大傾角工作面采煤工藝方案設(shè)計(jì)及實(shí)踐

胡麗偉

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建分公司，山西 太原 030052）

0 引言

受煤層傾角的影響，在開采大傾角煤層時，由于圍巖變形的非對稱性，造成支護(hù)系統(tǒng)以及開采設(shè)備的不穩(wěn)定，底板出現(xiàn)滑移，影響井下開采效率[1-3]。該煤礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是急傾斜、軟煤、硬頂?shù)装?，屬于高瓦斯礦井，目前開采的3#煤層采用水平分段采煤方法，由于煤層過軟、增大了頂煤留設(shè)難度，造成瓦斯大量涌出。因此，對大傾角工作面的采煤工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

某煤礦地處山西煤礦的西南邊，礦區(qū)的西、北補(bǔ)距離309 國道2.5 km，東部距離208 國道4 km，井田的面積為11.75 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)原煤產(chǎn)量為60 萬t/a，服務(wù)年限64 a，地質(zhì)儲量約10 199 萬t，可開采煤炭儲量約4 615 萬t，開采深度為420 m，采用一對立井單水平開拓方式。主要開采的3#煤層，平均厚度為19.6 m，煤層有55°～74°的傾角。工作面?zhèn)雾斆簩雍穸葹?.16～0.86 m，主要是深灰色炭質(zhì)泥巖；直接頂煤層厚度為1～2.3 m，主要是粉砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖；基本頂煤層厚度在10 m 以上，主要是灰白色砂巖；直接底煤層厚度為1～2.3 m，主要是油頁巖和炭質(zhì)泥巖；底板煤層厚度在10 m 以上，主要是白色炭質(zhì)泥巖和灰色砂巖。

2 影響因素分析

2.1 煤層厚度的影響

大傾角煤層的煤層厚度會直接影響開采過程，對薄煤層區(qū)域，受活動范圍的影響，采煤作業(yè)難以進(jìn)行；對厚煤層區(qū)域，根據(jù)煤層厚度將開采區(qū)分為多個區(qū)域，通過定量定性分析后進(jìn)行采煤作業(yè)[4]。隨著煤層厚度的變化，支架的類型也在不斷變化，在施工過程中，提前對煤層進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算出的每個煤層厚度的方差來選擇相應(yīng)的支護(hù)方式，確保生產(chǎn)順利。

2.2 煤層傾角的影響

采煤效率直接受煤層傾角大小的影響，根據(jù)煤層傾角的大小，對開采區(qū)工作面進(jìn)行劃分，提高采煤效率，在傾角較大時，要提高防滑設(shè)備的科學(xué)性，確保生產(chǎn)順利。

2.3 頂板底板的影響

采煤作業(yè)質(zhì)量受煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性的影響，在開采過程中，充分考慮巖石的厚度及組成成分等信息，加強(qiáng)對頂板的支護(hù)，提高采煤效率。

2.4 破壞煤層的影響

受井下大型機(jī)械設(shè)備的影響，在開采時會使煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，打亂原煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，加上井下環(huán)境比較潮濕，導(dǎo)致被破壞的煤層變硬，阻礙開采的進(jìn)行。在開采過程中，如果煤層的受力變化較大，也會大大降低采煤效率，提高采煤成本，威脅開采的順利進(jìn)行[5]。

3 采煤工藝

3.1 工作面布置方式

為了提高礦井的生產(chǎn)能力，提升機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性，采用簡化的回采工藝布置工作面，剖面圖如圖1所示，采用傾斜直線段—圓弧過渡段—水平段的空間布置方式[6]。

圖1 工作面布置剖面圖

針對大傾角煤層難施工這一問題，對施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，在傾斜直線段開切眼處，先用鉆機(jī)形成一條自上而下的下煤通道，之后再逐漸擴(kuò)大到大傾角煤層開切眼處，采用這樣的方式可以防止出現(xiàn)頂板冒頂現(xiàn)象，確保開切眼施工安全。通過空間布置方式，可以簡化工作面端頭支護(hù)以及施工過程中三機(jī)配套問題，解決排頭支架的受力不均衡，使支架保持較好的穩(wěn)定性，改善刮板輸送機(jī)運(yùn)行環(huán)境，消除大傾角下出口處出現(xiàn)的臺階，從而提高煤炭資源采出率。

3.2 設(shè)備選型與配套

大傾角煤層開采的核心設(shè)備是液壓支架，低位放頂煤選用ZF5200/17/28 型液壓支架，搭配雙側(cè)雙活式支架側(cè)護(hù)板和側(cè)護(hù)千斤頂，其缸徑口為100 mm，行程為200m。圓弧段選用ZF6200/17/30 型液壓支架，頂梁窄底座寬。選用ZFG6200/20/30 型過渡支架，采用兩柱支承式正四連桿結(jié)構(gòu)。各個液壓支架的性能參數(shù)如表1 所示[7-8]。底調(diào)機(jī)構(gòu)作為調(diào)節(jié)液壓支架位置的重要機(jī)構(gòu)，安裝在支架底座兩邊，主要包括底調(diào)千斤頂、底調(diào)梁和導(dǎo)向桿，在調(diào)架時協(xié)調(diào)底調(diào)機(jī)構(gòu)和側(cè)護(hù)板，防止支架倒滑，實(shí)現(xiàn)支架的穩(wěn)定性。

表1 液壓支架性能參數(shù)

防滑體系主要由液壓支架和刮板輸送機(jī)組成[9]，刮板輸送機(jī)選用可彎曲的SGZ730/160 型，并在刮板輸送機(jī)上安裝楔形防滑導(dǎo)板和斜向牽引裝置，確保液壓支架和刮板輸送機(jī)互為支點(diǎn)。采煤機(jī)要選擇牽引功率大、制動可靠性高、裝煤效率高的，因此選擇MG250/600-QWD 型。通過井下試驗(yàn)，說明選擇的三機(jī)配套設(shè)備能滿足生產(chǎn)的要求。

3.3 回采工藝

為實(shí)現(xiàn)大傾角煤層的高效開采，對割煤、裝煤、運(yùn)煤等工藝進(jìn)行研究。工作面沿煤層傾向布置，設(shè)計(jì)開采高度為2.9 m，放煤高度為8.7 m，采放比為3∶1。MG170/411WD 型雙滾筒采煤機(jī)，采用單向割煤和斜切切口的方式，按照往返一次割一次煤的順序進(jìn)行。截割出的原煤在雙滾筒采煤機(jī)螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)作用下被送入前刮板輸送機(jī)，然后在后梁的升降運(yùn)動下，頂煤會自行垮落裝入后刮板輸送機(jī)中。運(yùn)輸順槽選用運(yùn)煤能力為650 t/h 的SZZ764/132 型橋式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)煤；大塊煤選用PLM/1000 型破碎機(jī)對其進(jìn)行破碎；使用DSJ-100/100/2×75 型可伸縮膠帶輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)煤，經(jīng)皮帶運(yùn)輸聯(lián)巷后轉(zhuǎn)到皮帶石門，最后到達(dá)運(yùn)輸大巷輸送機(jī)，進(jìn)入運(yùn)煤系統(tǒng)。

采用原來的圓弧段—水平段布置方式，會增加圓弧段的挖底量，減少圓弧段的挑頂量[10]。因此，對圓弧段開采采用偽仰斜推進(jìn)，借助挑頂提底技術(shù)，確保曲率正常。在推移刮板輸送機(jī)時會出現(xiàn)滑動，為了與搭載機(jī)緊密搭接，前刮板輸送機(jī)滑動的上竄量要與其下滑量相等。

3.4 調(diào)斜安全技術(shù)措施

1）在調(diào)斜過程中，液壓支架的側(cè)護(hù)板要足夠靈活，有一定的伸縮性。

2）在調(diào)斜過程中，為了不讓溜槽出現(xiàn)脫節(jié)，要確保刮板輸送機(jī)平直，不能推成陡彎。

3）在調(diào)斜時，移架和推溜作業(yè)的工作人員要緊密配合，確保調(diào)斜工藝滿足相關(guān)要求。

4）對工作面內(nèi)支架進(jìn)行調(diào)整時，要同步對支架上的浮煤進(jìn)行清理，防止操作人員滑倒，便于安全操作。

5）用小推拉缸頂移支架調(diào)整時，必須要固定小推拉缸，不能出現(xiàn)來回晃動。

6）采用單體液壓支柱支承時，要調(diào)整支承時的角度，待確定角度后將安全繩系好，防止單體支柱在工作過程中彈出后傷人。

3.5 防倒架安全技術(shù)措施

1）液壓支架配套應(yīng)齊全，側(cè)護(hù)板應(yīng)完整沒有損壞。

2）首先是拉架，將端頭液壓支架的機(jī)頭或機(jī)尾升起、拉緊，使液壓支架的支撐作用發(fā)揮到最大；然后在拉架的同時調(diào)整支架，使支架向機(jī)尾（機(jī)頭）方向傾斜，最后將支架升起、拉緊。

3）扶架時采用單體液壓支柱，先調(diào)整側(cè)護(hù)板有行程處的支架，具體是：降低支架高度，待單體液壓支柱將倒架支撐起后進(jìn)行固定，然后緩慢抬起單體液壓支柱將支架扶正，然后拉緊，固定好后可以將單體液壓支柱拆下，完成支架扶正作業(yè)。

4）在扶架時，要先檢查側(cè)護(hù)板的完整性。如果側(cè)護(hù)板有損壞則不能進(jìn)行扶架，同時要讓操作人員遠(yuǎn)離支架；同時在扶架過程中也會出現(xiàn)單體支柱滑落傷人，為了防止此類現(xiàn)象發(fā)生，通過遠(yuǎn)程操控，控制單體支柱緩慢上升。

5）對液壓支架進(jìn)行調(diào)節(jié)時，要控制好支架的平衡，通過擦頂移架方式防止向機(jī)頭傾斜倒架。

6）調(diào)斜過程中，如果出現(xiàn)支架嚴(yán)重倒架，要及時進(jìn)行調(diào)整。

4 效果分析

將傾斜分段采煤技術(shù)應(yīng)用在該煤礦中，與原水平分段采煤技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比，結(jié)果如表2 所示?？梢姡诓捎脙A斜分段采煤后，工作面循環(huán)產(chǎn)量為268 t，月平均進(jìn)度為56 m，月平均產(chǎn)量為20 044 t，回采率為83%，工作面的作業(yè)成本整體上有所降低，開采效益得到提升。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

5 結(jié)論

以某煤礦工作面為研究對象，分析工作面大傾角煤層的特點(diǎn)，得到結(jié)果如下：

1）對大傾斜工作面采用空間布置方式，選擇不同型號的液壓支架配合開采，滿足工作面的生產(chǎn)需要，確保圓弧段上液壓支架不傾斜、倒滑，提高了支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）工作面循環(huán)產(chǎn)量為268 t，月平均進(jìn)度為56 m，月平均產(chǎn)量為20 044 t，回采率為83%，工作面的作業(yè)成本整體上有所降低，開采效益得到提升。