急倾斜薄及中厚煤层开采方法及发展分析

汪永印，李绪方

（1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州万恒科技发展有限公司，贵州 贵阳 550025）

急倾斜煤层指倾角大于45°的煤层。国内主要产煤区均有分布，急倾斜煤层约占中国煤炭总储量的25%，而产量却不足10%[1]。

大倾角煤层通常指35°～55°的煤层。下限为35°是由矸石的自然安息角所确定的，但上限55°则是根据当时技术装备条件下布置长壁工作面所能达到的极限角度而确定的。我国大倾角煤层已探明储量约（1800～3600）×108t，产量约（18.5～3.0）×108t，分别占全国储量和产量的10%～20%和5%～8%[2]。

目前，贵州及国内相关科研机构对于大倾角煤层综合机械化开采方面的研究已经有了成功的经验。如贵州六枝某矿成功的急倾斜柔性液压支架配合截煤机的急倾斜煤层综合机械化开采方法已经试采成功。

目前贵州及国内相关科研机构在倾角大于60°的急倾斜煤层的机械化开采领域已经做出过有益的尝试。伪倾斜柔性掩护支架采煤法曾经作为倾角大于60°的薄及中厚急倾斜煤层开采的有效方法，由于产量低、劳动强度大，机械化程度低等因素已经难以满足煤炭工业机械化、智能化的发展需要[1,3]。但是，在伪倾斜柔性掩护支架能有效隔离采空区的思路影响下，国内多家煤矿及科研机构分别研制出液压可伸缩柔性掩护支架[4]、自移式柔性掩护液压支架[5]；为减少急倾斜煤层开采时工作面爆破落煤的工作量，部分科研机构研制出铣采采煤机[4]、钢丝绳锯采煤法[6]、巷道放顶煤采煤法[7]、采煤机配合移动气垫采煤法等。

1 急倾斜煤层主要采矿方法简介

1.1 急倾斜煤层主要采矿方法分类

目前，急倾斜煤层薄及中厚煤层的采矿方法主要有台阶采煤法、掩护支架采煤法、巷道放顶煤采煤法、机械化/综合机械化采煤法以及地下气化等，急倾斜薄及中厚煤层主要开采方法如图1所示。其中的台阶采煤法基本淘汰。

1.2 柔性掩护支架采煤法

柔性掩护支架采煤法利用柔性掩护支架隔离采空区，人员在掩护支架下方工作，有效提高了工作面的安全状况。主要采煤方法分类如图1所示。其中真倾斜掩护支架采煤法已经淘汰。

图1 急倾斜薄及中厚煤层采矿方法分类示意图

1.2.1 伪倾斜柔性掩护支架采煤法

伪倾斜柔性掩护支架采煤法工作面由于通风困难、产量低、劳动强度大、机械化程度低等因素已经难以满足现代煤炭工业机械化、智能化的发展需要[1]。

为提高工作面产量，通常需增大区段高度。为缓解由于区段高度的增加导致的煤炭运输时的向下的冲击力，常采用在掩护支架中部增加平架子段、溜煤斜巷、溜煤高眼以及通过增加腰巷（中巷）的方式来实现分段运输[1]。又由于增加了溜煤斜巷、溜煤高眼、中巷等导致工作面分段进入新鲜风流，导致工作面下段风量不足，上段风速超限，给原本就因为地沟断面小而存在诸多通风问题的伪倾斜柔性掩护支架工作面带来新的管理难度。

1.2.2 掩护支架类型

柔性掩护支架的主要支架类型有7字型、“〈”形、八字型、一字型。为增加掩护支架对煤层厚度的适应性，目前有可变宽度的液压可伸缩型掩护支架[4]以及部分实现自移的液压支架[5]。

1.2.3 破煤方式

柔性掩护支架采煤法的主要破煤工艺有风镐破煤、爆破破煤、铣采/俯采采煤机破煤。为减少爆破或风镐破煤的工作量，目前发展有铣采采煤机[4]、俯采采煤机等，即基于柔性掩护支架的机械化采煤法。

1.3 巷道放顶煤采煤法

巷道放顶煤采煤法主要有单分段水平放顶煤采煤法，区段高度一般稍大于10m，辅以中深孔松动爆破[7-8]。为提高推进速度，采用放顶煤液压组合支架，后架以放煤为主，在掩护梁和顶梁设置放煤口，进行中位和高位放煤。前架以驱动为主，采用履带式电动牵引。

为增加区段高度，提高工作面产量，改进的巷道放顶煤开采方法有“两段三平巷”式开采方法，其目的都是通过上、下区段错茬推进，实现两个工作面同时开采，巷道布置类似于伪倾斜柔性掩护支架采煤法的增加腰巷/中巷的开采方法。

为减少巷道掘进工程量，通过维护放顶煤巷道，形成单一巷道放顶煤采煤法，但需要布置边界回风上山。具体做法是，在放顶煤巷道内，靠近底板侧维护一条人字形巷道作为工作面的回风巷。工作面的风流由放顶煤巷道进入，然后通过维护的人字形巷道回风至采区边界上山。

1.4 机械化采煤法

机械化采煤法主要是通过反井钻机、钢丝绳锯，采煤机实现煤炭开采，主要采矿方法分类如图1所示，其中普通机械化采煤法已经淘汰。

1.4.1 房柱式充填采煤法

房柱式充填采煤法由工作面回风巷装反向钻机、向下施工导向孔、下放钻杆、在运输巷根据煤厚安装刷扩刀盘、反向钻采落煤、在回风巷拆除钻机的方式回采。通常，将工作面划分为若干个房柱，房柱交替回采，回采后的房柱采用矸石+胶凝材料充填。

1.4.2 钢丝绳锯采煤法

工作面长度一般10～30m，煤锯绳长5～7m，每隔1～1.5m装一个锯齿，采过的空间不支护，每隔一定距离留设2～3m的煤柱，为此，要在工作面前方每隔20～30m预先开好一个切眼。

采煤工不进入工作面，只是在巷道中开动绞车和移动导向滑轮，大大减轻了工人的劳动强度，而且设备简单。存在的问题是断绳处理困难，煤炭可能自溜进入采空区，采出率底，含矸率高等。

为解决采出率及断绳维修等问题，发展有钢丝绳锯+移动气垛采煤法，依靠钢丝绳悬吊单排气垛并以绞车牵引钢丝绳移动气垛。根据顶底板岩性可以采用单排或双排气垛。

这种采煤方法所需劳动量小，坑木消耗小，可远距离操作；但是气垫卸载时间长，且存在密封性问题。

1.4.3 采煤机+移动气垫采煤法

通过空气管路给气垛充、放气，根据要求实现气垛的支撑作用，实现无人操作，保护采面的采煤机不受采空区矸石的冲击。

采煤机工作时两组气垛充气，分两列支撑在上下顶板之间，工作面布置如图2所示。

1.4.4 液压掩护厢体支架+截煤机综合机械化采煤法

液压掩护厢体式支架+截煤机的急倾斜煤层综合机械化开采方法，首次应于贵州六枝某矿试采成功，采用液压掩护厢体式支架，创新了急倾斜煤层顶板支护管理技术及装备；研发了急倾斜煤层采煤机械，创新了急倾斜煤层机械落煤工艺，实现了急倾斜65°以上煤层机械化开采，形成了急倾斜煤层机械化开采的成套技术、工艺及装备，工作面布置如图3所示。

图3 液压掩护厢体式支架+截煤机综采工作面布置图

但是，目前安装使用的急倾斜柔性液压支架前探梁为固定式，还不能很好的根据煤层厚度变化来调整前探梁的长短以更好地适用煤层厚度的变化。

1.4.5 大倾角煤层长壁综合机械化采煤法

（1）采煤法。采煤机下行割煤，反向割三角煤，割煤后采用追机拉支架，返刀收浮煤，分段停机推移刮板机，正常推溜时只能从机头向机尾方向依次移溜。

使用掩护式大倾角液压支架，使用架前和架间挡矸门。架前挡矸装置安装于刮板机的槽帮上，可调高度。架间挡矸装置安装于支架底座的两侧，可调宽度。

（2）综采支架的发展。随着大倾角煤层长壁综采的研究发展，已经形成了主动防倒防滑、自动扶正、稳定状态三维可调、防陷底防片帮、工作阻力分区控制的第3代综采支架和适应工作面伪俯斜布置的第4代异形液压支架[2]。

（3）综采机械化开采的主要难题。目前我国的非专门开采设备（液压支架、采煤机、刮板机）在增加防倒防滑装备后的最大适用倾角小于35°；但当倾角大于55°时，由于设备能力等因素，很难使用工作面倾斜布置走向推进的传统开采方法[2]。

回风巷附近支架的空顶、倒滑、冲击失稳，运输巷附近支架的推垮以及非对称载荷场内异形断面巷道支护也是大倾角综采面临的难题。

2 发展趋势

以人为本的采矿发展理念，要求采矿方法必须实现机械化、智能化、智慧化、无人化。但是，目前关于急倾斜煤层的采矿方法均存在不同的弱点。

绳锯采煤法受限于绳锯及气垫的维修量、含矸率、采出率等因素。

柔性掩护支架采煤法受限于柔性掩护支架的拆、装的繁重工作，受限于工作面的采煤机械的牵引及运输溜槽的安装及拆卸工作。

巷道放顶煤采煤法受限于放顶煤高度小、产量低、含矸率、采出率等因素。

大倾角煤层长壁综采(放)的理论研究、关键技术和装备研发是以缓倾斜煤层为基础的，随着现场应用的不断拓宽，对55°以上的煤层开采的安全与产效问题凸显，已经成为大倾角煤层综合机械化开采的“瓶颈”。但是，随着大倾角煤层长壁综采装备体系的发展，综合机械化开采大倾角煤层是主要发展方向。

因此，必须针对大倾角煤层研究开采过程中最基本的科学问题并获得突破，提出“颠覆性”的关键技术，研发新方法和新装备，才能实现安全高效与绿色开采。

3 新思路、新方法分析

巷道放顶煤采煤法，由于其巷道系统简单，并由于工作面不需要支护且实现了工作面无人作业等优势，已经成为急倾斜薄及中厚煤层开采的主要研究方向之一。为提高巷道放顶煤工作面的产量，采取辅助手段破碎煤体，并实现煤体与采空区矸石的有效分离，以便于顺利进行巷道放顶煤开采已经成为急倾斜薄及中厚煤层机械化开采的重要思路。

串珠绳锯由于刚度大，切割硬度大，切割长度大，切槽小，对煤的整体性破坏小，能很好的适应煤层厚度变化，可有效地将煤体与顶、底板分离、将煤体切割成薄层状条带块状，从而让煤体易于整体下移垮落，减少与矸石的混合，将成为急倾斜煤层巷道放顶煤开采的有效的辅助破煤手段。

3.1 串珠绳锯

目前，已经有应用于煤矿井下的防爆型电动三代绳锯机FBDSJ-Ⅲ，目前，串珠绳锯机主要用于低渗透煤层切槽卸压的瓦斯治理工作。防爆型电动三代绳锯机FBDSJ-Ⅲ如图4所示[9]。

图4 防爆型电动三代绳锯机FBDSJ-Ⅲ图

3.2 串珠绳

串珠绳通常采用在钢丝绳的外周沿轴向一定间隔固定环状串珠切削体或者在钢丝绳上沿轴向连续配列螺旋状切削体，并将钢丝绳的两端焊接起来成为绳锯，由于切削体的突出部分呈螺旋状，在径向，相邻的裸线上的切削体形成连续移动切割，易于排屑。由于这种串珠绳的整个表面都有切削体，因而不论在锯的轴向还是径向均可切割；又由于这种钢丝绳没有使用绞合线，因而柔软性小，刚性大。

3.3 开采方法

采用在工作面运输巷沿煤层走向布置放顶煤液压支架，采用放顶煤工艺，采用串珠绳锯作为辅助破煤工艺。

该采煤方法的巷道布置系统类似于走向长壁工作面巷道布置系统，工作面巷道主要包括：工作面运输巷、回风巷、开切眼，必要时在工作面前方每隔5～6m布置通风眼。

3.3.1 串珠绳锯的安装

在工作面运输巷安装串珠绳锯主机，在工作面回风巷安装串珠绳锯辅机。

将串珠绳绕过工作面回风巷的串珠绳锯辅机的从动轮及导向轮，再由工作面开切眼牵引并绕过工作面运输巷主机的导向轮及主动轮，然后将串珠绳首端和末端连接套入并拉紧后安装完成。

3.3.2 回采

开动串珠绳锯主机，主动轮带动串珠绳顺时针方向旋转，串珠绳锯主机、辅机同时在机座上行走实现对工作面煤层的切割。回采过程中，采煤工人不必进入工作面，只需要在巷道内开动绳锯及调整导向轮位置。

主动轮、导向轮数量及串珠绳条数根据煤层厚度、硬度等参数确定。

3.4 巷道放顶煤工艺

放顶煤液压支架的前架采用同降同移，后架采用迈步式移动，移后架时始终有三个面支护顶板，顶板支护面积大，可有效管理顶板。也可根据顶板的情况将后架调整为整体移动。

3.5 主要优缺点分析

3.5.1 与其他急倾斜煤层采煤法的比较

与传统的巷道放顶煤开采法、伪倾斜柔性掩护支架采煤法相比较，主要技术参数比较如表1所示。

表1 不同采矿方法主要技术参数

由表1可以看出，基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤采煤法，具有区段高度大、推进速度快、回采率高、工作面需要的工人少等优势。

3.5.2 主要技术优势分析

（1）实现了工作面无人作业，安全性高。

（2）提高了区段高度及工作面产量，可以实现区段高度120m以上而不需要布置腰巷。

（3）提高了煤质及回采率。

（4）对煤层厚度及倾角的适应性强，对工作面内的地质构造及煤厚变化适应性强。

（5）实现了急倾斜薄及中厚煤层的机械化开采。为后续自动化/智能化开采提供了机械化技术基础。

（6）还可以作为保护层开采措施、低渗透煤层卸压增透防治瓦斯的辅助措施。

4 结论

根据急倾斜煤层开采时，煤炭可以利用自重下滑的特点，改造应用于低渗透煤层切槽卸压的串珠绳锯，将其用于对巷道放顶煤工作面的煤体进行预破碎、预切割，从而将煤体切割成条带块状并实现煤体与顶底板的分离，可以有效提高巷道放顶煤开采时的区段高度，进而提高工作面产量及回采率，降低巷道掘进率及含矸率。