急傾斜薄煤層采煤方法研究與應(yīng)用

摘要：急傾斜煤層開采方法一直是采礦技術(shù)中的難題，相關(guān)研究學(xué)者對(duì)此進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究[1]，也取得了一些新的進(jìn)展，但由于急傾斜薄煤層特殊且保證開采過程安全的性質(zhì)，低成本、高效和安全的開采方法仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。因此，研究、選用較好的開采方法對(duì)于高效回收煤炭資源、提高經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益等具有十分重要作用。

Abstract： The method of steeply inclined coal seam mining has always been a difficult problem in mining technology. Relevant research scholars have carried out a lot of experimental research， and some new progress has been made， but the nature of the steeply inclined thin coal seam is special and the safety of the mining process is guaranteed. Low cost， efficient and safe mining methods are still the focus of current research. Therefore， research and selection of better mining methods are of great significance for efficient recovery of coal resources， improvement of economic and social benefits.

關(guān)鍵詞：急傾斜薄煤層;采煤方法

Key words： steeply inclined thin coal seam;mining method

中圖分類號(hào)：TD823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）17-0161-03

0? 引言

大安山煤礦+680水平單斜5槽煤層中。煤層最大厚度為2.81m，最小厚度為0.80m，平均厚度1.72m。煤層最大傾角80°，最小傾角30°，平均傾角72°。煤層中無瓦斯，煤塵無爆炸傾向性。煤層為條帶及塊狀結(jié)構(gòu)，工作面位于單斜構(gòu)造部位，煤層局部發(fā)育有反“S”倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，給工作面布置與采煤方法帶來很大的困難。大安山礦區(qū)賦有開采價(jià)值的急傾斜煤層的煤炭?jī)?chǔ)量，煤質(zhì)較好。因此，研究、選用較好的開采方法對(duì)于高效回收煤炭資源、創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益是必要的考慮因素。

1? 急傾斜煤層主要開采方法評(píng)述

1.1 柔性掩護(hù)支架采煤法

采煤方法需根據(jù)實(shí)際煤層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和煤質(zhì)特性而定，柔性掩護(hù)支架采煤法是應(yīng)對(duì)某煤礦具有急傾斜煤層而研發(fā)的一種常用開采方法，已在我國多個(gè)地區(qū)及煤礦得到應(yīng)用，包括淮南、四川等地及開灤、淮南礦等礦區(qū)，并且實(shí)際開采效果較好，獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。

相比之下，柔性掩護(hù)支架采煤法與其他方法相比，有幾個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)，如下：①工程施工量減少。因?yàn)楣ぷ髅嬖O(shè)計(jì)是沿工作人員走向直線化采掘，與單走向長(zhǎng)壁式采煤有十分相似的工作原理，煤礦采掘進(jìn)度實(shí)施過程中，此方法比較俯斜推進(jìn)以及一些柱式方法等，在溜眼作業(yè)和巷道開采掘進(jìn)單位效率等方面，明顯提高了采煤效率;②生產(chǎn)工藝流程大大縮減。當(dāng)采用此采煤方法時(shí)，通常情況下頂板支撐及管理工作得到極大化的簡(jiǎn)化，嚴(yán)格控制效率的單位損耗;③工作面獨(dú)立操作性強(qiáng)。技術(shù)人員在工作面進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，相獨(dú)立面上，掩護(hù)支架的拆解等維修工作能與此形成相互獨(dú)立、干擾度小的環(huán)境，對(duì)于實(shí)現(xiàn)采煤工作三班輪換制提供可能，因?yàn)榇蟠髩嚎s了非生產(chǎn)時(shí)間的空隙作業(yè)時(shí)間。

同時(shí)，此方法有幾個(gè)方面的缺點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差。在實(shí)際采煤過程中，頂板煤層的厚度具有流變特性，相應(yīng)的厚度和傾角都在變化，這種支架在這方面的應(yīng)對(duì)能力較差，單一的承受壓力方式就需要煤層賦存狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，否則在實(shí)際作業(yè)時(shí)，不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性;②煤層應(yīng)用范圍小。此方法在煤層厚度為2～8m、傾斜角度在60°～70°之間時(shí)，使用效果最佳;但是在煤層厚度較厚時(shí)（大于10m）或者傾斜角度不足60°的特點(diǎn)下，不適應(yīng)與此方法的實(shí)施。③排矸效果較差。掩護(hù)支架下采煤具有一些不可避免的問題，如工作面有支架和采空區(qū)隔離，導(dǎo)致回采時(shí)排矸流程實(shí)施困難，伴隨著煤層變薄而造成破底風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 俯偽斜走向長(zhǎng)壁分段密集采煤法

20世紀(jì)80年代，四川芙蓉礦務(wù)局針對(duì)急傾斜煤層開采難的問題提出了俯偽斜走向長(zhǎng)壁分段密集采煤法[2]，此方法在煤層環(huán)境十分復(fù)雜的礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，具體的條件為：傾角在38°到52°范圍內(nèi)，煤層特點(diǎn)是大部分為薄煤層及少量中厚煤層，且隨即試驗(yàn)應(yīng)用得到成功，是我國面對(duì)此特點(diǎn)煤層開采的一大進(jìn)步。

俯偽斜走向長(zhǎng)壁分段密集采煤法的作業(yè)過程特點(diǎn)為：工作面的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為俯偽斜直線型[3]，當(dāng)進(jìn)行采掘作業(yè)時(shí)，一些煤壁會(huì)發(fā)生掉渣現(xiàn)象，一方面減少人員的安全問題，另一方面避免煤渣掉落進(jìn)入采空區(qū)而引起的煤量減少等現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采煤及智能化開采做好技術(shù)儲(chǔ)備和支撐。

此方法與傳統(tǒng)的臺(tái)階式采煤法相比，在提高煤壁高效利用方面有顯著的效果[4]，比如，在某些礦區(qū)，一些區(qū)段環(huán)境特點(diǎn)為垂高一致時(shí)，作業(yè)效率有30%～40%的提高，單體產(chǎn)出效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)作業(yè)方法。

對(duì)分段走向密集作業(yè)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，作業(yè)面波及周期規(guī)律不明顯。因?yàn)橥ㄍ芗韪舻牟煽諈^(qū)的矸石會(huì)在上方為頂板下方為作業(yè)區(qū)域的自然形成的礦物充填帶，同時(shí)，跟隨采掘進(jìn)程不斷推進(jìn)前移密集柱，此時(shí)，相應(yīng)的充填區(qū)隨之進(jìn)行前進(jìn)，作用是為了時(shí)刻保持冒落區(qū)與作業(yè)區(qū)的隔離安全問題。

此方法有以下三個(gè)缺點(diǎn)：①工作空間工作任務(wù)繁重，機(jī)械化程度低，造成經(jīng)濟(jì)成本較高;②大部分區(qū)段的煤柱單位損耗量大，幾乎占整個(gè)區(qū)段煤量的10%～15%;③在分段走向匯聚處的密集區(qū)域，易形成空間狹窄，空氣流通不便等問題，同時(shí)容易導(dǎo)致瓦斯匯合導(dǎo)致密度高等危險(xiǎn)性區(qū)域。

1.3 倉儲(chǔ)采煤法

我國應(yīng)用倉儲(chǔ)采煤法最早始于20世紀(jì)50～60年代，是專門針對(duì)我國某些礦區(qū)煤層應(yīng)對(duì)急傾斜薄煤層及中厚煤層而研究的一種方法。此方法也存在一定的局限性，例如開采過程中對(duì)煤層地質(zhì)與巖石圍壓有很高的要求，安全系數(shù)低。

倉儲(chǔ)采煤法具有以下特點(diǎn)：將倉儲(chǔ)的煤可視為支撐體對(duì)儲(chǔ)存空間起到受力支護(hù)的作用，當(dāng)煤層壓力較小或倉儲(chǔ)量較大時(shí)，工作面基本不采取其他支護(hù)手段，這種換位借力的方法減小了作業(yè)成本和提高了工作流程的效率。由于采煤落區(qū)和儲(chǔ)存區(qū)由一定重疊部分且工作程序相互獨(dú)立，從經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，極大的減輕了運(yùn)輸系統(tǒng)的效率和故障發(fā)生率。

根據(jù)多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋得出;此方法適用于頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、上層地質(zhì)層無水分滲流以及厚度較薄的煤層，同時(shí)，不能在瓦斯涌出量大和火區(qū)范圍廣等特點(diǎn)的煤層使用。從2008年起，我國出臺(tái)相關(guān)規(guī)定，所有礦區(qū)企業(yè)嚴(yán)禁使用倉儲(chǔ)式采煤法，所以排除此方法在急傾斜煤層開采的應(yīng)用。

1.4 長(zhǎng)孔爆破采煤法

長(zhǎng)孔爆破采煤法是利用打孔爆破的方式進(jìn)行工作，不需要人工作業(yè)，具有操作方便，人員安全性好等優(yōu)點(diǎn)。此方法從應(yīng)用到現(xiàn)在，一直在實(shí)際生產(chǎn)中得以使用，一些礦區(qū)采用此方法，如福建陸家地煤礦和寧化煤礦等。次方法具有靈活性好、適用作業(yè)環(huán)境范圍廣等特點(diǎn)，同時(shí)也被用于煤柱和邊角煤的回收利用，也有一些嘗試在水力采煤工藝中的炮采水運(yùn)過程中[5]。

長(zhǎng)孔爆破采煤法具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①工作過程安全穩(wěn)定性系數(shù)高。整個(gè)過程無需人員進(jìn)入，可先在巷道中進(jìn)行打孔和裝藥等工序，規(guī)避采空區(qū)上方冒矸的現(xiàn)象發(fā)生;②降低生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本。實(shí)施打孔爆破的作業(yè)方式后，會(huì)減少坑木的消耗量，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反饋，年統(tǒng)計(jì)量減少了30%左右，相應(yīng)的噸煤產(chǎn)率成本也降低至30%以上;③提高作業(yè)流程的簡(jiǎn)易性。首先，打孔采用半機(jī)械化操作方式，能適應(yīng)于大部分實(shí)際環(huán)境。同時(shí)，煤層打眼的工作所需的人員數(shù)量也極大減少，一般可減少50%人力輸出，提高了單位時(shí)間輸出效率和經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)，此開采方法存在四個(gè)方面的缺點(diǎn)：①作業(yè)方式單一，引起單位產(chǎn)量低。當(dāng)打孔人員進(jìn)入巷道進(jìn)行定位打孔時(shí)，整個(gè)流程只能單點(diǎn)作業(yè)，帶打孔結(jié)束后人員撤出，然后再進(jìn)行出煤和掘進(jìn)工作，不能充分集中時(shí)間進(jìn)行采掘工作;②不能保證煤質(zhì)質(zhì)量。當(dāng)需采煤層較薄時(shí)，炮藥量不能準(zhǔn)備把握，存在爆炸效果與范圍的平衡問題。如果頂板長(zhǎng)時(shí)間使用且穩(wěn)定性變差后，炮眼方向及深度不能保證爆破力度的要求，會(huì)造成煤矸混雜在一起，影響最終的出煤質(zhì)量;③通風(fēng)管理力度不足。爆破后巷道內(nèi)瞬間形成強(qiáng)大的煤塵氣流，一部分乏風(fēng)會(huì)作用在采空區(qū)，對(duì)巷道的通風(fēng)工作帶來極大的不便;④環(huán)境適用能力差。此方法一般只適用于作業(yè)區(qū)頂板比較穩(wěn)定，瓦斯含量較低的礦井，避免由于大量煤塵的產(chǎn)生而引起爆炸事故。

1.5 滑移頂梁支架放頂煤采煤法

我國于1984年首次采用滑移頂梁支架放頂煤應(yīng)用于急傾斜煤層的開采作業(yè)中，其中，此采煤法是使用一種屬于過渡性的支架，依靠支架力來承受來自上煤層的壓力，其原理是根據(jù)液壓供給提供支撐作用力，是介于單體型液壓和機(jī)械化液壓之間，逐漸因其適用范圍廣被一些企業(yè)所采用。

從經(jīng)濟(jì)成本和使用便捷性方面對(duì)滑移支架放頂煤進(jìn)行分析，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①使用成本低。采用初期的安裝費(fèi)用少，相比于機(jī)械化液壓支架足足縮減1/3～1/5;②單位時(shí)間采掘量大。因?yàn)檫@種支架采用多分段式結(jié)構(gòu)，整個(gè)掘進(jìn)面一般在10m及以上，傳統(tǒng)的水平分層開采過程中，都必須單獨(dú)進(jìn)行平巷和溜眼工作，增大了工作強(qiáng)度;③支架可操作性強(qiáng)。由于所使用的的支架具有體小質(zhì)輕，輕便靈活的特點(diǎn)，在使用過程中，能很大程度的減少人工操作量，同時(shí)，對(duì)于不同厚度的煤層而言，這種支架都可隨之進(jìn)行相應(yīng)的變化。

但是，實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)一些缺點(diǎn)：①支架功能匹配度不高?；祈斄菏轻槍?duì)急傾斜煤層專門設(shè)計(jì)的，在放頂煤的工藝中此支架不能完全應(yīng)對(duì)所有的煤層特點(diǎn)和地質(zhì)環(huán)境所帶來的特殊性;②使用穩(wěn)定性較差?；祈敯逡蛞苿?dòng)靈活而被使用，同時(shí)，也因其滑移過程中的反復(fù)承載與卸載，一定程度上對(duì)頂板的整體安全性能造成破壞，作業(yè)中存在安全問題。

1.6 水平分段放頂煤采煤法

我國針對(duì)急傾斜特厚煤層的開采一般采用的方法有高落式、水平分層式和斜切式等。隨著我國煤資源的不斷開采利用，相近的綜合性技術(shù)被逐漸應(yīng)用，例如綜采支架放頂煤技術(shù)經(jīng)過不斷模擬試驗(yàn)后引用在急傾斜煤層的開采工作中。此方法先后在多個(gè)礦區(qū)如遼原梅河礦等進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用，并取得了較好的目的效果。

水平分段放頂法在應(yīng)用過程中有以下優(yōu)點(diǎn)：①采煤效率提高。此方法較其他整體煤的產(chǎn)出效率提高2-6倍，原因是工作單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)資料較為集中，機(jī)械化應(yīng)用的范圍及程度較好。②勞動(dòng)利用率高，經(jīng)濟(jì)成本低。根據(jù)一些礦區(qū)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)得出，相同條件下，工作面效率有2-8倍的提高，綜合考慮，工作時(shí)間的減少對(duì)生產(chǎn)效率的提高有一定的幫助。

與此同時(shí)，據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)反饋得出其存在的主要缺點(diǎn)為：①應(yīng)用范圍的適應(yīng)能力不足。由于不同煤礦的煤層特點(diǎn)不同，其厚度變化不規(guī)律和中間斷層不穩(wěn)定等原因，易造成厚度低于20m的急傾斜煤層出現(xiàn)穩(wěn)定性差異問題。②煤塵引起的環(huán)境指數(shù)差。產(chǎn)生較大的煤塵含量會(huì)引起工作空間的單位煤塵量過高，對(duì)作業(yè)人員的身體以及防止?jié)舛冗^高出現(xiàn)爆炸的安全性關(guān)鍵問題。

1.7 巷道放頂煤采煤法

急傾斜煤層的巷道放頂煤選擇均勻等標(biāo)的方式進(jìn)行標(biāo)高劃分，形成多個(gè)小的區(qū)段，由于結(jié)構(gòu)合理性角度考慮，區(qū)段下部進(jìn)行放煤巷道的設(shè)計(jì)與施工。同時(shí)，考慮整體通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，將巷道兩端出口進(jìn)行采回量取的連通和結(jié)合，在解決放煤?jiǎn)栴}的同時(shí)通過結(jié)構(gòu)性眼孔的布置盡可能的實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)所有工序正常的運(yùn)行。以機(jī)械化控制的條件下，自動(dòng)管理放煤眼孔的開關(guān)，利用破碎后煤體位移特性及上頂板落矸水平與豎直方向的規(guī)律進(jìn)行分析，近似于溜槽式均勻透過眼孔處，然后有序的排出。從理論角度看，放煤巷道的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是保護(hù)模式下沿空留巷松散體滑落。因此，理論性的分析支撐放頂煤技術(shù)的安全實(shí)施和合理運(yùn)用。

2? 主要研究方案論證

2.1 鋼絲繩鋸采煤法論證

鋼絲繩鋸采煤方法是沿傾斜布置并沿走向推進(jìn)的短壁工作面，區(qū)段上部回風(fēng)平巷與區(qū)段下部運(yùn)輸平巷構(gòu)成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，上下平巷安設(shè)絞車，帶動(dòng)鋼絲繩上安設(shè)的“鋸頭”做往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)落煤，煤炭實(shí)現(xiàn)自溜運(yùn)輸。

2.2 長(zhǎng)孔松動(dòng)爆破采煤法論證

松動(dòng)爆破是指利用巨大的振蕩力使煤層就地發(fā)生破碎。而長(zhǎng)孔松動(dòng)爆破是依據(jù)松動(dòng)爆破的原理并在其基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度和裝藥相結(jié)合的方法，在煤層內(nèi)爆破，使煤體達(dá)到松動(dòng)，成為散體的一項(xiàng)技術(shù)。[6]

2.3 綜采技術(shù)應(yīng)用論證

綜采技術(shù)在緩傾斜煤層開采中充分發(fā)揮了它的工藝優(yōu)勢(shì)，如要在急傾斜煤層中取得較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果，必須根據(jù)急傾斜煤層回采和支護(hù)工作的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)應(yīng)用中的主要技術(shù)問題作透徹的分析與研究。

2.4 巷道放頂煤采煤法論證

急傾斜煤層巷道放頂煤是依據(jù)標(biāo)高等分的方式對(duì)不同的采區(qū)進(jìn)行合理劃分，標(biāo)準(zhǔn)分段的距離為15～20m范圍內(nèi)。排煤巷道的設(shè)計(jì)是根據(jù)自上而下的順序結(jié)構(gòu)在區(qū)段下部建造，同時(shí)，排煤巷道的兩個(gè)端口依次連接采區(qū)的進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)系統(tǒng)，形成循環(huán)合理的全風(fēng)壓通風(fēng)。以上所分析的工藝都應(yīng)該在排煤的巷道內(nèi)合理有序的進(jìn)行，如需設(shè)計(jì)放煤的眼孔，需借助巷道內(nèi)側(cè)煤質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)進(jìn)行操作，然后通過礦壓和巖石特性等因素確定眼孔的直徑和爆破操作的系數(shù)，爆破效果應(yīng)該使確保巷道上方的頂煤發(fā)生均勻破碎，這樣是利于采場(chǎng)的收集與堆放。急傾斜巷道放頂煤法開采系統(tǒng)如圖1所示。

2.5 俯偽斜走向長(zhǎng)壁分段密集采煤法論證

該采煤法以1～3排基本支柱為構(gòu)建根本，依次以平行于工作面的方式進(jìn)行布置，合理的回采系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以使分段密集支柱排列的沿直線走向分別安置。所謂的密集支柱是利用其在開采過程中的“切頂”轉(zhuǎn)換成為具有阻攔矸石滑落的可能性，最后會(huì)形成充填帶用來支撐作業(yè)面，在隔空區(qū)和回采區(qū)形成不同的三角地帶。這三帶可改變了采場(chǎng)礦壓的分布狀態(tài)，給回采工作面的生產(chǎn)、安全帶來良好的效果[7]。

俯偽斜走向長(zhǎng)壁回采具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：由于偽俯斜布置方式的特點(diǎn)，排柱的流向方式會(huì)呈現(xiàn)一種密流式下滑流動(dòng)態(tài)，隨后產(chǎn)生逆流式的阻擋作用，對(duì)于解決急傾斜工作過程中產(chǎn)生的各種矸石滑落以及底板松動(dòng)等問題。其目的是以空間化傾角化陡為緩便于分段平行作業(yè)，提高煤的開采效率密度。

2.6 俯偽斜密集采煤法論證

傾斜密集的構(gòu)造原理是為了防止采空區(qū)落矸，為防止采空區(qū)矸石沖擊密集排柱，在密集排柱上墊好木板皮、草袋等。

工作面采用三、四排控頂，排距0.8m，柱距1.0m，最小控頂距離2.1m，最大控頂距離2.9m，第一排支柱距離煤壁0.5m。

在靠近采空區(qū)側(cè)從工作面下部到上部連續(xù)打兩排密集支柱，隔離采空區(qū)。從下往上回柱放頂。三班采煤，邊采邊準(zhǔn)。

工作面采用鉆眼爆破方式落煤，因煤層厚度大致在1.0～1.5m的范圍，炮眼布置雙排三花眼，炮眼深度0.9m，間距1.0m。分段爆破，工作面分兩次爆破完成。煤炭自滑運(yùn)輸。工作面爆破一次后，停止爆破，進(jìn)行支護(hù)。每次支護(hù)支柱一排，從工作面下部往上開始支護(hù)。從工作面下部開始回柱放頂，支護(hù)密集與回撤密集支柱。

3? 結(jié)論

通過對(duì)急傾斜薄煤層多種采煤方法的論證，重點(diǎn)選擇方案為三種急傾斜綜合機(jī)械化采煤法、巷道放頂煤采煤法、俯偽斜走向長(zhǎng)壁分段密集采煤法，考慮到煤層平均傾角較大，對(duì)于平均傾角大于60°的煤層采用綜合機(jī)械化采煤工藝尚處在試驗(yàn)研究階段，無安全高效的成功案例，項(xiàng)目。在煤層傾角60度以下、煤層厚度在1.5米以下的煤層，采用俯偽斜分段密集采煤方法。而對(duì)于煤層傾角60度以上、煤層厚度在1.5米以上的煤層，建議采用巷道放頂煤采煤方法。

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作者簡(jiǎn)介：徐百平（1992-），男，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，研究方向?yàn)槊旱V安全。