范家村煤矿采煤副总工程师 内蒙古鄂尔多斯市 017000
摘要：本文以范家村煤矿4-1煤层赋存特征及开次技术条件基础，采用理论分析、现场施工测试与实地观测相结合的方法，对范家村煤矿2119综采大采高工作面破碎顶板实现高效回采展开研究。
关键词：大采高；破碎顶板；高效回采；矿压显现；覆岩结构；关键层
范家村煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，属于低瓦斯矿井，设计生产能力为240万t/a。范家村煤矿开采的4-1煤层顶板松软、破碎，易发生煤壁大面积片帮和端面冒顶、支架不接顶或蹬空或陷底现象，给工作面顶板控制和安全生产管理带来困难，生产效率也受到严重制约。因此，在顶板破碎厚煤层条件下，进行安全高效开采技术研究，研究解决与之相关的关键技术问题，是一项具有开拓性的工作。
1、范家村煤矿4- 1煤层及顶底板特征特征
范家村煤矿4-1煤层位于4煤组上部，距3-1下煤层5.79～38.37m，平均17.94m，煤层自然厚度为1.85～7.00m，平均5.38m。4-1煤层的顶板岩性为砂质泥岩及粉砂岩，底板为砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩，岩性变化不大。根据岩体质量评价结果，4-1煤层顶板岩体质量以坏、差为主，不稳定，易产生不良工程地质现象，如底鼓、冒落、垮塌。
2.破碎顶板的危害
破碎顶板会对综采工作面回采造成如下危害：
（1）支护强度增加、浪费工时投入、增加材料消耗，严重制约采面推进度。
（2）容易发生矸石冒落造成人身伤害事故，以及由此导致的非伤亡事故的发生。
（3）对于综采工作面而言，顶板破碎移架时，碎岩瞬间从架间间隙处倾泻而出污染煤质，也影响采面设备使用寿命。
3.范家村煤矿2119工作面矿压显现规律
（1）范家村煤矿2119工作面矿压显现规律实测
2119工作面于2018年6月20日正式回采，回采期间针对工作面矿压分为3个测区进行了现场观测，测区布置如所示，观测推进距离120m。
2119工作面实测来压特征表
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①工作面初次来压显现强度较周期来压期间显现明显，来压期间支架工作阻力比平时大1335～6266kN，主要在中测区21~113#架出现。
②回风顺槽超前支护及运输顺槽超前支护段，工作面来压期间两顺槽均未明显矿压显现。
③工作面初次来压步距平均为28.8m，持续长度0.8~3.2m，后续周期来压持续长度受采高、回采速度、设备故障等因素影响，时间和长度各不相同。
④第一次周期来压步距较后期来压步距小，三个测区观测表明，中测区工作面矿压显现程度同上、下测区比较明显。
⑤工作面初次来压及推进67.6m时，来压较为明现，且持续长度较长。
（2）范家村煤矿2119工作面矿压显现规律分析
从范家村煤矿4-1煤层矿压实测可以看出，2119工作面回采期间初次来压和周期来压出现较为强烈的矿压显现，初次来压及周期来压距离较大，在回采期间如遇周期来压可采用快速推进、降低采高等方式减小周期来压影响。
4、破碎顶板大采高综采高效回采工艺优化设计
大采高综采工作面顶板控制的关键是端面顶板的维护控制，因为端面顶板在采煤机割煤后基本属于无支护区，是工作面顶板控制的最薄弱环节；因此，寻求其控制和维护方法，对安全生产有重大意义。
（1）综采工作面围岩稳定性因素分析
①地质因素
从范家村煤矿已回采结束的4-1煤层工作面来看，工作面煤质较硬，顶板易破碎，这对工作面顶板和片帮煤的控制增加了一定的难度。
② 采高与顶板稳定性关系
2119工作面属大采高综采工作面，采高越高，在同样位置的基本顶处于平衡状态的概率越小。
③工作面推进速度影响
工作面推进速度加快，工作面支护速度也加快，梁端顶板空顶时间减少，从而减小了煤与围岩的变形，降低了工作面漏顶及片帮事故发生的几率。
④ 支护状态
良好的支护状态，会提高支架对顶板的控制能力，减少漏顶事故发生。
⑤ 片帮煤的控制
在煤壁片帮严重且得不到及时有效的维护时，会造成梁端顶板空顶面积大，易发生梁端顶板漏顶事故，有效控制片帮煤是加强顶板维护的一项重要措施。
（2）合理选择支架型号
液压支架的选型应根据煤层的构造及其顶底板状况进行选择。一般煤层厚度在4.2～7.5米，顶板不稳定时，工作面选择前梁具有伸缩性能的液压支架，采煤机割煤后立即伸出伸缩梁，支护新暴露的顶板，从而最大限度缩小端面距。
根据分析选型要求，2119工作面选用掩护式液压支架，其中工作面中部架选用ZY13000/28/63型支架，共116台；端头架选用ZYT13000/28/55型支架，共7台；过渡架选用ZYG13000/28/55（A）型支架4台.ZYG13000/28/55（B）型支架2台，共6台，工作面回风顺槽超前支护选用ZQL2*4800/28/45型超前支架两组，运输顺槽超前支护选用ZQL2*4800/28/45型超前支架两组。
（3）留设煤顶
破碎顶板在进入顶梁上方时已很破碎，且在顶梁上方形成厚度不等的浮矸层，移架时，浮矸从架间及端面漏下，也可造成端面空顶扩大；为保持顶板完整，不出现离层现象，2119工作面在回采期间留设200-300mm厚的护顶煤，通过顶板破碎度统计观测分析，大大减小了顶板破碎度。
（4）实行带压擦顶移架
为保持破碎顶板的完整性，采取带压擦顶移架，可有效控制顶板。
（5）合理使用支架护帮板
合理使用支架护帮板，能够有效控制煤壁片帮，缩小端面距，从而减少断面顶板漏顶事故的发生。
（6）顶板管理措施
① 加强支架初撑力管理，发现初撑力不足时，查明原因并及时整改。
② 合理控制机头机尾超前量，工作面调斜时控制好加刀数量和加刀位置。
③ 正常回采采用跟机拉架，当工作面来压，顶板不好时采用追机拉架，来压时要组织快速推进。
④合理确定顶煤留设厚度，并根据周期来压步距及压力显现强度合理确定正常来压和周期来压期间的顶煤留设厚度。
⑤生产过程中根据顶板变化、地质构造等合理调整采高。
（7）工作面防片帮及防冒顶措施
工作面防片帮措施：
①支架顶梁接顶严密，工作面两端头顶板采用垂直过渡。
② 生产期间严格执行“五到位”顶板管理措施，即：跟机拉架到位、超前拉架到位、初撑力到位、护帮板使用到位、伸缩梁使用到位。
③ 支架工生产过程中必须保持跟机拉架。
④过特殊地质条件期间，应调整劳动组织，避开周期来压，快速推进。
⑤遇松软岩层易片落、垮落时，必须及时拉出超前架，打出护帮板。
工作面防冒顶措施：
①生产过程中及时跟机拉架，拉架时要提底，防止支架底座铲起浮煤支架拉不到位。
②根据周期来压步距，严格将停机检修控制在来压之前，保证在来压时快速通过。
③ 当工作面压力大，顶板破碎，频繁漏矸时必须及时降低采高，控制好顶板，防止发生冒顶。
5.技术经济效益分析
2119综采大采高工作自2018年7月份开始正常回采。通过工作面顶板岩性分析，从优化设备选型入手，针对破碎顶板大采高综采现场实际制定回采设计方案，并不断优化，取得了显著效果。由2017年月2018年同期范家村煤矿月度单产对比统计数据可以看出，方案实施后工作面产量比2017年有大幅提高，平均月产量达到42.1万t，平均提升50%以上，且实施期逐月呈稳步增长趋势。
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2017年-2018年同期产量增长比例
工作面月工作日数按30d计算，可得出方案实施后正常生产期间工作面月产量可达424971t，年产量可达510万t，月推进度为270m，年推进度为3240m，该项目实施后年度产量增长比例将可达到41.9%。
6.主要结论
通过以范家村煤矿2119大采高综采工作面破碎顶板高效回采工艺研究，取得如下结论：
（1）制定合理的支架选型、留设护顶煤、加快工作面推进速度、带压擦顶移架及合理使用支架护帮板等具体的措施。
（2）优化了工作面中间支架、过渡支架、端头支架和超前支架的选型，使得对煤壁、端面顶板、上下端头及两巷顶板管理更为合理有效。
（3）通过分析研究大采高综采工作面初次来压、周期来压显现规律，验证选型支架在此工作面具有良好的适应性。
（4）留设护顶煤可起到防止破碎顶板掉落，支架能够更加有效支护顶板，同时煤壁区域煤体的承载能力增强，减小了煤壁片帮的程度。
作者简介：
刁豹，男，汉族，1979年6月20日，工程师，现任范家村煤矿采煤副总工程师。