傾斜厚煤層一次采全高綜采工藝探討及應用

李士棟 ， 朱學軍

(1.肥城礦業集團單縣能源有限責任公司，山東 單縣 274300；2.山東科技大學，山東 泰安 271019)

1 地質概況

3200采區布置在工業場地煤柱西側，采區范圍北起3 煤層-1000m 底板等高線，南至3 煤層露頭，西起39426000 線采區邊界，東到工業場地西側煤柱線。見表1。

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

3(3上)煤層直接頂板為細砂巖、粉砂巖和泥巖，厚1.35～17.32m，一般在2～8 m之間。粉砂巖抗壓強度為17.0MPa～35.1MPa，細砂巖抗壓強度為67.6MPa～173.9MPa，屬較穩定～穩定頂板；泥巖則屬于不穩定頂板。3(3上)煤層底板為泥巖、粉砂巖或砂質泥巖，厚度一般1～3m，其抗壓強度為7.80MPa～51.2MPa，屬不穩定～穩定底板。3(3上和3下)煤層的煤類主要為焦煤(JM25)，個別1/3 焦煤(1/3JM35)，煤質以低中灰分、中揮發分、強粘結性、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) 采區構造：為向北北西傾斜的單斜構造，伴有部分斷層和寬緩褶曲，地層傾角一般在32°～29°之間；受區域斷層單縣斷層以及終興斷層的影響，主要發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，區內發現11 條斷層，落差均小于10m。3 煤層水文地質類型為以裂隙、巖溶含水層充水為主的簡單-中等類型。

3) 瓦斯與煤塵： 區內煤層瓦斯含量較低，屬低瓦斯礦井；煤塵有爆炸危險；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℃的二級高溫區，即本井田可采煤層基本上都處于二級高溫區內。礦井開采時地壓大、支護相對困難、成本高。

表1 采區特征表

2 采區巷道布置

2.1 巷道布置

采區共布置三條采區下山，即一條軌道下山、一條膠帶下山和一條專用回風下山。膠帶下山用于煤炭運輸，軌道下山用于材料和人員的運輸兼進風，回風下山用于采區回風。三條下山間距均為40m。

2.2 工作面順槽布置

采用單巷布置，沿空掘巷服務下區段，無煤柱開采方式，間隔開采沿空掘巷。每個工作面布置一條膠帶機順槽，兼回風巷，一條輔助運輸順槽，兼進風巷。主要優點：可以提高煤炭回收率，有利于防止煤層自然發火，而且采場內的采掘工作互不影響，有利于沿空巷道的掘進和維護，所有順槽都是隨采隨廢，巷道維護工作量小。該方式在許多礦區的礦井中已普遍采用，積累了成熟的經驗。

2.3 工作面長度確定

目前，國內類似條件下綜采工作面長度一般在120～180m 左右。針對本礦井開采條件和技術裝備水平，為保證采煤工作面正常接續，確定工作面長度為150m。

3 采煤方法與采煤工藝

3.1 采煤方法選擇

根據采區煤層賦存條件，針對3 煤層采煤方法提出如下兩個方案：一是長壁采煤法方案；二是房柱式采煤法。長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，我國及歐亞各主要產煤國多用長壁式采煤法，美洲、非洲及大洋洲主要產煤國多用房柱式采煤法。

1) 長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，工作面長度一般在100m 至200m 或更長，是我國采用最為普遍的一種采煤方法。

2) 房柱式開采是將煤層切割成方塊，掘進出煤，回收煤柱，采掘設備和人員可以互相轉化，采掘設備購置費和維修費低。該方法煤柱暴露面多，屈服帶寬，煤柱經過一定時間風化或水浸泡后，其強度和穩定性均有所下降。因此，房柱式開采，一般適應煤層埋藏深度小于500m，地壓相對較??；傾角在10°以下，煤層賦存穩定，地質構造簡單；煤層采高0.8～4.0m，頂板堅固密實，底板堅硬；煤層無自然發火等開采條件的煤層。

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

3.2 采煤工藝選擇

3200采區煤層厚度在3.60～6.46m 之間，平均厚度4.69m。設計對回采工藝提出三個方案：

方案Ⅰ：綜采分層(金屬網假頂)開采工藝。

方案Ⅱ：綜采放頂煤開采工藝。

方案Ⅲ：一次采全高綜采工藝。

1) 綜采分層開采工藝，在1974 年開灤礦務局唐山礦試驗成功，分層綜合機械化采煤工藝已在十多個礦務局得到廣泛應用。晉城古書院礦綜采一隊，1988 年運用鋪頂網綜合機械化采煤工藝，創造了年產1.8 Mt/a 的記錄。

2) 我國綜采放頂煤采煤工藝于1982 年開始，先后在沈陽、平頂山、潞安、陽泉礦務局等進行綜采放頂煤采煤工藝工業性試驗。20世紀80 年代后期，經過不斷的探索和攻關，綜采放頂煤采煤工藝得到迅速的發展并取得巨大成功。綜采放頂煤采煤工藝具有節能、高效，掘進率低，生產成本少，經濟效益好的特點，目前已成為厚及特厚煤層采煤方法的發展方向之一。在兗州礦區、潞安礦區、陽泉礦區已普遍使用。特別是兗礦集團以綜放技術為核心的開采技術和工藝，已達到世界領先水平，兗州東灘礦綜采放頂煤工作面2001年單產達到5.42Mt。

3) 一次采全高綜合機械化開采，是一種比較成熟且條件適宜時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，使用該采煤工藝，存在設備選型難、投資大、液壓支架的防倒防滑難度大、頂板控制難等缺點。

4) 陳蠻莊煤礦及其他礦井煤層參數的類比。見表2。

經分析比較，并結合井田初期采區開采技術條件，井田可采范圍內3 煤厚度在0.98～7.06m 之間，平均3.49m。采區內僅CZK11-1 和CZK11-2 鉆孔見煤厚度大于4.0m。采高大于3.5m 的區域，可采面積小、服務年限短；采厚大于3.5m 的區域，主要位于3200 采區內，若采用綜采放頂煤采煤工藝，勢必造成設備和資源的浪費。為更好的統籌礦井其他各采區煤層情況，提高煤炭資源回收率，確定采用一次采全高與分層相結合的采煤工藝，即在采高小于4.0m 的區域，采用一次采全高綜合機械化開采工藝；在3.6～6.46m 區域，采用分層綜采采煤工藝。

表2 礦井煤層參數類比

4 采煤設備選型

1) 新集一礦131105綜采面位于-450m水平，開采深度-509.65～-592.25m，工作面長145m，設計推采長1207m。工作面裝備ZZY9200/24/50支撐掩護式液壓支架，MG650/1480-GWD雙滾筒電牽引采煤機，SGZ-800/2×400型中雙鏈刮板運輸機，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，工作面長100m，設計推采長887m，工作面裝備ZZ7600/19/38型支撐掩護式液壓支架，MG500/1130-WD型電牽引采煤機，SGZ-800/2×400型中雙鏈刮板運輸機，采用一次采全高工藝。

3) 棗礦集團高莊礦3上509綜采面位于-430m水平，工作面長220m，設計推采長1179.5m，工作面裝備ZY6600/25.5/55型掩護式液壓支架，ZTZL60000/25/45巷道支架，MG650/1480-WD型雙滾筒電牽引采煤機，SGZ-1000/1400型中雙鏈刮板運輸機，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，開采深度-650～-1000m，工作面長150m，設計推采長2400m。

根據國內外長壁采煤綜放機械化的發展趨勢，結合本井田初期采區3 煤層賦存條件及其他礦的經驗，考慮設備先進性、適應性和經濟性，同時兼顧設備租賃和維修的方便性，工作面裝備ZZ9600/21/42 型支撐掩護式液壓支架，ZTZL60000/25/45巷道支架，選MXG-300/700D 型雙滾筒無鏈牽引采煤機，SGD-730/320刮板運輸機，采用一次采全高工藝。

5 支架防倒措施

1) 工作面支架防倒，關鍵是注重生產過程架間控制，通過熟練操作和嚴格管理，保持合理架間距，及時調整歪斜支架，支架升降范圍不超過側護板2/3，移架時降柱一般不超過200mm。頂板破碎段，必須采用“帶壓擦頂”移架，防止擠架、咬架、倒架。工作面通過調整偽傾斜角度及運輸機推移方向，防止刮板輸送機上竄下滑。

2) 在工作面下端頭第3、4組支架頂梁及后側連桿部位安設伸縮油缸，通過錨連與第1、2組支架相聯，防止端頭支架傾倒。采用同步絞車防止采煤機下滑。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下滑。

3) 對工作面最下方端頭架，采取移架過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) 對于大傾角俯斜開采，采取了“臺階推采法”，每個循環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 結論與建議

目前，在傾斜厚煤層中使用大采高采煤工藝，國內可供借鑒經驗不多。實踐證明，大采高、大傾角綜采面，通過嚴格管理和落實防倒防滑措施，實現了綜采一次采全高，工作面最高月產15萬t。其成功經驗，對于我們類似條件下的開采工藝及安全生產管理具有借鑒意義。

因此，傾斜厚煤層、大采高綜采工作面的生產管理難度相對較大，尤其在綜采面采高超過4.5m后，頂板破碎、傾角較大的條件下管理難度會明顯增大。在現有的生產技術條件下，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，對礦井實現高產穩產較有利。

[1] 張榮立.采礦工程設計手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

[2] 綜采技術手冊組委會.綜采技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2001.