煤矿大倾角采煤方法

1+大倾角综采技术2大倾角煤层的界定建国以来，我国一直将煤层按倾角划分为三类：倾角在25°以下的煤层为缓倾斜煤层；25°～45°为倾斜煤层；45°以上为急倾斜煤层。自20世纪80年代以来，我国煤炭行业学术界及工程界频繁出现了大倾角煤层开采这一新概念。北京煤炭科学研究总院牛锡卓教授早在1979年就指出：“现行的煤层划分为三类的分类法级差太大，不利于综采技术的研究与应用。”大倾角煤层概念的上、下限在我国极不统一，从25°到60°都有称为大倾角煤层的。因此，关于大倾角煤层的概念及范围的确定就显得十分必要了。3国外大倾角煤层开采技术研究主要集中在前苏联、德国和法国，并仅限于单一煤层综采，取得了较多成果，但20世纪80年代后基本停止。苏联和原西德均将煤层按倾角分为四类。在前苏联的分类中，≤18°为缓倾斜煤层；19°～35°为倾斜煤层；36°～54°为次急倾斜煤层；56°～90°为急倾斜煤层。原西德规定一个圆周为400°。煤层的分类为：0°～20，为缓倾斜煤层；20°～40°为倾斜煤层；40°～60°为大倾斜煤层；60°以上为急倾斜煤层。经过换算，原西德圆周400°。的40°～60°与圆周360°的35°～54°相对应。由此可见，两国均把35°～55°。倾角的煤层划分为单独的一类(次急倾斜煤层和大倾斜煤层)，是有一定合理性及实用价值的。原西德和前苏联都是综采技术发展较早、应用较广、技术相对成熟的国家，这些煤层分类方法对我国大倾角煤层的规范和统一具有很好的借鉴意义。4随着综采技术水平和回采设备的不断发展进步，综合机械化开采的应用范围不断扩大，近年来有不少学者提出了大倾角的下限应该界定为35°以上的煤层。例如，平寿康教授和他领导的课题组多年致力于大倾角煤层的矿压研究，他们认为大倾角煤层是指35°～55°的煤层。石平五教授在1998年3月指出，“大倾角煤层至今没有确切的定义，大多的说法是倾角大于35°的煤层，有的矿区划分为35°～60°之间”。西安科技大学伍永平教授、贠东风教授1999年曾指出大倾角煤层至今没有确切的定义，但基于冒落矸石滑动的自然安息角和目前一般液压支架最大适应角，认为大倾角煤层主要是指倾角大于35°的煤层，倾角的上限可以是55°或60°。5伍永平教授、贠东风教授在2000年10月再次指出:“大倾角煤层是指埋藏倾角35°～55°的煤层”。2001年，伍永平教授、贠东风教授论述了大倾角煤层概念，指出大倾角煤层一般是倾角在35°～55°的煤层，这主要是考虑到采空区冒落矸石的自然安息角为35°。当煤层的倾角大于35°时，冒落研石滑（滚）落形成采空区的下部填满而上部悬空，从而形成不同于35°以下煤层的矿压显现规律。6根据现在我国机械化开采发展的需要，应对我国传统按煤层倾角将煤层分为缓斜、倾斜及急斜的三类标准进行修改，增加35°～55°大倾角煤层这一类别，将煤层倾角划分为4类，缓倾斜煤层0°～25°不变，倾斜煤层上限改为35°，大倾角煤层35°～55°，急倾斜煤层下限改为55°，即：缓倾斜煤层为0°～25°；倾斜煤层为25°～35°；大倾角煤层为35°～55°；急倾斜煤层下限改为55°～90°。将大倾角煤层范围定义为35°～55°倾角的煤层，对我国大倾角煤层综采技术的发展具有一定的合理性和实际应用价值。7大倾角煤层的主要开采方法种类国内外对大倾角煤层的开采主要有以下几种开采方法：（1）走向长壁一次采全高。在小于50°的情况下，采用综合机械化技术比较成熟，有绿水洞的经验可以借鉴；角度再大的情况下，一直采用倒台阶、正台阶、斜台阶等不利于机械化开采的方法进行。走向长壁综采在工作面布置上又可根据需要采用伪仰斜或伪俯斜两种方法。（2）分层开采。将煤层水平分层，是一种变复杂为简单的好方法，根据煤层厚度和倾角以及考虑开采技术条件的情况下，有倾斜分层、水平分层和斜切分层等。基本解决了急倾斜煤层安全生产和高效难题。存在的主要问题是工作面长度随煤层厚度变化，巷道掘进量大，工作面设备要适应小工作面开采特点。因只能应用在急倾斜煤层，国内外均应用较少。8（3）急斜煤层平巷放顶煤。将急倾斜煤层水平分层，分层间距一般8m～12m左右，不另设风巷、机巷，只开水平巷道，在巷道中布置1～3架支架。支架在巷道中前移，架后放顶煤。这种采煤方法存在的主要问题是，通风问题没有很好解决，制约高产高效。基本处于淘汰状态。（4）大倾角走向长壁综采。随着开采技术尤其是煤机装备技术的发展，大倾角煤层走向长壁开采技术得到了长足的发展与应用。在实践中取得了良好的使用效果。该方法是近年来在我国发展的新技术，这一技术目前处于国际领先地位。9大倾角煤层走向长壁综采基本技术问题我国大倾角煤层储量约占煤炭总储量的15%～20%，年产量占全国煤炭总产量的10%左右。我国西部的宁夏、甘肃、新疆、云南、贵州、四川、重庆等省区50%以上的矿井开采有此类煤层；东部的山东兖州矿区、河北邢台矿区和开滦矿区、安徽淮南和淮北矿区、江苏徐州矿区等一些老矿区该类煤层的遗留比重也比较大。10综采工作面是煤矿开采的重要组成部分，它包括工作面采煤机、液压支架、采面刮板输送机、转载机、运输巷胶带机和上（下）山胶带机等各环节。这些环节工作质量的好坏将直接影响到采煤机的开机率，从而影响工作面单产和一系列技术经济指标。综采工作面上述各环节在生产过程中所遇到的问题属随机性事件，充分认识和掌握这些随机事件的分布规律，减少各设备的故障时问，提高采煤机的有效工作时间，对综采工作面高产稳产、提高效率将起到很大的作用。11对于近水平煤层、缓斜煤层，经过国内外多年的实验和理论研究，已经取得了大量的研究成果，其理论与实验方面的研究都已比较成熟，并在生产实践中起到了指导性作用。而大倾角煤层赋存条件复杂，这决定了对它的研究必将经历一个漫长而复杂的过程。与近水平煤层和缓斜煤层比较，大倾角煤层综采基本技术问题如下：12（1）顶板破断垮落岩块沿底板向工作面下部采空区滑、滚，使工作面沿倾斜方向形成不均匀充填带（工作面下部填实，中部部分充填，上部悬空），走向长壁开采时在工作面线长方向形成不均匀充填特征，从而导致工作面不同区域矿压显现不同，通常中上部矿压显现较下部剧烈。（2）除顶板垮落外，大倾角煤层底板也会出现破坏滑移。当顶板垮落（移动）的趋向和速率与底板破坏滑移趋向和速率不同时，会引起工作面“底板—支架—顶板”系统失稳，一旦底板出现破坏，就会产生向下滑移，而且破坏滑移区还会向上蔓延，造成底板的大范围失稳，导致灾害性事故发生。（3）由于重力的法向及切向分量随倾角增加而变化，使得切向分力增大而法向分力减小。因此，工作面支护系统所受的工作载荷变小，而引起支护系统失稳的外载加大，产生工作面支架下滑、倒及架间挤、咬现象。1314煤层倾角是影响选择采煤方法的重要因素之一。大倾角煤层一般指倾角为35°～55°的煤层，跨现行煤层分类法中的倾斜和急倾斜两个类别。这主要是考虑冒落矸石的自然安息角为35°和水平分段放顶煤法开采55°以上特厚煤层时底板“死三角”丢煤很少，以及目前走向长壁综采设备及工艺在采取特殊措施后可适用煤层的最大倾角为55°，而且开采难度相当大，有特殊复杂性和规律性。15一般煤层形成初期呈水平状态，以后经历地质构造变动才成为大倾角煤层。因此，大倾角煤层及其围岩常伴有较多的褶皱和断层、节理裂隙发育；煤层倾角和厚度变化大。16随着煤层倾角增大，上覆岩层重力沿层面（切向）的分量增大，沿垂直层面（法向）的分量减小。因此，支架易下滑或倾倒，安全隐患大。不仅顶板冒落，而且底板也滑移；采落的煤炭、垮落的矸石以及工作面内其它未固定的物体均可沿底板滑滚，这虽然有利于工作面的运煤和矸石向下充填，但必须采取措施防止滑滚物体伤人、砸坏设备和冲倒支架。因垂直层面的作用力减小，在顶板岩性相同的条件下，大倾角煤层工作面顶板作用于支架的载荷比缓斜煤层要小。171998年四川省华蓥山矿务局（现为华蓥山煤业公司）绿水洞煤矿，2003年甘肃省靖远煤业公司王家山煤矿先后与西安科技大学合作成功地解决了大倾角中厚综采或厚煤层综放技术难题并成功开采倾角最大达52°的煤层。目前，我国大倾角煤层走向长壁综采技术为世界先进，特别是大倾角厚煤层走向长壁综放技术处于世界领先水平。18长期以来，大倾角煤层因地质条件复杂多变，开采条件差，机械化程度低，严重制约着此类煤层产量和效益的提高。随着较容易开采的35°以下煤层综采设备和工艺的日趋完善，加之35°以下煤层资源量的减少，综合机械化开采技术逐步向较难开采的大倾角煤层拓展。无链牵引、电机横向布置、制动可靠的新型采煤机和具有完善的防倒防滑功能的新型液压支架等装备和相应的采煤工艺为这一拓展奠定了基础。大倾角煤水平分段综放工作面布置剖面如图1所示。19图1大倾角煤水平分段综放工作面布置平剖面202设备特点（1）液压支架（2）采煤机（3）输送机2122大倾角煤层走向长壁综采（放）设备是安全高效开采此类煤层的基础，它必须能满足煤层倾角大的特殊需要，不但运行要可靠，而且操作要灵活。液压支架、采煤机和刮板输送机的具体特点如下。23（1）液压支架液压支架在走向长壁工作面移架过程中，由于支架自重在倾斜方向的分力会使支架沿倾斜下滑，煤层倾角越大，下滑力越大。支架后部因重量大且重心偏后，所以下滑比前部严重，造成支架歪斜。当煤层倾角增大到使支架失去侧向稳定时，支架会向下倾倒。为了保证支架正常工作，在煤层倾角大于35°时，从设计制造上必须考虑采取防倒防滑措施。ZYS960014/32型大倾角组合式液压支架和ZYD3400/23/45型大倾角掩护液压支架2425262728为了提高工作面排头排尾支架的整体稳定性，通常将工作面下部或上部的3～5架支架两两彼此用防倒防滑千斤顶相连，构成排头或排尾支架组。特别是排头支架是工作面其他支架稳定的基点，所以，排头支架的稳定至关重要。大倾角液压支架通常都采用由千斤顶控制的调底座装置并采用缸径较大（一般为Φ80mm或Φ100mm）的侧推千斤顶以增大调架力。另外,支架的立柱上设有扶手,底座上设有台阶以便行人。29（2）采煤机大倾角煤层综采工作面要求采煤机牵引力大、制动可靠、润滑效果好。现在大倾角采煤机均为无链牵引，有可靠的制动装置，使采煤机停电、失压、调速手把过零、牵引轮不同步、超速或电缆张力过大时，均能实现可靠的制动；为实现安全操作，采煤机中通常都装有无线遥控或平巷控制台控制。采煤机摇臂润滑采用分腔或强迫形式。目前，先进的大倾角采煤机还采用多电机横向布置和四象限运行的变频调速技术，运行可靠性更高。30（3）输送机大倾角煤层综采工作面刮板输送机主要作为采煤机的轨道，又是支架前移和抑制下滑的基点，同时限制割（放）下的煤自溜。因此，要选配高强度的双边链刮板输送机，溜槽为铸焊型，销轨及其连接座均为加强型，与推溜杆连接的双耳的强度也要提高。为了克服双边链磨损严重且不便换链，王家山煤矿采用链条靠近溜槽帮的准边双的刮板输送机，收到了良好效果。313设备选型与使用的原则32大倾角煤层走向长壁综采（放）设备选型与使用应充分考虑煤层倾角大的特殊性，以支护系统稳定性和设备运行可靠性为核心，应遵循以下原则：33(1)优先选用2柱掩护式支架，并要求支架防倒防滑性能可靠；(2)支架应具备较强的抗侧向载荷性能；(3)支架工作阻力适中，而且重量尽可能轻；(4)因支架后部易下摆可能造成采煤机滚筒与顶梁前端干涉，故要适当加大推溜杆长度消除这种干涉；34(5)增大采煤机牵引部的传动比。这样做虽然使采煤机最大牵引速度有所降低，但却增大了采煤机牵引扭矩，便于采煤机向上爬坡；(6)煤机采用遥控，最好装配四象限运行的变频调速器；35(7)刮板输送机采用准双边链为宜；(8)刮板输送机应以长推溜杆与支架底座配合的方式防滑为主，以千斤顶通过链条斜拉溜槽的方式防滑为辅；363738(9)采煤机应有较大的挑顶量和卧底量，以适应煤层倾角及厚度的变化和调整支架的需要；大倾角放顶煤液压支架还应适当降低采高，从而降低支架重心，有利于支架稳定。394大倾角煤层走向长壁综采（放）工作面采煤工艺(1)进刀割煤(2)拉架推溜