急傾斜薄煤層采煤方法研究與應用

摘要：急傾斜煤層開采方法一直是采礦技術中的難題，相關研究學者對此進行大量實驗研究[1]，也取得了一些新的進展，但由于急傾斜薄煤層特殊且保證開采過程安全的性質，低成本、高效和安全的開采方法仍是當前研究的重點。因此，研究、選用較好的開采方法對于高效回收煤炭資源、提高經濟效益及社會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：TD823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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構，工作面位于單斜構造部位，煤層局部發育有反“S”倒轉現象，給工作面布置與采煤方法帶來很大的困難。大安山礦區賦有開采價值的急傾斜煤層的煤炭儲量，煤質較好。因此，研究、選用較好的開采方法對于高效回收煤炭資源、創造更大的經濟效益是必要的考慮因素。

1? 急傾斜煤層主要開采方法評述

1.1 柔性掩護支架采煤法

采煤方法需根據實際煤層的結構特點和煤質特性而定，柔性掩護支架采煤法是應對某煤礦具有急傾斜煤層而研發的一種常用開采方法，已在我國多個地區及煤礦得到應用，包括淮南、四川等地及開灤、淮南礦等礦區，并且實際開采效果較好，獲得相應的經濟效益。

相比之下，柔性掩護支架采煤法與其他方法相比，有幾個方面優點，如下：①工程施工量減少。因為工作面設計是沿工作人員走向直線化采掘，與單走向長壁式采煤有十分相似的工作原理，煤礦采掘進度實施過程中，此方法比較俯斜推進以及一些柱式方法等，在溜眼作業和巷道開采掘進單位效率等方面，明顯提高了采煤效率;②生產工藝流程大大縮減。當采用此采煤方法時，通常情況下頂板支撐及管理工作得到極大化的簡化，嚴格控制效率的單位損耗;③工作面獨立操作性強。技術人員在工作面進行回采作業時，相獨立面上，掩護支架的拆解等維修工作能與此形成相互獨立、干擾度小的環境，對于實現采煤工作三班輪換制提供可能，因為大大壓縮了非生產時間的空隙作業時間。

同時，此方法有幾個方面的缺點：①結構適應性較差。在實際采煤過程中，頂板煤層的厚度具有流變特性，相應的厚度和傾角都在變化，這種支架在這方面的應對能力較差，單一的承受壓力方式就需要煤層賦存狀態相對穩定，否則在實際作業時，不能保證系統的穩定性和安全性;②煤層應用范圍小。此方法在煤層厚度為2～8m、傾斜角度在60°～70°之間時，使用效果最佳;但是在煤層厚度較厚時（大于10m）或者傾斜角度不足60°的特點下，不適應與此方法的實施。③排矸效果較差。掩護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隔離，導致回采時排矸流程實施困難，伴隨著煤層變薄而造成破底風險。

1.2 俯偽斜走向長壁分段密集采煤法

20世紀80年代，四川芙蓉礦務局針對急傾斜煤層開采難的問題提出了俯偽斜走向長壁分段密集采煤法[2]，此方法在煤層環境十分復雜的礦區進行試驗，具體的條件為：傾角在38°到52°范圍內，煤層特點是大部分為薄煤層及少量中厚煤層，且隨即試驗應用得到成功，是我國面對此特點煤層開采的一大進步。

俯偽斜走向長壁分段密集采煤法的作業過程特點為：工作面的空間結構設計為俯偽斜直線型[3]，當進行采掘作業時，一些煤壁會發生掉渣現象，一方面減少人員的安全問題，另一方面避免煤渣掉落進入采空區而引起的煤量減少等現象，為實現機械化采煤及智能化開采做好技術儲備和支撐。

此方法與傳統的臺階式采煤法相比，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，一些區段環境特點為垂高一致時，作業效率有30%～40%的提高，單體產出效率明顯優于傳統作業方法。

對分段走向密集作業進行分析發現，作業面波及周期規律不明顯。因為通往密集阻隔的采空區的矸石會在上方為頂板下方為作業區域的自然形成的礦物充填帶，同時，跟隨采掘進程不斷推進前移密集柱，此時，相應的充填區隨之進行前進，作用是為了時刻保持冒落區與作業區的隔離安全問題。

此方法有以下三個缺點：①工作空間工作任務繁重，機械化程度低，造成經濟成本較高;②大部分區段的煤柱單位損耗量大，幾乎占整個區段煤量的10%～15%;③在分段走向匯聚處的密集區域，易形成空間狹窄，空氣流通不便等問題，同時容易導致瓦斯匯合導致密度高等危險性區域。

1.3 倉儲采煤法

我國應用倉儲采煤法最早始于20世紀50～60年代，是專門針對我國某些礦區煤層應對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，例如開采過程中對煤層地質與巖石圍壓有很高的要求，安全系數低。

倉儲采煤法具有以下特點：將倉儲的煤可視為支撐體對儲存空間起到受力支護的作用，當煤層壓力較小或倉儲量較大時，工作面基本不采取其他支護手段，這種換位借力的方法減小了作業成本和提高了工作流程的效率。由于采煤落區和儲存區由一定重疊部分且工作程序相互獨立，從經濟效益的角度出發，極大的減輕了運輸系統的效率和故障發生率。

根據多年的現場應用反饋得出;此方法適用于頂板結構穩定、上層地質層無水分滲流以及厚度較薄的煤層，同時，不能在瓦斯涌出量大和火區范圍廣等特點的煤層使用。從2008年起，我國出臺相關規定，所有礦區企業嚴禁使用倉儲式采煤法，所以排除此方法在急傾斜煤層開采的應用。

1.4 長孔爆破采煤法

長孔爆破采煤法是利用打孔爆破的方式進行工作，不需要人工作業，具有操作方便，人員安全性好等優點。此方法從應用到現在，一直在實際生產中得以使用，一些礦區采用此方法，如福建陸家地煤礦和寧化煤礦等。次方法具有靈活性好、適用作業環境范圍廣等特點，同時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過程中[5]。

長孔爆破采煤法具有以下三個優點：①工作過程安全穩定性系數高。整個過程無需人員進入，可先在巷道中進行打孔和裝藥等工序，規避采空區上方冒矸的現象發生;②降低生產經濟成本。實施打孔爆破的作業方式后，會減少坑木的消耗量，據現場數據反饋，年統計量減少了30%左右，相應的噸煤產率成本也降低至30%以上;③提高作業流程的簡易性。首先，打孔采用半機械化操作方式，能適應于大部分實際環境。同時，煤層打眼的工作所需的人員數量也極大減少，一般可減少50%人力輸出，提高了單位時間輸出效率和經濟效益。

同時，此開采方法存在四個方面的缺點：①作業方式單一，引起單位產量低。當打孔人員進入巷道進行定位打孔時，整個流程只能單點作業，帶打孔結束后人員撤出，然后再進行出煤和掘進工作，不能充分集中時間進行采掘工作;②不能保證煤質質量。當需采煤層較薄時，炮藥量不能準備把握，存在爆炸效果與范圍的平衡問題。如果頂板長時間使用且穩定性變差后，炮眼方向及深度不能保證爆破力度的要求，會造成煤矸混雜在一起，影響最終的出煤質量;③通風管理力度不足。爆破后巷道內瞬間形成強大的煤塵氣流，一部分乏風會作用在采空區，對巷道的通風工作帶來極大的不便;④環境適用能力差。此方法一般只適用于作業區頂板比較穩定，瓦斯含量較低的礦井，避免由于大量煤塵的產生而引起爆炸事故。

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用于急傾斜煤層的開采作業中，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，其原理是根據液壓供給提供支撐作用力，是介于單體型液壓和機械化液壓之間，逐漸因其適用范圍廣被一些企業所采用。

從經濟成本和使用便捷性方面對滑移支架放頂煤進行分析，具有以下優點：①使用成本低。采用初期的安裝費用少，相比于機械化液壓支架足足縮減1/3～1/5;②單位時間采掘量大。因為這種支架采用多分段式結構，整個掘進面一般在10m及以上，傳統的水平分層開采過程中，都必須單獨進行平巷和溜眼工作，增大了工作強度;③支架可操作性強。由于所使用的的支架具有體小質輕，輕便靈活的特點，在使用過程中，能很大程度的減少人工操作量，同時，對于不同厚度的煤層而言，這種支架都可隨之進行相應的變化。

但是，實際應用中也發現一些缺點：①支架功能匹配度不高?；祈斄菏轻槍眱A斜煤層專門設計的，在放頂煤的工藝中此支架不能完全應對所有的煤層特點和地質環境所帶來的特殊性;②使用穩定性較差。滑移頂板因移動靈活而被使用，同時，也因其滑移過程中的反復承載與卸載，一定程度上對頂板的整體安全性能造成破壞，作業中存在安全問題。

1.6 水平分段放頂煤采煤法

我國針對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，相近的綜合性技術被逐漸應用，例如綜采支架放頂煤技術經過不斷模擬試驗后引用在急傾斜煤層的開采工作中。此方法先后在多個礦區如遼原梅河礦等進行試驗性應用，并取得了較好的目的效果。

水平分段放頂法在應用過程中有以下優點：①采煤效率提高。此方法較其他整體煤的產出效率提高2-6倍，原因是工作單位時間內生產資料較為集中，機械化應用的范圍及程度較好。②勞動利用率高，經濟成本低。根據一些礦區的實際應用數據得出，相同條件下，工作面效率有2-8倍的提高，綜合考慮，工作時間的減少對生產效率的提高有一定的幫助。

與此同時，據實際生產經驗反饋得出其存在的主要缺點為：①應用范圍的適應能力不足。由于不同煤礦的煤層特點不同，其厚度變化不規律和中間斷層不穩定等原因，易造成厚度低于20m的急傾斜煤層出現穩定性差異問題。②煤塵引起的環境指數差。產生較大的煤塵含量會引起工作空間的單位煤塵量過高，對作業人員的身體以及防止濃度過高出現爆炸的安全性關鍵問題。

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的方式進行標高劃分，形成多個小的區段，由于結構合理性角度考慮，區段下部進行放煤巷道的設計與施工。同時，考慮整體通風系統穩定性的前提下，將巷道兩端出口進行采回量取的連通和結合，在解決放煤問題的同時通過結構性眼孔的布置盡可能的實現巷道內所有工序正常的運行。以機械化控制的條件下，自動管理放煤眼孔的開關，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律進行分析，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，放煤巷道的設計實質是保護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的安全實施和合理運用。

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的短壁工作面，區段上部回風平巷與區段下部運輸平巷構成全風壓通風系統，上下平巷安設絞車，帶動鋼絲繩上安設的“鋸頭”做往復運動以實現落煤，煤炭實現自溜運輸。

2.2 長孔松動爆破采煤法論證

松動爆破是指利用巨大的振蕩力使煤層就地發生破碎。而長孔松動爆破是依據松動爆破的原理并在其基礎上合理設計鉆孔長度和裝藥相結合的方法，在煤層內爆破，使煤體達到松動，成為散體的一項技術。[6]

2.3 綜采技術應用論證

綜采技術在緩傾斜煤層開采中充分發揮了它的工藝優勢，如要在急傾斜煤層中取得較好的技術、經濟效果，必須根據急傾斜煤層回采和支護工作的特點進行改進，對應用中的主要技術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標高等分的方式對不同的采區進行合理劃分，標準分段的距離為15～20m范圍內。排煤巷道的設計是根據自上而下的順序結構在區段下部建造，同時，排煤巷道的兩個端口依次連接采區的進風和回風系統，形成循環合理的全風壓通風。以上所分析的工藝都應該在排煤的巷道內合理有序的進行，如需設計放煤的眼孔，需借助巷道內側煤質穩定的特點進行操作，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，爆破效果應該使確保巷道上方的頂煤發生均勻破碎，這樣是利于采場的收集與堆放。急傾斜巷道放頂煤法開采系統如圖1所示。

2.5 俯偽斜走向長壁分段密集采煤法論證

該采煤法以1～3排基本支柱為構建根本，依次以平行于工作面的方式進行布置，合理的回采系統設計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”轉換成為具有阻攔矸石滑落的可能性，最后會形成充填帶用來支撐作業面，在隔空區和回采區形成不同的三角地帶。這三帶可改變了采場礦壓的分布狀態，給回采工作面的生產、安全帶來良好的效果[7]。

俯偽斜走向長壁回采具有明顯的優點：由于偽俯斜布置方式的特點，排柱的流向方式會呈現一種密流式下滑流動態，隨后產生逆流式的阻擋作用，對于解決急傾斜工作過程中產生的各種矸石滑落以及底板松動等問題。其目的是以空間化傾角化陡為緩便于分段平行作業，提高煤的開采效率密度。

2.6 俯偽斜密集采煤法論證

傾斜密集的構造原理是為了防止采空區落矸，為防止采空區矸石沖擊密集排柱，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。

在靠近采空區側從工作面下部到上部連續打兩排密集支柱，隔離采空區。從下往上回柱放頂。三班采煤，邊采邊準。

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。煤炭自滑運輸。工作面爆破一次后，停止爆破，進行支護。每次支護支柱一排，從工作面下部往上開始支護。從工作面下部開始回柱放頂，支護密集與回撤密集支柱。

3? 結論

通過對急傾斜薄煤層多種采煤方法的論證，重點選擇方案為三種急傾斜綜合機械化采煤法、巷道放頂煤采煤法、俯偽斜走向長壁分段密集采煤法，考慮到煤層平均傾角較大，對于平均傾角大于60°的煤層采用綜合機械化采煤工藝尚處在試驗研究階段，無安全高效的成功案例，項目。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。

參考文獻：

[1]來永臣.攻克急傾斜薄煤層開采難關[J].煤炭工程，2009（04）：79.

[2]張煜鋮.大安山礦急傾斜煤層開采工藝優化研究[D].遼寧工程技術大學，2008.

[3]王明立.急傾斜煤層開采巖層破壞機理及地表移動理論研究[D].煤炭科學研究總院，2008.

[4]王慧杰.急傾斜煤層走向壁式開采基本頂垮落規律研究[D].太原理工大學，2012.

[5]謝東海.急傾斜煤層巷道放頂煤開采的關鍵問題研究[D].湖南科技大學，2007.

[6]張繼忠.基于長孔松動爆破的巷道放頂煤采煤法應用研究[J].采礦技術，2011，11（04）：21-22，125.

[7]陳世圖.攀枝花礦務局俯偽斜采煤法簡介[J].煤炭工程師，1993（06）：61-62.

作者簡介：徐百平（1992-），男，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，研究方向為煤礦安全。