薄及中厚急倾斜煤层采煤方法优化研究.pdf

第36卷第2期 煤 炭 科 学 技 术 Vol136 No12 2008年2月COAL SCIENCE AND TECHNOLOGYFeb. 2008 薄及中厚急倾斜煤层采煤方法优化研究 段红民 1 ,胡喜明 2 ,巫仕振 3 1 1北京天地华泰采矿工程技术有限公司,北京 100013; 21江西仙槎煤业有限责任公司,江西 乐平 333402; 3.贵州冠中矿业工程设计有限公司,贵州 贵阳 550002 摘 要急倾斜煤层属难采煤层,具有安全状况差、支架稳定性差、机械化程度低、回采效率低等 问题。针对薄及中厚急倾斜煤层的这些特点,提出了薄及中厚急倾斜煤层采煤方法改进方向和优化 方法,即通过加大采区走向长度、改进回采工艺和改进巷道布置方式,优化生产系统等方法,可以 大幅提高薄及中厚急倾斜煤层开采效率。 关键词采煤方法;薄及中厚煤层;急倾斜煤层;回采工艺;巷道布置方式 中图分类号TD8231213 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2008 02 - 0016 - 03 Optim ized research on coalm in ing of thin and medium steep inclined seam DUAN Hong2min 1 , HU Xi2ming 2 , WU Shi2zhen 3 1. Beijing Tiandi HuataiM ining Engineering and Technology Company Ltd. , Beijing 100013, China;2. Jiangxi Provincial Xiancha Coal Co . Ltd. , Leping 333402,China;3.Guizhou Provincial Guanzhong M ining Engineering Co . Ltd. , Guiyang 550002,China Abstract The steep inclined seam is a difficultmining seam with a poor safety condition, a poor support stability, a lowermechanization and lowermining rate. According to those features of the thin and medium steep inclined seams, the paper proposed the improved direc2 tion and optimized for themining of the thin andmedium steep inclined seams . That is to say, with the increased length in strike, improved mining technology, improved gateway layout, optimized production system and others, the mining rate in the thin and medium steep inclined seam can be highly increased. Key words minings; thin and medium seam; steep inclined seam; mining technology; gateway layout 1 薄及中厚急倾斜煤层开采特点 我国急倾斜煤层开采矿井数目较多,但产量不 大。据2000年统计,国有重点煤矿开采急倾斜煤 层的矿井数占17 ,产量仅占3188 [1]。由于各 区域地质条件的差异性较大,造成急倾斜煤层开采 方法较多,从机械化程度较高的综采放顶煤到劳动 强度大、采出率低的仓储式。总体而言,开采薄及 中厚急倾斜煤层主要存在以下几方面的缺点 1 安全状况差。工作面采下的煤块自动下 滑,容易冲倒支架,砸伤人员,因而给生产带来不 安全因素。 2 支架稳定性差。急倾斜煤层顶板压力垂直 作用于支架或煤柱上的分力比缓倾斜煤层要小,沿 倾斜作用的分力要大,加上煤层顶底板都有沿倾斜 方向滑动的可能,造成支架稳定性差,增加了回采 和支护工作的复杂性。 3 回采工艺简单,机械化程度低。由于倾角 大,沿倾斜布置回采工作面时,工作面行人、运 料、落煤、支护、采空区处理等各项工序的操作都 比较困难,难以实现采煤机械化。 4 工作面单产能力小,效率低,难以实现生 产的集中化。由于受到地质条件的限制,大多数薄 及中厚急倾斜煤层开采的矿井工作面单产很低,这 就使得生产相对较分散,造成生产管理困难。 2 薄及中厚急倾斜煤层的采煤方法 采煤方法是采煤工艺与回采巷道布置及其在时 间上、空间上相互配合的总称,包括回采工艺和巷 道布置方式两方面。 通常情况下,回采工艺的改进需要巷道布置方 式与之相适应;同时,巷道布置方式的变化也必然 会影响回采工艺。适用于薄及中厚急倾斜煤层的采 煤方法较多,分述如下 61 段红民等薄及中厚急倾斜煤层采煤方法优化研究2008年第2期 211 薄及中厚急倾斜煤层走向长壁采煤法 薄及中厚急倾斜煤层走向长壁采煤法主要包 括倒台阶采煤法、俯伪斜走向长壁分段水平密集 支柱采煤法、普通机械化走向长壁采煤法和综合机 械化走向长壁采煤法。 倒台阶采煤法具有巷道布置、通风系统简单、 掘进率低、采出率高、对地质条件变化适应性较强 等优点,但是,这种采煤方法不利于实现采煤机械 化。劳动强度大,劳动生产率低,顶板管理工作量 大,木材消耗较大。目前在厚度小于2 m的急倾斜 薄及中厚煤应用居中,有时还有少量应用。 俯伪斜走向长壁分段水平密集支柱采煤法的工 作面成直线形按俯伪斜方向布置,沿走向推进;用 分段水平密集支柱切顶、挡矸、隔离采空区和回采 空间,工作面分段破煤,煤炭自溜运输。这种采煤 方法的优点是工作面沿俯伪斜直线布置,减少了 煤、矸的下滑速度,可防止冲倒支架和砸伤人员, 改善了工作面安全生产条件;同时因工作面伪斜直 线布置,改善了工作面顶底板受力状况,相对增加 了稳定性,不易出现大面积推底和顶板拉裂现象。 这种采煤方法存在的主要问题是工作面回柱工作 量很大,工人操作不够方便;分段密集下方的 “ 三角区 ”通风条件较差、易积聚瓦斯;煤层顶板 有淋水时,劳动环境差。俯伪斜走向长壁分段水平 密集支柱采煤法通常用于顶板中等稳定,煤壁易片 帮,采高不超过210 m的低瓦斯急倾斜煤层。 急倾斜煤层走向长壁采煤时,由于倾角大,给 工作面顶板管理、设备运行等带来了一系列困难、 所以机械化采煤至今仍处于工业性试验阶段。 212 掩护支架采煤法 掩护支架采煤法可以分为真倾斜掩护支架采煤 法和伪倾斜掩护支架采煤法。其中伪倾斜掩护支架 采煤法应用比较多。 伪倾斜柔性掩护支架采法具有走向长壁采煤法 的某些特点,采煤工作面按伪倾斜方向布置,沿走 向推进。利用掩护支架把工作空间与采空区隔开, 大大简化了复杂繁重的顶板管理工作,为安全生产 创造了良好条件;工作面煤炭自溜运输,减轻了繁 重的攉煤劳动;可获得较好的技术经济效果,是我 国开采急倾斜煤层的一种主要方法。该采煤法存在 的主要问题是掩护支架的结构固定、不能调宽, 对煤层厚度、倾角等产状变化的适应性较差;采煤 工艺尚待实现机械化;工作面基本上是单点出煤, 限制了这种采煤方法各项技术经济指标的进一步提 高;在含有夹石的煤层中使用这种方法无法排除矸 石,降低了煤质;工作面煤尘大,工作环境较差。 伪倾斜柔性掩护支架采煤法一般适用于开采倾 角大于60,厚度为2～6 m、埋藏稳定、煤厚变化 不大的煤层。 213 仓储采煤法 仓储采煤法的特点是,利用急倾斜煤层倾角 大,煤炭可以自溜,将采落的松散煤炭暂时储存在 仓房内,然后有计划地将煤炭放出。根据仓房布置 和工作面推进方向不同,仓储采煤法又分为倾斜分 带仓储采煤法和伪斜走向长壁仓储采煤法。前者工 作面沿仰斜方向推进,后者沿煤层走向推进。 这种采煤方法的工艺过程简单,取消了支、回 支架的繁重劳动,操作技术易于掌握,坑木消耗量 较少,产量容易调整。但其使用条件要求比较严 格,采出率往往较低,煤质不易保证。 这种采煤方法的适用条件是,顶板稳定,能暴 露较大面积而不冒落,底板平整稳固不易滑脱,煤 层倾角在50以上;煤厚1～3 m,煤质较坚硬,层 理、节理不太发育,不易自燃;煤层瓦斯含量不大 和无淋水。 214 斜坡采煤法 斜坡采煤法又称伪倾斜巷道采煤法。主要特点 是在急倾斜煤层中应用成组的伪倾斜巷道即 斜坡或回采斜坡按一定垂高把煤层切割成许多 斜形条带,并保留一定厚度的护顶煤,逐次用爆破 落煤方法回采,工作面采落的煤经过一系列斜巷直 接自溜运输到装车站的煤仓或溜煤眼 , 在采区 内形成从掘到采连续的无动力运输,用比较简单的 采煤方式把煤采出。 这种方法的主要优点是产量、回采工效比较 高,消耗少、成本低,工序少、工艺方式简单,易 于适应地质条件的变化。主要缺点是采出率较低; 不能实现全负压通风,存在着采空区和巷道上方空 顶处瓦斯积聚的危险,故不能用于高瓦斯矿井;在 25的斜坡巷道内由上而下进行回柱作业,工作困 难且不安全;崩落顶煤时其上方矸石也随之冒落, 使煤矸混杂,严重影响煤质。所以,这种非正规采 煤方法一般只适用于无自然发火倾向和低瓦斯的不 稳定急倾斜煤层。 71 2008年第2期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 3 薄及中厚急倾斜煤层采煤方法改进方向 1 提高安全性,改进通风系统与方式。急倾 斜煤层属 “ 难采煤层 ”,多数矿井形成了生产分 散、复杂、多水平、多采区、多采面的多级、多环 节的生产系统。在通风系统方面,串联风、下行风 现象比较普遍,甚至有些采煤方法工作面不具备2 个安全出口的要求,有些矿井采用机械通风方式, 不具备回采工作面全负压通风条件。这就要求首先 必须解决通风系统问题,提高通风系统的安全性、 可靠性。 通风系统问题的解决需要配合采区巷道布置方 式的改进,首先解决工作面全负压通风和2个安全 出口的问题。其次,尽量简化通风系统,减少串联 风和下行风次数。 2 提高开采强度,提高单产、效率。在一定 的条件下,寻求最适宜的采煤方法,并且通过对工 作面开采工艺、设备及系统配置的分析,采取改造 系统的薄弱环节、完善工艺系统和开采技术等措施 来有效地提高工作面单产。 3 加大采区走向长度。通常情况下,急倾斜 薄及中厚煤层采区的走向长度比较小,可采储量 少,只能满足几个月的正常生产,造成采面搬迁频 繁,而且需要留设大量的保护煤柱,影响资源回收 率。这不仅影响矿井的正常生产,增加无效工时, 同时,也造成了资源浪费,降低了工作面设备的使 用效率,影响机械化程度的提高。 在生产过程中,根据地质条件的变化,适当加 大采区走向长度,不仅可以增加采区储量和服务年 限,减少工作面搬迁次数,而且还能减少区间煤柱 的损失,减少准备巷道的掘进工程量,进而增大采 区生产有效工时比率。加大采的走向长度,还可以 增加采区同采工作面个数,这样能提高采区的生产 能力,有利于采区和矿井的集中生产。 4 尽量实现机械化。急倾斜薄及中厚煤层的 采煤机械化是实现高产高效、高安全性和高可靠性 的根本,同时也是急倾斜薄及中厚煤层开采的发展 目标和主要难点,是个世界性的难题。国内急倾斜 薄及中厚煤层机械化方面已经进行过一些试验,例 如湖南资兴矿务局宇字矿采用MLQ - 80型采煤机 和SG W - 40T型可弯曲刮板输送机,实现了急倾 斜煤层的长壁机械化开采;另外,北京大台矿、南 桐鱼田堡矿、攀枝花太平矿在急倾斜薄及中厚煤层 中均先后试验了综合机械化采煤 [2]。这些试验均 取得了一定的成果,如果能在这些成果的基础上, 组织企业内部的力量进行采煤机械化的试验,具有 突破或创新的可能,而这方面的重要进展将促进急 倾斜煤层开采技术的总体进步。 4 薄及中厚急倾斜煤层采煤方法优化方法 采煤方法的优化主要从采区划分、回采工艺和 巷道布置方式两方面来考虑。 1 合理划分采区,适当加大采区。尽量加大 采区,加大采区的煤炭储量。划分采区时,在生产 设备及回采工艺满足的条件下,尽量避免人为地划 分采区边界,适当加大采区的走向长度,加大阶段 垂高。 2 优化回采工艺,提高生产效率。目前我国 急倾斜薄及中厚煤层开采工艺相对比较落后,绝大 多数矿井采用落后的炮采工艺,工人劳动强度大, 安全状况差。优化回采工艺最主要的就是提高回采 机械化程度。 要提高矿井开采的机械化程度,可以从局部机 械化和全局机械化两个方面来考虑。局部机械化指 的是从支护方式、落煤方式以及运输方式几个方面 单独考虑改进方法,以提高矿这几个方面的机械化 程度。全局机械化指的是试验采用综合机械化采煤 方式,从破煤、装煤、运煤以及支护四个方面来实 现机械化。 对于目前应用较多的炮采工艺,可以通过改进 生产工艺参数实现优化。 在回采工序中最重要的工序为落煤。炮采时, 采用爆破方式实现落煤,因此改善爆破参数、提高 爆破效率至关重要。在生产实践中要对炮眼深度、 炮眼排数、炮眼排距、炮眼角度以及装药结构进行 相关的试验,以减少单次循环所用时间,提高一次 爆破落煤量。此外,采用小直径药卷爆破工艺可以 缩短钻孔时间和装药工作量,加上采用毫秒爆破技 术,可以缩短放炮时间。因此,采用炮采工艺的矿 山可以考虑采用小直径药卷,结合毫秒爆破技术, 并对采煤工作面的爆破参数进行研究,在一定程度 上可以提高炮采工作面的效率。 3 改进巷道布置,优化生产系统。选择巷道 下转第22页 81 2008年第2期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 采高控制在515 m以下。 对于基岩柱小于36 m以浅部分,运输斜巷实 际是沿顶掘进的,而轨道斜巷为穿层掘进,顶煤实 际为一楔形状态图1、表6 ,自斜巷底板至煤 层顶板间煤层厚度大部分未达到上述控制高度,仅 在靠近轨道斜巷侧的局部三角区域需进行适当放煤 高度的控制。 图1 305工作面浅部顶煤形态示意 表6 305工作面斜巷顶煤厚度m 斜巷名称 各岩柱段顶煤厚度/m 36343230 运输斜巷000 轨道斜巷4183162160 具体沿工作面煤壁线方向,自工作面中部至轨 道斜巷80 m内,由全放逐步过渡为隔一架放三架、 隔一架放两架、隔一架放一架;沿工作面推进方 向,在基岩柱36 m至32 m段,由隔一架放一架、 隔一架放两架,逐步恢复至全放至终采线位置。 5 结 论 1 305工作面的覆岩结构为下硬上软型结构, 且普遍存在一层具有良好隔水性及再生隔水性的基 岩风化带,有利于抑制裂高的发展,属水体下采煤 覆岩条件最好的结构。307工作面开采后3煤层顶 板覆岩采后形成的垮落带,呈现连续大范围漏水的 特征,特别是在垮落带顶界附近,注水漏失量非常 明显,其顶界在煤层顶板以上垂高1917 m处。3 煤层307工作面采后覆岩垮落带呈现整体连续性特 征,顶界高度为1917 m,冒采比3128。 2 305工作面通过采用全高放顶煤、限厚开 采等采煤工艺,成功地将防砂煤柱提高到3215 m, 实现了复杂地质与水文地质条件下厚煤层薄基岩区 提高开采上限的安全开采,证明设计方案是安全可 靠的。 3 305工作面现场实测资料及取得的关键参 数不仅对该矿井3层煤其他工作面提高开采上限开 采具有重要的指导意义,而目对相邻的兴隆庄、鲍 店煤矿松散含水层下采煤具有广泛的参考价值。 参考文献 [1] 刘学增.新生代松散层下缩小防水岩柱留设防砂煤柱开采 实践[J ].煤炭技术, 2002 9. [2] 孙希奎,徐新启,马光军 1基岩与第四系底界粘土共同作为 防水煤柱提高开采上限的研究与实践[J ].山东煤炭科技, 2003 1. 作者简介秦忠诚1965 - ,男,山东昌乐人,教授,博 士,现在山东科技大学从事采矿工程的教学与科研工作。Tel 0532 - 86057045,E - mailqzcsdust1edu1cn 收稿日期 2007 - 11 - 18;责任编辑曾康生 上接第18页 布置方式时,首先要满足安全生产的要求,保证每 个采区、回采工作面均至少有2个安全出口,实现 工作面全负压通风。其次,巷道布置方式要与采煤 方法一致,同回采工艺结合,充分考虑水平巷道、 倾斜巷道各自的优缺点,尽量不采用垂直巷道,提 出系统简单、布置合理的准备、回采巷道。 参考文献 [1] 张先尘,钱鸣高 1中国采煤学[M ].北京煤炭工业出版 社, 2003. [2] 张荣立,何国纬,李 铎 1采矿工程设计手册[M ].北 京煤炭工业出版社, 2003. 作者简介段红民1977 - ,男,山西新绛人,硕士,现工 作于北京天地华泰采矿工程技术有限公司。Tel13466764340, E - mail duanhongmin1261com 收稿日期 2007 - 11 - 18;责任编辑曾康生 22