采矿学--急倾斜煤层综采关键技术与装备

安 装 硐 室
锚索 回柱绞车
20000
装车平台 导向座
滑轮
6000
锚索
回柱综采面设备安撤技术 安装顺序
自下而上逐架逐块依次安装ZQY3600/12/26液压支架和SGZ730/320刮板输送机； 支架与刮板输送机安装采取隔班作业，平行安装； 支架和刮板输送机安装完毕后，由下往上安装电缆槽； 采煤机； 刮板输送机链子、刮板和机头； 运输巷内的设备安装与工作面安装同时进行。
Ts
h Pcosαf 1
P
C
W
Tx
Rf 2 B
o
α
分析表明： 支 架 滑 、 倒 的 条 件 是 支 架 倾 斜 角 度 不 能超过其失稳临界角： 支 架 成 组 布 置 有 利 于 增 强 支 架 组 稳 定 。
支架受力示意图
（四）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制
急倾斜综采工作面布置方式
袋与充填隔板，在充填袋上方预先放置厚木板，在短时间内起
到缓冲顶板下沉作用，工作面每推进两个循环充填一次。
（二）急倾斜综采面区段半充填煤柱留设及充填技术
巷道支护
49上
顶板用三排预应力树脂锚索联
煤
合铁网及钢带支护，间排距1.0m；
砂
岩
两帮结合顶板一根锚索与帮部两
炭 页
岩
根锚杆加铁网形成帮部煤体与复
林州重型机械公司研制了 带电液阀的ZQY3600/12/26型 液压支架，支架工作阻力为3600kN、初撑力3092kN，配有防矸 装置、防滑防倒装置、调架装置、高阻力侧护装置、斜拉装置、 单体戗柱的受力支撑点。
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套
1） 机道挡矸装置 设计了刚性和柔性机道挡矸装置，每7架支架安装一套，处于 常开状态，只有采煤机通过时关闭，其作用主要有： 降低采煤机割下的煤与矸石在刮板输送机内下滑的速度。 工作面片帮冒顶时能将煤与矸石分段阻挡在刮板槽内防止
（一）急倾斜综采面覆岩变形破坏机理 急倾斜煤层开采覆岩运动一般规律
上覆变形
直接顶垮落后，冒
较小区域
落矸石在自重作用下，
向工作面下部滑落；
工作面下 部离层区
覆岩破断范围集中
上区段煤柱 发生变形
工作面中上部老顶首 先发生破段位置处
冒落矸石对工作 面下部有效充填
在工作面中上部。
急倾斜煤层开采的覆岩运动规律模拟
机头移完先将机头稳住再通过机头防滑千斤顶和地锚链拉紧， 再用单体支柱斜支在机头底座下侧（打戗柱）。
工作面刮板输送机依靠防滑千斤顶和防滑链和支架连接，沿 工作面方向上每隔七架液压支架安设一组输送机防滑链。
（四）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制
地锚
输送机机头
巷 道 外 帮 锚链 戗柱
S
刮板输送 机
人行道挡矸装置设计
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套
超前支护液压支架组研制
巷道周围煤岩层受沿层面方向的较高剪切应力作用，巷道破 碎片帮严重，为此在液压支架顶梁的帮部增加护帮板，将两个 液压支架间通过底部千斤顶相连形成了超前支护液压支架组。
1700
超前支护液压支架组（两架一组）
（一）急倾斜综采面覆岩变形破坏机理
采空区矸石自溜充填带宽度
将直接顶分为极易冒落岩层H1和滞后冒落岩层H2 ，极易冒落 岩层随移架很快冒落，工作面上部滞后冒落岩层随着工作面的
推进冒落并对工作面下部采空区进行充填。得出充填带宽度L1
L1

L(H1 H2 )k M H1 H2k
θ
α 采空区冒落矸石充填示意图
在工作面下端头先调转两部支架作为工作面下部掩护支架。
导向滑板
护帮锚索及钢带
混凝土夯筑层
1000
工作面煤壁
帮部导向托辊
圆弧巷道放大图
（六）急倾斜综采面设备安撤技术
回撤顺序
采煤机；
输送机链子、刮板和机头； 由下往上回收电缆槽； 自上而下回收刮板输送机； 自下而上逐架逐块依次回收 液压支架；
液压支架
机头防滑措施
戗柱
刮板输送机
刮板输送机机头
刮板防 滑千斤 顶
防滑链
防倒千 斤顶 (天缸)
戗柱
第四架
第三架
第二架
防滑千 斤顶 (地缸)
刮板输送机防滑装置示意图
圆环链 导链板
第一架
防倒千 斤顶
导链筒
（四）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制
采煤机稳定控制措施
磁直流电牵引，下行时可实现再生发电制动，采用单向割煤 方式，即下行割煤，上行清理浮煤。
采煤机：选用鸡西煤机厂生产的MG2×125/580—WD型采煤 机，为了提高采煤机下行割煤时制动效果，采用磁直流牵引， 下行时可实现再生发电制动。 刮板输送机：选用张家口煤机厂生产的SGZ-730/320型刮板输 送机，机头配有防滑千斤顶及戗柱支撑点，刮板上配有斜拉装 置，斜拉装置通过圆链和支架相连。（实际上几乎没开启过， 只作采煤机轨道和支架支点）
（一）急倾斜综采面覆岩变形破坏机理
工作面倾角对急倾斜工作面围岩应力分布的影响
随着煤层倾角的增大，采空区顶底板围岩中垂直应力减小，剪 切应力增大，角度越大，顶底板围岩受剪切破坏的可能性越大、 工作面支护设备和区段煤柱的稳定性降低。
（二）急倾斜综采面区段半充填煤柱留设及充填技术
急倾斜工作面区段煤柱变形破坏特征
合顶板全封闭的刚柔支护，间距
49下煤
1.0m。
回采巷道支护图
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套
急倾斜综采面支架研制
液压支架选型要求： （1）安全防护装置——保障人员设备安全 （2）高初撑力——控制复合顶板离层 （3）电液阀——移架速度快、提高支架稳定性 （4）调架及防滑防倒装置——提高支架稳定性 （5）高阻力侧护装置——提高支架稳定性、利于设备回撤 （6）与刮板输送机间的铰接装置——提高刮板输送机稳定性
（二）急倾斜综采面区段半充填煤柱留设及充填技术
区段煤柱宽度与煤层倾角、采高关系
当煤层倾角大于60°时，区段煤柱宽度受倾角影响急剧增大， 煤柱宽度与工作面采高基本上呈线性正比关系。 新铁煤矿合理区段煤柱宽度应大于13m，现场实际留设煤柱尺 寸为10m偏小，实际开采过程中曾出现煤柱失稳引起工作面支架 压架，回风巷变形破坏严重，造成巷道围岩控制困难。
500
11120
5400
5400
1200
2000
１７００
1200
超前支架与工作 面端头支架接触 处
2000
工作面端头支架
3600 2890
1400
2800
2957
1285 1478
2957
刮板输送机机头
a 侧视图
超前液压支架组设计图
700 1390
b 后视图
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套 急倾斜综采面设备配套
（二）急倾斜综采面区段半充填煤柱留设及充填技术
区段煤柱巷旁充填技术研究
巷旁充填参数确定
充填宽度：巷旁充填体上部沿顶板
宽度为4m，下部沿底板宽度为7.5m；
充填体强度：5MPa；
充填材料配比：42.5普通硅酸盐水
泥：水：砂：碎石=1:0.5:2:2；
注浆充填体
充填设备：充填泵型号为HBGS60-
大量冒落下的煤与矸石涌至工作面下出口。
机道挡 矸装置
机道挡矸装置设计
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套
2） 机道人行道间挡矸装置 机道人行道间挡矸装置处于常开状态，只有移架时关闭，有以 下特点和作用： 隔离工作面机道和人行道，防止煤或矸石飞入人行道伤人。 挡矸装置设有二级挡矸板（挡矸插板）。 适应煤层厚度变化大。
急倾斜工作面区段煤柱变形失稳后，将引起本工作面和上方 已采工作面老顶失稳，造成工作面大面积来压，上部采空区中水 和瓦斯等有害气体溃入工作面，引发灾害性事故。
煤柱失稳后形成 冒落漏斗
已回采工 作面采空 区
破断岩块之 间的相互咬 合
煤柱变形 失稳
区段煤柱失稳后顶板冒落特征
（二）急倾斜综采面区段半充填煤柱留设及充填技术
下行割煤时，用慢速牵引，上行装煤后，必须及时追机推刮 板输送机，整个割煤过程中运行速度不能超过2m/min。
割煤时保持采面顶、底割平。每班生产完毕，必须把采煤机 滚筒落到底板上。
（六）急倾斜综采面设备安撤技术
安装前的准备工作
掘进圆弧形安装提升道 安装硐室设计 分别在安装硐室里侧和外侧安装一台绞车 装车平台
L1 L
L为工作面长度，M为采高，k 为碎涨系数，该工作面极易冒 落岩层为1.9m煤和粉砂岩，滞 后冒落岩层为2.4m的细砂岩和 粉砂岩，因此可得矸石充填带 宽度为57m。
（一）急倾斜综采面覆岩变形破坏机理
急倾斜工作面围岩应力分布特征
A
C
D
F
1
F
4
F
3
BF 2
L
0
m
H
Hl
M
O
L
2
L
1
α
急倾斜工作面中上部顶板中卸 压范围大，岩层冒落高度大， 中下部顶板由于冒落矸石支撑 作用卸压范围小，岩层冒落高 度小，造成上巷、区段煤柱围 岩稳定性差，需对巷道加强支 护、选择合理区段煤柱尺寸。
5800
Ⅱ-Ⅱ
转载机
带式输送机
破碎机 运输巷
（四）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制
液压支架稳定控制措施
以排头支架为基准，每隔八架液压支架在相连的两架支架 安装防滑防倒装置 。
用调架千斤顶和圆环链将三架支架连在一起组成调架装置， 沿工作面倾斜方向每隔八架支架安设一组调架装置。
移架时坚持自下而上的原则，分段移架时，每段内也必须 是自下而上移架，并以有防倒防滑千斤顶和调架装置的支 架为基础，相邻两架支架不能同时降柱。
综采工作面布置示意图
回风巷
为减缓倾角、防止设备下滑，工作 12°
超前支架
最大控顶距 (单位：mm)
面采用仰伪斜布置方式，仰角12°，
4250
隔离板
1700
即运输巷超前回风巷17m左右。
液压支架
电缆槽子
800
Ⅰ-Ⅰ
1700
84m
Ⅰ Ⅱ
采煤机
最小控顶距 (单位：mm)
3450
隔离板
Ⅰ
刮板输送机
Ⅱ
电缆槽子 2800
（四）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制
导链筒
导链板 圆环链
锚固千 斤顶
第一架
第二架
第三架
第四架
防滑千 斤顶
防滑链
刮板防 滑千斤 顶
刮板输送机
支架防滑防倒装置示意图
（四）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制
刮板输送机稳定控制措施
在上巷上帮底板处打两个锚杆做地锚，通过机头的防滑千斤 顶和锚链与地锚连接，移机头和刮板输送机时，同时操纵机 头防滑千斤顶拉紧机头。
径1.15m，磁直流电牵引，下行时可实现再
生发电制动
3
刮板输送 机
SGZ-730/320
电机功率2×160kW，斜拉装置，阻链器
4
超前液压 支架组
DQT16000/15/30
工作阻力16000kN，两架一组，长11.12m
（四）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制
液压支架稳定性分析
急倾斜工作面设备稳定是以支架稳定为核心，建立了支架受 力模型，得出支架组保持稳定的条件是：
挡矸板
机道人行 道间挡矸 装置 挡矸插板
挡矸插板 千斤顶
挡矸板千 斤顶
人行道挡
矸装置
机道人行道间挡矸装置设计
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套
3） 人行道挡矸装置 人行道挡矸装置兼做人员作业平台，处于常开状态：
防止人行道有煤块、矸块飞起伤人和设备。 可以作为采煤机司机、液压支架司机的工作平台。 人员通过工作面时，可以借助挡矸板进行攀爬。
（六）急倾斜综采面设备安撤技术
急倾斜综采面设备安装过程演示动画
（六）急倾斜综采面设备安撤技术
设备回撤前准备工作
距停采线8m时，将工作面由仰伪斜调整至正倾斜，并对工作面 顶板和上端头进行加强支护。
在工作面上端头掘一条半径为6m的四分之一圆弧回撤巷道，采 用锚、网、带上下对锁支护后喷射混凝土，在混凝土加固层外 安设帮部导向滑板。
13-90灌浆泵，充填泵安装在皮带道
距工作面切眼300m处，充填管路采
充填体结构特征
用5英寸无缝钢管。
（二）急倾斜综采面区段半充填煤柱留设及充填技术
充填工艺
49下# 右六片
注浆挡板
充填体
锚索
2寸白塑料管
工作面充填平面图
20m超前支护
工作面割完煤移支架过程中保留靠近工作面充填体上侧的支架
不移架，在排头支架后方形成充填空间，在充填空间内铺充填
（三）急倾斜综采面支架研制与设备配套
综采设备配套表
序号 设备名称
型号
主要技术特征
工作阻力3600kN，初撑力3092kN，防矸装
1
液压 支架
ZQY3600/12/26 置，调斜装置，大阻力侧护装置，防滑防倒
千斤顶、带电液阀
电动机功率580kW，牵引力420kN，滚筒直
2
采煤机
MG2×125/580— WD
急倾斜煤层综采关键技术
新铁煤矿主采煤层，煤厚1.7m，倾角58~62°、平均60°， 复合顶板条件、工作面长84m。
（1）急倾斜综采面覆岩变形破坏机理 （2）急倾斜综采面区段半充填煤柱留设及充填技术 （3）急倾斜综采面支架研制与设备配套 （4）急倾斜综采面“三机”设备动态稳定控制 （5）急倾斜综采面设备安撤技术