急倾斜薄煤层采煤方法研究与应用

摘要：急倾斜煤层开采方法一直是采矿技术中的难题，相关研究学者对此进行大量实验研究[1]，也取得了一些新的进展，但由于急倾斜薄煤层特殊且保证开采过程安全的性质，低成本、高效和安全的开采方法仍是当前研究的重点。因此，研究、选用较好的开采方法对于高效回收煤炭资源、提高经济效益及社会效益等具有十分重要作用。

Abstract： The method of steeply inclined coal seam mining has always been a difficult problem in mining technology. Relevant research scholars have carried out a lot of experimental research， and some new progress has been made， but the nature of the steeply inclined thin coal seam is special and the safety of the mining process is guaranteed. Low cost， efficient and safe mining methods are still the focus of current research. Therefore， research and selection of better mining methods are of great significance for efficient recovery of coal resources， improvement of economic and social benefits.

关键词：急倾斜薄煤层;采煤方法

Key words： steeply inclined thin coal seam;mining method

中图分类号：TD823                                       文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0161-03

0  引言

大安山煤矿+680水平单斜5槽煤层中。煤层最大厚度为2.81m，最小厚度为0.80m，平均厚度1.72m。煤层最大倾角80°，最小倾角30°，平均倾角72°。煤层中无瓦斯，煤尘无爆炸倾向性。煤层为条带及块状结构，工作面位于单斜构造部位，煤层局部发育有反“S”倒转现象，给工作面布置与采煤方法带来很大的困难。大安山矿区赋有开采价值的急倾斜煤层的煤炭储量，煤质较好。因此，研究、选用较好的开采方法对于高效回收煤炭资源、创造更大的经济效益是必要的考虑因素。

1  急倾斜煤层主要开采方法评述

1.1 柔性掩护支架采煤法

采煤方法需根据实际煤层的结构特点和煤质特性而定，柔性掩护支架采煤法是应对某煤矿具有急倾斜煤层而研发的一种常用开采方法，已在我国多个地区及煤矿得到应用，包括淮南、四川等地及开滦、淮南矿等矿区，并且实际开采效果较好，获得相应的经济效益。

相比之下，柔性掩护支架采煤法与其他方法相比，有几个方面优点，如下：①工程施工量减少。因为工作面设计是沿工作人员走向直线化采掘，与单走向长壁式采煤有十分相似的工作原理，煤矿采掘进度实施过程中，此方法比较俯斜推进以及一些柱式方法等，在溜眼作业和巷道开采掘进单位效率等方面，明显提高了采煤效率;②生产工艺流程大大缩减。当采用此采煤方法时，通常情况下顶板支撑及管理工作得到极大化的简化，严格控制效率的单位损耗;③工作面独立操作性强。技术人员在工作面进行回采作业时，相独立面上，掩护支架的拆解等维修工作能与此形成相互独立、干扰度小的环境，对于实现采煤工作三班轮换制提供可能，因为大大压缩了非生产时间的空隙作业时间。

同时，此方法有几个方面的缺点：①结构适应性较差。在实际采煤过程中，顶板煤层的厚度具有流变特性，相应的厚度和倾角都在变化，这种支架在这方面的应对能力较差，单一的承受压力方式就需要煤层赋存状态相对稳定，否则在实际作业时，不能保证系统的稳定性和安全性;②煤层应用范围小。此方法在煤层厚度为2～8m、倾斜角度在60°～70°之间时，使用效果最佳;但是在煤层厚度较厚时（大于10m）或者倾斜角度不足60°的特点下，不适应与此方法的实施。③排矸效果较差。掩护支架下采煤具有一些不可避免的问题，如工作面有支架和采空区隔离，导致回采时排矸流程实施困难，伴随着煤层变薄而造成破底风险。

1.2 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法

20世纪80年代，四川芙蓉矿务局针对急倾斜煤层开采难的问题提出了俯伪斜走向长壁分段密集采煤法[2]，此方法在煤层环境十分复杂的矿区进行试验，具体的条件为：倾角在38°到52°范围内，煤层特点是大部分为薄煤层及少量中厚煤层，且随即试验应用得到成功，是我国面对此特点煤层开采的一大进步。

俯伪斜走向长壁分段密集采煤法的作业过程特点为：工作面的空间结构设计为俯伪斜直线型[3]，当进行采掘作业时，一些煤壁会发生掉渣现象，一方面减少人员的安全问题，另一方面避免煤渣掉落进入采空区而引起的煤量减少等现象，为实现机械化采煤及智能化开采做好技术储备和支撑。

此方法与传统的台阶式采煤法相比，在提高煤壁高效利用方面有显著的效果[4]，比如，在某些矿区，一些区段环境特点为垂高一致时，作业效率有30%～40%的提高，单体产出效率明显优于传统作业方法。

对分段走向密集作业进行分析发现，作业面波及周期规律不明显。因为通往密集阻隔的采空区的矸石会在上方为顶板下方为作业区域的自然形成的矿物充填带，同时，跟随采掘进程不断推进前移密集柱，此时，相应的充填区随之进行前进，作用是为了时刻保持冒落区与作业区的隔离安全问题。

此方法有以下三个缺点：①工作空间工作任务繁重，机械化程度低，造成经济成本较高;②大部分区段的煤柱单位损耗量大，几乎占整个区段煤量的10%～15%;③在分段走向汇聚处的密集区域，易形成空间狭窄，空气流通不便等问题，同时容易导致瓦斯汇合导致密度高等危险性区域。

1.3 仓储采煤法

我国应用仓储采煤法最早始于20世纪50～60年代，是专门针对我国某些矿区煤层应对急倾斜薄煤层及中厚煤层而研究的一种方法。此方法也存在一定的局限性，例如开采过程中对煤层地质与岩石围压有很高的要求，安全系数低。

仓储采煤法具有以下特点：将仓储的煤可视为支撑体对储存空间起到受力支护的作用，当煤层压力较小或仓储量较大时，工作面基本不采取其他支护手段，这种换位借力的方法减小了作业成本和提高了工作流程的效率。由于采煤落区和储存区由一定重叠部分且工作程序相互独立，从经济效益的角度出发，极大的减轻了运输系统的效率和故障发生率。

根据多年的现场应用反馈得出;此方法适用于顶板结构稳定、上层地质层无水分渗流以及厚度较薄的煤层，同时，不能在瓦斯涌出量大和火区范围广等特点的煤层使用。从2008年起，我国出台相关规定，所有矿区企业严禁使用仓储式采煤法，所以排除此方法在急倾斜煤层开采的应用。

1.4 长孔爆破采煤法

长孔爆破采煤法是利用打孔爆破的方式进行工作，不需要人工作业，具有操作方便，人员安全性好等优点。此方法从应用到现在，一直在实际生产中得以使用，一些矿区采用此方法，如福建陆家地煤矿和宁化煤矿等。次方法具有灵活性好、适用作业环境范围广等特点，同时也被用于煤柱和边角煤的回收利用，也有一些尝试在水力采煤工艺中的炮采水运过程中[5]。

长孔爆破采煤法具有以下三个优点：①工作过程安全稳定性系数高。整個过程无需人员进入，可先在巷道中进行打孔和装药等工序，规避采空区上方冒矸的现象发生;②降低生产经济成本。实施打孔爆破的作业方式后，会减少坑木的消耗量，据现场数据反馈，年统计量减少了30%左右，相应的吨煤产率成本也降低至30%以上;③提高作业流程的简易性。首先，打孔采用半机械化操作方式，能适应于大部分实际环境。同时，煤层打眼的工作所需的人员数量也极大减少，一般可减少50%人力输出，提高了单位时间输出效率和经济效益。

同时，此开采方法存在四个方面的缺点：①作业方式单一，引起单位产量低。当打孔人员进入巷道进行定位打孔时，整个流程只能单点作业，带打孔结束后人员撤出，然后再进行出煤和掘进工作，不能充分集中时间进行采掘工作;②不能保证煤质质量。当需采煤层较薄时，炮药量不能准备把握，存在爆炸效果与范围的平衡问题。如果顶板长时间使用且稳定性变差后，炮眼方向及深度不能保证爆破力度的要求，会造成煤矸混杂在一起，影响最终的出煤质量;③通风管理力度不足。爆破后巷道内瞬间形成强大的煤尘气流，一部分乏风会作用在采空区，对巷道的通风工作带来极大的不便;④环境适用能力差。此方法一般只适用于作业区顶板比较稳定，瓦斯含量较低的矿井，避免由于大量煤尘的产生而引起爆炸事故。

1.5 滑移顶梁支架放顶煤采煤法

我国于1984年首次采用滑移顶梁支架放顶煤应用于急倾斜煤层的开采作业中，其中，此采煤法是使用一种属于过渡性的支架，依靠支架力来承受来自上煤层的压力，其原理是根据液压供给提供支撑作用力，是介于单体型液压和机械化液压之间，逐渐因其适用范围广被一些企业所采用。

从经济成本和使用便捷性方面对滑移支架放顶煤进行分析，具有以下优点：①使用成本低。采用初期的安装费用少，相比于机械化液压支架足足缩减1/3～1/5;②单位时间采掘量大。因为这种支架采用多分段式结构，整个掘进面一般在10m及以上，传统的水平分层开采过程中，都必须单独进行平巷和溜眼工作，增大了工作强度;③支架可操作性强。由于所使用的的支架具有体小质轻，轻便灵活的特点，在使用过程中，能很大程度的减少人工操作量，同时，对于不同厚度的煤层而言，这种支架都可随之进行相应的变化。

但是，实际应用中也发现一些缺点：①支架功能匹配度不高。滑移顶梁是针对急倾斜煤层专门设计的，在放顶煤的工艺中此支架不能完全应对所有的煤层特点和地质环境所带来的特殊性;②使用稳定性较差。滑移顶板因移动灵活而被使用，同时，也因其滑移过程中的反复承载与卸载，一定程度上对顶板的整体安全性能造成破坏，作业中存在安全问题。

1.6 水平分段放顶煤采煤法

我国针对急倾斜特厚煤层的开采一般采用的方法有高落式、水平分层式和斜切式等。随着我国煤资源的不断开采利用，相近的综合性技术被逐渐应用，例如综采支架放顶煤技术经过不断模拟试验后引用在急倾斜煤层的开采工作中。此方法先后在多个矿区如辽原梅河矿等进行试验性应用，并取得了较好的目的效果。

水平分段放顶法在应用过程中有以下优点：①采煤效率提高。此方法较其他整体煤的产出效率提高2-6倍，原因是工作单位时间内生产资料较为集中，机械化应用的范围及程度较好。②劳动利用率高，经济成本低。根据一些矿区的实际应用数据得出，相同条件下，工作面效率有2-8倍的提高，综合考虑，工作时间的减少对生产效率的提高有一定的帮助。

与此同时，据实际生产经验反馈得出其存在的主要缺点为：①应用范围的适应能力不足。由于不同煤矿的煤层特点不同，其厚度变化不规律和中间断层不稳定等原因，易造成厚度低于20m的急倾斜煤层出现稳定性差异问题。②煤尘引起的环境指数差。产生较大的煤尘含量会引起工作空间的单位煤尘量过高，对作业人员的身体以及防止浓度过高出现爆炸的安全性关键问题。

1.7 巷道放顶煤采煤法

急倾斜煤层的巷道放顶煤选择均匀等标的方式进行标高划分，形成多个小的区段，由于结构合理性角度考虑，区段下部进行放煤巷道的设计与施工。同时，考虑整体通风系统稳定性的前提下，将巷道两端出口进行采回量取的连通和结合，在解决放煤问题的同时通过结构性眼孔的布置尽可能的实现巷道内所有工序正常的运行。以机械化控制的条件下，自动管理放煤眼孔的开关，利用破碎后煤体位移特性及上顶板落矸水平与竖直方向的规律进行分析，近似于溜槽式均匀透过眼孔处，然后有序的排出。从理论角度看，放煤巷道的设计实质是保护模式下沿空留巷松散体滑落。因此，理论性的分析支撑放顶煤技术的安全实施和合理运用。

2  主要研究方案论证

2.1 钢丝绳锯采煤法论证

钢丝绳锯采煤方法是沿倾斜布置并沿走向推进的短壁工作面，区段上部回风平巷与区段下部运输平巷构成全风压通风系统，上下平巷安设绞车，带动钢丝绳上安设的“锯头”做往复运动以实现落煤，煤炭实现自溜运输。

2.2 长孔松动爆破采煤法论证

松动爆破是指利用巨大的振荡力使煤层就地发生破碎。而长孔松动爆破是依据松动爆破的原理并在其基础上合理设计钻孔长度和装药相结合的方法，在煤层内爆破，使煤体达到松动，成为散体的一项技术。[6]

2.3 综采技术应用论证

综采技术在缓倾斜煤层开采中充分发挥了它的工艺优势，如要在急倾斜煤层中取得较好的技术、经济效果，必须根据急倾斜煤层回采和支护工作的特点进行改进，对应用中的主要技术问题作透彻的分析与研究。

2.4 巷道放顶煤采煤法论证

急倾斜煤层巷道放顶煤是依据标高等分的方式对不同的采区进行合理划分，标准分段的距离为15～20m范围内。排煤巷道的设计是根据自上而下的顺序结构在区段下部建造，同时，排煤巷道的两个端口依次连接采区的进风和回风系统，形成循环合理的全风压通风。以上所分析的工艺都应该在排煤的巷道内合理有序的进行，如需设计放煤的眼孔，需借助巷道内侧煤质稳定的特点进行操作，然后通过矿压和岩石特性等因素确定眼孔的直径和爆破操作的系数，爆破效果應该使确保巷道上方的顶煤发生均匀破碎，这样是利于采场的收集与堆放。急倾斜巷道放顶煤法开采系统如图1所示。

2.5 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法论证

该采煤法以1～3排基本支柱为构建根本，依次以平行于工作面的方式进行布置，合理的回采系统设计可以使分段密集支柱排列的沿直线走向分别安置。所谓的密集支柱是利用其在开采过程中的“切顶”转换成为具有阻拦矸石滑落的可能性，最后会形成充填带用来支撑作业面，在隔空区和回采区形成不同的三角地带。这三带可改变了采场矿压的分布状态，给回采工作面的生产、安全带来良好的效果[7]。

俯伪斜走向长壁回采具有明显的优点：由于伪俯斜布置方式的特点，排柱的流向方式会呈现一种密流式下滑流动态，随后产生逆流式的阻挡作用，对于解决急倾斜工作过程中产生的各种矸石滑落以及底板松动等问题。其目的是以空间化倾角化陡为缓便于分段平行作业，提高煤的开采效率密度。

2.6 俯伪斜密集采煤法论证

倾斜密集的构造原理是为了防止采空区落矸，为防止采空区矸石冲击密集排柱，在密集排柱上垫好木板皮、草袋等。

工作面采用三、四排控顶，排距0.8m，柱距1.0m，最小控顶距离2.1m，最大控顶距离2.9m，第一排支柱距离煤壁0.5m。

在靠近采空区侧从工作面下部到上部连续打两排密集支柱，隔离采空区。从下往上回柱放顶。三班采煤，边采边准。

工作面采用钻眼爆破方式落煤，因煤层厚度大致在1.0～1.5m的范围，炮眼布置双排三花眼，炮眼深度0.9m，间距1.0m。分段爆破，工作面分两次爆破完成。煤炭自滑运输。工作面爆破一次后，停止爆破，进行支护。每次支护支柱一排，从工作面下部往上开始支护。从工作面下部开始回柱放顶，支护密集与回撤密集支柱。

3  结论

通过对急倾斜薄煤层多种采煤方法的论证，重点选择方案为三种急倾斜综合机械化采煤法、巷道放顶煤采煤法、俯伪斜走向长壁分段密集采煤法，考虑到煤层平均倾角较大，对于平均倾角大于60°的煤层采用综合机械化采煤工艺尚处在试验研究阶段，无安全高效的成功案例，项目。在煤层倾角60度以下、煤层厚度在1.5米以下的煤层，采用俯伪斜分段密集采煤方法。而对于煤层倾角60度以上、煤层厚度在1.5米以上的煤层，建议采用巷道放顶煤采煤方法。

参考文献：

[1]来永臣.攻克急倾斜薄煤层开采难关[J].煤炭工程，2009（04）：79.

[2]张煜铖.大安山矿急倾斜煤层开采工艺优化研究[D].辽宁工程技术大学，2008.

[3]王明立.急倾斜煤层开采岩层破坏机理及地表移动理论研究[D].煤炭科学研究总院，2008.

[4]王慧杰.急倾斜煤层走向壁式开采基本顶垮落规律研究[D].太原理工大学，2012.

[5]谢东海.急倾斜煤层巷道放顶煤开采的关键问题研究[D].湖南科技大学，2007.

[6]张继忠.基于长孔松动爆破的巷道放顶煤采煤法应用研究[J].采矿技术，2011，11（04）：21-22，125.

[7]陈世图.攀枝花矿务局俯伪斜采煤法简介[J].煤炭工程师，1993（06）：61-62.

作者简介：徐百平（1992-），男，黑龙江双鸭山人，硕士研究生，研究方向为煤矿安全。