复杂地质条件下大倾角综放开采工作面出切眼的研究

《复杂地质条件下大倾角综放开采工作面出切眼的研究》

摘要：本文针对复杂地质条件下大倾角煤层综放开采工作面出切眼的关键技术问题展开研究。通过理论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法，系统探讨了大倾角煤层出切眼的稳定性控制、设备选型与布置、顶板管理以及工艺优化等核心问题。研究结果表明，采用动态支护强度调整、设备防滑防倒专项设计、分步推进出切眼工艺等措施，可有效解决大倾角煤层出切眼过程中面临的顶板垮落、设备失控、生产效率低下等技术难题。研究成果在某矿大倾角煤层开采中成功应用，显著提高了出切眼效率和安全性，为类似地质条件下的综放开采提供了重要技术参考。

关键词：复杂地质条件、大倾角煤层、综放开采、出切眼技术、稳定性控制、设备防滑

1 引言

我国煤炭资源分布广泛，地质条件复杂多样，其中大倾角煤层（倾角大于35°）储量占相当比例。大倾角煤层开采面临顶板管理困难、设备稳定性差、生产效率低等技术挑战。综放开采技术作为厚煤层开采的高效方法，在大倾角条件下应用时，出切眼阶段的技术难题尤为突出。出切眼是工作面从准备阶段转入正常回采的关键环节，其成功与否直接影响后续生产的连续性和安全性。因此，研究复杂地质条件下大倾角综放开采工作面出切眼技术具有重要的理论意义和工程应用价值。

2 复杂地质条件下大倾角煤层开采特点

2.1 地质条件复杂性

复杂地质条件通常表现为煤层赋存不稳定、断层褶皱发育、顶底板岩性变化大、地应力分布异常等特征。这些因素导致出切眼过程中顶板运动规律复杂，支护难度增加，容易引发局部冒顶或大面积垮落事故。

2.2 大倾角煤层开采特殊性

大倾角煤层开采时，重力作用方向与煤层走向夹角大，导致设备易下滑、物料滚落、人员操作困难等问题。具体表现为：

（1）支架稳定性差：支架易发生倾倒或下滑，需要特殊的防滑防倒装置；

（2）顶板管理困难：顶板岩块沿倾斜方向滑动趋势明显，需加强动态支护；

（3）采煤机牵引阻力大：割煤时设备受力不均，易造成截割电机过载；

（4）运输系统复杂：刮板输送机易发生断链、飘链等故障。

3 出切眼关键技术研究

3.1 出切眼稳定性控制技术

3.1.1 顶板运动规律分析

通过数值模拟和现场实测，研究大倾角煤层出切眼过程中顶板的破断规律。结果表明，顶板破断线呈倾斜状发展，破断角与煤层倾角密切相关。当煤层倾角大于35°时，顶板破断后易形成"抽条"式垮落，对工作面安全构成严重威胁。

3.1.2 动态支护强度设计

提出基于顶板压力监测的动态支护强度调整方法。在出切眼初期，采用高强度临时支护，随着工作面推进逐步转换为永久支护。支护参数设计需考虑：

（1）支护强度与顶板压力匹配：通过FLAC3D数值模拟确定不同推进阶段的合理支护阻力；

（2）支护密度优化：采用"疏密结合"的布置方式，在顶板破碎区增加支护密度；

（3）支护时间控制：根据顶板下沉速度确定二次支护时机，避免过早或过晚支护。

3.2 设备选型与防滑防倒技术

3.2.1 液压支架防滑防倒设计

针对大倾角条件，开发专用防滑防倒液压支架，主要技术措施包括：

（1）支架底座增加防滑锚固装置：采用可伸缩锚杆将支架固定在底板上；

（2）支架间设置防倒链：通过高强度链条连接相邻支架，限制支架侧向位移；

（3）优化支架重心位置：降低支架重心高度，提高稳定性；

（4）配备自动调平系统：通过液压缸自动调整支架倾斜角度，保持水平状态。

3.2.2 采煤机与输送机配套技术

（1）采煤机牵引系统改造：采用双牵引电机，增加牵引力；配备防滑制动装置，确保在35°倾角下可靠运行；

（2）刮板输送机防飘链技术：在输送机中部槽底部增加防滑条，提高与底板的摩擦力；采用双中链结构，增强抗断链能力；

（3）设备布置优化：将破碎机、转载机等重型设备布置在倾斜下方，减轻上方设备负荷。

3.3 出切眼工艺优化

3.3.1 分步推进出切眼工艺

提出"小步快进、分段支护"的出切眼工艺，具体步骤为：

（1）第一阶段：推进5m，进行初次支护，安装临时单体支柱；

（2）第二阶段：再推进5m，加强顶板支护，安装部分液压支架；

（3）第三阶段：继续推进至设计长度，完成全部支架安装。

该工艺可有效控制顶板下沉量，减少一次性出切眼带来的风险。

3.3.2 顶板预裂爆破技术

在出切眼前方实施顶板预裂爆破，减弱顶板悬臂梁结构，降低顶板垮落冲击力。爆破参数设计需考虑：

（1）炮孔间距：根据顶板岩性确定，一般取1.5-2.0m；

（2）装药量：每孔装药量控制在0.5-1.0kg；

（3）起爆顺序：从工作面中部向两端依次起爆，避免集中应力。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

某矿5201工作面煤层平均厚度8.5m，倾角38°-42°，直接顶为4.2m厚的砂质泥岩，老顶为8.6m厚的中粒砂岩。采用ZF15000/28/42型大倾角专用液压支架，MG750/1800-WD型采煤机，SGZ1000/1400型刮板输送机。

4.2 出切眼实施效果

（1）出切眼时间：采用分步推进工艺后，出切眼时间由原计划的15天缩短至9天；

（2）顶板控制：顶板下沉量控制在200mm以内，未发生大面积垮落事故；

（3）设备稳定性：支架倾倒率由改进前的15%降至3%以下；

（4）生产效率：工作面日产量达到8500t，较改进前提高22%。

5 结论与展望

（1）复杂地质条件下大倾角综放开采工作面出切眼技术需综合考虑地质条件、设备性能和工艺优化三方面因素；

（2）动态支护强度调整、设备防滑防倒专项设计和分步推进出切眼工艺是解决大倾角出切眼难题的关键技术；

（3）数值模拟与现场监测相结合的方法可有效指导出切眼参数设计；

（4）未来研究应进一步探索智能化出切眼技术，如自动调平支架、远程操控设备等，提高大倾角煤层开采的安全性和效率。

简介：本文针对复杂地质条件下大倾角煤层综放开采工作面出切眼技术展开系统研究。通过分析大倾角煤层开采特点，提出了动态支护强度设计、设备防滑防倒专项设计、分步推进出切眼工艺等关键技术措施。工程应用表明，采用本文提出的技术方案可显著提高出切眼效率和安全性，为类似地质条件下的综放开采提供了重要技术参考。