傾斜厚煤層一次采全高綜采工藝探討及應(yīng)用

李士棟 ， 朱學(xué)軍

(1.肥城礦業(yè)集團(tuán)單縣能源有限責(zé)任公司，山東 單縣 274300；2.山東科技大學(xué)，山東 泰安 271019)

1 地質(zhì)概況

3200采區(qū)布置在工業(yè)場(chǎng)地煤柱西側(cè)，采區(qū)范圍北起3 煤層-1000m 底板等高線，南至3 煤層露頭，西起39426000 線采區(qū)邊界，東到工業(yè)場(chǎng)地西側(cè)煤柱線。見(jiàn)表1。

1) 煤層：3200采區(qū)3 煤層為合并區(qū)，3(3上)煤層厚度在3.60～6.46m。

3(3上)煤層直接頂板為細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，厚1.35～17.32m，一般在2～8 m之間。粉砂巖抗壓強(qiáng)度為17.0MPa～35.1MPa，細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為67.6MPa～173.9MPa，屬較穩(wěn)定～穩(wěn)定頂板；泥巖則屬于不穩(wěn)定頂板。3(3上)煤層底板為泥巖、粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，厚度一般1～3m，其抗壓強(qiáng)度為7.80MPa～51.2MPa，屬不穩(wěn)定～穩(wěn)定底板。3(3上和3下)煤層的煤類(lèi)主要為焦煤(JM25)，個(gè)別1/3 焦煤(1/3JM35)，煤質(zhì)以低中灰分、中揮發(fā)分、強(qiáng)粘結(jié)性、成焦率高、特高熱值、低硫低磷低氯等有害元素含量低為主。

2) 采區(qū)構(gòu)造：為向北北西傾斜的單斜構(gòu)造，伴有部分?jǐn)鄬雍蛯捑忨耷?，地層傾角一般在32°～29°之間；受區(qū)域斷層單縣斷層以及終興斷層的影響，主要發(fā)育有近東西向斷層和北東向兩組斷層，均為高角度正斷層，其中以北東向斷層為主，區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)11 條斷層，落差均小于10m。3 煤層水文地質(zhì)類(lèi)型為以裂隙、巖溶含水層充水為主的簡(jiǎn)單-中等類(lèi)型。

3) 瓦斯與煤塵： 區(qū)內(nèi)煤層瓦斯含量較低，屬低瓦斯礦井；煤塵有爆炸危險(xiǎn)；3 煤層不易自燃。

4) 地溫與地壓：本井田主采(3上)煤層埋藏深(-650～-1200m 之間)，3 煤層底板深度750m 以深為大于37℃的二級(jí)高溫區(qū)，即本井田可采煤層基本上都處于二級(jí)高溫區(qū)內(nèi)。礦井開(kāi)采時(shí)地壓大、支護(hù)相對(duì)困難、成本高。

表1 采區(qū)特征表

2 采區(qū)巷道布置

2.1 巷道布置

采區(qū)共布置三條采區(qū)下山，即一條軌道下山、一條膠帶下山和一條專(zhuān)用回風(fēng)下山。膠帶下山用于煤炭運(yùn)輸，軌道下山用于材料和人員的運(yùn)輸兼進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)下山用于采區(qū)回風(fēng)。三條下山間距均為40m。

2.2 工作面順槽布置

采用單巷布置，沿空掘巷服務(wù)下區(qū)段，無(wú)煤柱開(kāi)采方式，間隔開(kāi)采沿空掘巷。每個(gè)工作面布置一條膠帶機(jī)順槽，兼回風(fēng)巷，一條輔助運(yùn)輸順槽，兼進(jìn)風(fēng)巷。主要優(yōu)點(diǎn)：可以提高煤炭回收率，有利于防止煤層自然發(fā)火，而且采場(chǎng)內(nèi)的采掘工作互不影響，有利于沿空巷道的掘進(jìn)和維護(hù)，所有順槽都是隨采隨廢，巷道維護(hù)工作量小。該方式在許多礦區(qū)的礦井中已普遍采用，積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)。

2.3 工作面長(zhǎng)度確定

目前，國(guó)內(nèi)類(lèi)似條件下綜采工作面長(zhǎng)度一般在120～180m 左右。針對(duì)本礦井開(kāi)采條件和技術(shù)裝備水平，為保證采煤工作面正常接續(xù)，確定工作面長(zhǎng)度為150m。

3 采煤方法與采煤工藝

3.1 采煤方法選擇

根據(jù)采區(qū)煤層賦存條件，針對(duì)3 煤層采煤方法提出如下兩個(gè)方案：一是長(zhǎng)壁采煤法方案；二是房柱式采煤法。長(zhǎng)壁式采煤方法和房柱式采煤方法是兩種采煤體系，其歷史都很悠久，我國(guó)及歐亞各主要產(chǎn)煤國(guó)多用長(zhǎng)壁式采煤法，美洲、非洲及大洋洲主要產(chǎn)煤國(guó)多用房柱式采煤法。

1) 長(zhǎng)壁式采煤方法是將回采工作面沿傾斜(或沿走向)布置，沿走向(或沿傾斜)推進(jìn)，工作面長(zhǎng)度一般在100m 至200m 或更長(zhǎng)，是我國(guó)采用最為普遍的一種采煤方法。

2) 房柱式開(kāi)采是將煤層切割成方塊，掘進(jìn)出煤，回收煤柱，采掘設(shè)備和人員可以互相轉(zhuǎn)化，采掘設(shè)備購(gòu)置費(fèi)和維修費(fèi)低。該方法煤柱暴露面多，屈服帶寬，煤柱經(jīng)過(guò)一定時(shí)間風(fēng)化或水浸泡后，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均有所下降。因此，房柱式開(kāi)采，一般適應(yīng)煤層埋藏深度小于500m，地壓相對(duì)較?。粌A角在10°以下，煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單；煤層采高0.8～4.0m，頂板堅(jiān)固密實(shí)，底板堅(jiān)硬；煤層無(wú)自然發(fā)火等開(kāi)采條件的煤層。

由于本礦井主要開(kāi)采的3 煤層為中厚～厚煤層，煤層傾角大，埋藏深度在600～1200m。由于房柱式開(kāi)采存在采掘工藝復(fù)雜，資源回收率低，巷道維護(hù)量大，通風(fēng)復(fù)雜和漏風(fēng)較大等不足，為了縮短工期，早出煤早見(jiàn)效，采用走向長(zhǎng)壁垮落采煤法。采用全部垮落法管理頂板，不考慮留設(shè)村莊保護(hù)煤柱，開(kāi)采前地面村莊進(jìn)行搬遷處理。

3.2 采煤工藝選擇

3200采區(qū)煤層厚度在3.60～6.46m 之間，平均厚度4.69m。設(shè)計(jì)對(duì)回采工藝提出三個(gè)方案：

方案Ⅰ：綜采分層(金屬網(wǎng)假頂)開(kāi)采工藝。

方案Ⅱ：綜采放頂煤開(kāi)采工藝。

方案Ⅲ：一次采全高綜采工藝。

1) 綜采分層開(kāi)采工藝，在1974 年開(kāi)灤礦務(wù)局唐山礦試驗(yàn)成功，分層綜合機(jī)械化采煤工藝已在十多個(gè)礦務(wù)局得到廣泛應(yīng)用。晉城古書(shū)院礦綜采一隊(duì)，1988 年運(yùn)用鋪?lái)斁W(wǎng)綜合機(jī)械化采煤工藝，創(chuàng)造了年產(chǎn)1.8 Mt/a 的記錄。

2) 我國(guó)綜采放頂煤采煤工藝于1982 年開(kāi)始，先后在沈陽(yáng)、平頂山、潞安、陽(yáng)泉礦務(wù)局等進(jìn)行綜采放頂煤采煤工藝工業(yè)性試驗(yàn)。20世紀(jì)80 年代后期，經(jīng)過(guò)不斷的探索和攻關(guān)，綜采放頂煤采煤工藝得到迅速的發(fā)展并取得巨大成功。綜采放頂煤采煤工藝具有節(jié)能、高效，掘進(jìn)率低，生產(chǎn)成本少，經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)，目前已成為厚及特厚煤層采煤方法的發(fā)展方向之一。在兗州礦區(qū)、潞安礦區(qū)、陽(yáng)泉礦區(qū)已普遍使用。特別是兗礦集團(tuán)以綜放技術(shù)為核心的開(kāi)采技術(shù)和工藝，已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，兗州東灘礦綜采放頂煤工作面2001年單產(chǎn)達(dá)到5.42Mt。

3) 一次采全高綜合機(jī)械化開(kāi)采，是一種比較成熟且條件適宜時(shí)普遍采用的回采工藝。但本礦井3 煤層具有煤層埋藏深、傾角大、煤層厚度大、厚度變化大的特點(diǎn)，使用該采煤工藝，存在設(shè)備選型難、投資大、液壓支架的防倒防滑難度大、頂板控制難等缺點(diǎn)。

4) 陳蠻莊煤礦及其他礦井煤層參數(shù)的類(lèi)比。見(jiàn)表2。

經(jīng)分析比較，并結(jié)合井田初期采區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件，井田可采范圍內(nèi)3 煤厚度在0.98～7.06m 之間，平均3.49m。采區(qū)內(nèi)僅CZK11-1 和CZK11-2 鉆孔見(jiàn)煤厚度大于4.0m。采高大于3.5m 的區(qū)域，可采面積小、服務(wù)年限短；采厚大于3.5m 的區(qū)域，主要位于3200 采區(qū)內(nèi)，若采用綜采放頂煤采煤工藝，勢(shì)必造成設(shè)備和資源的浪費(fèi)。為更好的統(tǒng)籌礦井其他各采區(qū)煤層情況，提高煤炭資源回收率，確定采用一次采全高與分層相結(jié)合的采煤工藝，即在采高小于4.0m 的區(qū)域，采用一次采全高綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝；在3.6～6.46m 區(qū)域，采用分層綜采采煤工藝。

表2 礦井煤層參數(shù)類(lèi)比

4 采煤設(shè)備選型

1) 新集一礦131105綜采面位于-450m水平，開(kāi)采深度-509.65～-592.25m，工作面長(zhǎng)145m，設(shè)計(jì)推采長(zhǎng)1207m。工作面裝備ZZY9200/24/50支撐掩護(hù)式液壓支架，MG650/1480-GWD雙滾筒電牽引采煤機(jī)，SGZ-800/2×400型中雙鏈刮板運(yùn)輸機(jī)，采用一次采全高工藝。

2) 新集二礦E1108綜采面該綜采面位于-550m水平東翼采區(qū)，工作面長(zhǎng)100m，設(shè)計(jì)推采長(zhǎng)887m，工作面裝備ZZ7600/19/38型支撐掩護(hù)式液壓支架，MG500/1130-WD型電牽引采煤機(jī)，SGZ-800/2×400型中雙鏈刮板運(yùn)輸機(jī)，采用一次采全高工藝。

3) 棗礦集團(tuán)高莊礦3上509綜采面位于-430m水平，工作面長(zhǎng)220m，設(shè)計(jì)推采長(zhǎng)1179.5m，工作面裝備ZY6600/25.5/55型掩護(hù)式液壓支架，ZTZL60000/25/45巷道支架，MG650/1480-WD型雙滾筒電牽引采煤機(jī)，SGZ-1000/1400型中雙鏈刮板運(yùn)輸機(jī)，采用一次采全高工藝。

4) 陳蠻莊礦3201綜采面位于-895m水平西翼采區(qū)，開(kāi)采深度-650～-1000m，工作面長(zhǎng)150m，設(shè)計(jì)推采長(zhǎng)2400m。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)壁采煤綜放機(jī)械化的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合本井田初期采區(qū)3 煤層賦存條件及其他礦的經(jīng)驗(yàn)，考慮設(shè)備先進(jìn)性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)兼顧設(shè)備租賃和維修的方便性，工作面裝備ZZ9600/21/42 型支撐掩護(hù)式液壓支架，ZTZL60000/25/45巷道支架，選MXG-300/700D 型雙滾筒無(wú)鏈牽引采煤機(jī)，SGD-730/320刮板運(yùn)輸機(jī)，采用一次采全高工藝。

5 支架防倒措施

1) 工作面支架防倒，關(guān)鍵是注重生產(chǎn)過(guò)程架間控制，通過(guò)熟練操作和嚴(yán)格管理，保持合理架間距，及時(shí)調(diào)整歪斜支架，支架升降范圍不超過(guò)側(cè)護(hù)板2/3，移架時(shí)降柱一般不超過(guò)200mm。頂板破碎段，必須采用“帶壓擦頂”移架，防止擠架、咬架、倒架。工作面通過(guò)調(diào)整偽傾斜角度及運(yùn)輸機(jī)推移方向，防止刮板輸送機(jī)上竄下滑。

2) 在工作面下端頭第3、4組支架頂梁及后側(cè)連桿部位安設(shè)伸縮油缸，通過(guò)錨連與第1、2組支架相聯(lián)，防止端頭支架傾倒。采用同步絞車(chē)防止采煤機(jī)下滑。工作面采用偽傾斜布置，下端頭合理超前上端頭，利用支架推移分力防止刮板輸送機(jī)下滑。

3) 對(duì)工作面最下方端頭架，采取移架過(guò)程中千斤頂防倒措施，防止了支架傾斜，其他支架未安裝防倒裝置。

4) 對(duì)于大傾角俯斜開(kāi)采，采取了“臺(tái)階推采法”，每個(gè)循環(huán)均采取在人行道掏底落留的方法，保持工作面平直，防止向煤幫傾斜。

6 結(jié)論與建議

目前，在傾斜厚煤層中使用大采高采煤工藝，國(guó)內(nèi)可供借鑒經(jīng)驗(yàn)不多。實(shí)踐證明，大采高、大傾角綜采面，通過(guò)嚴(yán)格管理和落實(shí)防倒防滑措施，實(shí)現(xiàn)了綜采一次采全高，工作面最高月產(chǎn)15萬(wàn)t。其成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于我們類(lèi)似條件下的開(kāi)采工藝及安全生產(chǎn)管理具有借鑒意義。

因此，傾斜厚煤層、大采高綜采工作面的生產(chǎn)管理難度相對(duì)較大，尤其在綜采面采高超過(guò)4.5m后，頂板破碎、傾角較大的條件下管理難度會(huì)明顯增大。在現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)條件下，傾斜厚煤層綜采一次采全高工藝，其采高易控制在4.0m以下，對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)較有利。

[1] 張榮立.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

[2] 綜采技術(shù)手冊(cè)組委會(huì).綜采技術(shù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.