 h 112HYPERLINK l _Toc3179530909.5 管理制度研究 PAGEREF _Toc317953090 h 113HYPERLINK l _Toc3179530929.6 安全管理创新措施 PAGEREF _Toc317953092 h 114HYPERLINK l _Toc31795309310 工业性试验 PAGEREF _Toc317953093 h 116HYPERLINK l _Toc31795309411 主要结论 PAGEREF _Toc317953094 h 118HYPERLINK l _Toc317953095参考文献 PAGEREF

25、_Toc317953095 h 120上海庙矿区主采煤层厚度达到5米以上，最大倾角达到52度，因此，急倾斜大采高综采成套技术是上海庙矿区亟待解决的难题，本项目直接影响到上海庙矿区的生产和安全。与国内外同类技术相比，本项目具有大倾角、大采高的特点。与国内外已有技术相比，已经成熟的开采技术有：急倾斜特厚煤层水平分层开采技术、急倾斜特厚煤层放顶煤开采技术、急倾斜薄及中厚煤层开采技术等，因此，本项目的特点在于大倾角条件下的大采高机械化开采，技术难点在于岩层控制、成套装备、开采工艺和安全保障等多个方面。本项目具有重要的科学和实用价值，在煤炭行业处于领先的位置。本项目是解决上海庙矿区生产和安全的重点项目，

26、对矿区的可持续发展具有十分重要的意义。本项目以1901S工作面为研究对象，重点在于研究和总结福城煤矿条件下急倾斜大采高综采成套技术和开采经验，为今后相似条件工作面的开采提供科学依据。1 绪论1.1 急倾斜厚煤层综采的必要性在中国能源资源中，煤炭资源最为丰富，占我国一次性能源消费的70%。我国煤炭资源储量大且赋存多样化，据统计，在我国急倾斜煤炭储量占我国煤炭资料储量的17%，年产量占全国煤炭总产量的8%10%。急倾斜煤层在我国分布较广，赋存条件复杂，开采矿井数量多，开采难度大，近年来发生了多起重特大事故。根据开采实践和专家研究，急倾斜煤层是指埋藏倾角大于45的煤层。我国煤炭的赋存条件也千差万别，

27、其中急倾斜的开采越来越受到人们关注，其原因有三个方面：一是在全国重点煤矿区有20处100多个矿井进行急倾斜煤层开采，急倾斜煤炭储量约占全国煤炭储量的17%左右，特别是在我国的西部矿区50%以上矿井开采的是急倾斜煤层，如主要产煤省(区)贵州、四川、重庆、云南、新疆、甘肃、宁夏等，急倾斜煤层是许多矿区或矿井的主采煤层。随着我国西部大开发战略的实施，我国矿产资源开采重点西移，煤炭资源开采已成为西部地区区域经济发展的重要支柱，加强对急倾斜煤层开采技术研究是中西部煤炭开采的重大课题；二是东部矿区赋存条件较好的煤层越来越少，加上多年来高强度的开采，使浅部赋存条件较好煤层的开采也日益枯竭，从而使急倾斜煤层问

28、题迅速进入了人们的视野，引起了人们的高度重视，如山东兖州矿区、河北邢台和开滦矿区、安徽淮南与淮北矿区、江苏徐州矿区等，这些矿区的许多矿井不得不由条件相对优越的煤层开采转向复杂的急倾斜煤层开采，很显然，要保持矿区生产的高产高效和可持续发展，也必须加强对急倾斜煤层开采矿山压力的研究；三是对急倾斜煤层采煤工艺和安全开采研究的不充分，其研究远没有达到缓倾斜煤层开采的水平。在2007年颁布的国家煤矿安全监察局文件关于急倾斜煤层安全开采的指导意见，提出了严格开采急倾斜煤矿的安全准入标准、合理选择采煤方法、采取有效措施，保障矿井安全生产、开采科学研究，提高技术装备水平四点指导意见。因此，关于急倾斜煤层开采方

29、法的研究对我国煤炭工业的发展具有十分重要的作用。1.2 急倾斜煤层开采现状由于急倾斜煤层开采煤层倾角大，与近水平及缓倾斜煤层相比，急倾斜煤层综合机械化开采存在工作条件差、设备易下滑、煤层厚度变化大、断层复杂等问题，急倾斜煤层条件对设备性能影响大，以及投入产出比高，经济效益低，造成急倾斜煤层综合机械化开采技术发展速度相对缓慢。急倾斜煤层与近水平、缓倾斜煤层相比，在赋存条件、开采方法和开采效果等方面均有较大的差异。首先急倾斜煤层开采综合机械化程度低，采煤工作面倾角大，给机械化装备的设计制造和使用带来许多困难；其次工作面单产和效率低，由于急倾斜煤层生产能力低，机械化程度不高，单产一般为近水平和缓倾斜

30、煤层的1/3，甚至更少，效率也较低；再次生产危险性大，同近水平煤层相比，急倾斜煤层冒顶、片帮、飞矸和设备下滑等问题更加突出，如果急倾斜煤层要达到高产高效，势必要加强开采强度，其设备所面临的问题将更加严峻；第四，开采成本高，因单产和效率低，急倾斜煤层开采成本明显高于中厚煤层；第五，由于煤层倾角大，作业条件艰苦，安全条件差，机械化程度低，致使工人劳动强度大，操作困难。目前针对急倾斜煤层主要采用柔性掩护支架采煤法、俯伪斜走向长壁分段密集采煤法、水平分层、斜切分层采煤法、长孔爆破采煤法、放顶煤开采等开采方法。近年来，我国在急倾斜厚煤层开采领域，主要推广综采放顶煤技术，取得了较好的效果，但是，在采高4.

31、5-5.0米、倾角45-55度的矿井，不适合综放开采，且大倾角大采高机械化综采仍存在诸多难题，因此，本项目是在此背景下立项和开展研究的。1.2.1 国外急倾斜煤层开采现状国外对急倾斜煤层长壁综采的研究与试验，主要限于中厚煤层。20世纪70年代末，国外主要产煤国家(原西德、前苏联、英国、法国、波兰等)，曾研制过急倾斜煤层综采设备，使用到3562煤层，因煤层倾角大，工作面设备故障多，工艺复杂，产量和效率较低。这几年的研究进展缓慢或基本停止。而急倾斜厚煤层走向长壁综采以前还鲜见报道。早在20世纪70 年代，前苏联就在大倾角煤层的开采方面进行了一定的研究，研制了应用于大倾角和急倾斜煤层的各类综采支架及

32、采煤机，并在此基础上对大倾角特别是45以上的煤层开采工艺进行了较系统地研究，基本奠定了急倾斜煤层开采的科学技术基础。乌克兰顿涅茨煤矿机械设计院自1986年开始为顿巴斯的龙恩-亚卡矿井和奥尔忠尼基煤管局所属的叶娜基也夫卡娅煤矿设计了大倾角和急倾斜煤层采煤机及其相配套的支护设备并装备54个综采工作面。法国在洛林矿区使用专用的急倾斜采煤机(ANF)和TSA 型迈步支架配合工作面防倒防滑装置及措施开采了1590的煤层。德国将赫姆夏特和曼斯菲尔德或威斯特伐里亚支架进行改装，配合G9-38Ve4.6加高型刨煤机开采了鲁尔矿区威斯特豪尔特(Westerholt)1838的大倾角煤层。英国使用多布逊支架（适应

33、煤层倾角25 45，支架之间有与相邻支架底座互相铰接的弹性伸缩连接件，用于支架的防倒、防滑）和伽里克支撑式支架对35 40的大倾角煤层进行了开采，取得了一定的技术与经济效果。国外虽然进行了大倾角综采的研究，但煤层厚度一般不超过3.5米，因此，其核心技术不能被本项目采用。1.2.2 国内急倾斜煤层开采现状我国急倾斜煤层的矿井目前多集中在西部地区，由于这些地方的区域经济发展相对落后，矿井的开采规模、产量相比较所占比例又较小，从而导致矿井的综合经济效益差，加上急倾斜煤层开采围岩移动和安全技术管理与缓倾斜煤层开采相比具有很大的差异和难度，故开采急倾斜煤层的矿井大多数使用的是传统的非机械化开采方法。自2

34、0世纪80年代开始，我国就一直致力于对大倾角煤层的机械化和综合机械化开采的研究，煤炭科学研究院北京开采所、唐山分院、成都煤科院、西安矿业学院(现西安科技大学)、中国矿业大学以及东北大学等科研院校从急倾斜煤层入手开始这方面的研究，同时引进国外技术与装备，在辽宁沈阳矿务局、新疆艾维尔沟煤矿、北京矿务局、四川攀枝花矿务局、辽宁鹤岗矿务局、安徽淮南矿务局等矿区进行了试验与生产。最近几年具有代表性的有：四川广能集团华蓥山煤业公司绿水洞煤矿使用MG250/620QWD采煤机，SGB730/160( 320)刮板输送机，ZJ360015/36液压支架，ZTJ460013/31上端头支架，ZTHJ114001

35、5/23下端头支架成功开采了厚2.4m，倾角3250的煤层，工作面走向长771m，倾斜长91m。北京昊华能源股份有限公司木城涧煤矿采用MG250/600AWD采煤机，ZJ3600/13/31型急倾斜支撑掩护式液压支架，ZTHJ11400/15.5/24.5型急倾斜横式端头液压支架，SGZ730/2160型刮板输送机顺利开采了平均厚度2.3m，倾角3052的煤层，工作面平均走向长345m，倾向长8193m。四川省煤炭产业集团有限责任公司达竹铁山南煤矿采用ZQY3000/14/32型液压支架、MG250/600-AWD型采煤机和SGZ730/320型刮板输送机等配套设备开采煤厚0.83.5m，倾角

36、最大60的煤层，工作面走向长600多米，倾向长70m左右。河北金牛能源集团有限责任公司葛泉矿使用ZY3200/13/28液压支架，MXG- 150/350D采煤机，SGZ-630/220刮板输送机等配套设备开采煤厚2.71m，倾角3055煤层，工作面走向长900m，倾向长117m左右。神华羊场湾煤矿110206 工作面主采煤层为2#煤层，煤层均厚度为6.3m，倾角1520，走向起伏812；采用MG900/2245GWD电牵引双滚筒采煤机；ZY10000/28/62D二柱双伸缩掩护式中间架，ZYG10000/26/55D二柱双伸缩掩护过渡支架，ZYT10000/26/55D二柱双伸缩掩护端头支架

37、；SGZ1250/2565刮板机甘肃靖远煤业有限责任公司，44208工作面开采二层煤，走向长825m，倾斜长105m。工作面煤层厚度9 16.5m，平均12.4m，呈单斜构造，倾角37 48，平均41，采用急倾斜厚煤层走向长壁综放开采方法。采用MG200/500-QWD 型双滚筒采煤机落煤，采高2.6m，放顶煤高度平均9.8m，采放比1：3.7。工作面前后部各安装1台SGZ730/320 准双边链刮板输送机运煤。ZFQ3600/16/28型低位放顶煤液压支架及配套的ZFG4800/19/30型过渡支架、ZT14400/20/31型下端头支架和ZT9600目前急倾斜厚煤层在国内主要的开采方法还是

38、以放顶煤开采和分层开采居多。急倾斜煤层一次采全厚的基本上都是薄及中厚煤层。急倾斜厚煤层大采高一次采全厚综采与分层综采、放顶煤综采相比，在技术经济上体现出明显的优越性和发展潜力，为降低掘进率、缓和采掘关系、简化生产环节和保证安全生产提供了条件。与此同时，由于其产量大、效率高、减少回采巷道、不铺设假顶和减少工作面搬迁等因素，其综合经济效益明显高于普通综采。上海庙矿区福城矿的九层煤为一结构复杂的急倾斜厚煤层，其中间含有一层砂岩。单一走向长壁式一次采全厚的综采方法在上海庙矿得到应用，在技术经济方面取得了较大成功。实践证明，在大倾角厚煤层的条件下，一次采全高是提高规模经济效益的主要途径，而综采设备生产能

39、力的提高，为扩大矿井规模创造了条件。因此，急倾斜厚煤层大采高综采是一种有发展潜力的采煤工艺。2 地质与开采条件的特点与工作面设计研究2.1 地质条件分析1901S工作面位于+850水平一采区，工作面西起回风巷（+993.9+1026.3m），东至运输巷（+890.4+959.1m），北起+945九层石门，南至工作面切眼。工作面开采范围内南北走向长平均1988m，切眼倾斜长94m，最大倾斜长为210m，倾斜面积328694m2，工作面范围内地表标高+1245.9m本工作面煤层赋存的特点是：工作面上部倾角小、下部倾角大，最大52。图2-12-3是沿倾向三个不同地段的剖面图。图2-1 1901S工作

40、面倾向剖面图图2-2 1901S工作面倾向剖面图 图2-3 1901S工作面倾向剖面图2.1.1 煤层赋存条件本工作面设计开采煤层九层煤为矿井主要可采煤层之一，通过地质资料分析，九层煤为一结构复杂煤层，其中有一层厚0.151.4m的砂岩，煤厚度较稳定，厚度平均5.01m，煤层倾角平均33.7，最大52。煤层密度1.4t/m3。九层煤宏观煤岩类型为半亮型，原煤水分（Mad）均为1.64%，原煤灰分（Ad）平均14.07，浮煤挥发份（Vdaf）平均为40.70%，原煤全硫（St，d）平均为1.14%，煤质牌号为气煤。表2-1 工作面位置及井上下关系表水平名称+850水平采区名称一采区地面标高124

41、5.9m井下标高+890.4+1026.3地面相对位置工业广场东南，所对应地面只有固定的沙丘，无村庄、河流及其他建筑物。回采对地面设施的影响工作面西起回风巷（+993.9+1026.3m），东至运输巷（+890.4+959.1m），北起+945九层石门，南至工作面切眼。工作面对应地面为半固体沙丘，无村庄、建筑物及河流，开采期间对建筑物无影响。井下位置及相邻关系该工作面以北为主井、副井及回风斜井，以西及以南九煤尚未掘进，以东正在掘进，工作面上覆三上、三下、五层未开采。工作面走向长度平均1988m倾斜宽度平均162.5面积328694.5m表2-2 煤层情况表煤层厚度4.65.41m煤层结构复杂煤

42、层倾角14.5-45开采煤层九层硬度中等煤 种气煤稳定程度较稳定煤层情况描述九层煤为矿井主要可采煤层之一，煤岩性类型为半亮型，工业品牌为气煤。九层煤为一结构复杂煤层，煤较稳定，厚4.65.41m，平均厚度5.01m。其中一层砂岩，厚0.151.4m，为主要标志层。煤层倾角平均33.7，最大52。密度1.4t/m3。表2-3 九层煤煤质特征如下表Mad（%）Ad（%）Vdaf（%）Qb.da（MJ/Kg）St.d（%）煤质牌号1.6414.0740.7029.411.14气 煤图2-4工作面煤层综合柱状图2.1.2 水文地质1、根据矿井水文地质规程，当煤层倾角小于54，岩石抗压强度小于19.6M

43、Pa，顶板全部垮落时，导水裂隙带高度（包括冒落带）为式中：M累计采厚，4.8m；n煤分层层数，1；计算得导水裂隙带高度为51.7m；保护层厚度H保=3M/n=14.4m2、冒落带中含水层：9层煤顶板石灰岩为中等含水层，厚度2.05m；9层煤与8层煤之间的砂岩为弱含水层，厚度8.80m；8层煤与7层煤之间的砂岩为强含水层，厚度18.27m，距九层煤22.69m.第三系砾岩，距九层煤69.795.3m。3、隔水层：9层煤顶板石灰岩上方的泥岩为隔水层，厚度7.37m；综上所述9号煤层采动形成的冒落带和裂隙带将沟通9号煤层顶板砂岩、8层煤与7层煤之间的砂岩，工作面开采受砂岩水害威胁。另外该回采工作面开

44、采范围内有一钻孔ZK601，该钻孔水泥浆封堵；工作面中及附近没有老空水害威胁。4、涌水量预计：依据1901N工作面涌水量进行比拟，预计1901S工作面正常涌水量126m3/h；最大涌水量270m3/h。排水设备选型按最大涌水量匹配，在工作面运输巷掘设水仓，清挖水沟，按最大涌水量2.1.3 主要地质构造分析1、矿区地质构造矿区位于苦草凹背斜北段东翼，呈向东倾斜的单斜构造。倾角中段偏大，4050左右，北部较小在2030，南部30左右，岩层在走向及倾向上有波状起伏。矿区有两组三条断层将矿区与相邻矿区分割，一是南部边界DF4正断层，走向北西西向，北北东倾，倾角75，断距在100m左右。由钻孔2101及

45、2102给予控制，此断层为左旋压扭及平推性断层。二是矿区西部的DF3断层及矿区东部的DF6断层，两断层均为二维地震确定之断层，走向近南北，倾向东，倾角65，均为逆断层。DF3在煤层露头外，DF6在本矿区的区外深部，均没有工程点给予控制。2、工作面地质构造断层情况以及对回采的影响根据工作面巷道实际揭露资料，该工作面构造较复杂，开采范围内揭露4条断层，断层情况如表2-4所示：表2-4 断层情况表断层名称走向倾向倾角断层性质断层落差位 置对回采的影响F9-1177WS40正断层6.0m位于1901S运输巷N16导线点以南17.2m处。断层落差较大，影响较大。F9-2153WS63正断层0.7m位于1

46、901S回风巷S26导线点处。影响较小F9-345WS55正断层0.4m位于1901S回风巷S30导线点以南13.4m处 。影响较小F9-4137ES42正断层0.7m位于1901S回风巷S12导线点处。影响较小其它因素对回采的影响工作面中无河流冲刷、陷落柱、火成岩侵入体等其它特殊地质构造。表2-5 影响回采的其它地质情况表瓦斯低瓦斯（工作面瓦斯绝对涌出量预计为0.03m3/minCO2低CO2矿井。煤尘爆炸指数九层煤煤尘具有爆炸性，指数为40.70%。煤的自燃倾向性九层煤自燃发火期69-70天，自燃倾向性属II类自燃煤层。地温危害工作面开采时温度在20左右。冲击地压危害无2.1.4 顶底板结

47、构及上覆岩石岩性分析根据工作面回风巷、运输巷及切眼揭露，工作面开采范围内煤岩层变化较大，煤层顶板为浅灰色石灰岩，块状构造，坚硬，厚2.0m，其上为黑灰色泥岩，泥质胶结，层状构造，厚8.07m；再上为深灰色砂质泥岩，泥质结构，钙质胶结，厚5.48m；再上为灰白色细砂岩，斜层理构造，钙质胶结，厚4.21m；再上为黑灰色泥岩，层状构造，泥质胶结，厚2.22m，再上为8层煤，厚0.8m；再上为黑灰色泥岩，层状构造，泥质胶结，厚3.6m，再上为黄褐色中砂岩，层状构造，钙质胶结，厚5.46m，再上为深灰色粉砂质泥岩，斜层理构造，砂泥质胶结，厚3.53m，再上为7层煤，厚0.36m，7层煤顶板浅灰色灰岩，厚

48、2.40m，再上为浅灰色泥岩，风化后成粘泥状和碎块状，厚8.9m；再上为黄褐色细砂岩，厚3.5m；再上为黄白色泥岩，风化后成粘泥和碎块状，厚6.6m；再上为第三系砾岩，厚6.2m。煤9底板为浅灰色粉砂岩，斜层理结构，钙质胶结，夹有泥质条带，厚3.87m，再下为泥岩，泥质胶结，层状构造，厚05.89m，平均厚3.29m；再下为10号煤，厚0.58m。九层煤与十层煤层间距平均3.87m。九层煤与八层煤层间距平均21.9m。表2-6 煤层顶底板情况 顶底板名称岩石名称厚 度特 征基本顶（老顶）泥岩8.07m黑灰色灰，泥质胶结，层状构造直接顶石灰岩2.0m浅灰色，块状构造，坚硬直接底粉砂岩3.87m浅

49、灰色，砂粒结构，斜层理结构，钙质胶结，夹有泥质条带2.1.5 煤层的物化指标九层煤为矿井主要可采煤层之一，煤岩性类型为半亮型，原煤水分（Mad）均为1.64%，原煤灰分（Ad）平均14.07，浮煤挥发份（Vdaf）平均为40.70%，原煤全硫（St，d）平均为1.14%，工业品牌为气煤。九层煤为一结构复杂煤层，其中有一层厚0.151.4m的砂岩。煤层厚度4.65.41m，平均5.01m；煤层倾角从北到南由14.5逐渐增大到45，平均33.7，煤层密度1.4t/m2.2 开采煤层条件分析9#煤层位于太原组（C2t）上部，为4.008.50米的厚煤层，顶板为一层厚2米左右的生物碎屑灰岩，底板为细、

50、粉砂岩。9#煤层分上、下两层，层间距0.204.55米，一般为0.60米，其岩性多为细、粉砂岩。上层为9上煤层，煤质较好，结构单一，下层为9#煤层，煤质较差，有夹矸23层。在11勘查线附近，9#煤层沉积时为一条东西向古河床，冲刷缺失。9#煤层原煤灰分（Ad）为4.2534.73，平均18.04，原煤硫分（St.d）为1.065.58，平均2.88，原煤磷含量（P）为0.0020.081，平均0.014，属中灰、中硫中高硫、低磷煤。2.3 工作面设计2.3.1 工作面设计、工作面巷道布置概况1、工作面设计该工作面以南为井田边界煤柱，以北为主井、副井及回风斜井，以西及以南九煤尚未掘进，以东正在掘进

51、，工作面上覆三上、三下、五层尚未开采。2、工作面巷道布置回风巷：1901S回风巷开门点位于A1导线点以南20m处，先按真方位182沿九层煤顶板掘进770米，再按真方位192沿九层煤顶板施工1220m停掘。巷道全长全长1990米运输巷：1901S工作面运输巷开门点位于A1导线点以南5米处按真方位182，沿九层煤顶板施工780m，然后按真方位196，施工550米，最后按真方位192，施工600m停掘。巷道全长1930m切眼：1901S工作面切眼开门点位于N28#导线点以南126m处运输巷中，按真方位角276顺九层煤顶板施工。巷道全长94m。图2-5 1901S工作面平面图3、工作面回风巷工作面回风

52、巷工作面回风巷沿煤层顶板布置，采用锚带网支护。局部顶板破碎处采用锚带网+锚索支护。巷道断面形状为矩形；煤层倾角大于25时改断面形状为切圆拱形。净断面9.68m2采用4根182000mm全螺纹钢锚杆配“M”钢带（40001373mm）支护顶板，顶板锚杆间排距为12001200mm。两帮采用181200mm全螺纹钢锚杆（上帮2根，间排距为12001200mm；下帮1根）配“W”托盘及塑钢复合网支护，塑钢复合网规格为50巷道内敷设108的防尘管路一趟，供工作面采煤机和液压支架喷雾用水，敷设108的风管一趟，敷设一趟108管路为巷道排水用。巷道主要用于工作面的回风、运输、行人等。工作面运输巷工作面运输

53、巷沿煤层顶板布置，采用锚带网或锚带网支护。巷道断面形状为切圆拱形或矩形，净断面11.2m2巷道断面形状为矩形时采用3根181200mm全螺纹钢锚杆配M钢带（36001373mm）支护顶板，顶板锚杆间排距为15001200mm。上帮采用2根182000mm全螺纹钢锚杆配塑钢网及W钢托盘（300200mm）护帮，锚杆间排距为14001200mm；下帮采用18200巷道断面形状为切圆拱形时采用4根181200mm全螺纹钢锚杆配M钢带（40001373mm）支护顶板，顶板锚杆间排距为12001000mm。上帮采用2根182000mm全螺纹钢锚杆配塑钢网及W钢托盘（300200mm）护帮，锚杆间排距为1

54、2001200mm；下帮采用1根18200巷道内敷设108的防尘管路一趟，供工作面运输机、转载机机头喷雾用水；敷设108的风管一趟供风动工具。敷设159的二趟管路为工作面排水管路。巷道主要用于工作面的进风、运输、行人等。巷道内布置有转载机、胶带输送机、单轨吊等设备。工作面切眼工作面切眼切眼开门点位于N28导线点以南约128m处，按真方位276沿煤层顶板布置施工，全长94米。切眼为矩形断面，切眼扩帮后断面积15.4m2该切眼自1901N运输巷J29导线点以北23m处，沿煤层顶板按真方位246布置，全长为147m。巷道断面形状为矩形，正常为：中净高净宽=2.96.8=19.7m2，采用锚带+双排单

55、体支柱支护（排距3.5m、柱距2.5m），顶板锚杆间排距为12001200mm，南帮采用181200mm全螺纹钢锚杆配“2.3.2 工作面参数确定1、工作面采高工作面采高必须和煤层厚度、煤层赋存条件、地质条件、采煤设备以及采煤工艺相适应。根据本矿井煤层赋存条件和以确定的采煤工艺，工作面采高受煤层厚度影响，工作面正常采高4.85m计算，每刀进度2、工作面倾斜长度工作面长度与地质因素、机械设备能力、顶板管理等技术因素关系密切，直接影响生产效益，加大工作面长度，不仅可以减少工作面的准备工程量，提高回采率，而且还相对减少了端头进刀等辅助作业时间，保证工作面高产高效，还可以减少倒面搬家次数，为保证工作面

56、连续稳产、高产，为实现高产高效矿井创造条件。但对急倾斜煤层开采而言，工作面过长，影响工作面推进速度，容易造成顶板管理困难，给矿井造成安全隐患。根据国内外现代化矿井经验、设备能力、采煤工艺以及本矿井设计生产能力，大倾角综采工作面倾斜长度可以达到150-250米，1901S工作面倾斜长度为162.5米，最大2103、工作面推进长度近年来，为了减少工作面搬移次数，充分发挥设备的生产能力，工作面推进长度不断加大。椐资料统计，我国神东矿区大柳塔矿井和补连塔矿井工作面的推进长度已达6000m以上。借鉴国外和国内先进矿井工作面推进长度经验，鉴于本井田可采煤层赋存十分稳定，构造简单，工作面虽然具备布置长距离推

57、进的条件，但受煤层倾角较大影响，不适宜布置长距离推进的工作面，根据开拓布置以及煤层分布规律，确定走向推进距离为1988米。4、截深由于本矿开采技术条件比较优越，工作面装备先进，主、辅助运输设备完善。在采煤机负荷允许的范围内，加大截深，有利于提高循环产量，有利于进一步发挥采煤机及工作面设备的效率。目前我国综采工作面采煤机截深一般为0.6m，高效工作面为0.8m，国际上高产工作面一般为0.81.0m。根据本矿井生产能力、煤层赋存条件及所选用采煤机的特点，设计确定综采工作面截深为0.8小结：根据上述基本情况，福城煤矿九层煤的特点是：煤层厚度较稳定，平均5.01m，煤层倾角从北到南由14.5逐渐增大到

58、45，最大52；顶板中等稳定，垮冒性较好；底板中等硬度。急倾斜煤层大采高综采技术难度大、安全风险大。对设备的防倒防滑、过地质构造带(如断层)、回采工艺、提高煤炭的回采率、防窜矸、底板滑移等均有特殊要求。因此，需要做到岩层控制理论、技术、开采工艺、装备和管理相互协调，才能够实现安全和高效开采。3 急倾斜大采高工作面岩层运动与矿山压力规律研究福成煤矿急倾斜煤层厚度和倾角变化大，地质条件复杂，开采过程中面临以下难题：（1）由于急倾斜煤层在形成过程中受到构造运动的强烈挤压，煤层及其顶底板中节理、裂隙等软弱面比较发育，易失稳垮落，支护不当时易发生片帮与冒顶事故。（2）局部地段底板留有底煤或遇水膨胀的软岩

59、，往往出现底鼓和底板滑移现象。（3）由于煤层倾角大，人员行走不方便，移架不及时或支撑能力小且稳定性差时，易出现飞矸伤人事故。（4）由于采空区上下部位充填程度不一样，造成工作面分段来压，给管理带来难度。（5）大倾角造成上下顺槽附近和采空区内岩层结构与应力分布极不均衡，给设计区段煤柱、开采顺序等造成困难。合理地解决上述问题，首先需要进行急倾斜大采高工作面矿山压力与岩层运动的规律研究。3.1 急倾斜煤层开采岩层运动与矿山压力的一般规律3.1.1 急倾斜煤层开采岩层断裂高度与分布形态大倾角走向长壁工作面回采时，当工作面顶板出现初次垮落后，处于工作面中、上部区域内的顶板破断和冒落后的矸石不能在原地停留，

60、即不能对高位的顶板提供约束，给上覆岩层的进一步运动留下了空间，故一般情况下“三带”形成的层位较高；处于工作面下部区域内的顶板岩层由于运动空间受中、上部冒落矸石的充填限制（约束），得不到充分的垮落，因此没有明显的“三带”或“三带”形成的层位相对较低且不充分。正由于大倾角走向长壁工作面倾斜方向的中、上部顶板中“三带”形成层位较高、下部较低或不明显的特征，导致覆岩垮落形态沿工作面倾斜方向呈不对称的拱形特征，使得对应工作面顶板应力分布区域也呈现不对称的分布。图3-1 大倾角工作面上下部顶板断裂包络线示意图分析认为零应力等值线分布位置即为顶板断裂临界高度，而顶板断裂高度h受到煤层a、开采高度M、顶板岩层