我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势.pdf
科技信息。煤矿天地os c I E N c E 斟F o R M A Ⅱo N 2 0 0 7 年第1 4 期 我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势 谢东海冯涛赵伏军 湖南科技大学能源与安全工程学院湖南湘潭4 11 2 0 1 摘要本文回顾了我国急倾斜煤层开采的四个历史阶段,对当前采用的七种主要开采方法进行了详细评述,从急倾斜煤层开采的机械化和 放顶煤等方面阐述了我国急倾斜煤层开采的技术发展趋势。 关键词急倾斜煤层;开采技术;现状;趋势 1 .引言 急倾斜煤层开采方法一直是采矿技术中的难题,已经引起国家有 关部门的重视。长期以来,人们对此作出了不懈的努力,并取得了可喜 的进展。然而.,由于急倾斜煤层开采条件的特殊性,开采方法仍然是这 类矿井改善技术经济面貌的主要障碍。急倾斜煤层储量占我国煤炭总 储量的4 %,而南方地区8 0 %的矿区赋存有急倾斜煤层。因此.关于急 倾斜煤层开采方法的研究对我国煤炭工业的发展仍具有十分重要作 用。 急倾斜煤层的开采方法与煤层埋藏的地质条件有密切关系。选择 某种采煤方法不仅受煤层倾角和厚度的影响,而且与煤层埋藏深度、 煤层数目、围岩性质、地质构造,以及煤层的自然发火性质、瓦斯含量、 水文条件等多方面的地质因素有关。我国急倾斜煤层分布广泛.其地 质条件大多数比较复杂,经过长期的勘探和开采,对现有生产矿井中 的急倾斜煤层和将要开采的急倾斜煤层的赋存特征及开发环境已有 相当的了解。 2 .急倾斜煤层开采方法的历史沿革 我国急倾斜煤层开采技术的改革,从解放初期到现在.大致经历 了以下四个发展阶段【1 】 第一阶段五十年代初,进行了采煤方法的改革。各矿区根据不同 的煤层赋存条件。推行倒台阶工作面、水平分层、巷道长壁和沿俯斜推 进的掩护支架等采煤方法。部分采用风镐落煤,刮板运输机运煤和机 械式回柱,用冒落法处理采空区.取得了提高工作面生产能力、减轻劳 动强度、改善安全状况的效果,初步改变了急倾斜煤层矿井落后的技 术经济面貌。 第二阶段六十年代开始。急倾斜煤层开采技术的进步主要表现 为改风镐落煤为电钻打眼爆破落煤。为扩大掩护支架的使用范围,淮 南、开滦、徐州等矿区先后在掩护支架采煤法中成功应用“八字”型等 掩护支架,克服了平板型支架的一些缺点,取得了较好的技术经济效 果;此外,一些开采急倾斜煤层的矿井还进行了矿井开拓和巷道布置 方面的改革,降低了掘进率,改善了巷道的维护条件;同时也对工作面 回采工艺进行了改革,开始应用金属支柱和金属铰接顶梁.在水平分 层工作面中采用金属网假顶。或因地制宜地利用竹笆、荆笆等作假顶 材料。均取得了较好的技术经济效果。 第三阶段七十年代中期,以淮南矿区首创的伪斜柔性掩护支架 采煤法获得成功为标志。这种采煤法具有产量大、生产系统简单、巷道 掘进量小、回采工序少、生产安全、材料消耗低和劳动效率高等优点。 它的试验成功是急倾斜煤层开采技术上的一大进步,目前仍在许多矿 区使用。为进一步提高急倾斜煤层开采的机械化程度,在此期间,北 京、鸡西等矿区试验了滚筒式采煤机,四川攀枝花矿区试验了冲击式 刨煤机,开滦、淮南矿区试验了用于掩护支架下机械化落煤的地沟机。 此外,在一些矿区还进行过急倾斜煤层综合机械化采煤的试验。但总 体来说,机械化试验成功率不高,能推广的更少。 第四阶段八十年代末九十年代初。急倾斜煤层采煤方法得到进 一步的改进,工作面长度加大、单产提高、安全条件进一步改善。如四 川芙蓉矿务局巡场煤矿试验成功的俯伪斜走向长壁分段密集采煤法。 是由伪斜短壁采煤法演变而成的一种采煤方法,具有产量大、通风条 件好、便于顶板管理的特点。 几十年来,我国在研究和改进急倾斜煤层开采技术方面已作了大 量的工作,取得一个又~个重大的技术成果,开采急倾斜煤层矿井的 技术经济面貌也在不断得到改善。 3 。急倾斜煤层主要开采方法评述 3 .1 柔性掩护支架采煤法 柔性掩护支架采煤法是我国开采急倾斜煤层一种主要的开采方 法,在一些主要矿区如开滦、徐州、淮南及四川、广东等地均有应用。 这种采煤方法与目前所应用的其他急倾斜煤层采煤方法相比.具 有以下优点 1 工作面沿走向推进,具有走向长壁采煤系统的优点,与沿俯斜 推进的掩护支架采煤方法和其它柱式采煤方法相比,减少了大量溜眼 和其它巷道的掘进量。 2 简化了复杂而繁重的顶板管理工作,使生产工艺大为简化。 3 掩护支架的安装与拆卸工作与工作面的回采工序在空间上互 不干扰,可实现三班采煤,非生产的准备时间较短。 4 采用2 5 0 左右的伪斜工作面,把急倾斜煤层变成了缓倾斜煤层 来开采,使工作面行人、操作比较方便,减轻了工人的劳动强度,工作 安全可靠。 5 掩护支架受力较小,支架可以多次回收复用,在回采过程中只 消耗一些竹 荆 笆或金属网,使矿井的材料消耗和生产成本降低。 这种采煤方法存在以下缺点 1 支架结构不完善.不能在下放过程中适应煤层厚度的变化,倾 角的变化也不能太大。要求煤层赋存比较稳定,否则会造成很大困难。 2 这种采煤方法在厚度2 ~8 m 、倾角6 0 。一7 0 。的煤层中使用效果较 好;在厚度超过1 0 m 和倾角小于6 0 0 的煤层中使用比较困难。 3 工艺虽然简单.但难以实现机械化回采,并且拆装支架的劳动 强度较大。 4 在掩护支架下采煤,支架将工作空间与采空区隔离,所以在回 采过程中不能排除矸石。另外当煤层含有夹矸以及煤层变薄需要破底 时。会降低煤质。 3 .2 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法是四川芙蓉矿务局巡场矿研究 试用的一种急倾斜煤层采煤方法。于1 9 8 7 年8 月率先在地质条件较 复杂,倾角在3 8 ~5 2 0 的薄及中厚煤层内应用成功。目前这种方法已推 广到四川广旺矿务局、湖南白沙、涟邵以及江西萍乡等矿区。 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法工作面呈俯伪斜直线布置,避免 了煤壁片帮伤人,减少了煤炭自溜过程中因串人采空区而造成的丢 煤,也为进一步实现采煤机械化创造了条件。 与传统的台阶式采煤法相比,俯伪斜走向长壁分段密集采煤法提 高了工作面煤壁的有效利用率。在区段垂高相同的情况下,工作面有 效利用率比伪斜短壁采煤法提高3 0 一4 0 %,有利于提高工作面单产。 采用分段走向密集支柱切顶和挡矸,工作面上下分段可同时回柱 放顶,充分利用了时间空间,加快了工作面推进速度。 采用分段走向密集后,工作面周期来压不明显。主要原因是走向 密集拦截的采空区矸石,在工作空间与顶板冒落区之间形成一个自然 充填带,随着工作面推进和密集柱前移,充填带也跟着前移,始终起着 隔离采场工作空间和冒落区的作用,也起着『临时支撑采空区顶板和减 缓周期来压的作用。 这种采煤方法的主要缺点有工作面支、圆柱工作量较大,工人操 作不便,且劳动强度大;区段煤柱损失较大,约占区段煤量的1 5 %左 右;分段走向密集下方的“三角区”通风较差,易积存瓦斯。 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法适用于煤层倾角4 0 0 ~7 5 。,煤层 顶板中等稳定,工作面采高不超过2 m 的低瓦斯煤层,或不宜使用伪斜 柔性掩护支架采煤法的不稳定急倾斜薄及中厚煤层。 3 .3 仓储采煤法 2 1 1 万方数据 科技信息 0 煤矿天地oS C 皿N C EI N F O R M A T I o N2 0 0 7 年第1 4 期 仓储采煤法是我国较早应用于开采急倾斜薄及中厚煤层的一种 开采方法,从5 0 一6 0 年代开始,开滦、六枝、乌鲁木齐、北京等矿区使用 这种开采方法。由于这种开采方法对煤层及围岩条件要求苛刻、安全 性较差,在上述矿区已较少采用,但仍在江西乐平、广东四望幛、新疆 石河子、四川攀枝花等矿区应用。 仓储采煤法的主要特点是利用仓储煤炭暂时支撑仓内顶板,因而 当顶板坚硬稳固时.工作面内基本不用支护。这不仅简化了回采工艺, 提高了工效,而且降低了支护材料的消耗。由于工作面采落的煤炭大 部分储存在仓房内,且落煤和放煤工作互不干扰,因而缓解了由于运 输系统故障而影响工作面生产的现象。 仓储采煤法的缺点是当采用仓间留煤柱的倾斜条带布置方式 时,巷道掘进率高,煤尘飞扬;当顶板有淋水时。仓内的煤炭不易放尽; 当煤层较坚硬时,溜煤小眼易被大块煤卡住。 一般地,倾斜条带仓储采煤法宜用于地质构造简单、顶底板岩层 较稳固、顶板无淋水、厚度1 .O 一4 .O m 的急倾斜煤层。伪斜走向长壁仓 储采煤法宜用于顶底板稳固、顶板无淋水、厚度O .5 ~2 .5 m 的急倾斜煤 层。不宜用于瓦斯涌出量大、自然发火期短的煤层。 3 .4 长孔爆破采煤法 急倾斜煤层壁式工作面炮采开采方法普遍存在作业条件艰苦、劳 动强度大、安全条件差等问题。而长孔爆破采煤法回采工艺比较简单, 人员不进入回采工作面,基本解决了上述问题。北京矿务局的长峪沟 煤矿、湖北香溪矿务局、福建省陆家地煤矿、铅坑煤矿、宁化煤矿、江西 棠浦煤矿等均采用了这种采煤方法。 长孔爆破采煤法的主要特点是具有一定的灵活性,除可用于正规 的工作面外,还可用于煤柱、煤仓、边角煤的回收,也可用于水力采煤 中的炮采水运。长孔爆破采煤法具有以下优点 1 工作安全可靠。工作人员不进入采空区。在巷道中操作电钻和 装药。避免了采空区冒矸的威胁。 2 提高了经济效益。与巷道短壁采煤法相比,坑木消耗减少3 0 % 以上.吨煤成本也下降3 0 %以上。 3 减轻了工人的劳动强度,提高了工效。钻孔钻具灵活轻巧。操作 方便。适应性强。用手持煤电钻在坚硬煤层中打眼需3 ~4 人,这种采煤 法用专用钻具打眼只需1 ~2 人,并且钻孔速度快,工效比传统炮采方 法提高1 2 倍。 但是.这种开采方法也存在以下缺点 1 产量低。一个工作面只能单点作业,且打眼与出煤不能平行作 业。出煤时间过于集中,不利于均衡生产。 2 煤质难以保证。尤其当煤层较薄、顶底板较破碎时,由于炮眼方 向难以准确掌握,造成顶板或底板的破坏而形成煤矸混合,影响煤质。 3 部分乏风易进入采空区.不易通风管理。 4 这种方法只能用于顶底板比较坚硬,无煤尘爆炸恁险的低瓦斯 矿井。 3 .5 滑移顶梁支架放顶煤采煤法 滑移顶梁液压支架是介于单体液压支柱和机械化液压支架之间 的一种过渡型支架。我国于上世纪八十年代中期在急倾斜煤层中使用 这种支架放顶煤。 滑移支架放顶煤具有以下优点 1 初期投资少,仅为机械化液压支架的1 ,3 1 ,5 。 2 分段高度一般可达1 0 m 或更多,比用水平分层开采少掘部分 平巷和溜煤眼,掘进量减少3 ,4 以上。 3 支架体积小,重量轻,能自移。既减轻了工人的劳动强度,又能 较好地适应煤层厚度的变化。 主要缺点 1 滑移顶梁不是放顶煤的专用支架,许多方面与放顶煤法不相适 应。 2 滑移顶梁支架自稳性较差,又反复卸载支撑顶煤,破坏顶板的 完整性,影响安全生产。 3 支架移架工序多、速度馒.使用寿命短。 3 .6 水平分段放顶煤采煤法翻 我国传统的开采急倾斜特厚煤层多用高落式采煤法、水平分层或 斜切分层采煤法以及伪倾斜柔性掩护支架采煤法。随着近水平厚煤层 综采放顶煤技术的发提,综采支架放顶煤技术已被成功引人急倾斜煤 层的开采。在辽原梅河矿、窑街矿务局二矿、乌鲁木齐六道弯矿先后进 2 1 2 行了急倾斜煤层水平分段综采放顶煤采煤法试验,均取得了良好的开 采效果。急倾斜煤层水平分段放顶煤采煤法的试验成功,是急倾斜煤 层采煤法及其回采工艺的重大改革。 急倾斜煤层水平分段综采放顶煤具有以下优点 1 产量大副度提高。有的矿井比巷道长壁、柔性掩护支架等采煤 法产量提高了2 ~6 倍。矿井生产集中,机械化程度高。 2 与一般的急倾斜煤层开采方法相比。煤巷掘进率大幅度降低。 3 提高了劳动生产率,降低了成本。与倾斜分层相比,梅河矿工作 面效率提高了2 .4 7 .9 倍,窑街矿务局提高了2 .9 倍,开采成本降低 1 0 ~1 5 %。 主要缺点是 1 适应性不强。对于煤层厚度沿走向变化较大,断层较多,厚度小 于2 0 m 的急倾斜煤层均不适用。 2 综采机械设备初期投资大,初期投资远大于其他任何急倾斜煤 层开采方法。 3 设备搬运和安装比较困难,工作面长度必须保持不变,因此而 造成的煤损大。 4 煤尘大。危害工人健康和安全生产。 适应条件 1 煤层倾角大于4 5 0 2 煤层厚度大于2 0 m ; 3 用于中硬 f 2 .O 和中软 f ≥0 .8 的煤层,f ≥2 .O 时要使用放炮 强制落煤措施。 4 在采区走向长度范围内厚度基本无变化,无落差较大的断层, 煤层稳定。 3 .7 巷道放顶煤采煤法p 】 3 .7 .1 急倾斜煤层巷道放顶煤工艺及巷道系统布置 急倾斜煤层巷道放顶煤是在一个采区内沿倾斜方向按照一定的 标高 1 5 3 0 m 划分若干个区段,在每个区段的下部布置放煤巷道, 放煤巷道的两端分别与采区内的进回风系统相联,构成全风压通风系 统。所有的工艺和工序都在放煤巷道内进行,顶煤开采在巷道内侧帮 全长内以一定间距布置放煤小眼。利用矿山压力作用或辅以人工松动 的方法。使巷道上方顶煤破碎,堆于采场,临时支撑顶、底板。以一定的 放煤管理制度打开放煤小眼的闸门,破碎煤体及其上覆顶板垮落矸石 利用自重近似水平状态下移,并且沿放煤巷道走向全长通过放煤小眼 将松散的煤体均匀放出,放煤巷道实际上是在松散煤体的保护下的一 种沿空留巷方式。因此,巷道放顶煤采煤法综合应用了综采放顶煤开 采理论和急倾斜煤层沿空留巷理论,是放顶煤技术和沿空留巷技术的 综合运用。 3 .7 .2 急倾斜煤层巷道放顶煤工艺 急倾斜煤层巷道放顶煤回采过程是一个较为复杂的生产过程,它 包括生产工艺、工序以及生产的管理制度等。根据急倾斜煤层的矿山 压力与放顶煤的特点,巷道放顶煤的回采工艺实际只有破煤、放煤、运 煤三道工序,不用支护采空区和进行顶板管理,相当于少了两道工序, 使得工艺非常简单。工人只在放煤巷内作业,劳动强度轻。 而顶煤的破碎和下放是放顶煤采煤工艺的关键技术之一。为此, 在整个回采工艺过程中,重点是破煤和放煤两道工艺。根据回采工艺 的特点以及生产的顺序,将这种采煤工艺分为三个阶段即初采、正常 回采和终采。 1 初采阶段 利用矿山压力、煤体自重以及适当的爆破等动力作用,沿放煤巷 道全长各放煤小眼逐个放出少量的顶煤,以达到整个区段内的顶煤全 部破碎、垮落.为正常回采作好准备。 回采方式视煤体的软硬程度而定,当煤质松软时,用手镐掏煤;当 煤质较坚硬时,用浅孔少量炸药进行松动爆破,使得顶煤松动、垮落。 放煤在爆破后视具体情况进行,如果顶煤较稳定,则先放一定时 间的松散煤后再安装放煤口的闸门如果顶煤松散不稳定,则先安装 放煤口闸门后再进行放煤作业。放煤的顺序是在放煤巷道内逆着风流 方向后退式依次放落顶煤。为了保证每次顶煤冒落的高度在整个顶煤 的卸压带内,同时也使顶煤能充分放出,提高顶煤的回收率,降低含矸 率,各放煤口应严格控制放出的煤量,并且使放出的煤量基本相等,作 到均匀放煤。 放出的顶煤通过放煤巷道内的运输机进行外运。在运输过程中, 万方数据 科技信息 O 煤矿天地oS C m N C ED i F o I m n T l 0 N 2 0 0 7 年第1 4 期 除大部分的顶煤通过放煤口的槽板直接装入到运输机外,其余用人工 进行装载。 初采阶段应加强支架受力和变形的监测和加固工作,确保放煤巷 道的正常运行。 2 正常回采阶段 在保证有效支护的前提下,采取分段全线均衡多轮放煤,以使顶 煤与采空区上方矸石的接触面近似水平下降 即水平放煤 。正常回采 期间只有两道工序放煤和运输。且都是在放煤巷道内完成,在此生产 过程中。放出的松散顶煤直接进入放煤巷道内的运输机上.外运到采 区 上山 煤仓。采场依靠冒落的松散煤体临时支撑顶、底板。随着冒落 顶煤的逐渐下放,顶煤上部边界空间逐渐往下扩大,其上部悬露的顶、 底板自上而下逐渐自然垮落,垮落矸石落在冒落的顶煤上,通过多口 均衡放煤,使煤矸接触面近近似水平下降,并充填采空区。 当放煤量占应放煤量的6 0 %一6 5 %左右时,即正常放煤阶段结束, 进入终采阶段。 3 终采阶段 全面检查各个放煤口,将剩余的顶煤放到见矸为止,并立即封闭 放煤口,回撤运输机和巷道支架,且回收部分支架脊背煤体。整个这一 阶段的放煤量占应放煤量的1 0 %~1 5 %。 3 .7 .3 放顶煤工作制度及劳动组织 一种新的采煤方法的形成。必须由一种高效、有力的劳动组织相 匹配。巷道放顶煤采煤法工序简单,宜采用三班作业出煤,无需准备 班。采用“三八”制作业。根据本采煤方法的作业特点,生产中的作业队 可采用采、掘、运综合的作业队。 由此表明.巷道放顶煤采煤法具有工艺简单、劳动组织高效、全班 均能采煤等特点,具备了高产、高效采煤方法的基本特征。 3 .7 .4 巷道放顶煤采煤法的适用条件 1 煤层赋存状态与构造。由于巷道放顶煤采煤法不需要大型机 械设备,且对巷道的断面面积、坡度没有严格的要求,具有较高的灵活 性,因此可适用埋藏不稳定、厚度变化大、地质构造较复杂的急倾斜煤 层。 2 煤层厚度。巷道放顶煤适用厚度在2 一1 0 m 左右的急倾斜煤 层。 3 煤层倾角。根据现场试验及理论分析,巷道放顶煤采煤法适用 的煤层倾角为5 0 9 0 0 。 4 煤层物理力学性质。与综采放顶煤不同,煤的强度对巷道放顶 煤有较大影响。如强度太大,在矿山压力作用下,顶煤是难以冒落的。 一般地当煤层的普氏系数在1 .5 以下时,顶煤能顺利冒落。此外。煤层 的节理越发育,对放顶煤越有利。 5 瓦斯、自然发火等对放顶煤采煤法的影响。瓦斯对巷道放顶煤 有重要的影响。一般地,高瓦斯煤层顶煤可放性较好,低瓦斯煤层可放 性较差【4 1 。而对于高瓦斯煤层,在采空区有冒落空洞时,空洞里容易造 成瓦斯积聚。有自然发火倾向的煤层,不宜采用巷道放顶煤。 4 .急倾斜煤层开采的发展趋势阎 回顾几十年来急倾斜煤层采煤方法的改革进程.我国急倾斜煤层 开采方法大致向两个方向发展。一是视急倾斜煤层倾角大为不利因 素.按缓倾斜煤层工作面布置及回采工艺模式设计急倾斜煤层开采方 法。例如俯伪斜走向长壁分段密集采煤法。这些开采方法在工作面通 风及回采工艺上取得了较大的进步。然而,在回采过程中,尽管工作面 的坡度减小了.煤层及其顶底板的倾角却是始终无法改变的.采场顶 底板仍按其某些固有的规律运动.工作面矿压显现也不同于缓倾斜煤 层。因此,这些开采方法的顶板管理工作比缓倾斜煤层复杂得多.也是 其效益难以发挥的主要原因之一。二是充分利用急倾斜煤层倾角大、 煤层易沿倾斜方向垮落的特点设计的开采方法,如从仓储、高落式采 煤法到长孔爆破采煤法,在通风安全条件、工人劳动强度等方面得到 了一些改善,但采出率低、单产低、煤质差等问题仍然存在。 尽管如此.从我国采矿工业的发展来看,工艺改革仍是采矿技术 展的核心。缓倾斜煤层开采效果的不断改善是回采工艺不断进步的结 果,从房柱式到短壁,从短壁到长壁一直到综采放顶煤,使缓倾斜煤层 的开采效果一步步大幅度提升。急倾斜煤层也不例外,随着工艺的改 革开采效果也在不断改善之中。但工艺改革的成功离不开采矿基本理 论尤其是采场围岩运动规律及其控制的研究。多年来。与缓倾斜煤层 开采方法相比.急倾斜煤层采煤方法的改革是非常活跃的。到目前为 止,急倾斜煤层采煤方法已达几十种之多。然而,在急倾斜煤层采煤方 法改革的过程中,人们往往只注重工艺的创新,而忽视了采场围岩运 动规律的研究。因而难以从根本上改善急倾斜煤层的开采效果。 急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤是急倾斜煤层开采方法改 革的重要成果之一。它充分利用了急倾斜煤层倾角大、煤层易垮落、顶 板稳固性相对较好的特点。利用了综采放顶煤的优势,形成了自己较 为完整的矿压控制及回采工艺的理论体系,真正实现了急倾斜煤层开 采的高产高效.是急倾斜煤层采煤方法改革的一个里程碑。然而,水平 分段综采放顶煤采煤法只能用于厚度在2 0 m 以上的急倾斜煤层。而 我国特别是南方矿区,急倾斜煤层的厚度大部分在1 0 m 以下,以中厚 煤层居多,并且赋存条件复杂。这些煤层的开采方法种类繁多,但大部 分还不成熟.存在许多问题。巷道放顶煤采煤法为该类煤层的开采找 到了一条有效的途径,并在采取一定手段后可以用于急倾斜硬煤层放 顶煤【q 。 为此。我国急倾斜煤层开采的总体趋势将朝着两个主要的方向发 展。第一个方向是实现机械化开采。把缓倾斜煤层的回采工艺引入急 倾斜煤层是一种途径,研制新的急倾斜煤层的轻型机械更为迫切。第 二个方向则是向放顶煤发展,放顶煤仍是急倾斜煤层采煤方法改革的 一个很有潜力的发展方向。对于急倾斜厚煤层可以采用水平分段终采 放顶煤采煤法,对于中厚一厚煤层可以采用巷道放顶煤采煤法。雠 参考文献 [ 1 ] 李栖风.急倾斜煤层开采【M 】.北京煤炭工业出版社,1 9 8 4 . 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