急傾斜煤層開采方法研究

摘要：我國煤炭資源儲量豐富，是煤炭生產大國。從長遠看，煤炭行業將占有重要地位。受開采技術水平、機械化程度、地質條件等因素影響，煤炭開采需要進行技術創新，克服難題。基于此，本文從分析急傾斜煤層常用開采方法入手，探討急傾斜煤層開采中存在的問題，最后提出急傾斜煤層開采方法優化措施，以供參考。

關鍵詞：急傾斜煤層；開采方法；優化分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20232239

目前，我國煤炭開采效率仍有待提高，不同的地質情況下存在很大差別，在開采過程中，礦井中的排水情況復雜會影響煤層和沉積巖的穩定和完整性。斷層數量和層損會導致高邊坡煤層厚度和傾角發生變化，導致高邊坡煤礦開采的安全條件較差，尤其在我國南方一些高邊坡礦山，高損失率嚴重影響了煤礦開采效率。加強陡坡恢復技術的創新應用，有利于提升斜面礦井的生產效率，提高經濟效益，促使煤礦行業發展。

一、急傾斜煤層開采的特點

急傾斜煤層構造復雜，且存在較多褶皺和斷層，煤層的厚度變化很大。隨著生產操作的日益復雜化，貯藏容量不斷下降，對高傾角煤的開采也變得越來越困難。大多數采用大傾角采煤的礦山都是中型或小型礦山。將高傾斜煤層的傾斜度與巖石的其余部分進行比較，可以看出高傾斜煤層傾斜度較大，煤礦采掘地中的煤礦也將自行滑移，這一現象使煤炭的采掘工作得到了很大的簡化，但是如果煤層發生崩塌，又缺乏相應的支撐，則會導致煤層侵蝕，增加風險因素。在開采急傾斜煤礦時，如何保證機器的安全穩定，是當前國內外大傾角礦井所面臨的一個難題。當大傾角煤層開采時，安全支撐技術始終選擇使用鋼質屏蔽梁體及支承方法，但這樣會加大工人的工作強度。在陡峭煤層的開采過程中，當煤層相鄰時，由于煤層的傾斜超過了頂板巖石的位移角和土壤的位置，煤層的地面和頂板的位置可能會坍塌，上部和下部煤炭可能相互作用，破壞土壤和上部高原的完整性，對相鄰煤層的開采產生重大負面影響。工作表面的影響可能造成高度傾斜的碳縫合壁斷裂或松動，甚至在端面位置造成安全風險。煤層的傾斜超過了上板塊和基巖的移動角度，空氣提取區的巖石在墜落后上下移動，填充了局部空氣提取區。因此，在開采高傾斜煤層期間，坍塌、沉降和斷裂區的分布基本上與傾斜煤層和低傾斜煤層的分布相反。由于大傾角煤層開采技術、生產能力、客觀地質條件及經濟效益對大傾角煤層開采的影響，在開采過程中實施更先進的屋頂板管理措施也非常困難。

二、煤層向長壁煤回收方法快速傾斜優缺點比較

煤層向長壁煤回收方法快速傾斜的優點是走廊系統和回收過程相對簡單，工作面布置成本低，生產過程中工作面工作空間大，工作環境良好，對煤層出料條件適應性強。由于碳層的厚度在0.8～1.5m之間變化，碳層的傾角在45～80°之間變化，工作面上的一些小缺陷也可以正常跟蹤，對正常生產的影響較小。因此，與擬傾斜柔性支撐采煤法相比，這種采煤法更適合傾斜、厚度和小缺陷、褶皺等的變化，使操作人員也更容易獲取安全的技術操作點，實現安全高效的恢復。缺點是這種煤炭生產方法只適用于開采中穩定煤層和中厚煤層（煤層厚度通常不應超過1.5m）。從安全管理的角度看，不適用于破碎煤層或厚度大于1.5m的中厚煤層。在大傾角條件下，當煤層的上層不穩定和破碎時，很難管理工作面上層。如果碳接縫的厚度超過1.5m，使用的脊椎相應增加，脊椎本身的重量也會增加，操作員在陡峭的工作面上處理脊椎也會更加困難，從而增加碳壁帶的安全風險。

三、應急傾斜煤層開采措施存在的問題

根據實地研究，煤層的陡峭傾斜相對較大，導致相當大的開采復雜性和組織開采困難。新中國成立以來，我國已提出20多種開采陡坡煤礦的方法，但在實踐中存在不同程度的差異，還存在一些問題。

（一）布置礦區開采區域巷道與生產系統存在的問題

大傾角工作面的采煤方式主要有小爆破、水平分層、貯藏、傾斜分層，這些方法在實踐中被經常使用，但也面臨一些問題，例如，挖掘數量多、通風條件多、準備條件多等。

（二）管理頂板存在的問題

對頂板實施管理時，在煤炭開采過程中，采用自上而下的采煤方法，面向壁掛式采煤。由于煤層傾角較大，在工作界面施工時難以支撐，作業中出現的上層落石、煤壁倒塌等現象會威脅礦工的生命安全，增加不安全因素。

（三）煤炭損失率高

大傾角煤層構造較復雜，斷裂、褶皺發育，且厚差大。煤礦在采礦活動中極易出現損失，導致資源大量消耗，縮短礦井的使用年限，影響煤礦的經濟效益。在煤礦生產中，由于采用不同的采煤工藝，例如，斜坡式、小斷面爆破、水力開采、貯煤法等，會造成大量煤耗。如果沒有隔離設備，會降低采煤區的煤層質量，損失達40%～50%。

四、急傾斜煤層開采方法分析

（一）偽傾斜柔性掩護支架采煤法

柔性屏蔽支架的寬度不能調節，也不能很好地適應厚煤層。可以進行機械化開采，但工作面上的煤點數量不大，工作環境中的灰塵也很大。為了提高開采效率，要選擇大功率的采煤機械設備增加牽引力。采用單體液壓支柱和懸掛式液壓支柱，降低了操作人員的勞動強度，提高了煤炭生產率。有必要科學合理地設置巷道布局、開采工藝和開采參數，避免坍塌。

1.巷道布置

沿著煤層頂、底板設置兩個獨立的偽傾斜揚聲器安裝在3m范圍內的煤層頂部和底部，總共實施三個運營階段，每個階段在上部和下部道路上的垂直高度為30m。回程的不同階段和運輸路線在此方向對齊。這兩種類型的道路沿煤礦地板布置，有兩條逆風車道。一個位于上板上，另一個位于地面上，以連接礦井凸起。水平煤門用于在道路方向上每50m連接一次。在煤層的頂部和底部提供四個垂直孔，以達到與可用作鉆孔空氣回流管道的連接。垂直孔水平連接到由梯形金屬支架支撐的縱向槽。采礦時，運輸道路沿方向間隔5～6m，開挖的煤炭滑道與下排水溝相連。

2.回采工藝

從排氣管切斷區開始，用至少3.2m寬的木制緊固件拓寬道路，并挖掘后懸掛槽。根據支架設計要求，支架安裝應朝著工作面方向進行，鋼梁和排氣孔的方向應保持垂直。支架安裝在離返回空氣空間一定距離后，從支架后緣開始逐漸放置在地下，使礦井表面形成25～30°的坡度。

3.開采參數

回收率是評估煤炭開采方法的重要指標，而影響回收率的重要因素是支撐裕度、煤柱回收率等。如果隔離碳柱設置在3m以內，回收率約為90%。兩個煤柱之間每增加1m，回收率降低15%～20%。

（二）水平分段放頂煤采煤法

在陡坡特別厚的煤層中，水平采煤過程按一定高度分為幾個區段，特別是下工作面采煤和上工作面采煤方法，首先在井街礦進行試驗，后來在新疆和其他地區推廣。工作面沿垂直于方向的水平面布置，從底板到同一水平面，煤層厚度為工作面長度，在回收過程中，分為碳切割、框架和推拉，鋪設木炭時，首先從底板上放置頂部的木炭，然后沿著屋頂方向逐個清潔。在放煤過程中，首先從下往上將頂煤從上往下放空，再由上往下按順序放空。在開采過程中，一般都以幾個或一個輪次的次序進行。采用水平分段放頂煤開采方法，可以顯著減緩巷道的開挖速度，提高生產效率，減少材料消耗和工作面移動次數，降低電力消耗。然而，此種開采方式在放散時，底板巷上部仍有大量的三角形煤體，不能很好地將其卸散，所以對其進行深入研究和有效卸散，有利于進一步增產增效。橫向分段放頂煤開采方法適合于煤層厚度超過20m、煤層傾角超過45°的大傾角超厚煤層。

（三）斜坡陷落法

斜坡坍塌方法的本質是沿煤層覆蓋物將走道布置成傾斜結構。落煤方法不是使用傳統采礦機械作為落煤的驅動力，而是利用煤層上的煤重力，在鋪設斜坡后將其自然沉積在煤層上。該方案的優點是通道布局和采礦工藝的高適用性，使其更好地適應地下煤層的復雜趨勢，并降低勞動力成本。然而，這種方法也有缺點，例如，煤炭回收率低，在工作中使用自卸煤炭，導致工作空間有限，過道中存在大量灰塵。

（四）倒臺階工作面開采工藝

該采礦技術屬于長壁采礦技術范疇，主要用來開采大傾角煤層，反向臺階表面呈臺階形式，并沿臺階移動。為了確保礦工的安全，在礦山斜坡上安裝了煤滑道和走道滑道。工作表面通常由多個氣動尖峰同時致動，可以布置成用于通風和碳滑動的下降臺階，為確保操作安全，應安裝腳手架板、碳滑板和人身保護裝置，倒置工作掩模具有地質條件低、煤炭開采率高、通道布局簡單、開挖速度低等優點，但還存在開采機械化程度低、礦區安全性差和勞動強度高等缺點。

（五）長壁式冒落頂煤采煤法

針對急傾斜煤層、厚煤層，可以沿煤層底部連續向前挖掘厚煤層，形成長壁采煤工作面。全厚開采法先提取一部分煤層，然后穿過煤礦工作面和后蓋梁下部。煤落在上部，進入工作面，然后用柔性鋼絲網鋪設，另一層沿煤豎井底部提取，由柔性鋼絲網保護，將煤放在柱子后面的運輸機中，然后把煤放在在柱子后，以此提高煤的回收率。

五、急傾斜煤層開采技術改進與創新

（一）改進回采工藝，提高生產效率

目前，我國急傾斜煤礦開采技術的選擇和應用相對較少，煤炭資源開采經營者面臨的作業強度較高，安全性未得到充分保障。開采陡峭煤炭資源時，優化開采過程主要是提高開采過程的機械化。提高邊坡煤礦機械化水平，建設世界一流的機動化與機械化，重點是改進邊坡開采措施，提高開采質量。同時，提高大傾角煤層的機械化程度是大傾角煤層開發中的關鍵和難點，也是大傾角煤層開發中的重大課題和全球性難題。目前，我國在急傾斜煤層的開采工作中，已逐步對各種機械化措施進行了創新和應用。

（二）合理完成開采區域劃分，增加開采區域的尺寸

在礦區的采礦區域的劃分中，要遵循回采工藝的基本要求和機械設備的參數，在進行區域劃分時，盡量避免人工劃定邊界，并結合具體情況，適當加大煤炭開采區域的流向，提升階段垂高。在煤炭資源開發方面，應根據礦區地質條件的改變特征，擴大開發范圍，這樣既能降低采掘面遷移頻率，還能延長裝備使用壽命，增加礦區的儲備，減少煤柱損耗，提高采空區的產量。此外，適當增加煤炭區域的流向長度，在擴大煤炭開采面積的同時，還可以提高工作面的數目，提高煤炭生產能力，實現集中生產。

（三）運輸機及設施強化防滑技術

煤礦走道和支撐方法的改進和升級可提高煤炭運輸車和相關設備的防滑性能。通過在前后煤輸送機上安裝防滑錨鏈裝置，輸送帶和端軸承可以實現可靠連接。將后碳載體支架的后部更換為燕尾形，防止輸送機滑動。在煤礦現場，可以發現使用防滑錨鏈可以預防煤炭運輸過程中出現飛煤問題，確保煤礦作業安全。同時，還能采用空氣返回槽和動力傳輸槽的交錯布置方法，建立微傾斜結構。

六、結語

綜上分析，盡管我國急傾斜煤層的開采在許多方面都顯著增加，但由于急傾斜煤層所處地質條件的差異，開采方法多樣，要求煤炭企業充分意識到優化高邊坡煤層開采方法的重要意義，將其與煤礦高邊坡煤層開采方法的實際特征相結合，優化生產技術經濟指標，提高煤礦開采的機械化水平。

參考文獻：

[1]尹光志，李小雙，郭文兵.大傾角煤層工作面采場圍巖礦壓分布規律光彈性模量擬模型試驗及現場實測研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（Z1）：3336-3343.

[2]湯國雷，蘇利國.急傾斜煤層柔性掩護支架采煤法聯合開采防滅火技術研究[J].城市建設理論研究（電子版），2017（23）：196.

[3]蔡來良，莫小華，吳侃，等.考慮底板巖層移動的急傾斜煤層開采沉陷預計[J].地下空間與工程學報.2016，12（04）：1048-1054.

[4]呂目曉，王風鳴，韓強，等.ZF2400輕型液壓支架在恒泰煤業急傾斜煤層中的應用與探討[J].中國科技投資，2013（30）：24+26.

作者簡介：桑承學（1984），男，山東省濟寧市兗州區人，大學本科，助理工程師，副區長，主要研究方向為機電設備管理。