郭靈飛，康天合，潘月軍

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西太原030024；3.神東煤炭集團(tuán)洗選中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

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開采技術(shù)與裝備

厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置和三段式回采工藝研究

郭靈飛1，康天合2，潘月軍3

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西太原030024；3.神東煤炭集團(tuán)洗選中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

以山西西山晉興能源公司斜溝煤礦13號煤層（煤厚14m）為研究背景，針對緩傾斜厚煤層綜放回采巷道布置方式和回采工藝進(jìn)行研究分析，應(yīng)用對比分析法首先從技術(shù)上分析研究傳統(tǒng)兩巷（區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷和區(qū)段回風(fēng)巷）沿底布置、兩巷一頂一底的錯層位和分層開采巷道布置的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出雙凹字型巷道布置和三段式回采工藝；其次從經(jīng)濟(jì)上分析兩巷沿底布置、一頂一底的錯層位布置、分層開采巷道布置和沿雙凹字型巷道布置的各自煤炭損失量。研究表明：厚煤層雙凹字型布巷易于巷道掘進(jìn)與支護(hù)，利于瓦斯排放、減少煤柱寬度，工作面每推進(jìn)1m多回收煤炭127.81～162.14t。

厚煤層；雙凹字型布置；綜放回采巷道；三段式回采工藝

綜放回采巷道布置和回采工藝的合理選擇包括以下幾個方面:煤層的賦存條件，包括煤層的傾角和厚度、圍巖特征、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、瓦斯情況等；采煤技術(shù)發(fā)展和裝備水平，主要是指生產(chǎn)中采掘設(shè)備供應(yīng)條件和生產(chǎn)單位的購買能力，以及設(shè)備的適用條件；管理水平，礦井技術(shù)管理水平和職工素質(zhì)對高產(chǎn)高效和安全程度有很大影響；國家的技術(shù)政策、法規(guī)和規(guī)程。一種適合綜放開采的巷道布置系統(tǒng)和回采工藝，能夠易于瓦斯排放、利于弱化頂煤頂板、提高采出率、解決巷道掘進(jìn)與支護(hù)的困難等。

本文以山西西山晉興能源公司斜溝煤礦13號煤層為研究背景，該煤層平均厚度14m，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度采用厚煤層雙凹字型巷道布置系統(tǒng)和三段式回采工藝。

1　已有厚煤層采煤法的巷道布置和回采工藝

1.1傳統(tǒng)的兩巷沿底布置和回采工藝

傳統(tǒng)放頂煤工作面兩巷沿煤層底板布置，如圖1所示。工作面開切眼、區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷1和區(qū)段回風(fēng)平巷2均沿煤層底板布置，回采過程中，采煤機(jī)沿底割煤，上方的頂煤在支架后方放出。綜放開采一次采出煤量大，煤體釋放出瓦斯量大，且瓦斯密度比空氣小，具有明顯的上浮效應(yīng)，而回風(fēng)巷沿底布置，不易排出瓦斯，易造成瓦斯積聚，為此需要內(nèi)錯或外錯回風(fēng)巷布置一條專用瓦斯巷。

圖1　傳統(tǒng)兩巷沿底布置示意

為了維護(hù)工作面端頭的穩(wěn)定性，從端頭支架到中間支架之間有2～3架的過渡支架，過渡支架不放煤或少放煤，且由于工作面兩端頭礦山壓力較小，對頂煤的破碎效果差［1］。一般情況下，相鄰工作面間留設(shè)10～30m的煤柱。

該布置方式在我國煤礦生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用，具有顯著的優(yōu)越性:

（1）對煤層厚度變化大、穩(wěn)定性差和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的煤層適應(yīng)性強(qiáng)，大大提高了煤層的開采強(qiáng)度。

（2）巷道布置簡單，掘進(jìn)率低，節(jié)省大量掘進(jìn)和運(yùn)輸工作，緩解采掘接替緊張的矛盾。

（3）工作面有2個出煤點(diǎn)，可以實現(xiàn)高產(chǎn)高效。

（4）利用礦山壓力破碎頂煤，節(jié)省電能，增加煤炭塊度。

（5）與分層開采相比，初次設(shè)備投資少，節(jié)省大量假頂材料費(fèi)。

但綜放技術(shù)有其自身的缺陷:

（1）工作面采出率與分層開采相比偏低。

（2）兩巷沿煤層底板布置，而煤層屬較松軟巖體，在巷道掘進(jìn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)冒頂，巷道不易維護(hù)。

（3）瓦斯涌出量高，且不易排出，尤其是上隅角瓦斯經(jīng)常超限。

（4）端頭煤損多，頂煤放不凈，在采空區(qū)遺留的浮煤多，存在自然發(fā)火的隱患。

（5）一次采出煤層厚度大，使工作面粉塵量大，惡化井下作業(yè)環(huán)境［2］。

1.2兩巷一頂一底的錯層位綜放回采巷道布置和回采工藝

兩巷一頂一底的錯層位綜放回采巷道布置如圖2所示。工作面區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷1沿煤層底板布置，布置在上一工作面區(qū)段回風(fēng)巷3的三角煤柱中，區(qū)段回風(fēng)巷2布置在煤層頂板中。兩巷處于煤層的不同層位，相鄰工作面間相互搭接布置，不留區(qū)段煤柱，但留設(shè)三角煤柱［3］。

圖2　兩巷一頂一底的錯層位綜放回采巷道布置示意

該布置方式回采工藝較為復(fù)雜，a段在上一相鄰工作面采空區(qū)下，采用網(wǎng)下回采工藝，在該段進(jìn)行回采需要控制好采煤機(jī)割煤高度，否則易發(fā)生漏矸現(xiàn)象；b段和傳統(tǒng)兩巷沿煤層底板布置的綜放開采技術(shù)基本相同，所不同的是存在一段爬坡段；c段需要進(jìn)行鋪網(wǎng)回采。

與傳統(tǒng)兩巷沿底板布置綜放巷道布置相比，有如下的優(yōu)點(diǎn):

（1）回風(fēng)巷沿煤層頂板布置，高于工作面，工作面瓦斯易于排出。

（2）對于煤層厚度不太大的情況，相鄰工作面間不留煤柱，只有三角煤損失，煤損量減小，回采率增加。

該布置方式主要缺陷如下:

（1）區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷布置在三角煤中，上方已采空，無法實施錨桿支護(hù)，只能實施棚子支護(hù)，費(fèi)時又費(fèi)力。

（2）工作面a段回采時，極容易發(fā)生露矸，影響煤質(zhì)。

（3）回采過程中，工作面a，b，c三段的回采工藝不同，工作面回采工藝多樣、設(shè)備繁雜，這樣工作面一次投資大，而且要求職工的作業(yè)水平高。

1.3分層綜放開采回采巷道布置和回采工藝

圖3為厚煤層分層綜放開采時，分兩個分層的回采巷道布置示意圖。上分層回采工作面的區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷和區(qū)段回風(fēng)巷都布置在厚煤層的上部層位，下分層兩巷道都布置在厚煤層的下部分層，下分層的巷道內(nèi)錯上分層的巷道布置。根據(jù)不同的煤層厚度，劃分的分層數(shù)也不同［4］。

上分層進(jìn)行鋪頂網(wǎng)或底網(wǎng)進(jìn)行回采，下分層在假頂下回采。各個分層除鋪網(wǎng)和假頂下進(jìn)行回采之外，其他和傳統(tǒng)放頂煤開采基本相同［5］。

該布置方式的采煤法最大的優(yōu)點(diǎn)是工作面采出率比較高，但是采同樣厚度的煤層，所需掘進(jìn)的巷道數(shù)量多，進(jìn)而增加了巷道維護(hù)費(fèi)，增加了噸煤成本，而且一般下分層內(nèi)錯上分層一定寬度布置，這樣增加了煤柱損失。

圖3　分層開采回采巷道布置示意

2　厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置和三段式回采工藝

圖4為厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置示意圖，圖4（a）為該布置方式的平面圖，圖4（b）為該布置方式沿工作面推進(jìn)方向上的剖面圖，圖4（c）為該布置方式沿工作面長度方向的剖面圖［6］。

圖4　厚煤層雙凹字型巷道布置

2.1厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置方式

2.1.1回采巷道布置方式的實施

（1）沿厚煤層穩(wěn)定層掘進(jìn)采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷2、采區(qū)回風(fēng)巷1、運(yùn)輸巷3、回風(fēng)巷4、開切眼5，這些巷道的頂板為穩(wěn)定層，采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷2與回風(fēng)巷4交叉時，回風(fēng)巷4破頂板與采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷2之上立體交叉，形成工作面生產(chǎn)系統(tǒng)。

（2）回采工作面形成雙凹字型布置:在工作面長度方向，運(yùn)輸巷3、回風(fēng)巷4及工作面兩端頭位于穩(wěn)定層9，工作面中間沿煤層底板10布置，用變坡道Ⅰ11和變坡道Ⅱ12連接工作面長度方向上下3段，形成工作面長度方向上的凹字型（圖4（c）中虛線所示）布置；在工作面推進(jìn)方向，開切眼5與停采線處的設(shè)備回撤巷8沿穩(wěn)定層9布置，工作面中間回采區(qū)段B沿煤層底板10布置，以θ=15°變坡角連接工作面推進(jìn)方向的上下三段，形成工作面推進(jìn)方向上的 “凹”字型（圖4（b）虛線所示）布置。

（3）變坡道Ⅰ11和變坡道Ⅱ12設(shè)計為:工作面起坡段每節(jié)溜槽抬高3°，用5節(jié)溜槽抬高至15°，然后保持與底板15°鋪設(shè)N節(jié)溜槽，隨后再鋪設(shè)5節(jié)回落溜槽，每節(jié)回落3°，回落至與煤層底板10平行。

設(shè)煤層底板至巷道底板的高度為Hdd，每節(jié)溜槽長度為A，則N為:

2.1.2回采巷道布置方式優(yōu)越性分析

（1）礦井巷道布置在煤層的穩(wěn)定層，巷道頂板是完整的煤層或矸石或頂板巖層，在掘進(jìn)的過程中不易出現(xiàn)巷道頂板冒漏，能夠加快掘進(jìn)速度，而且因巷道所處層位穩(wěn)定，對巷道支護(hù)要求較低。

（2）錨桿錨索支護(hù)具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性、低成本且易于操作等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦巷道支護(hù)中已普遍應(yīng)用，而對于錨桿特別是錨索來說，其支護(hù)效果的好壞很大程度取決于是否進(jìn)入穩(wěn)定的層位起到錨固作用，因此對于礦井的巷道沿煤層的穩(wěn)定層布置，錨桿的錨固效果更好，錨索更易進(jìn)入穩(wěn)定堅硬的巖層中，這樣在同等條件下能減小錨桿錨索的長度和降低支護(hù)密度，能夠加快巷道的掘進(jìn)，降低生產(chǎn)成本。

（3）厚煤層沿穩(wěn)定層布巷的雙凹字型巷道布置方式，區(qū)段回風(fēng)平巷的層位高于工作面，有利于工作面特別是其上隅角瓦斯排放。

（4）厚煤層沿穩(wěn)定層布巷的雙凹字型巷道布置方式，巷道頂板穩(wěn)定和工作面上下端頭采高低，有利于實現(xiàn)小煤柱或無煤柱護(hù)巷，最大程度地減小了區(qū)段煤柱的損失，提高了礦井的采出率［7］。

2.2厚煤層雙凹字型布巷的三段式回采工藝

2.2.1三段式回采工藝的實施

在工作面推進(jìn)長度方向形成下切、變平、上爬的三段式回采工藝:在工作面推進(jìn)方向，在初采區(qū)段A，工作面從穩(wěn)定層開始下切回采（下切角度為θ=15°），直至初采停止線6，此時工作面沿煤層底板10布置；在中間回采區(qū)段B，工作面沿煤層底板回采，直至中間回采停止線7；在末采區(qū)段C，工作面上爬回采（上爬角度為θ=15°），直至設(shè)備回撤巷8。

在工作面長度方向上也形成下切、變平、上爬的三段式回采工藝:在工作面長度方向，在變坡回采段ⅠD1，或變坡回采段ⅡD2，工作面從一側(cè)端頭開始沿煤層穩(wěn)定層9回采，下切沿變坡道Ⅰ11，或變坡道Ⅱ12回采，直至煤層底板10；在沿底回采段E，工作面沿煤層底板10回采；在變坡回采段ⅡD2，或變坡回采段ⅠD1，工作面上爬沿變坡道Ⅱ12，或變坡道Ⅰ11回采，直至煤層穩(wěn)定層9。

2.2.2雙向三段式長度的確定

2.2.2.1工作面推進(jìn)方向上的三段式長度

初采區(qū)段A和末采區(qū)段C的長度:

式中，HW為穩(wěn)定層距煤層底板的距離，m。

中間回采段B的長度:

式中，LT為工作面的推進(jìn)長度，m。

2.2.2.2工作面長度上的三段式長度

變坡回采段ⅠD1和變坡回采段ⅡD2的長度:

式中，A為溜槽寬度，m；N由式（1）可得。沿底回采段E的長度:

式中，LC為工作面長度，m。

3　厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置的煤炭損失量計算分析

結(jié)合斜溝煤礦13號煤層的實際賦存情況和生產(chǎn)技術(shù)條件，對兩巷沿底布置、一頂一底的錯層位布置、分層開采巷道布置和雙凹字型布置的各自煤炭損失量進(jìn)行計算分析比較。

斜溝礦13號煤層平均厚度14m，工作面采高3.5m，采放比1∶3，兩巷寬5m，高4m，煤的密度1.41t/m3，溜槽寬度1.5m，工作面端頭3架不放煤。

3.1已有厚煤層綜放回采巷道布置煤損量計算分析

3.1.1傳統(tǒng)沿煤層底板布置兩巷煤損量計算分析

圖5為厚煤層兩巷沿底布置巷道煤損示意圖，考慮相鄰工作面間煤柱為20m。

經(jīng)計算煤損面積為400.00m2，每推進(jìn)1m的煤損量為564.00t。

3.1.2一頂一底錯層位巷道布置煤損量計算分析

圖5 傳統(tǒng)兩巷沿底板布置巷道的煤損示意

圖6為厚煤層兩巷沿底布置巷道煤損示意圖。起坡段每節(jié)溜槽抬高3°，達(dá)到15°時，保持該角度上爬，之后抬升角度逐漸降低，每節(jié)降低3°，直至水平。考慮區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷應(yīng)用錨索支護(hù)，錨索長度8m，頂板兩角的錨桿傾斜20°，則下區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷至少外錯上區(qū)段回風(fēng)巷3m，才不至于將錨索打到采空區(qū)。

圖6　一頂一底錯層位巷道布置的煤損示意

經(jīng)計算煤損面積為403.81m2，每推進(jìn)1m的煤損量為569.37t。

3.1.3分層綜放巷道布置煤損量計算分析

圖7為分層綜放布置巷道煤損示意圖。14m的煤層采用2個分層，每個分層采7m，下分層巷道外錯上分層10m。

圖7　分層綜放布置巷道的煤損示意

經(jīng)計算煤損面積為424.34m2，每推進(jìn)1m的煤損量為598.34t。

3.2厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置煤損量計算分析

圖8為厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置的煤損示意圖。穩(wěn)定層位置距煤層底板8m，相鄰工作面煤柱考慮10m。

圖8　厚煤層雙凹字型布置煤損示意

經(jīng)計算煤損面積分別為309.36m2，每推進(jìn)1m的煤損量為436.19t。

煤損計算統(tǒng)計見表1。

表1　不同巷道布置方式的煤損計算統(tǒng)計

4　結(jié) 論

（1）工作面內(nèi)區(qū)段進(jìn)風(fēng)平巷、區(qū)段回風(fēng)平巷、開切眼和設(shè)備回撤巷等巷道均沿煤層中的穩(wěn)定層布置，在工作面長度方向和推進(jìn)方向上均形成凹字型。

（2）分析了雙凹字型布巷的回采工藝，確定了新系統(tǒng)下的工作面長度方向和推進(jìn)方向上的三段式回采工藝，進(jìn)而確定了兩個方向上三段式各自的長度。

（3）通過與傳統(tǒng)兩巷沿底布置、一頂一底錯層布置和分層綜放巷道布置的比較，體現(xiàn)了厚煤層雙凹字型布巷易于巷道掘進(jìn)與支護(hù)，利于瓦斯排放、減少煤柱寬度等優(yōu)點(diǎn)。

（4）通過與傳統(tǒng)兩巷沿底布置、一頂一底錯層布置和分層綜放巷道布置煤損計算比較，可知工作面每推進(jìn)1m，沿穩(wěn)定層布巷多回收煤炭127.81～162.14t。

［1］靳鐘銘.放頂煤開采理論與技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

［2］徐永圻.煤礦開采學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［3］趙景禮.厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法的研究［J］.煤炭學(xué)報，2004，29（2），42-45.

［4］翟德元.特厚煤層分層開采技術(shù)研究［J］.中國煤炭，2008，34（12），37-41.

［5］閆衛(wèi)國.邢臺礦厚煤層分層開采垂直布巷技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（3）:13-15.

［6］康天合，郭靈飛，柴肇云，等.厚煤層沿穩(wěn)定層布巷的雙向凹字型采煤方法［P］.中國專利:CN101915099A，2010-12-15.

［7］郭靈飛，康天合，陳世江，等.緩傾斜厚煤層綜放回采巷道布置方式的現(xiàn)狀分析［J］.煤礦開采，2014，19（2）:1-4，23.

［責(zé)任編輯：王興庫］

Three Stages Mining Technique and Fully Mechanized Mining Roadway Layout with Thick Coal Seam and Bi-directional Concave Shape

GUO Ling-fei1，KANG Tian-he2，PAN Yue-jun3
（1.Mining Industry and Coal College，Inner Mongolia of Science and Technology University，Baotou 014010，China；2.Mining Technology Research Institute，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；3.Coal Washing Center，Shendong Coal Corporation，Erdos 017209，China）

It taking the thirteen coal seam（thickness 14m）of Xiegou coal mine of Xishan Jinxing Energy Company in Shanxi province as studying background，and fully mechanized mining roadway distribution form and mining technique of gentle dip thick coal seam were studied，first，the merit and demerit of two roadways layout method were analyzed by compared and analysis，which include traditional two roadways（sectional in-take air roadway and sectional out-take air roadway）layout along floor，intersect layers layout（one along floor and another along roof）and roadway layout of slicing mining，bi-directional concave shape roadway layout and three stages mining technique were put forward，second，coal resource loss were analyzed from economic aspect about four kinds roadway layout，which included bi-directional concave shape roadway layout and other three traditional layout method.The results showed that bi-directional concave roadway layout was benefit for roadway driving and supporting，gas emission，decrease coal pillar width，about 127.81～162.14t coal resource was recycled in one meter of working face advanced.

thick coal seam；bi-directional concave shape layout；fully mechanized mining roadway；three stagesmining technique

TD263

A

1006-6225（2016）04-0033-04

2015-12-03

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.008

內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金資助項目（2014QDL032）

郭靈飛（1984-），男，山西呂梁人，碩士，講師，主要從事綜放開采、巷道支護(hù)和煤層注水方面的教學(xué)和研究。

［引用格式］郭靈飛，康天合，潘月軍.厚煤層雙凹字型綜放回采巷道布置和三段式回采工藝研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：33-36，14.