大傾角厚煤層綜采放頂煤采煤關鍵技術

元松明

(潞安集團 潞寧孟家窯煤業有限公司，山西 忻州 036700)

煤炭資源作為我國能源結構中的主要能源之一，在我國一次性能源生產與消費中長期占據著較大的比例[1]。

隨著優質煤炭資源多年持續增量開采，近水平開采條件的老井工礦井正面臨資源枯竭，有的已經關井，有的采取縮減產能的措施來延長礦井壽命。為延續已有產能，地質條件差、開采難度大的傾斜煤層，以至還有35～55°的大傾角煤層已陸續被開采[2]。大傾角煤層成煤環境復雜，安全高效開采難度較大，截至2018年10月，通過各類不同的非機械化方法來開采大傾角煤層的礦井仍占較大比例[3]，這就造成大多數開采大傾角煤層的礦井產量與效率低下，安全事故頻發，故探究適應于此類煤層的開采技術方法成為亟待解決的問題。而傳統式“倉儲式采煤法”因其回采率低，安全風險大，煤炭資源浪費嚴重等原因，已于2008年底被國家安監總局列為禁止井工煤礦使用的工藝，被煤炭開采業所淘汰[4]。目前國內甘肅、寧夏、山東等省份已有部分礦井在嘗試大傾角煤層賦存條件下傾斜長壁綜合放頂煤采煤方法，而就大傾角煤層長壁工作面巖層控制角度而言，其還需要克服以下關鍵技術難題[5]：①煤層傾角大，裝備難自穩；②傾向礦山壓力非對稱顯現；③下端頭支架穩定性控制困難；④綜放開采頂煤區化破碎；⑤大采高開采煤壁片幫頻發，更有國內各煤田區域不同，煤層厚度、煤質硬度和開采深度等地質條件也不盡相同，這都對探尋大傾角厚煤層的開采方法技術體系帶來一定的挑戰。本文以潞寧孟家窯煤礦井下大傾角松軟特厚5號煤層綜采實踐中所形成的關鍵技術進行闡述。

1 大傾角綜放工作面巷道設計與設備布置

1.1 煤層地質條件概述

潞寧孟家窯煤礦位于山西省寧武縣境內，開采寧武煤田石炭系2號和5號煤層，煤層傾角在18～43°，平均傾角為25°，煤層層間距平均為66.19 m。兩個煤層采取聯合布置分層開采工藝，2號煤層厚度2.1～4.59 m，平均厚度3.6 m，5號煤層厚度8.4～16.8 m，平均厚度13 m，均采用一次采全高綜采放頂煤工藝。

1.2 工作面巷道設計

切眼沿煤層傾角方向布置，切眼長度選擇150 m；回風巷道和運輸巷道沿煤層走向布置，回風巷道布置在上部，運輸巷道布置在下部，高差60～80 m，切眼按偽傾斜布置，用來減緩切眼傾角，一般設計回風巷道尾滯后運輸巷道尾15～20 m。頂板采用全錨網(索)支護，用直徑D22 mm×3 300 mm，間排距1.0 m×1.0 m基本支護,錨索張拉力200 kN，和D22 mm×8 300 mm,間排距1.8 m×2.0 m補強支護，錨索張拉力250 kN，巷幫支護錨桿采用D22 mm×2 400 mm，間排距0.8 m×1.0 m高強度螺紋鋼支護，錨固力180 kN。

表1 工作面回采巷道斷面及支護

1.3 工作面設備布置

切眼內布置前后刮板運輸機、液壓支架和采煤機。切眼內刮板運輸機呈下運狀態。運輸巷道內布置膠帶機、轉載機和破碎機，以及巷道超前支架，超前支架前在布置20 m單體加鉸接梁支護。轉載機前部150 m布置電纜和電氣列車懸吊及拖移裝置，該套系統與膠帶輸送機平行，懸掛在單軌吊梁上。供液系統采用遠程供液，在膠帶機頭段或車場布置三泵兩箱自動配液和反沖洗供液設備，運輸巷道布置進回液管路。兩巷道輔助運輸系統為蓄電池單軌吊機車運轉系統。

表2 工作面設備列

1.4 工作面設備特點

1.4.1 大傾角液壓支架

架構上增設側護板、底調機構裝置、防倒防滑裝置。側護板采用調護并舉的雙側雙活箱型結構，使支架側護板緊貼并主動防滑，當工作面長度發生變化時起調整間隙和掉向作用，頂梁選用整體結構。

1.4.2 大傾角采煤機

選擇牽引功率大、制動能力強、強制潤滑技術。電控系統采用交流四象限變頻調速控制器，行走部齒輪和滑靴采用特殊熱處理技術，提高強度和韌性，刮板輸送機齒軌和齒軌座軌均采用高強度特殊工藝，滑靴采用鍛焊結構；每個牽引部安裝2套制動器，整臺機組安裝4套制動器。在傳統的液壓制動的基礎上，增設機械防滑裝置，使大傾角采煤機具有二級防滑機構進而提高制動可靠性；搖臂采用強制潤滑和飛濺潤滑，在搖臂第三軸處安裝齒輪泵向高位泵油；機身大架無托架積木式組合，各大部件之間聯接采用高強度液壓螺母，方便檢修。

1.4.3 超前支架(端頭支架)

中置式兩架一組端頭，端頭支架頂梁設計為鉸接結構，分為前、中、后三段，支架中間布置轉載機，前端與轉載機相連，主要用于運輸巷道處的頂板支護，支架具備有效的自移、防倒、護頂、調架功能，并具有遮護轉載機機尾功能，具有支撐切眼內機頭過渡液壓支架功能。

2 大傾角厚煤層綜放工作面采煤關鍵工藝技術

2.1 工作面采放循環工藝

工作面采用“全頂鋪網，單向下行割煤，以放煤為核心的采煤工藝”。依據煤墻軟硬情況，采用“一采一放或兩采一放”生產循環。工作面生產循環工藝為：掛網—采煤機端尾斜切進刀—下行割煤—分段追機移架—割通機頭—采煤機掉向返刀清理浮煤—機頭向機尾方向依次頂前部刮板輸送機—后尾梁破網放頂煤—拉后溜—掛網—采煤機端尾斜切進刀，進入下一輪循環。工作面割煤高度控制在約2.8～3.2 m，放煤高度5.2～14.6 m，采煤步距0.8 m，日推進度4刀，日產量約8 000 t。頂部掛雙層金屬網，網片型號為10 m×1.5 m,網孔5 cm×5 cm。勞動組織采取“三八制”，兩班生產一班檢修。通常8點班為檢修班，接班后前半個班進行后溜放煤，前部刮板輸送機聯網2排，后半個班檢修設備；4點班和0點班為生產班，每班割煤兩刀，鋪網一排，見圖1。

圖1 工作面采放循環工藝流程

2.2 幾種極端情況的原因分析和處理

2.2.1 刮板輸送機上竄

刮板輸送機上竄的直接原因：液壓支架尾部向下頭部向上傾斜角度變大，使得支架推移塊與前部刮板輸送機底座連接耳夾角逐漸增大，推移桿向上的分力大于刮板輸送機下滑力，造成刮板輸送機上竄。間接原因：在切眼上半段遇到地質變化，推進困難的情況，由于重產量輕質量的管理模式，造成切眼下半段推進多，上半段推進少，采煤工程質量有所下降；第二情況為切內眼煤層傾角增大，工作面長度相應增加，支架擺向調整不及時，刮板輸送機機頭卸載位置距離轉載機中心遠，出現搭接不上的情形，刮板輸送機開始上竄。

刮板輸送機上竄會造成卸載困難，拉回煤嚴重，大鏈和刮板阻力加大，容易造成底鏈卡阻甚至斷鏈事故。

調整方法：調整工作面采斜，多割機尾少割機頭，改變頂溜順序，從機尾向機頭方向頂溜，同時通過液壓支架側護使支架擺向，液壓支架尾部向上，頭部向下，逐步增大推移桿與前部刮板輸送機機頭方向夾角，實現刮板輸送機向下移動。調整過程中，可根據溜槽搭接情況選擇在機頭增加溜槽，或機尾減少溜槽，調整完成后將機頭拆除增加的溜槽等工序環節，若因工作面長度變長造成端尾支架距上幫煤墻超過1.5 m，需要及時考慮增加液壓支架數量確保端尾頂板有效支護，見圖2。

圖2 上竄支架調整示意

2.2.2 刮板輸送機下滑

刮板輸送機下滑的原因與刮板輸送機上竄的原因相反(這里不再敘述)，刮板輸送機下滑的結果是刮板輸送機機頭距離轉載機中心近，甚至靠近轉載機溜槽下幫，使得卸載困難，同時影響后溜拉出來的煤或矸石的通路，需采取抬高前部刮板輸送機機頭，或者縮溜等措施。另外刮板輸送機下滑，還可能造成轉載向下靠，超前架緊靠運巷下煤幫現象，造成超前架移架困難，甚至需要擴巷工程，來解決走架寬度不夠的問題。

調整方法與刮板輸送機上竄調整的方法相反。

2.2.3 支架擠架

切眼中間段局部液壓支架側護間隙伸縮為零，支架頂梁出現擠架無法移架現象。間接原因為切眼坡度不是直線而是變為下凹弧線，底座間隙大頂梁間隙小；或工作面機頭機尾兩頭推進多，中部推進少，出現后凹弧線，見圖3。

圖3 凹形工作面支架調整示意

調整方法：①遇下凹弧線，低凹段采取吊溜墊木料方式，從低洼處向兩頭逐步調整,調整過程中將液壓支架側護伸縮量保持在150～200 mm,最終將刮板輸送機和支架調成一條直線；②遇后凹弧線，采取采斜方式從機尾開始向上調架，加大中部推進量，逐步將刮板輸送機和支架調成一條直線，調整過程中將液壓支架側護伸縮量保持在150～200 mm。

管理措施上，要強化采煤機司機的工作質量考核，越是遇構造等條件困難時，越要保證整刀推進，降低產量銜接安排，減少推進循環刀數，以工程質量為主要考核對象，堅持整刀推進，保證刮板輸送機、支架、煤墻“三直兩平”。

2.2.4 支架傾斜甚至倒架

支架傾斜的可能原因有：①采高超過規定，支架結不了頂，支架本身在斜面上，初撐力不足造成傾斜加重；②頂煤漏冒，支架結頂不實，也會造成支架傾斜；③底板松軟，噴霧水流沖刷，支架底座觸底不實，初撐力不足造成傾斜；④切眼底板局部遇構造，底煤留不住，支架站不穩，造成傾斜；⑤局部底板鼓起，刮板輸送機底板、支架底座也隨之鼓起，支架頂板組合弧線拉長變長，頂梁間隙大于底座間隙，造成支架傾斜。

支架傾斜角度超過42°或以上，且初撐力達不到規定值，就認為支架發生倒架事故。支架傾斜甚至倒架造成工作面推進困難，設備變形，作業安全風險太大，影響時間一般長達連續3～6月，有時會更長。

發生支架傾斜采取的調整措施：①分段人工造假頂，鋪網、上木料、注充填料或加固料，配合打設長錨索吊頂，采用油缸、大鏈、防倒防滑吊裝耳，人工向前走架，走架后繼續采用防倒防滑裝置固定，防止支架下滑。

發生倒架采取的調整措施：工作面分段人工二次擴切眼，采用錨桿、錨索、雙層金屬網支護；坡度較大區域增加鋼絲繩，按照工作面回撤措施進行支護。其次，將支架推移與刮板輸送機連接銷摘開，人工頂溜，逐架扶架拉架，拉架過程中確保每次支架初撐力逐漸增加，不發生二次傾倒。二次擴切眼每次步距2.0 m，長度10～20 m，一般需要3輪前進6 m，才能將支架鉆入頂底板之間，才能將支架扶起。

2.2.5 采煤機下滑

采煤機下滑的原因有：①制動器摩擦片已磨損超限，制動力不足造成采煤機下滑。②切眼坡度變大采煤機上行驅動力不足，變頻器工作狀態由第一象限轉向第四象限時，液壓制動時限配合不好，造成采煤機下滑；③變頻器沒有工作，液壓抱閘已發令打開，操作失誤，造成采煤機下滑。采煤機下滑可能造成牽引電纜拉脫，行走部齒規輪扳齒等事故。

采取措施：周期性檢查和試驗采煤機液壓制動，輕微下滑或制動不了應立即查明原因，更換損壞配件。遇坡度較大采煤機上行困難時，不再強行爬坡，采用人工擴切眼方法替代采煤機割煤，采煤機司機必須嚴格按照采煤機操作規程作業，防止誤操作造成采煤機下滑事故，另外，在采煤機行走過程中，必須安排專職電纜看護工對履帶進行看護，防止履帶夾被掛住或者電纜突然下滑造成電纜損壞和人身傷害事故。

3 綜合關鍵性預防措施

大坡度綜采面工作面出現的刮板輸送機上竄、下滑，液壓支架擠架、傾斜、甚至倒架，均為較大生產事故，但是調整工作面和處理該類事故時間之長，影響之大，處理過程中的難度和復雜程度均超乎想象，頻繁加減溜槽、加減支架、人工掘進，人工扶架等給安全帶來很大的事故隱患。因此，超前預防，超前調整，采取有效關鍵性預防措施才是關鍵。以下為大傾角工作面采煤的主要預防措施：

1) 嚴格落實采高管理，特別是新安裝工作面出切眼找底板時的采高管理。

2) 嚴格鋪頂網聯網質量，走架過程中保護網片不要掛網撕網，防止出現頂煤漏冒現象。

3) 嚴格控制前部刮板輸送機機頭與轉載機搭接位置距離，根據工作面坡度變化及時采取調小斜，提前改變支架擺向角度，以及推溜順序，防止刮板輸送機的上竄與下滑。

4) 嚴格落實“三直兩平”工程質量管理。工作面越是遇困難條件(過斷層、過陷落柱、過夾矸)，越不能繞著走，更要采取綜合管理措施，整刀推進。

5) 嚴格落實支架初撐力的管控。泵站系統必須能夠不間斷正常工作，乳化液濃度和壓力達到規定要求，工作面使用的水質符合要求，條件允許使用純凈水供液。每組支架均安裝壓力表，壓力必須達到規定值要求。每班安排專人進行補液增壓作業。

6) 嚴格落實放煤管理。工作面采取多輪分段放煤，既要保證放煤回收率，也要防止將矸石放出，最主要是要防止放煤過量造成支架頂空切頂線前移。

以上措施都是在11204、11205、11506等工作面回采過程中，出現多次刮板運輸機上串下滑，斷鏈、及擠架、倒架的事故中不斷摸索和吸取國內大傾角工作面采煤成功經驗。通過在11505工作面的全面應用，從未發生倒架現象，而且工程質量大幅度提升，已形成平均每天推進4刀，產量穩定在8 000 t水平。

4 結 語

雖然我國在大傾角煤層開采技術與裝備層面還存在諸多難題，但只要深入不懈的研究，大傾角采煤工作面的幾種極端不利因素就是可以預防和控制的。潞寧孟家窯煤礦大傾角厚煤層綜采放頂煤采煤關鍵技術在生產實踐中已得到了良好的應用，具有一定的推廣性。而對于未來大傾角厚煤層的開采，還需要更多的研究者與生產技術人員立足于不同礦井的現場實際，深入探索和不斷總結經驗，進一步提高此類煤層開采安全性與高效性。