唐林軍 胡乃聯(lián) 李國(guó)清 張炳學(xué)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.北京昊華能源股份有限公司)

急傾斜煤層一般是指煤層傾角在45°以上的煤層［1］。目前開采急傾斜煤層主要有水平分層和俯偽斜采煤法、掩護(hù)支架采煤法和放頂煤采煤方法等［2-4］，由于該類煤層成煤過程復(fù)雜，煤層賦存獨(dú)特，選擇開采方法具有一定的局限性［5-6］。

長(zhǎng)溝峪煤礦是京西煤田主采礦井之一，屬侏羅紀(jì)煤系，長(zhǎng)溝峪區(qū)15槽開采塊段煤層平均傾角在55°以上，厚度變化為5～20 m，走向變化大，傳統(tǒng)采煤方法為俯偽斜柔性掩護(hù)支架采煤法［7］。張繼忠、孫廣義等人針對(duì)煤層賦存特點(diǎn)分析研究，提出急傾斜煤層Z型通風(fēng)留巷放頂煤采煤法［8-9］，但在推采實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)存在以下問題:①底板側(cè)沿空留巷需破底板巖石，不利于頂煤控制，巷道維護(hù)困難，存在安全隱患;②頂板側(cè)運(yùn)輸巷道受煤層走向變化不易取直，運(yùn)輸設(shè)備鋪設(shè)復(fù)雜，不易管理;③推采過程中拆卸、續(xù)裝支架空間狹小，存在施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，優(yōu)化改進(jìn)急傾斜煤層Z型通風(fēng)留巷放頂煤采煤法，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦安全、高效生產(chǎn)，具有十分重要的意義。

1 初期開采方案

1.1 工作面布置方式

沿煤層頂板掘進(jìn)運(yùn)輸平巷(煤巷)，沿煤層底板沿空留設(shè)回風(fēng)巷。工作面布置如圖1所示。

工作面長(zhǎng)度為煤層實(shí)際厚度，選擇ZHZ1600/16/24Z型整體頂梁組合液壓支架放頂煤開采，支架寬0.96 m，支架中心距1 m。根據(jù)煤層的實(shí)際厚度布設(shè)支架，架間距40 mm。工作面內(nèi)鋪設(shè)1部SGD280/7.5G型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，輸送機(jī)放置于兩支柱之間，工作面打眼放炮落煤時(shí)，輸送機(jī)靠近前柱放置，放頂煤時(shí)則靠近后柱放置。

圖1 工作面布置

1.2 回采工藝過程

工作面采用爆破落煤，人工裝煤，刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，ZHZ1600/16/24Z型整體頂梁組合液壓支架支護(hù)工作面頂板。放頂煤回采工藝流程為:打眼爆破落煤→鋪工作面底板軟煤部分金屬網(wǎng)(同時(shí)翻前探梁)→拆運(yùn)輸平巷八字型支架→留巷→裝運(yùn)煤→移后柱→放頂煤→推移刮板輸送機(jī)→移托梁→移前柱。

1.3 留巷工藝

留巷采用“八”字型柔性掩護(hù)支架。巷道內(nèi)不安裝設(shè)備，僅供行人、運(yùn)料及回風(fēng)。巷道斷面底寬0.8 mm，頂寬0.5 m，高2 m，支架間距0.5 m。柔性掩護(hù)支架采用舊鋼軌或工字鋼制作。在支架上布置4道鋼絲繩卡，固定鋼絲繩。支架間利用木板連接，支架上肢采用金屬立撐或單體柱支撐，保證支架的穩(wěn)定性。

1.4 單產(chǎn)及工效

通過近3個(gè)月推采，第一個(gè)Z字型通風(fēng)留巷放頂煤工作面平均日產(chǎn)量80.6 t，平均工效3.8 t/工。該采煤方法資源回收率為91.15%，同地點(diǎn)同月份采用柔掩法，回采率為84.25%。

2 初期方案分析

2.1 底板側(cè)端頭處沿空留巷

煤層靠近底板側(cè)煤質(zhì)較軟，是放頂煤的主要區(qū)域，該區(qū)域回采工作面底板側(cè)為三角形巖石。在煤層底板側(cè)需要沿空留巷布置柔掩支架，為保證工作面放煤方便及支架的穩(wěn)定性，需要把該三角形區(qū)域的巖石同回采工作面一起爆破采出。響炮時(shí)可能造成上部煤體塌冒，存在較大安全隱患，同時(shí)受巖石爆破影響，沿空留巷支架受到破壞，斷面減小，巷道維護(hù)困難。見圖2。

圖2 沿空留巷斷面及掘進(jìn)炮眼布置(單位:mm)

2.2 頂板側(cè)布置運(yùn)輸巷

因煤層壓力大，尤其受采動(dòng)影響后，運(yùn)輸巷變形嚴(yán)重，加之鋪設(shè)設(shè)備尺寸及支護(hù)設(shè)施影響，使運(yùn)輸巷的通風(fēng)、行人斷面無法保證。煤層厚度及走向變化大，巷道無法取直，造成運(yùn)輸設(shè)備鋪設(shè)數(shù)量較多且影響巷道正常使用。在推采過程中需根據(jù)煤層厚度的變化，在頂板側(cè)拆卸、續(xù)裝工作面懸移支架，在運(yùn)送及安裝支架時(shí)操作空間窄小，施工困難。如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸平巷斷面(單位:mm)

2.3 工作面推采工藝

循環(huán)作業(yè)方式為一次對(duì)工作面整壁爆破，每班推進(jìn)一循環(huán)，三班生產(chǎn)，邊采邊準(zhǔn)。但當(dāng)煤層厚度較大時(shí)，工作面懸移支架數(shù)量較多，一次爆破后當(dāng)班無法全部移架到位，造成支架前方較長(zhǎng)時(shí)間不能接觸煤壁，易引起前方煤壁片幫冒頂或支架失穩(wěn)，存在較大的安全隱患。

因工作面采用懸移支架支護(hù)，工作面內(nèi)運(yùn)煤采用刮板輸送機(jī)，刮板輸送機(jī)的推移需要人工手拉葫蘆操作，且刮板機(jī)在工作面支架下方施工空間小，設(shè)備運(yùn)行時(shí)人員在支架下作業(yè)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

3 急傾斜煤層Z型通風(fēng)留巷放頂煤采煤方法優(yōu)化

3.1 巷道布置

煤層頂板側(cè)改為底板側(cè)，即沿煤層走向在煤層底板巖石內(nèi)布置運(yùn)輸平巷(巖巷)，在運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)打設(shè)探眼，控制與煤層的距離不超過0.6 m，將回風(fēng)巷通過沿空留巷方式布置在煤層的頂板側(cè)。工作面布置如圖4所示。

圖4 工作面布置

該布置方式特點(diǎn):①巷道在底板巖石內(nèi)布置，可保證巷道斷面符合行人、通風(fēng)、運(yùn)料等需求;②煤層變化較大時(shí)可在底板側(cè)端頭處安裝或拆除支架，在運(yùn)輸巷內(nèi)運(yùn)送支架;③消除了原方案中破底板三角巖石時(shí)底板側(cè)頂煤塌冒的風(fēng)險(xiǎn);④運(yùn)輸巷斷面較原八字形柔掩支架斷面大，在鋪設(shè)運(yùn)輸設(shè)備時(shí)可有效減少設(shè)備彎曲段，從而減少設(shè)備數(shù)量，降低人工成本，提高工效。

3.2 工作面運(yùn)煤方式

取消工作面刮板輸送機(jī)，在前期掘進(jìn)開切眼時(shí)按18°的坡度布置，在切巷內(nèi)安裝支架，向前推采時(shí)始終保持工作面18°的坡度，在工作面內(nèi)鋪設(shè)搪瓷溜煤板，采出的煤體靠自重沿溜煤板下滑至運(yùn)輸巷內(nèi)。該布置方式的特點(diǎn):①避免了人工頻繁移動(dòng)設(shè)備;②操作簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)小，效率高。

3.3 推采工藝

煤層厚度超過10 m時(shí)采用分段爆破推采工藝，將工作面支架每6架為一組，每次只爆破一組支架前方的煤壁，當(dāng)班完成一組支架區(qū)域的推采進(jìn)度后，再爆破下一組支架前方煤體。該推采工藝特點(diǎn):①避免了因煤層較厚時(shí)一次爆破裝藥量較多，對(duì)支架穩(wěn)定性的破壞;②工作面分段爆破后，及時(shí)出煤移架，保證工作面始終有支架接觸前方煤壁，不會(huì)造成支架失穩(wěn)趴架，也不會(huì)出現(xiàn)前方煤體大面積片幫塌冒。

4 應(yīng)用效果

長(zhǎng)溝峪煤礦將上述的優(yōu)化方案依次在－310 m水平東三東3槽、－310 m水平東二東15槽、－310 m水平中三背15槽實(shí)施，工作面單產(chǎn)超過8000 t，超出了預(yù)期目標(biāo)，優(yōu)化調(diào)整取得成功。

(1)安全方面。消除了沿空留巷側(cè)爆破巖體可能出現(xiàn)的煤體塌冒風(fēng)險(xiǎn)，采用分段爆破推采，有效保證了工作面懸移支架的整體穩(wěn)性;運(yùn)輸巷斷面增大，使人員施工操作空間得到保證，有效的降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)單產(chǎn)工效方面。取消一臺(tái)工作面內(nèi)刮板輸送機(jī)，減少了頻繁移刮板機(jī)所需的工時(shí)及運(yùn)輸巷拐彎距離，使刮板機(jī)輸送機(jī)數(shù)量明顯減少，減少了人員配置，人均工效提高至13 t，回采率達(dá)到95.2%。

(3)成本。工作面及運(yùn)輸巷內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備配置數(shù)量減少，有效地降低了人工成本及設(shè)備損耗成本。平均每個(gè)工作面可減少4部刮板輸送機(jī)，工作面定員人數(shù)可減少5人。人工成本每個(gè)工作面可減少約4萬元/月，設(shè)備成本可減少0.5萬元/月。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)Z型通風(fēng)留巷放頂煤采煤法的優(yōu)化改進(jìn)，降低了工作面人員勞動(dòng)強(qiáng)度和施工風(fēng)險(xiǎn)，使回采率提高至95.2%，工效顯著提高，較優(yōu)化前提高3倍左右。

(2)優(yōu)化后的設(shè)備數(shù)量減少，工作面操作人員數(shù)量減少，推采進(jìn)度提高，在人工成本和設(shè)備材料成本有了大幅度降低。

(3)Z型通風(fēng)留巷放頂煤采煤法的優(yōu)化改進(jìn)是成功的，巷道布置工程量減少，工作面投產(chǎn)快，工藝操作簡(jiǎn)單，符合國(guó)家安全規(guī)程的規(guī)定，保證了安全生產(chǎn)，為5～20 m厚急傾斜煤層安全高效開采提供了實(shí)踐依據(jù)。

［1］ 徐永圻.急傾斜煤層開采［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1984.

［2］ 霍丙杰.復(fù)雜難采煤層評(píng)價(jià)方法與開采技術(shù)研究［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

［3］ 李開學(xué).急傾斜煤層采煤方法分析與礦壓控制［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008.

［4］ 李棲鳳.煤礦開采學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［5］ 華心祝.我國(guó)沿空留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)建議［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006(12):78-81.

［6］ 楊虎雄.急傾斜煤層巷道放頂煤開采合理工藝參數(shù)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2013.

［7］ 北京礦務(wù)局.京西煤田開采［M］.北京:北京礦務(wù)局出版社，1996.

［8］ 張繼忠，孫廣義，翟永勝.急傾斜煤層“Z”型通風(fēng)沿空留巷水平分段放頂煤工藝技術(shù)［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013(2):161-164.

［9］ 柏興明，孫廣義，董長(zhǎng)吉.斜煤層Z型通風(fēng)留巷水平分層放頂煤采煤方法的煤層上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究［J］.礦冶，2014(1):5-8.