急傾斜薄及中厚煤層開(kāi)采方法及發(fā)展分析

汪永印，李緒方

（1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州萬(wàn)恒科技發(fā)展有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025）

急傾斜煤層指傾角大于45°的煤層。國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)煤區(qū)均有分布，急傾斜煤層約占中國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的25%，而產(chǎn)量卻不足10%[1]。

大傾角煤層通常指35°～55°的煤層。下限為35°是由矸石的自然安息角所確定的，但上限55°則是根據(jù)當(dāng)時(shí)技術(shù)裝備條件下布置長(zhǎng)壁工作面所能達(dá)到的極限角度而確定的。我國(guó)大傾角煤層已探明儲(chǔ)量約（1800～3600）×108t，產(chǎn)量約（18.5～3.0）×108t，分別占全國(guó)儲(chǔ)量和產(chǎn)量的10%～20%和5%～8%[2]。

目前，貴州及國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)于大傾角煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采方面的研究已經(jīng)有了成功的經(jīng)驗(yàn)。如貴州六枝某礦成功的急傾斜柔性液壓支架配合截煤機(jī)的急傾斜煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采方法已經(jīng)試采成功。

目前貴州及國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)在傾角大于60°的急傾斜煤層的機(jī)械化開(kāi)采領(lǐng)域已經(jīng)做出過(guò)有益的嘗試。偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法曾經(jīng)作為傾角大于60°的薄及中厚急傾斜煤層開(kāi)采的有效方法，由于產(chǎn)量低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，機(jī)械化程度低等因素已經(jīng)難以滿(mǎn)足煤炭工業(yè)機(jī)械化、智能化的發(fā)展需要[1,3]。但是，在偽傾斜柔性掩護(hù)支架能有效隔離采空區(qū)的思路影響下，國(guó)內(nèi)多家煤礦及科研機(jī)構(gòu)分別研制出液壓可伸縮柔性掩護(hù)支架[4]、自移式柔性掩護(hù)液壓支架[5]；為減少急傾斜煤層開(kāi)采時(shí)工作面爆破落煤的工作量，部分科研機(jī)構(gòu)研制出銑采采煤機(jī)[4]、鋼絲繩鋸采煤法[6]、巷道放頂煤采煤法[7]、采煤機(jī)配合移動(dòng)氣墊采煤法等。

1 急傾斜煤層主要采礦方法簡(jiǎn)介

1.1 急傾斜煤層主要采礦方法分類(lèi)

目前，急傾斜煤層薄及中厚煤層的采礦方法主要有臺(tái)階采煤法、掩護(hù)支架采煤法、巷道放頂煤采煤法、機(jī)械化/綜合機(jī)械化采煤法以及地下氣化等，急傾斜薄及中厚煤層主要開(kāi)采方法如圖1所示。其中的臺(tái)階采煤法基本淘汰。

1.2 柔性掩護(hù)支架采煤法

柔性掩護(hù)支架采煤法利用柔性掩護(hù)支架隔離采空區(qū)，人員在掩護(hù)支架下方工作，有效提高了工作面的安全狀況。主要采煤方法分類(lèi)如圖1所示。其中真傾斜掩護(hù)支架采煤法已經(jīng)淘汰。

圖1 急傾斜薄及中厚煤層采礦方法分類(lèi)示意圖

1.2.1 偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法

偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法工作面由于通風(fēng)困難、產(chǎn)量低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度低等因素已經(jīng)難以滿(mǎn)足現(xiàn)代煤炭工業(yè)機(jī)械化、智能化的發(fā)展需要[1]。

為提高工作面產(chǎn)量，通常需增大區(qū)段高度。為緩解由于區(qū)段高度的增加導(dǎo)致的煤炭運(yùn)輸時(shí)的向下的沖擊力，常采用在掩護(hù)支架中部增加平架子段、溜煤斜巷、溜煤高眼以及通過(guò)增加腰巷（中巷）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)分段運(yùn)輸[1]。又由于增加了溜煤斜巷、溜煤高眼、中巷等導(dǎo)致工作面分段進(jìn)入新鮮風(fēng)流，導(dǎo)致工作面下段風(fēng)量不足，上段風(fēng)速超限，給原本就因?yàn)榈販蠑嗝嫘《嬖谥T多通風(fēng)問(wèn)題的偽傾斜柔性掩護(hù)支架工作面帶來(lái)新的管理難度。

1.2.2 掩護(hù)支架類(lèi)型

柔性掩護(hù)支架的主要支架類(lèi)型有7字型、“〈”形、八字型、一字型。為增加掩護(hù)支架對(duì)煤層厚度的適應(yīng)性，目前有可變寬度的液壓可伸縮型掩護(hù)支架[4]以及部分實(shí)現(xiàn)自移的液壓支架[5]。

1.2.3 破煤方式

柔性掩護(hù)支架采煤法的主要破煤工藝有風(fēng)鎬破煤、爆破破煤、銑采/俯采采煤機(jī)破煤。為減少爆破或風(fēng)鎬破煤的工作量，目前發(fā)展有銑采采煤機(jī)[4]、俯采采煤機(jī)等，即基于柔性掩護(hù)支架的機(jī)械化采煤法。

1.3 巷道放頂煤采煤法

巷道放頂煤采煤法主要有單分段水平放頂煤采煤法，區(qū)段高度一般稍大于10m，輔以中深孔松動(dòng)爆破[7-8]。為提高推進(jìn)速度，采用放頂煤液壓組合支架，后架以放煤為主，在掩護(hù)梁和頂梁設(shè)置放煤口，進(jìn)行中位和高位放煤。前架以驅(qū)動(dòng)為主，采用履帶式電動(dòng)牽引。

為增加區(qū)段高度，提高工作面產(chǎn)量，改進(jìn)的巷道放頂煤開(kāi)采方法有“兩段三平巷”式開(kāi)采方法，其目的都是通過(guò)上、下區(qū)段錯(cuò)茬推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作面同時(shí)開(kāi)采，巷道布置類(lèi)似于偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法的增加腰巷/中巷的開(kāi)采方法。

為減少巷道掘進(jìn)工程量，通過(guò)維護(hù)放頂煤巷道，形成單一巷道放頂煤采煤法，但需要布置邊界回風(fēng)上山。具體做法是，在放頂煤巷道內(nèi)，靠近底板側(cè)維護(hù)一條人字形巷道作為工作面的回風(fēng)巷。工作面的風(fēng)流由放頂煤巷道進(jìn)入，然后通過(guò)維護(hù)的人字形巷道回風(fēng)至采區(qū)邊界上山。

1.4 機(jī)械化采煤法

機(jī)械化采煤法主要是通過(guò)反井鉆機(jī)、鋼絲繩鋸，采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采，主要采礦方法分類(lèi)如圖1所示，其中普通機(jī)械化采煤法已經(jīng)淘汰。

1.4.1 房柱式充填采煤法

房柱式充填采煤法由工作面回風(fēng)巷裝反向鉆機(jī)、向下施工導(dǎo)向孔、下放鉆桿、在運(yùn)輸巷根據(jù)煤厚安裝刷擴(kuò)刀盤(pán)、反向鉆采落煤、在回風(fēng)巷拆除鉆機(jī)的方式回采。通常，將工作面劃分為若干個(gè)房柱，房柱交替回采，回采后的房柱采用矸石+膠凝材料充填。

1.4.2 鋼絲繩鋸采煤法

工作面長(zhǎng)度一般10～30m，煤鋸繩長(zhǎng)5～7m，每隔1～1.5m裝一個(gè)鋸齒，采過(guò)的空間不支護(hù)，每隔一定距離留設(shè)2～3m的煤柱，為此，要在工作面前方每隔20～30m預(yù)先開(kāi)好一個(gè)切眼。

采煤工不進(jìn)入工作面，只是在巷道中開(kāi)動(dòng)絞車(chē)和移動(dòng)導(dǎo)向滑輪，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且設(shè)備簡(jiǎn)單。存在的問(wèn)題是斷繩處理困難，煤炭可能自溜進(jìn)入采空區(qū)，采出率底，含矸率高等。

為解決采出率及斷繩維修等問(wèn)題，發(fā)展有鋼絲繩鋸+移動(dòng)氣垛采煤法，依靠鋼絲繩懸吊單排氣垛并以絞車(chē)牽引鋼絲繩移動(dòng)氣垛。根據(jù)頂?shù)装鍘r性可以采用單排或雙排氣垛。

這種采煤方法所需勞動(dòng)量小，坑木消耗小，可遠(yuǎn)距離操作；但是氣墊卸載時(shí)間長(zhǎng)，且存在密封性問(wèn)題。

1.4.3 采煤機(jī)+移動(dòng)氣墊采煤法

通過(guò)空氣管路給氣垛充、放氣，根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)氣垛的支撐作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，保護(hù)采面的采煤機(jī)不受采空區(qū)矸石的沖擊。

采煤機(jī)工作時(shí)兩組氣垛充氣，分兩列支撐在上下頂板之間，工作面布置如圖2所示。

1.4.4 液壓掩護(hù)廂體支架+截煤機(jī)綜合機(jī)械化采煤法

液壓掩護(hù)廂體式支架+截煤機(jī)的急傾斜煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采方法，首次應(yīng)于貴州六枝某礦試采成功，采用液壓掩護(hù)廂體式支架，創(chuàng)新了急傾斜煤層頂板支護(hù)管理技術(shù)及裝備；研發(fā)了急傾斜煤層采煤機(jī)械，創(chuàng)新了急傾斜煤層機(jī)械落煤工藝，實(shí)現(xiàn)了急傾斜65°以上煤層機(jī)械化開(kāi)采，形成了急傾斜煤層機(jī)械化開(kāi)采的成套技術(shù)、工藝及裝備，工作面布置如圖3所示。

圖3 液壓掩護(hù)廂體式支架+截煤機(jī)綜采工作面布置圖

但是，目前安裝使用的急傾斜柔性液壓支架前探梁為固定式，還不能很好的根據(jù)煤層厚度變化來(lái)調(diào)整前探梁的長(zhǎng)短以更好地適用煤層厚度的變化。

1.4.5 大傾角煤層長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法

（1）采煤法。采煤機(jī)下行割煤，反向割三角煤，割煤后采用追機(jī)拉支架，返刀收浮煤，分段停機(jī)推移刮板機(jī)，正常推溜時(shí)只能從機(jī)頭向機(jī)尾方向依次移溜。

使用掩護(hù)式大傾角液壓支架，使用架前和架間擋矸門(mén)。架前擋矸裝置安裝于刮板機(jī)的槽幫上，可調(diào)高度。架間擋矸裝置安裝于支架底座的兩側(cè)，可調(diào)寬度。

（2）綜采支架的發(fā)展。隨著大傾角煤層長(zhǎng)壁綜采的研究發(fā)展，已經(jīng)形成了主動(dòng)防倒防滑、自動(dòng)扶正、穩(wěn)定狀態(tài)三維可調(diào)、防陷底防片幫、工作阻力分區(qū)控制的第3代綜采支架和適應(yīng)工作面?zhèn)胃┬辈贾玫牡?代異形液壓支架[2]。

（3）綜采機(jī)械化開(kāi)采的主要難題。目前我國(guó)的非專(zhuān)門(mén)開(kāi)采設(shè)備（液壓支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)）在增加防倒防滑裝備后的最大適用傾角小于35°；但當(dāng)傾角大于55°時(shí)，由于設(shè)備能力等因素，很難使用工作面傾斜布置走向推進(jìn)的傳統(tǒng)開(kāi)采方法[2]。

回風(fēng)巷附近支架的空頂、倒滑、沖擊失穩(wěn)，運(yùn)輸巷附近支架的推垮以及非對(duì)稱(chēng)載荷場(chǎng)內(nèi)異形斷面巷道支護(hù)也是大傾角綜采面臨的難題。

2 發(fā)展趨勢(shì)

以人為本的采礦發(fā)展理念，要求采礦方法必須實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化、智慧化、無(wú)人化。但是，目前關(guān)于急傾斜煤層的采礦方法均存在不同的弱點(diǎn)。

繩鋸采煤法受限于繩鋸及氣墊的維修量、含矸率、采出率等因素。

柔性掩護(hù)支架采煤法受限于柔性掩護(hù)支架的拆、裝的繁重工作，受限于工作面的采煤機(jī)械的牽引及運(yùn)輸溜槽的安裝及拆卸工作。

巷道放頂煤采煤法受限于放頂煤高度小、產(chǎn)量低、含矸率、采出率等因素。

大傾角煤層長(zhǎng)壁綜采(放)的理論研究、關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)是以緩傾斜煤層為基礎(chǔ)的，隨著現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不斷拓寬，對(duì)55°以上的煤層開(kāi)采的安全與產(chǎn)效問(wèn)題凸顯，已經(jīng)成為大傾角煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采的“瓶頸”。但是，隨著大傾角煤層長(zhǎng)壁綜采裝備體系的發(fā)展，綜合機(jī)械化開(kāi)采大傾角煤層是主要發(fā)展方向。

因此，必須針對(duì)大傾角煤層研究開(kāi)采過(guò)程中最基本的科學(xué)問(wèn)題并獲得突破，提出“顛覆性”的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)新方法和新裝備，才能實(shí)現(xiàn)安全高效與綠色開(kāi)采。

3 新思路、新方法分析

巷道放頂煤采煤法，由于其巷道系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并由于工作面不需要支護(hù)且實(shí)現(xiàn)了工作面無(wú)人作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為急傾斜薄及中厚煤層開(kāi)采的主要研究方向之一。為提高巷道放頂煤工作面的產(chǎn)量，采取輔助手段破碎煤體，并實(shí)現(xiàn)煤體與采空區(qū)矸石的有效分離，以便于順利進(jìn)行巷道放頂煤開(kāi)采已經(jīng)成為急傾斜薄及中厚煤層機(jī)械化開(kāi)采的重要思路。

串珠繩鋸由于剛度大，切割硬度大，切割長(zhǎng)度大，切槽小，對(duì)煤的整體性破壞小，能很好的適應(yīng)煤層厚度變化，可有效地將煤體與頂、底板分離、將煤體切割成薄層狀條帶塊狀，從而讓煤體易于整體下移垮落，減少與矸石的混合，將成為急傾斜煤層巷道放頂煤開(kāi)采的有效的輔助破煤手段。

3.1 串珠繩鋸

目前，已經(jīng)有應(yīng)用于煤礦井下的防爆型電動(dòng)三代繩鋸機(jī)FBDSJ-Ⅲ，目前，串珠繩鋸機(jī)主要用于低滲透煤層切槽卸壓的瓦斯治理工作。防爆型電動(dòng)三代繩鋸機(jī)FBDSJ-Ⅲ如圖4所示[9]。

圖4 防爆型電動(dòng)三代繩鋸機(jī)FBDSJ-Ⅲ圖

3.2 串珠繩

串珠繩通常采用在鋼絲繩的外周沿軸向一定間隔固定環(huán)狀串珠切削體或者在鋼絲繩上沿軸向連續(xù)配列螺旋狀切削體，并將鋼絲繩的兩端焊接起來(lái)成為繩鋸，由于切削體的突出部分呈螺旋狀，在徑向，相鄰的裸線(xiàn)上的切削體形成連續(xù)移動(dòng)切割，易于排屑。由于這種串珠繩的整個(gè)表面都有切削體，因而不論在鋸的軸向還是徑向均可切割；又由于這種鋼絲繩沒(méi)有使用絞合線(xiàn)，因而柔軟性小，剛性大。

3.3 開(kāi)采方法

采用在工作面運(yùn)輸巷沿煤層走向布置放頂煤液壓支架，采用放頂煤工藝，采用串珠繩鋸作為輔助破煤工藝。

該采煤方法的巷道布置系統(tǒng)類(lèi)似于走向長(zhǎng)壁工作面巷道布置系統(tǒng)，工作面巷道主要包括：工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、開(kāi)切眼，必要時(shí)在工作面前方每隔5～6m布置通風(fēng)眼。

3.3.1 串珠繩鋸的安裝

在工作面運(yùn)輸巷安裝串珠繩鋸主機(jī)，在工作面回風(fēng)巷安裝串珠繩鋸輔機(jī)。

將串珠繩繞過(guò)工作面回風(fēng)巷的串珠繩鋸輔機(jī)的從動(dòng)輪及導(dǎo)向輪，再由工作面開(kāi)切眼牽引并繞過(guò)工作面運(yùn)輸巷主機(jī)的導(dǎo)向輪及主動(dòng)輪，然后將串珠繩首端和末端連接套入并拉緊后安裝完成。

3.3.2 回采

開(kāi)動(dòng)串珠繩鋸主機(jī)，主動(dòng)輪帶動(dòng)串珠繩順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，串珠繩鋸主機(jī)、輔機(jī)同時(shí)在機(jī)座上行走實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面煤層的切割?；夭蛇^(guò)程中，采煤工人不必進(jìn)入工作面，只需要在巷道內(nèi)開(kāi)動(dòng)繩鋸及調(diào)整導(dǎo)向輪位置。

主動(dòng)輪、導(dǎo)向輪數(shù)量及串珠繩條數(shù)根據(jù)煤層厚度、硬度等參數(shù)確定。

3.4 巷道放頂煤工藝

放頂煤液壓支架的前架采用同降同移，后架采用邁步式移動(dòng)，移后架時(shí)始終有三個(gè)面支護(hù)頂板，頂板支護(hù)面積大，可有效管理頂板。也可根據(jù)頂板的情況將后架調(diào)整為整體移動(dòng)。

3.5 主要優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.5.1 與其他急傾斜煤層采煤法的比較

與傳統(tǒng)的巷道放頂煤開(kāi)采法、偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法相比較，主要技術(shù)參數(shù)比較如表1所示。

表1 不同采礦方法主要技術(shù)參數(shù)

由表1可以看出，基于串珠繩鋸的急傾斜薄及中厚煤層巷道放頂煤采煤法，具有區(qū)段高度大、推進(jìn)速度快、回采率高、工作面需要的工人少等優(yōu)勢(shì)。

3.5.2 主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

（1）實(shí)現(xiàn)了工作面無(wú)人作業(yè)，安全性高。

（2）提高了區(qū)段高度及工作面產(chǎn)量，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)段高度120m以上而不需要布置腰巷。

（3）提高了煤質(zhì)及回采率。

（4）對(duì)煤層厚度及傾角的適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造及煤厚變化適應(yīng)性強(qiáng)。

（5）實(shí)現(xiàn)了急傾斜薄及中厚煤層的機(jī)械化開(kāi)采。為后續(xù)自動(dòng)化/智能化開(kāi)采提供了機(jī)械化技術(shù)基礎(chǔ)。

（6）還可以作為保護(hù)層開(kāi)采措施、低滲透煤層卸壓增透防治瓦斯的輔助措施。

4 結(jié)論

根據(jù)急傾斜煤層開(kāi)采時(shí)，煤炭可以利用自重下滑的特點(diǎn)，改造應(yīng)用于低滲透煤層切槽卸壓的串珠繩鋸，將其用于對(duì)巷道放頂煤工作面的煤體進(jìn)行預(yù)破碎、預(yù)切割，從而將煤體切割成條帶塊狀并實(shí)現(xiàn)煤體與頂?shù)装宓姆蛛x，可以有效提高巷道放頂煤開(kāi)采時(shí)的區(qū)段高度，進(jìn)而提高工作面產(chǎn)量及回采率，降低巷道掘進(jìn)率及含矸率。