大采高采煤工藝的應(yīng)用

王 旭

（山西焦煤西山煤電官地煤礦，山西 太原 030022）

引言

煤礦作為一種重要的化石能源，其開(kāi)采生產(chǎn)的效率關(guān)乎工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)發(fā)展及人民的日常生活。隨著科技的日益發(fā)展，煤礦開(kāi)采的新技術(shù)新設(shè)備不斷應(yīng)用，采煤工作得到不斷完善，各種開(kāi)采技術(shù)也趨于成熟。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量中，厚煤層占一半以上，因此大多數(shù)煤礦的開(kāi)采都是在厚煤層基礎(chǔ)上進(jìn)行的，也就是采用放頂煤開(kāi)采及大采高開(kāi)采工藝兩種方式。放頂煤工藝在我國(guó)雖已成為一種較為成熟的采煤方法，但其一次放頂煤過(guò)程中一次放出大量煤體，極易引發(fā)瓦斯突出問(wèn)題，在其他方面也存在著較多難以解決的技術(shù)問(wèn)題。其開(kāi)采工藝上由于下放煤體過(guò)程中會(huì)混入矸石，若放煤順序不當(dāng)，極容易將矸石提前放出造成含矸率的增大，為了減少這種現(xiàn)象，又不得不丟失一部分煤，這種損失可達(dá)10%左右。工作面推進(jìn)過(guò)程中兩端頭也會(huì)造成頂煤的損失，兩條平巷周?chē)闹Ъ苡捎谝鰪?qiáng)穩(wěn)定性，必須割舍一部分頂煤，這就造成了工作面越短，這部分損失就會(huì)越大。還有初采及末采損失，為了避免直接頂?shù)某醮慰迓湟约盎卷攣?lái)壓時(shí)的沖擊性，初采時(shí)必須預(yù)留一部分頂煤，這樣采出率就會(huì)大幅降低，因此在初采過(guò)程中，放頂煤的效率一般只有一半。末采過(guò)程中由于要保護(hù)采掘設(shè)備的撤出，要求留出一個(gè)完整的頂板，提前鋪設(shè)頂網(wǎng)停止放煤，這種損失是初采損失的一倍。區(qū)段煤柱的留設(shè)也是引起煤炭損失的一大方面，由于兩工作面之間留設(shè)區(qū)段煤柱，常使得煤炭損失達(dá)10%以上，當(dāng)采用沿空掘巷時(shí)，可降低至3%。另外，還有由于地質(zhì)構(gòu)造引起的損失，在遇到斷層等構(gòu)造時(shí)或者頂板堅(jiān)硬時(shí)，不得不舍棄一部分煤體的冒放，造成采出率的進(jìn)一步降低。相比之下，大采高就有其獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。大采高采煤工藝多應(yīng)用于3 m～6 m 的煤層開(kāi)采，近幾年神華集團(tuán)研制的大型液壓支架，不斷地突破著大采高開(kāi)采工藝的適用上限。大功率設(shè)備采煤機(jī)、雙中鏈刮板輸送機(jī)以及支掩式液壓支架的綜合適用，構(gòu)成了大采高綜采工藝常用的采掘設(shè)備。大采高綜采技術(shù)采煤工藝作為一種趨于成熟的采煤技術(shù)，對(duì)環(huán)境要求較低，適用范圍較廣，極大地提高了煤炭資源的開(kāi)采率，較其他采煤工藝有著顯著優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)各煤礦優(yōu)先選用的一種煤炭開(kāi)采方式。

1 大采高開(kāi)采工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

因大采高一次采全厚的工藝特點(diǎn)，煤層開(kāi)采后上方垮落的巖層若不能填滿采空區(qū)時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)大的空間，在這個(gè)空間中基本頂會(huì)在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下對(duì)下面的巖層及液壓支架產(chǎn)生沖擊載荷以及在煤體中形成很大的支撐壓力，并引起周期來(lái)壓。這是由于，在這個(gè)大范圍的空間中，上方垮落的巖體不能形成砌體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此會(huì)回轉(zhuǎn)下沉，在下沉過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生這些效應(yīng)[1]。也就造成了大采高采煤過(guò)程中的冒頂和煤壁片幫現(xiàn)象的頻發(fā)以及工作面來(lái)壓比較劇烈。煤壁片幫現(xiàn)象也隨著開(kāi)采深度的增加而越發(fā)嚴(yán)重。

2 工作面工藝特點(diǎn)

大采高與一般采煤工藝區(qū)別不大，但因?yàn)樗O(shè)備龐大以及煤壁片幫較為嚴(yán)重，一般采用長(zhǎng)壁采煤法，這種開(kāi)采工藝有以下特點(diǎn)：

2.1 初采高度較低

由于開(kāi)切眼的高度限制，一般受采掘設(shè)備的安裝影響，設(shè)置在3.5 m 左右，因此初采高度也保持在3.5 m。這個(gè)高度可一直推進(jìn)到頂板的初次垮落，在煤層頂板初次垮落之后，可逐漸將開(kāi)采高度恢復(fù)正常。由于平巷中高度一般達(dá)不到初采高度，因此，在第一次頂板垮落之前，就可先逐漸將兩平巷兩端工作面的高度增加至初采高度，以便在直接頂垮落之后，工作面全長(zhǎng)采高的統(tǒng)一加高。

2.2 煤壁片幫

因煤壁片幫隨著開(kāi)采深度的增加越來(lái)越嚴(yán)重，而大采高工藝在強(qiáng)烈周期來(lái)壓下，偏幫問(wèn)題更為嚴(yán)重。煤壁片幫后使得斷面距增大，頂板失去支撐，因此極易引發(fā)冒頂事故。為了避免煤壁片幫及冒頂?shù)陌l(fā)生，需采用先進(jìn)的設(shè)備及正確的開(kāi)采工序。掩護(hù)式支架前端護(hù)幫板很好地解決了煤壁片幫問(wèn)題，在采煤機(jī)割煤結(jié)束后，要做好及時(shí)帶壓移架，必要時(shí)打開(kāi)一段護(hù)幫板，減少端面距離，一般綜采面不得大于340 mm。第二段護(hù)幫板頂在煤壁上，起支撐作用，在采煤機(jī)要通過(guò)前及時(shí)收起；另外，就是加快采煤工作面的推進(jìn)速度，目前我國(guó)的超大型采煤機(jī)開(kāi)采高度已達(dá)到8 m，功率3 450 kW，牽引速度達(dá)20 m/min；臨時(shí)支護(hù)對(duì)減少煤壁片幫也是極為有效的，木錨桿、樹(shù)脂可切割錨桿等對(duì)煤壁的支撐可加大煤體強(qiáng)度，減少片幫的發(fā)生；注漿錨噴也能增大煤體強(qiáng)度，以及先進(jìn)液壓支架的選用，提高支架的工作阻力以及初撐力能夠緩解圍巖壓力，改善煤壁的片幫以及頂板下沉。

2.3 支架的防滑防倒

工作面傾角較大時(shí)，刮板機(jī)及液壓支架的穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)較大問(wèn)題，一般刮板機(jī)在12°～18°的煤層中就要出現(xiàn)因自身重力而下滑的傾向了，采煤機(jī)在工作面達(dá)到15°以上時(shí)，就應(yīng)配有可靠的防滑裝置。大采高設(shè)備由于其設(shè)備重量更大，支架傾倒問(wèn)題也更為嚴(yán)重，圖1 是對(duì)支架的傾向穩(wěn)定性進(jìn)行分析。液壓支架本身的重力G 以及其上覆巖層作用在支架上的支撐力W 在沿煤層傾角上的分力，應(yīng)小于支架與煤層底板間的摩擦力F，否則便會(huì)發(fā)生支架的下滑。因此，大采高采煤法對(duì)工作面的煤層傾角有很大要求，為了增加設(shè)備的穩(wěn)定性，在開(kāi)采過(guò)程中，大采高采煤有其獨(dú)特的設(shè)備防滑防倒措施：盡量采完頂板煤體，確保液壓支架能夠直接支撐到頂板。在局部冒頂時(shí)，要及時(shí)用木垛支護(hù)，和支架頂部互相支撐，背板一定要做到背嚴(yán)背實(shí)，防止空頂空幫現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)于工作面兩端的支架，要用千斤頂進(jìn)行錨固，工作面傾角過(guò)大時(shí)，還要設(shè)置斜拉防滑千斤頂。端頭支架也應(yīng)具有防滑裝置，并做到與平巷斷面形狀及支護(hù)形式相適應(yīng)。

圖1 支架的穩(wěn)定性分析

3 大采高的評(píng)價(jià)及適用條件

與分層開(kāi)采相比，大采高采煤工藝的開(kāi)采效率得到了極大的提高，巷道的掘進(jìn)量也降低了近一半。也避免的錨網(wǎng)等假頂?shù)匿佋O(shè)，一次采全厚的開(kāi)采方法，減少了工作面的搬家次數(shù)，節(jié)省了費(fèi)用，開(kāi)采效益有很大提高[2]。與放頂煤采煤法相比，其避免了工作面初采及末采損失、端頭損失以及放頂煤過(guò)程中難以避免的工藝損失。但缺點(diǎn)也是比較顯著的，設(shè)備的投資較大，工作面搬遷過(guò)程中由于及設(shè)備的重量過(guò)大，井下搬遷及設(shè)備的安裝是比較困難的，在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)煤壁片幫的治理以及設(shè)備的防倒防滑處理，以及冒頂問(wèn)題的處理也是比較關(guān)鍵的，需要煤礦生產(chǎn)過(guò)程中加大這類(lèi)問(wèn)題的預(yù)防處理力度。大采高采煤法一般適用于傾角較小的煤層，最大不得超過(guò)20°，對(duì)頂板的要求也比較高，一般適用于頂?shù)装遢^穩(wěn)定以及地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單的厚煤層。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)煤炭企業(yè)的不斷發(fā)展，各種先進(jìn)的開(kāi)采工藝層出不窮，大采高采煤方法在煤礦企業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍以及日益趨于成熟。其較分層開(kāi)采以及放頂煤開(kāi)采有著顯著的優(yōu)勢(shì)，也將成為今后煤炭資源開(kāi)采的主流。不斷完善開(kāi)采工藝中的弊端，處理好開(kāi)采過(guò)程中的礦壓顯現(xiàn)及周期來(lái)壓帶來(lái)的冒頂及煤壁片幫問(wèn)題。先進(jìn)采掘設(shè)備的研制，開(kāi)采設(shè)備的防滑防傾倒措施的改進(jìn)，使其適用于更復(fù)雜的煤層條件是大采高開(kāi)采工藝未來(lái)的發(fā)展方向。大采高采煤法為煤礦企業(yè)帶來(lái)了極大的開(kāi)采效率，提高了煤礦開(kāi)采生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，為煤礦企業(yè)高產(chǎn)高效建設(shè)提供了有利保障。