急傾斜煤層Z型通風留巷放頂煤采煤法優化

唐林軍 胡乃聯 李國清 張炳學

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;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雜，煤層賦存獨特，選擇開采方法具有一定的局限性［5-6］。

長溝峪煤礦是京西煤田主采礦井之一，屬侏羅紀煤系，長溝峪區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，傳統采煤方法為俯偽斜柔性掩護支架采煤法［7］。張繼忠、孫廣義等人針對煤層賦存特點分析研究，提出急傾斜煤層Z型通風留巷放頂煤采煤法［8-9］，但在推采實踐中發現存在以下問題:①底板側沿空留巷需破底板巖石，不利于頂煤控制，巷道維護困難，存在安全隱患;②頂板側運輸巷道受煤層走向變化不易取直，運輸設備鋪設復雜，不易管理;③推采過程中拆卸、續裝支架空間狹小，存在施工風險。因此，優化改進急傾斜煤層Z型通風留巷放頂煤采煤法，對實現煤礦安全、高效生產，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

沿煤層頂板掘進運輸平巷(煤巷)，沿煤層底板沿空留設回風巷。工作面布置如圖1所示。

工作面長度為煤層實際厚度，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。根據煤層的實際厚度布設支架，架間距40 mm。工作面內鋪設1部SGD280/7.5G型刮板輸送機運煤，輸送機放置于兩支柱之間，工作面打眼放炮落煤時，輸送機靠近前柱放置，放頂煤時則靠近后柱放置。

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，刮板輸送機運煤，ZHZ1600/16/24Z型整體頂梁組合液壓支架支護工作面頂板。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(同時翻前探梁)→拆運輸平巷八字型支架→留巷→裝運煤→移后柱→放頂煤→推移刮板輸送機→移托梁→移前柱。

1.3 留巷工藝

留巷采用“八”字型柔性掩護支架。巷道內不安裝設備，僅供行人、運料及回風。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，保證支架的穩定性。

1.4 單產及工效

通過近3個月推采，第一個Z字型通風留巷放頂煤工作面平均日產量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 底板側端頭處沿空留巷

煤層靠近底板側煤質較軟，是放頂煤的主要區域，該區域回采工作面底板側為三角形巖石。在煤層底板側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定性，需要把該三角形區域的巖石同回采工作面一起爆破采出。響炮時可能造成上部煤體塌冒，存在較大安全隱患，同時受巖石爆破影響，沿空留巷支架受到破壞，斷面減小，巷道維護困難。見圖2。

圖2 沿空留巷斷面及掘進炮眼布置(單位:mm)

2.2 頂板側布置運輸巷

因煤層壓力大，尤其受采動影響后，運輸巷變形嚴重，加之鋪設設備尺寸及支護設施影響，使運輸巷的通風、行人斷面無法保證。煤層厚度及走向變化大，巷道無法取直，造成運輸設備鋪設數量較多且影響巷道正常使用。在推采過程中需根據煤層厚度的變化，在頂板側拆卸、續裝工作面懸移支架，在運送及安裝支架時操作空間窄小，施工困難。如圖3所示。

圖3 運輸平巷斷面(單位:mm)

2.3 工作面推采工藝

循環作業方式為一次對工作面整壁爆破，每班推進一循環，三班生產，邊采邊準。但當煤層厚度較大時，工作面懸移支架數量較多，一次爆破后當班無法全部移架到位，造成支架前方較長時間不能接觸煤壁，易引起前方煤壁片幫冒頂或支架失穩，存在較大的安全隱患。

因工作面采用懸移支架支護，工作面內運煤采用刮板輸送機，刮板輸送機的推移需要人工手拉葫蘆操作，且刮板機在工作面支架下方施工空間小，設備運行時人員在支架下作業存在較大風險。

3 急傾斜煤層Z型通風留巷放頂煤采煤方法優化

3.1 巷道布置

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

圖4 工作面布置

該布置方式特點:①巷道在底板巖石內布置，可保證巷道斷面符合行人、通風、運料等需求;②煤層變化較大時可在底板側端頭處安裝或拆除支架，在運輸巷內運送支架;③消除了原方案中破底板三角巖石時底板側頂煤塌冒的風險;④運輸巷斷面較原八字形柔掩支架斷面大，在鋪設運輸設備時可有效減少設備彎曲段，從而減少設備數量，降低人工成本，提高工效。

3.2 工作面運煤方式

取消工作面刮板輸送機，在前期掘進開切眼時按18°的坡度布置，在切巷內安裝支架，向前推采時始終保持工作面18°的坡度，在工作面內鋪設搪瓷溜煤板，采出的煤體靠自重沿溜煤板下滑至運輸巷內。該布置方式的特點:①避免了人工頻繁移動設備;②操作簡單，風險小，效率高。

3.3 推采工藝

煤層厚度超過10 m時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，當班完成一組支架區域的推采進度后，再爆破下一組支架前方煤體。該推采工藝特點:①避免了因煤層較厚時一次爆破裝藥量較多，對支架穩定性的破壞;②工作面分段爆破后，及時出煤移架，保證工作面始終有支架接觸前方煤壁，不會造成支架失穩趴架，也不會出現前方煤體大面積片幫塌冒。

4 應用效果

長溝峪煤礦將上述的優化方案依次在－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槽實施，工作面單產超過8000 t，超出了預期目標，優化調整取得成功。

(1)安全方面。消除了沿空留巷側爆破巖體可能出現的煤體塌冒風險，采用分段爆破推采，有效保證了工作面懸移支架的整體穩性;運輸巷斷面增大，使人員施工操作空間得到保證，有效的降低了員工的勞動強度。

(2)單產工效方面。取消一臺工作面內刮板輸送機，減少了頻繁移刮板機所需的工時及運輸巷拐彎距離，使刮板機輸送機數量明顯減少，減少了人員配置，人均工效提高至13 t，回采率達到95.2%。

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

5 結論

(1)通過對Z型通風留巷放頂煤采煤法的優化改進，降低了工作面人員勞動強度和施工風險，使回采率提高至95.2%，工效顯著提高，較優化前提高3倍左右。

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

(3)Z型通風留巷放頂煤采煤法的優化改進是成功的，巷道布置工程量減少，工作面投產快，工藝操作簡單，符合國家安全規程的規定，保證了安全生產，為5～20 m厚急傾斜煤層安全高效開采提供了實踐依據。

［1］ 徐永圻.急傾斜煤層開采［M］.北京:煤炭工業出版社，1984.

［2］ 霍丙杰.復雜難采煤層評價方法與開采技術研究［D］.阜新:遼寧工程技術大學，2011.

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

［4］ 李棲鳳.煤礦開采學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1999.

［5］ 華心祝.我國沿空留巷支護技術發展現狀及改進建議［J］.煤炭科學技術，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研究［D］.太原:太原理工大學，2013.

［7］ 北京礦務局.京西煤田開采［M］.北京:北京礦務局出版社，1996.

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

［9］ 柏興明，孫廣義，董長吉.斜煤層Z型通風留巷水平分層放頂煤采煤方法的煤層上覆巖層運動規律的研究［J］.礦冶，2014(1):5-8.