四臺礦80207工作面急傾斜厚煤層采煤方法優化應用研究

徐映輝

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037000）

1 地質概況

四臺礦地處山西大同煤田的西北部，大同市西27 km，開采面積約65.46 km2，其地質構造復雜程度為中等，目前首采的工作面是80207工作面，該工作面上下標高為+18.4和-14，垂高32.4 m。煤層傾角45°～55°，平均傾角50°，煤層厚度為5～35 m，平均厚度25m。該采區為高碳氣肥煤，煤質為黑色碎塊，細粒片狀，硬度中等。工作面走向、傾斜長度分別為120、39.6 m，斜面積4 752 m3。

2 開采方法分析研究

四臺礦80207工作面當前采煤方法有：π梁放頂煤、急傾斜水平分層單體。由于采區割煤高度、分層高度依次是2、8 m，選用風鎬落煤回采方法。存在機械化程度低，影響產量和礦井效益。

依據煤礦開采采區技術條件，并結合該礦屬于急傾斜厚煤層特征，設計3種采煤技術：水平分段、水平分層綜合機械化和水平分段滑移支架放頂煤采煤技術[1]。

2.1 水平分層法

水平分層法實質上是將急傾斜煤層分為多個分層，其和水平面平行，并將回采巷道布置于每分層內，每分層厚度是2～3 m，產生采煤工作面，沿走向采煤工作面各個分層推進，逐一多層回采。該技術工藝有落煤、鋪設假頂、移輸送機和支架等主要工序。水平分層法具有采出率高、煤層厚度適應性強、安全等優點；缺點為：掘進率低、回采工序多[2]等。

由于80207工作面煤層有2層，都是似層狀，煤層厚度變化大，屬于不穩定煤層，因此，工作面煤層賦存條件不適合水平分層法；此外，水平分層法巷道布置復雜，增加勞動強度，綜上所述，80207工作面煤層回采不適合水平分層采煤技術。

2.2 水平分段綜采放頂煤

水平分段綜采法是比較成熟的采煤技術，采煤工藝有落煤、移輸送機和支架、放頂煤等主要工序。該技術的工作面沿水平布置，且垂直于煤層走向，并布置在同一水平面上，區段回風、運輸平巷靠頂板和底板，具有消耗少、掘進率低以及勞動強度低[3]等優點。

當急傾斜厚煤層厚度大于10 m時，相比于水平分層法，具有：效率高、產量高、掘進率低、塊煤率高、材料消耗低，可節約電能以及設備搬家次數少等顯著優勢。

2.3 水平分段滑移支架放頂煤法

滑移支架，是居于自移式液壓支架、單體液壓支柱的一種類型，其工藝有落煤、放頂煤、移輸送機和支架等主要工序。該方法具有掘進率低、產出量大等特點，且支架外形小、便于安裝、組成簡單等，能夠和機采、炮采配套使用[4]。

80207工作面年產量50萬/t，為中小型開采面，煤層厚度不穩定，傾角變化大，為短壁工作面。綜采放頂煤法綜放支架體積大，設備初期投資也大，安裝和運輸也比較困難，且成本高。而滑移支架法，對于在短壁工作面中使用滑移支架具有很好的應用效果，且滑移支架體積小、總量輕，在技術上適應可行、經濟上安全高效。綜上對比分析，該工作面應采用水平分段滑移支架放頂煤采煤方法。

3 回采工藝分析研究

水平分段滑移支架采煤方法回采參數有割煤高度、放煤步距、放煤高度[5]等。研究分析80207工作面采區不同放高、割煤高度下頂煤回采率等，確定其主要參數，實現工作面高效安全開采。

3.1 割煤高度

當放煤步距0.8 m，“一刀一放”放煤工藝，模擬分析割煤高度是1.5、2、2.5、3 m時，不同割煤高度對頂煤回采率的影響，如圖1所示。

圖1 不同割煤高度時，頂煤回采率

圖1中，當割煤高度是1.5 m時，頂煤回采率僅能達到82%；當高度超過2 m時，頂煤回采率在89%以上。因此，當煤礦頂煤較厚時，高的割煤高度，會使頂煤回收率也越高。所以，合理增大割煤高度，有效提升厚煤層開采回采率。但是，頂煤回采率不是隨割煤高度的增加而線性增大，當割煤高度從1.5 m增大至3 m是，采出率增幅比較大；而當從2.5 m增大至3 m時，增幅并不顯著。此外，當割煤高度大于2 m時，工作面煤壁出現片狀，且降低了穩定性，因此，為保證工作面的安全，確定80207工作面割煤高度是2 m。

3.2 放煤高度

當割煤高度2 m，“一刀一放”放煤步距，模擬分析放煤高度是3、4、5、6 m時，頂煤回采率的變化情況，見圖2。

圖2 不同放煤高度時，頂煤回采率

圖2中，隨著頂煤厚度的增加，頂煤回采率也越大。采空區殘留煤體顆粒數量隨著頂煤高度的增加而增多，因顆粒總數增加，致使降低了殘留顆粒的比例。因此，為保證回采率，當增大頂煤高度，可使搬家倒面的次數減少，使開采效率也提升。所以，當割煤高度是2 m時，確定工作面頂煤高度是6 m。

3.3 放煤工藝

當割煤高度2 m，頂煤高度6 m，工作面長度40 m，模擬分析在單輪順序、單輪間隔多口以及多輪間隔多口[6]3種放煤方式，頂煤采出率的變化規律，見表1。

表1中，對于3種不同放煤方式，對于單論間隔多口放煤，回采率僅是88.9%，最低；其余2種采煤方式的頂煤回采率幾乎差不多。但是對于多輪間隔多口放煤方式，其工藝比較復雜，且其回采率與單輪順序相差不大。綜合分析，80207工作面確定采用單輪順序放煤。

表1 3種不同放煤方式頂煤采出率

3.4 放煤步距

當割煤、放煤高度2、6 m，模擬分析采用一刀、兩刀和三刀一放（放煤步距0.8、1.6和2.4 m)3種不同方式，頂煤回采率的變化規律，見表2。

表2中，當放煤步距為0.8、2.4 m時，頂煤回采率分別為最大和最低，當放煤步距是0.8 m時，其回采率比步距是1.6 m時高4.5%，比步距是2.4 m時高9.7%。因此，確定80207工作面采用一刀一放的放煤模式。

表2 3種不同頂煤放煤方式，頂煤回采率

3.5 巷道布置研究

巷道回采工作面的主要任務有輸送煤矸、物料、人員及排水、通風等，因此，科學布置巷道，可提高煤炭開采效力、簡化回采工藝[7]。結合四臺礦80207工作面煤層賦存條件，提出采用如下3種布置方式：①巷道沿底板布置，并隨底板方位變化而變化。該布置方式，巷道底板圍巖不會發生破壞，穩定性好且掘進成本低，但是由于受底板走向變化限制，和巷道頂板不能保持平行布置，平均掘進費用達1420元/m；②巷道底板沿直線布置。采用水平分段放頂煤開采法，在靠近巖層底板分段上方有一部分三角煤基本上是不能放出的。巷道破壞底板沿直線布置，優點是底板三角煤損失小，缺點是巷道掘進成本高，易出現冒頂跨落，平均掘進費用達1 980元/m；③巷道分段前后部分沿底板、中部破巖，方位調整變化。該方式底板三角煤損失較小，且掘進費用和煤巷相差不大，且兩巷工作面可平行布置，平均掘進費用達1 640元/m。

綜合分析，四臺礦80207工作面回采巷道采用第3種布置方式，即沿頂底板平行布置。結合頂底板條件，底板破巖，分段直線布置，開切巷垂直兩巷布置。

4 設備配套選型與采煤工藝分析

4.1 支架選型

1）支護強度[8]。液壓支架頂板支護強度受煤層厚度、頂板等級等影響作用，計算公式為：

式中：K來源于支架上頂板巖石厚度系數，取值5～8；H采高，單位m；ρ巖石強度，取值2 500 kg/m3；g為重力加速度，取值10 m/s2。

2）有效工作阻力[9]

式中：F為支架的支護面積，計算公式如下：

式中：B、L為支架頂梁寬度、長度，K、C為架間距、梁端距，單位均為m。

支架有效工作阻力相比于工作阻力即為支撐效率η。對于支撐式支架，其效率100%；而由于掩護、頂梁的鉸接影響，支撐掩護式、掩護式支架的支撐效率總是1。因此，將支撐效率計算在內時，每架立柱所需的總阻力是：P=Q/η

3）初撐力、移架力和推溜力：

初撐力：取0.6～0.8倍工作阻力。

移架力：薄、中厚、厚煤層，移架力依次是100～150、150～300、300～400 kN。

推溜力：100～150 kN。

4）支架高度。依據XX工作面割煤高度、采放比、通風等要求，支架高度確定是1 600～2 400 mm。

綜上所述，80207工作面頂板所需支護強度是：

式中：H=2，K=8，頂板密度ρ=1 500 kg/m3，g=10 m/s2。

有效工作阻力：

式中：q=0.24 MPa，F=7.5 m2。

根據80207工作面采煤方法、支架工作阻力以及支架支護強度，采用BDY型并聯頂梁液壓支架。

4.2 采煤機、刮板輸送機選型

依據煤層傾角、厚度，煤的性質與刮板輸送機、液壓支架的配套關系，選用雙滾筒采煤機。針對80207工作面短壁工作面，煤壁無片幫危險，所以，割煤高度2 m，截深0.8 m，初步決定采用型號是MG200/456-QWD的采煤機。

刮板輸送機是采煤機的運行軌道，也是綜采面的運輸設備，其溜槽結構、型號配套液壓支架架構，配套于支架推移桿連接裝置的配合結構、間距，其長度應等同于支架寬度[10]。80207工作面輸送量比較大，需前后配備兩部輸送機，前后部分別需滿足采煤機割煤、放煤能力，所以，最終選用輸送機的型號為SGZ630/220。

4.3 采煤工藝分析研究

采煤機進刀方式：采取端部自開缺口、直接推入，深度為0.8 m。割煤方式：單向割煤，也就是從上部進刀處沿底割煤并下行，下行割煤時采用上滾筒割底煤、下滾筒割頂煤方式，前滾筒割煤完成后，使用伸縮梁對頂板保護，當割煤至下切口處時，將弧形擋煤板翻轉，快速完成上行裝煤以及對底煤的清理，并對輸送機、支架推移，直到工作面切口。

掛頂網：傾斜鋪設菱形金屬網，一刀一鋪。

移輸送機和支架工序：掛頂網，前伸梁伸出，出煤→移前部輸送機→前伸梁縮回，提前梁支柱→移架油缸使前梁前移一個步距→支好前梁支架→提后梁簽柱，移后部輸送機→提后梁支柱→移架油缸使后梁前移一個步距→支好后梁支架。

放煤工藝：“一刀一放”（放煤步距0.8 m）放煤方式。放煤順序采取雙輪分組分段間隔放煤，自上而下或者自下而上方式。具體就是：當結束工作面移架后，在靠近支架采空區位置一側安置放煤口，使頂煤流入輸送機后通過單輪順序完成放頂煤過程。

裝煤方式：主輔裝煤分別是利用采煤機滾筒螺旋葉片和人工清理攉煤、刮板輸送機鏟煤板，兩者組合完成裝煤過程，此外，通過支架放煤口將頂煤直接落入后部輸送機。

5 現場應用

2021年9月20日，對四臺礦80207工作面進行生產，采用水平分段滑移支架法，分段高度8 m，放煤、割煤高度6 m和2 m、放煤步距0.8 m，單輪順序放煤，且巷道沿頂底板平行布置。9月25日，工作滿推進5.8 m完成首次放頂煤。到2022年1月20日，回采4個月，見表3。

表3 80207工作面回采情況表

表3中，隨工作面推進，工人的熟練程度提高，也加快了工作面推進速度，煤炭產出量也在不斷提升。

四臺礦80207工作面采用水平分段滑移支架放頂煤法得到回采的經濟技術指標，并對比采用水平分層法，見表4。

表4 經濟技術指標對比結果

該表中，采用水平分段滑移支架放頂煤法，使工作面機械化作業程度提升，同時，產量也大幅提高，提高了回采率，工效率增長大于600%，工作面直接成本降低近一倍，生產成本降幅顯著。

6 結論

四臺礦80207工作面為急傾斜厚煤層，為實現其安全高效開采，對該礦采煤方法進行優化探討分析，經研究形成如下結論：

1）針對工作面急傾斜厚煤層，分析水平分層、水平分段綜采以及水平分段滑移支架3種開采方法，結合該礦技術條件，材料消耗量以及3種方法適用性，最終確定該礦采用水平分段滑移支架采煤技術。

2）模擬分析確定工作面最佳回采工藝參數為：割煤高度2 m，放煤步距0.8 m，水平分段放頂煤高度8 m，單輪順序放煤，且巷道沿頂底板平行布置。

3）結合工作面，選擇水平分段開采的“三機”配套設備。對比應用結果表明：采用水平分段滑移支架放頂煤法，相比于水平分層法，提升了工作面機械化，同時使回采率也提升，并顯著降低了作業成本。