大傾角工作面采煤工藝方案設計及實踐

胡麗偉

（西山煤電建筑工程集團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，造成支護系統以及開采設備的不穩定，底板出現滑移，影響井下開采效率[1-3]。該煤礦的地質結構是急傾斜、軟煤、硬頂底板，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行優化設計具有重要意義。

1 地質概況

某煤礦地處山西煤礦的西南邊，礦區的西、北補距離309 國道2.5 km，東部距離208 國道4 km，井田的面積為11.75 km2，設計生產原煤產量為60 萬t/a，服務年限64 a，地質儲量約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。工作面偽頂煤層厚度為0.16～0.86 m，主要是深灰色炭質泥巖；直接頂煤層厚度為1～2.3 m，主要是粉砂質泥巖和炭質泥巖；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泥巖；底板煤層厚度在10 m 以上，主要是白色炭質泥巖和灰色砂巖。

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，對薄煤層區域，受活動范圍的影響，采煤作業難以進行；對厚煤層區域，根據煤層厚度將開采區分為多個區域，通過定量定性分析后進行采煤作業[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，提前對煤層進行分段設計，根據計算出的每個煤層厚度的方差來選擇相應的支護方式，確保生產順利。

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，根據煤層傾角的大小，對開采區工作面進行劃分，提高采煤效率，在傾角較大時，要提高防滑設備的科學性，確保生產順利。

2.3 頂板底板的影響

采煤作業質量受煤層頂底板穩定性的影響，在開采過程中，充分考慮巖石的厚度及組成成分等信息，加強對頂板的支護，提高采煤效率。

2.4 破壞煤層的影響

受井下大型機械設備的影響，在開采時會使煤層結構發生變化，打亂原煤層的地質結構，加上井下環境比較潮濕，導致被破壞的煤層變硬，阻礙開采的進行。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能力，提升機械設備的穩定性，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，對施工工藝進行改進，在傾斜直線段開切眼處，先用鉆機形成一條自上而下的下煤通道，之后再逐漸擴大到大傾角煤層開切眼處，采用這樣的方式可以防止出現頂板冒頂現象，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以及施工過程中三機配套問題，解決排頭支架的受力不均衡，使支架保持較好的穩定性，改善刮板輸送機運行環境，消除大傾角下出口處出現的臺階，從而提高煤炭資源采出率。

3.2 設備選型與配套

大傾角煤層開采的核心設備是液壓支架，低位放頂煤選用ZF5200/17/28 型液壓支架，搭配雙側雙活式支架側護板和側護千斤頂，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構。各個液壓支架的性能參數如表1 所示[7-8]。底調機構作為調節液壓支架位置的重要機構，安裝在支架底座兩邊，主要包括底調千斤頂、底調梁和導向桿，在調架時協調底調機構和側護板，防止支架倒滑，實現支架的穩定性。

表1 液壓支架性能參數

防滑體系主要由液壓支架和刮板輸送機組成[9]，刮板輸送機選用可彎曲的SGZ730/160 型，并在刮板輸送機上安裝楔形防滑導板和斜向牽引裝置，確保液壓支架和刮板輸送機互為支點。采煤機要選擇牽引功率大、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，說明選擇的三機配套設備能滿足生產的要求。

3.3 回采工藝

為實現大傾角煤層的高效開采，對割煤、裝煤、運煤等工藝進行研究。工作面沿煤層傾向布置，設計開采高度為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，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行。截割出的原煤在雙滾筒采煤機螺旋葉片的旋轉作用下被送入前刮板輸送機，然后在后梁的升降運動下，頂煤會自行垮落裝入后刮板輸送機中。運輸順槽選用運煤能力為650 t/h 的SZZ764/132 型橋式轉載機運煤；大塊煤選用PLM/1000 型破碎機對其進行破碎；使用DSJ-100/100/2×75 型可伸縮膠帶輸送機進行運煤，經皮帶運輸聯巷后轉到皮帶石門，最后到達運輸大巷輸送機，進入運煤系統。

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，借助挑頂提底技術，確保曲率正常。在推移刮板輸送機時會出現滑動，為了與搭載機緊密搭接，前刮板輸送機滑動的上竄量要與其下滑量相等。

3.4 調斜安全技術措施

1）在調斜過程中，液壓支架的側護板要足夠靈活，有一定的伸縮性。

2）在調斜過程中，為了不讓溜槽出現脫節，要確保刮板輸送機平直，不能推成陡彎。

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

4）對工作面內支架進行調整時，要同步對支架上的浮煤進行清理，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整時，必須要固定小推拉缸，不能出現來回晃動。

6）采用單體液壓支柱支承時，要調整支承時的角度，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 防倒架安全技術措施

1）液壓支架配套應齊全，側護板應完整沒有損壞。

2）首先是拉架，將端頭液壓支架的機頭或機尾升起、拉緊，使液壓支架的支撐作用發揮到最大；然后在拉架的同時調整支架，使支架向機尾（機頭）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，先調整側護板有行程處的支架，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。

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

5）對液壓支架進行調節時，要控制好支架的平衡，通過擦頂移架方式防止向機頭傾斜倒架。

6）調斜過程中，如果出現支架嚴重倒架，要及時進行調整。

4 效果分析

將傾斜分段采煤技術應用在該煤礦中，與原水平分段采煤技術經濟指標進行對比，結果如表2 所示。可見，在采用傾斜分段采煤后，工作面循環產量為268 t，月平均進度為56 m，月平均產量為20 044 t，回采率為83%，工作面的作業成本整體上有所降低，開采效益得到提升。

表2 技術經濟指標對比

5 結論

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，得到結果如下：

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，滿足工作面的生產需要，確保圓弧段上液壓支架不傾斜、倒滑，提高了支護系統的穩定性。

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