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1、急倾斜煤层机械化采煤工艺探索与应用（采矿工程师、同心煤矿矿长 刘德振）1 引言我国开采急倾斜煤层的产量比重不大，仅占可采储量的3.89%，但分布很广，几个较大的煤炭基地，都有急倾斜煤层，开采急倾斜煤层的矿井甚多。据2000年统计，国有重点煤矿开采急倾斜煤层的矿井数占17%，产量占3.88%。地方煤矿中急倾斜煤层的产量比重还要大些。由于开采急倾斜煤层有一些特殊困难，在采煤机械化和改善生产技术经济指标方面都还存在不少问题。2 急倾斜煤层采煤的主要特点及传统工艺方法2.1 急倾斜煤层采煤的主要特点 （1）急倾斜煤层的构造复杂，断层和褶曲多，煤层厚度变化较大，开采煤层的赋存条件普遍较差、储量少、开采困
2、难、采煤工作面生产能力小。因此，开采急倾斜煤层的矿井多数是中、小型矿井。（2）急倾斜煤层的倾角大于岩石安息角，采煤工作面采下的煤能自动下滑，从而简化了工作面的装运工作，但下滑的煤和矸石容易冲倒支架，砸伤人员，急倾斜煤层和围岩的节理发育，初次来压和周期来压均不明显，易发生无预兆的大面积突然冒顶垮落，造成顶板事故，给生产带来一些不安全因素。因此，生产的不安全因素多，安全性差。 （3）急倾斜煤层顶板压力垂直作用于支架或煤柱上的分力比缓倾斜煤层小，而沿倾斜作用的分力大，煤层开采后，煤层顶、底板都有可能沿倾斜方向滑动垮落，支架稳定性差，易发生扭曲与倾倒。因而工作面支护工作的难度大。 （4）采煤工作面的行
3、人、运料、落煤、采空区处理等各项工序的操作都比较困难，增加了采煤机械化的难度。2.2 急倾斜煤层常用的采煤方法针对急倾斜煤层采煤的主要特点，根据工作面的布置形式和推进方向，构成了各种各样的采煤方法，其中“高落式采煤法”、“仓储式采煤法”已列为国家明令禁止和淘汰的采煤工艺。2.2.1 急倾斜煤层走向长壁采煤法（1） 倒台阶采煤法台阶式采煤法是开采急倾斜薄及中厚煤层的一种走向长壁采煤法，其主要特点是采煤工作面呈台阶状布置。根据上、下台阶间的相对位置关系，台阶式采煤法分为倒台阶和斜（正）台阶采煤法两种。倒台阶采煤法的工作面呈倒台阶形（图1），工人在各台阶下分组作业，既可避免上方采落煤块的伤害，又能充
4、分利用工作面全长，进行多点作业。工作面长度较短，一般为40-50m。工作面沿倾斜分为23个台阶，台阶长度一般为1020m。上、下台阶的错距为23m。为了通风和行人方便及临时储存煤炭，最下面的台阶与上一台阶错距应加宽到56m，台阶长度缩短为810m。图1 倒台阶式采煤法1区段运输平巷；2区段回风平巷；3超前辅助平巷4溜煤小眼；5溜煤护身版；6脚手板；7支架背板；8超前支护倒台阶工作面一般采用风镐落煤，木支架。每个台阶上配备一台风镐，由23名采煤工进行落煤和支架工作。为了保证支架的稳定性，应采用平行于工作面的一梁三柱或两柱的对接棚子。棚距一般为0.80.9m。为避免采空区跨落的矸石滚入工作面，必须
5、支设密集支柱隔离采空区。台阶面每向前推进0.80.9m，应立即架设一排支架。底板不坚固有滑脱危险时，支架应设底梁。为了防止煤块砸人或滚入采空区，沿工作面适当地点设溜煤护身板，每个阶檐处要刹好背板以防阶檐煤壁塌落伤人。工人操作地点设置脚手板，以保证安全、便于操作。采空区一般用全部垮落法处理（也可用充填法处理采空区，称为倒台阶矸石充填采煤法）。工作面控顶距一般不超过46排支柱，各台阶错碴放顶。回柱工作多采用回柱绞车进行，回柱绞车设在回风平巷内，通过钢丝绳沿工作面自下而上将支柱拉倒，支柱回收较困难。工作面一般为两班采煤，每班推进0.80.9m，另一班放顶，每日一循环，循环进度为1.61.8m。倒台阶
6、采煤法是我国50年代开采急倾斜薄及中厚煤层常用的一种采煤方法，具有巷道布置、通风系统简单，掘进率低、采出率高、对地质条件变化适应性强等优点。但是，这种采煤方法不利于实现采煤机械化，劳动强度大，劳动生产率低，顶板管理工作量大，木材消耗大。风镐是一种震动力很强的工具，使用它进行落煤工作时，对煤体会产生强烈的震动，会加速煤层瓦斯解吸并触发工作面前方应力突变，从而导致突出。除此之外，高噪音也掩盖了突出的有声征兆，使工作人员不能及时发现突出预兆，迅速撤离现场，极易造成人员伤亡。目前，只有厚度小于2m的急倾斜薄及中厚煤层，低瓦斯矿井中有时还有少量应用。（2） 斜台阶采煤法这种采煤方法是为了克服倒台阶采煤法
7、采场控顶面积大，坑木消耗高和工作面内行人、运料不便等缺点而发展起来的，如图2。图2 斜台阶采煤法1区段回风平巷；2区段运输平巷；3开切眼；4新煤壁；5原煤壁（虚线）6加强支护；7木垛；8原切顶线；9档矸帘；10新切顶线；11斜巷；12假顶；13下撑棍；14人行道；15拉杆；16溜槽主要特点是将伪斜长壁工作面分为若干个短面，布置成伪斜正台阶状。采空区处理方法就整个工作面而言是全部垮落法，而对下面的短面而言则是矸石充填法。从而改善了采场顶、底板的受力状态，增强了顶板的稳定性，顶板压力小，无明显周期来压现象，提高工作面的安全可靠性；工作面在采空区下方呈正台阶布置，无瓦斯积聚点，为采空区抽放瓦斯创造了
8、有力条件；落煤损失少，用假顶隔离采空区，资源采出率高；掘进率低。在相同的地质条件下斜台阶采煤法工作面平均单产、工效均有较大幅度的提高，降低了坑木消耗，降低了成本，因而逐步替代了倒台阶采煤法。（3）俯伪斜走向长壁分段水平密集支柱采煤法这种采煤方法在斜台阶采煤法基础上进一步发展，主要特点是：工作面成直线形按俯伪斜方向布置，沿走向推进；用分段水平密集支柱切顶、档矸、隔离采空区与回采空间；工作面分段破煤，煤炭自溜运输。a. 采煤系统（图3所示）为了满足煤炭自溜又方便人员行走，工作面伪倾斜角度一般为300350 ，工作面斜长可达8090m。为了溜煤、通风、行人和溜煤眼掘进工作的方便，工作面下部的溜煤眼不
9、少于3个，掘成漏斗状，并铺有溜槽。b. 采煤工艺 工作面初采由开切眼与区段回风平巷交接处开始，按工作面伪斜角要求自上而下推进，工作面长度逐渐增大，如图4所示。为便于初采时工作面出煤和人员通行，开切眼沿伪斜方向布置。随着工作面向下推进，开切眼自上而下逐段报废。当工作面下端距回风巷4m时，开始支设分段密集支柱。当第一分段密集长度达到5m而直接顶仍不垮落时，采用强制放顶措施。随着工作面的继续推进，不断增设新的分段密集。当工作面煤壁达到图3所示位置时，初采工作结束。图3 俯伪斜分段水平密集支柱采煤法1密集支柱；2“人”字形溜煤眼；3自制钢溜槽；4带帽点柱；5超前掘进头 工作面正常回采：工作面用爆破落煤
10、，自下而上分段爆破。支护采用单体支柱和铰接顶梁。支护形式采用倒悬臂齐梁齐柱布置，柱距0.8m，排距1.0m，单体支柱架设采取防倒措施。沿煤层倾斜方向每隔45m设置一排密集支柱，每排密集支柱沿走向长4m，上铺竹笆或荆片。密集支柱随工作面推进，前添后回，支柱间隔一般不超过0.3m，放顶前后始终保持1315根带帽点柱。相邻两排密集支柱沿煤层走向保持有1.01.5m错距密集支柱除起切断顶板作用外，主要用于档矸。采空区采用全部垮落法处理。当回风平巷下方采空区出现大面积悬顶时，除采用人工强制放顶外，可将上区段采空区冒落矸石放入本区段采空区。图4 工作面初采 图5工作面收尾1区段运输平巷；2区段回风平巷；
11、1区段运输平巷；2区段回风平巷；3开切眼；4溜煤行人眼； 3收作眼；4联络平巷；5调整中的工作面煤壁 5收尾中的工作面煤壁6调整好的工作面煤壁 6收作眼煤柱密集支柱分段的长度与顶板性质、工作面采高、采空区冒落矸石的安息角、煤层瓦斯涌出量以及相邻两排密集支柱的间距等因素有关。分段密集过长，工作面控顶距增大，顶板压力随之增大，回柱困难，而且在密集下方的“三角区”也易积聚瓦斯。密集长度过短，则不能有效地起到档矸作用。在顶板中等稳定的条件下，分段密集的走向长度以4m为宜，最长不宜超过5m。 工作面收尾：当工作面上端推进到距收作眼4m时，工作面进入收尾阶段，这时工作面长度逐渐缩短，如图5所示。为满足工作
12、面收尾时的通风、运料和行人需要，收作眼应始终保持畅通。为此，在收作眼靠工作面一侧应设保护煤柱，其尺寸为宽4m，倾斜长5m。c. 评价及适用条件这种采煤法的主要优点是：工作面沿俯伪斜直线布置，减少了煤、矸的下滑速度，有力于防止冲到支架和砸伤人员，改善了工作面安全生产条件；同时因工作面伪斜直线布置，改善了工作面顶底板受力状况，相对增加了稳定性，不会出现大面积推底和顶板拉裂现象；在区段垂高相同条件下，工作面有效利用率比斜台阶采煤法提高了30%40%，分段走向密集支柱拦截采空区矸石，在工作空间与顶板冒落区之间形成一个自然充填带，减缓了老顶来压的作用。采用这种方法的结果表明，在相同地质条件下，比斜台阶采
13、煤法单产提高90%110%，回采工效提高49%87%，能够取得较好的技术经济效果。存在的主要问题是：工作面支回柱工作量仍很大，工人操作还不够方便；分段密集下方的“三角区”通风条件较差、易积聚瓦斯；煤层顶板有淋水时，劳动环境较差。俯伪斜走向长壁分段水平密集采煤法适用于倾角400以上，顶板中等稳定，煤壁易片帮，工作面采高不超过2.0m的低瓦斯煤层。（4）普通机械化走向长壁采煤法资兴宇字矿，在煤层平均厚1.8m、倾角平均470的工作面中，使用了普通机械化采煤，取得了较好的技术经济效果。工作面沿倾斜直线形布置，装备单滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机及单体支柱。在大倾角煤层中成功的使用普通机组采煤的关键是妥
14、善的解决好采煤机、输送机和支架的防滑问题。防止采煤机下滑的主要措施有：将采煤机改成锚链牵引并保证额定牵引力；在上平巷安装防滑同步安全绞车，辅助牵引采煤机；采煤机机尾安装防滑杆。工作面输送机的防滑措施是：机头和机尾都焊有防滑固定柱底座，打牢防滑固定柱；在上平巷安装防滑绞车；在移置输送机时必须遵守先移上后移下的顺序，先移并固定工作面上部的机尾，再移中部槽。中部槽分段增加临时柱固定。防止工作面支架下滑的主要措施是：采用带底梁的一梁三柱平行工作面棚子，梁头对接；两排柱间铺防滑脚踏板，以便于人员上下和作业。从目前应用该采煤法的一些矿井条件来看，效果良好。但煤层倾角不宜超过500，煤厚小于2m，顶板中等稳
15、定。（5） 综合机械化走向长壁采煤法北京大台矿实验了全部充填综合机械化走向长壁采煤法。工作面按伪倾斜布置，与上下平巷夹角为700。工作面长50m，采高1.44m。综采配套设备包括双滚筒采煤机、支撑式液压支架、乳化液泵等。采煤机由液压绞车牵引沿导轨运行。首先在工作面下端斜切进刀，随后单向上行割煤，一般是前滚筒割底煤，后滚筒割顶煤，割落得煤自溜至运输平巷由刮板输送机运出。采煤机导轨与液压支架铰接，用千斤顶推移。移架顺序是自下而上逐架移置。工作面采用矸石自溜充填法管理顶板，矸石来自地面或井下掘进工作面。用侧卸式矿车运至工作面上平巷充填到采空区。随工作面向前推进，在上平巷要移设天轮架和天轮，以便进行下一次割煤，天轮架用绞车移架。实验结果表明：急倾斜薄及中厚煤层使用综机采煤能显著降低工人劳动强度，提高劳动生产率；在液压支架下工作，不易发生冒顶事故，安全可靠；能提高工作面产量，降低材料消耗；能提高煤质和工作面采出率，因而是今后的发展方向，但目前在设备研制及应用上仍存在不少问题，有待进一步改进。急倾斜煤层用走向长壁采煤，由于倾角大，给工作面顶板管理、设备运行等带来了一系列困难，所以机械化采煤至今仍处于工业性试验阶段。在落
