华蓥山广能公司大倾角煤层开采支护改革与发展

谭集蚝++王焕明++卓军

摘 要：大倾角煤层在我国煤炭储量中占有较多的比例，已成为煤炭开采业急需解决的重要课题之一。广能公司多年的连续开采已使一些矿区近水平煤层、缓倾斜煤层的可采储量占总储量的比例的不断减小。如何安全、高效地开采大倾角煤层已经成为广能公司亟待解决的问题。近年来广能公司重点研究了大倾角煤层开采课题，通过采用走向长壁后退式开采、详细掌握地质资料、合理选择支架类型、采取一系列防滑、防倒和顶板控制等措施，解决了大倾角煤层开采支护难题，保障了特殊条件下的安全开采，提高了煤炭的回采率，减少了资源的浪费，为大倾角煤层开采顶板管理，支护改革提供科学依据。

关键词：大倾角；顶板管理；支护改革

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0202-02

1 广能公司大倾角煤层开采历史

1.1 采煤方法

川煤集团广能公司建成40多年来，采煤技术先后经历了手采、炮采（刀柱、倒台阶、伪倾斜柔掩支架）、高档普采、综采（輕型综采、波兰综采、大倾角综采、急倾斜综采）的艰难发展历程。矿井采煤技术发展历程大致可以分为手工开采阶段、全面推行炮采、推广机械化几个阶段。

1.2 支护变革情况

广能公司采煤工作面支护先后采用过木支柱支护、金属摩擦支柱支护、柔性掩护支架支护、单体液压支柱支护、综采掩护支架支护。木支柱是矿井投产初期采用的一种支护方式，工作面支柱排距0.8m、柱距0.5～0.6m，用点柱、棚架、木垛加固加强顶板支撑。工作面最大控顶5排，最小控顶3排支柱。

金属摩擦支柱。是矿井1981—1992年缓倾斜炮采工作面的主要支护方式，用金属支柱取代木支柱，是支护技术的重大改革，优点是支撑力加大和可回收复用。工作面支柱排距扩大到1m，柱距0.6m，仍实行三、五排控顶。

单体液压支柱。是1984年高档普采工作面使用的支护方式，支柱操作方便，初撑力增大。1992年后在炮采工作面也全部使用单体液压支柱。

柔性掩护支架。是急倾斜工作面广泛使用的一种支护方式，它的优点是操作简便、工人在掩护支架下作业安全、支架可回收、消耗低。矿区先后使用过“一”字形、“八”字形、四边形柔性掩护支架。

综采支架。是1990年综采工作面的支护方式，它的优点是全液压、全掩护、初撑力大，工人在支架下作业安全。川煤集团广能公司先后使用过ZYQ1800-14/32、ZYJ2200-06/17、ZYJ2300-13/32、ZYJ2200-08/27、ZYJ2200-08/22、ZJ3600-15/36等各种型号液压支架。

2 综采液压支架的研发、应用及成果

嘉华机械公司是川煤集团广能公司下属企业，该公司现有适宜中厚急倾斜、中厚缓倾斜煤层、缓倾斜薄煤层和极薄煤层综采装备，具体是：MG100×2/456-QWD、MG250/620-QWD、MG300/720-AWD1、MG250/600-AWD、MG300/720—AWD1、MG100×2/495-QWD 、MG2×150/421-PFD（下分层采面）型采煤机组16台； ZJ3600-15/36、ZJ3600-13/31 、ZQY3200-11/28 、ZY3400/6.5/14 、ZY3200/09/21、ZY3000-12/30型液压支架1336架；ZTHJ11400-15/23型横式端头支架；SGZ730/160、SGB-730/160、SGZ-764/630、SGZ-764/160、SGZ730/320-LT型工作面刮板运输机，采煤主要装备实现了机械化、大型化、重型化、系列化。嘉华机械公司自主研发具有知识产权的“嘉华牌”大倾角综采液压支架和端头支架，已批量生产，产品销往国内外，产品性能、质量得到国内外同行业一致好评。公司先后荣获省、部质量标准化建设达标厂、四川煤炭工业省级先进企业，2005年获四川省质量技术监督局“质量信誉同盟企业”称号。

2.1 大倾角综采

2.1.1 大倾角综采技术试验阶段

1996年，绿水洞煤矿和西安矿院在总结轻型综采和波兰大倾角综采失败教训的基础上，对绿水洞煤矿的大倾角煤层综采技术进行了分步研究。从项目的可行性研究、采场顶底板控制和开采工艺等方面入手，加强了综采技术的攻关。1998年，大倾角综采技术首先在6134工作面试验，工作面煤层平均倾角30.5°，通过5个月的试采，平均日产量达到800t，标志大倾角综采试采成功。1999年又继续在平均倾角38°的5634工作面进行试采，日单产突破1100t。

工作面采用ZYJ2300-13/32型液压支架进行支护（风巷内泵站配PB7B-160/31.5型乳化泵1套2台）； MG375-QW1型双滚筒采煤机落煤，然后通过工作面SGB-730/160型可弯曲刮板输送机将煤炭转载至机巷（下顺槽），最后通过机巷（下顺槽）的吊挂皮带等运至采区煤仓。

2.1.2 大倾角综采技术完善阶段

1996年至2006年期间，绿水洞煤矿也因开采深度的增大，煤层倾角也由30°增大至40°及以上，大倾角综采技术水平在不断实践中得到了极大的提高。但是当煤层倾角超过40°时，暴露出原研究的大倾角综采技术不能满足矿井安全、高效生产。一是ZYJ2300-13/32型液压支架不能满足采全高，造成留底煤开采，易推底；二是支架最大支撑高度3.2m，遇煤层厚度加大和断层带时，控顶情况差；三是原大倾角综采面未使用下出口端头支架，下出口管理难度大且对工作面液压支架的下滑不能得到较好控制；四是MG375-QW1型采煤机不适应倾角变大而经常出现故障，对其检修人安全威胁大；五是由于倾角变大，工作面片帮煤在运输机内滑下飞窜伤人的威胁越来越大等问题。为此，绿水洞煤矿对大倾角综采技术进行完善改进。着重对如何防飞矸伤人、过构造带如何控架；下出口的端头支护、工作面支架重新选型、采煤机重新研制、后续运输设备重新选型等问题进行了进一步改进和完善。通过研究和实验，大倾角工作面单产已达到60万t以上。

根据工作面煤层倾角、厚度及其顶底板情况选用ZYJ2300/13/32型或ZYJ2600/14/36型液压支架。选用MG—375QW1或MG250/620-QWD型采煤机组。工作面刮板输送机选用SGB-730/160型可弯曲刮板输送机。机巷（下顺槽）安设 SZZ-730/160桥转机1台（长度40m）、PLM100破碎机1台、1MYD（MY800）自移系统1套、SSJ-1000管架式皮带机1台（最大运距1000m）。

2.2 急倾斜综采

2008年，绿水洞加强了对煤层倾角在45°～60°的急倾斜煤层的综采技术研究。通过采场矿山压力数值模拟和设备稳定性研究，提出了急倾斜（45°～60°）中厚煤层工作面支架、端头支架、运输机、采煤机等设备必须具备的技术参数和功能。通过“三机”配套选型研究，选择了嘉华机械公司生产的ZJ3600-15/36型液压支架和ZTHJ11400-15/23型横式端头支架，天地（上海）公司改型的MG250/620-QWD采煤机，中煤集团张家口煤机厂改型的 SGZ730/160运输机。通过现场工业性试验，取得了较好的技术经济效益，工作面平均月产达到47392吨。

2.3 急倾斜伪俯斜综采

广能公司李子垭南煤矿5135工作面为急倾斜煤层，又是特“三软”煤层，平均厚度在1.93m，煤层倾角在50～85°。煤层倾角大、松软，极易出现垮冒。2012年，李子垭南煤矿在5135工作面使用自主开发的急倾斜伪倾斜综采薄及中厚煤层的综合机械化采煤三机设备：MG100×2/495-QWD型采煤机、SGB-730/160-J型可弯曲刮板输送机、ZJ3600/11（15）/24（36）型支撑掩护式液压支架及ZJHJ11400/15.5（19.5）/25（29）上下端头支架，采用急倾斜伪俯斜综采技术，从9月开始试生产至11月止，平均（三个月正常月份）月单产达21019.6吨，最高月单产达23176.3吨，最高日产量超过1000吨。彻底解决了目前国内薄及中厚急倾斜“三软”煤层成套设备生产率低、故障率高、安全状况差等难题。

该综采支架和工作面刮板运输机防滑、支架防倒与推溜拉架联动，使职工操作简单，且防倒防滑更加可靠，此种作法在国内属首创；该支架具有顶梁异形等一系列特点，此种用于伪俯斜开采的液压支架在国内属首创；工作面排头架与端头支架间增设了防滑（防第一架支架下滑）、挡矸（挡采空侧矸）装置，进一步完善了大倾角综采技术。该装置在国内也属首创。

急倾斜伪俯斜综采进行了多项技术创新并獲得了2项发明专利和2项实用新型专利技术创新成果：发明专利“一种用于煤矿综采工作面的架间挡矸方法及挡矸装置”，（申请号2013101026165）；发明专利：“一种增大综采工作面中支架调节高度的方法及应用支架”，（申请号2013101025694）；实用新型专利：“一种用于煤矿综采工作面的架间挡矸装置”，（专利号ZL 2013 2 0140562.7）；实用新型专利：“一种液压支架”，（专利号zl 2013 2 0140561.2）。

2.4 急倾斜复杂煤层液压可伸缩柔性掩护支架

广能公司李子垭南煤矿煤层松软，软分层较厚，顶底板围岩破碎，在采用柔性掩护支架回采过程中经常遇见断层或煤层薄化现象，严重影响了煤炭质量。一方面当煤层厚度大于掩架宽度时，超过支架宽度的煤炭就不能回采，只能将底煤进行丢弃，造成煤炭资源浪费。当煤层变薄小于支架宽度时，支架又不能正常推进，出现皱架，这时只能卧底推进，严重影响了煤炭质量，同时工作面支架极易出现挂架、扣架、翘脚等现象，严重制约正常回采，同时给回采安全造成严重安全隐患。另一方面，采用现目前的柔性掩护支架回采时，工作面工作空间十分狭小，造成工作环境十分恶劣，极易造成工作面堵塞，影响工作面通风使工作面内瓦斯集聚，从而引起瓦斯事故，而为保证工作面通风良好，工作面的配风量远大于需风量，不仅会造成矿井风量紧张，而且也致使工作面风速过大，导致粉尘飞扬，给安全生产留下隐患。因此，为使矿井实现安全、健康、可持续发展，适应复杂的地质构造情况下安全回采，减少资源浪费，矿组织工程技术人员科技攻关，提出了“可伸缩柔性掩护支架及开采技术研究”。

2010年，李子垭南煤矿5127工作面采用伪倾斜液压可伸缩柔性掩护支架采煤法进行开采，全部垮落法管理顶板。液压可伸缩柔性掩护支架在5127回采工作面试验期间，未发生轻伤及以上事故；没有出现明显挂架、翘脚及扣架现象，各项生产技术指标均达到了目标要求。现场试验表明，采用的液压可伸缩柔性掩护支架采煤法能够很好的适应1m～2m采高条件下的急倾斜煤层开采。

该研究成果对于改善李子垭南煤矿安全生产环境，降低工人的劳动强度，提高矿井产量，改善企业的经济效益和社会效益具有十分重要的理论意义和实际应用价值，特别是对我国南方大都属于复杂地质构造条件影响的急倾斜煤层实现煤炭资源安全、高产、高效开采具有重要的示范作用，也是对我国乃至世界煤炭工业技术进步的一大贡献。李子垭南煤矿液压可伸缩柔性掩护支架及开采技术研究的成功实施和推广获得国家实用新型专利授权（专利号：201120023520.6）和国家发明专利受理（申请号：201110080964.8），技术属国内领先水平。

3 发展方向前景

从有关文献资料来看，大倾角煤层的产量呈逐年上升趋势，这说明对大倾角煤层的开采在我国越来越受到重视。广能公司绿水洞煤矿自1981年建成投产以来，各阶段采煤工艺取得成功，与各级工程技术人员付出的艰辛努力分不开，尤其是大倾角综采技术的成功，更是为绿水洞煤矿实现高产高效矿井建设作出了不灭的贡献。“大倾角综采技术”全国闻名。广能公司始终坚持“科技兴企”战略，依靠科技创新，推进企业安全发展。大倾角综采技术的应用，推进矿井进入高产高效发展之路。虽然广能公司在大倾角综采方面取得较大成功，但要真正攻克70°以上大倾角煤层综采及无人自动化综采技术还需不断摸索和实践。

4 结语

根据大倾角煤层综采特点，必须改变传统的“三机”配套理念，以支护系统的稳定性为设计核心。选用采高适应范围大、支护强度高、宽型顶梁和底座，较大缸径立柱、重量轻等特点的支架。和高阻力、大吨位的端头支架；选用大功率、牵引力大、爬坡能力强的电牵引采煤机；选用全封闭、启动、制动、防滑性能好的刮板输送机。大倾角煤层工作面综采支架在自由状态下出现的下滑、倾倒和架间咬架现象是不可避免的。要使支架在工作过程中正常推进，必须使支架的初撑力和工作阻力使顶梁与煤层顶板、底座与煤层底板之间有足够的初撑力和工作阻力。

多年来实践证明：广能公司大倾角煤层开采技术日趋成熟，从实施大倾角开采以来，工作面未发生过大的冒顶事故，支架防倒防滑设施运行可靠，采煤机无下滑事故，液压支架和工作面输送机下滑在控制范围之内。

参考文献：

[1]伍永平，员东风.《大倾角综采支架稳定性控制》[J].矿山压力与顶板管理，1999（Z1）.

[2]伍永平.《大倾角煤层机械化开采的关键技术与对策》[J].矿山压力与顶板管理，2002（01）.

[3]周邦远，伍厚荣，聂春辉.《绿水洞煤矿大倾角煤层综采技术》[J].煤矿开采，2002（03）.

[4]李向华.《大倾角厚煤层长壁综放工作面支护系统复杂性研究》[D].西安科技大学，2006.

[5]刘正光.《大倾角综放面调斜防滑技术》[A].中国科协2004年学术年会第16分会场论文集[C].2004.