急倾斜煤层Z型通风留巷放顶煤采煤法优化

唐林军 胡乃联 李国清 张炳学

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.北京昊华能源股份有限公司)

急倾斜煤层一般是指煤层倾角在45°以上的煤层［1］。目前开采急倾斜煤层主要有水平分层和俯伪斜采煤法、掩护支架采煤法和放顶煤采煤方法等［2-4］，由于该类煤层成煤过程复杂，煤层赋存独特，选择开采方法具有一定的局限性［5-6］。

长沟峪煤矿是京西煤田主采矿井之一，属侏罗纪煤系，长沟峪区15槽开采块段煤层平均倾角在55°以上，厚度变化为5～20 m，走向变化大，传统采煤方法为俯伪斜柔性掩护支架采煤法［7］。张继忠、孙广义等人针对煤层赋存特点分析研究，提出急倾斜煤层Z型通风留巷放顶煤采煤法［8-9］，但在推采实践中发现存在以下问题:①底板侧沿空留巷需破底板岩石，不利于顶煤控制，巷道维护困难，存在安全隐患;②顶板侧运输巷道受煤层走向变化不易取直，运输设备铺设复杂，不易管理;③推采过程中拆卸、续装支架空间狭小，存在施工风险。因此，优化改进急倾斜煤层Z型通风留巷放顶煤采煤法，对实现煤矿安全、高效生产，具有十分重要的意义。

1 初期开采方案

1.1 工作面布置方式

沿煤层顶板掘进运输平巷(煤巷)，沿煤层底板沿空留设回风巷。工作面布置如图1所示。

工作面长度为煤层实际厚度，选择ZHZ1600/16/24Z型整体顶梁组合液压支架放顶煤开采，支架宽0.96 m，支架中心距1 m。根据煤层的实际厚度布设支架，架间距40 mm。工作面内铺设1部SGD280/7.5G型刮板输送机运煤，输送机放置于两支柱之间，工作面打眼放炮落煤时，输送机靠近前柱放置，放顶煤时则靠近后柱放置。

图1 工作面布置

1.2 回采工艺过程

工作面采用爆破落煤，人工装煤，刮板输送机运煤，ZHZ1600/16/24Z型整体顶梁组合液压支架支护工作面顶板。放顶煤回采工艺流程为:打眼爆破落煤→铺工作面底板软煤部分金属网(同时翻前探梁)→拆运输平巷八字型支架→留巷→装运煤→移后柱→放顶煤→推移刮板输送机→移托梁→移前柱。

1.3 留巷工艺

留巷采用“八”字型柔性掩护支架。巷道内不安装设备，仅供行人、运料及回风。巷道断面底宽0.8 mm，顶宽0.5 m，高2 m，支架间距0.5 m。柔性掩护支架采用旧钢轨或工字钢制作。在支架上布置4道钢丝绳卡，固定钢丝绳。支架间利用木板连接，支架上肢采用金属立撑或单体柱支撑，保证支架的稳定性。

1.4 单产及工效

通过近3个月推采，第一个Z字型通风留巷放顶煤工作面平均日产量80.6 t，平均工效3.8 t/工。该采煤方法资源回收率为91.15%，同地点同月份采用柔掩法，回采率为84.25%。

2 初期方案分析

2.1 底板侧端头处沿空留巷

煤层靠近底板侧煤质较软，是放顶煤的主要区域，该区域回采工作面底板侧为三角形岩石。在煤层底板侧需要沿空留巷布置柔掩支架，为保证工作面放煤方便及支架的稳定性，需要把该三角形区域的岩石同回采工作面一起爆破采出。响炮时可能造成上部煤体塌冒，存在较大安全隐患，同时受岩石爆破影响，沿空留巷支架受到破坏，断面减小，巷道维护困难。见图2。

图2 沿空留巷断面及掘进炮眼布置(单位:mm)

2.2 顶板侧布置运输巷

因煤层压力大，尤其受采动影响后，运输巷变形严重，加之铺设设备尺寸及支护设施影响，使运输巷的通风、行人断面无法保证。煤层厚度及走向变化大，巷道无法取直，造成运输设备铺设数量较多且影响巷道正常使用。在推采过程中需根据煤层厚度的变化，在顶板侧拆卸、续装工作面悬移支架，在运送及安装支架时操作空间窄小，施工困难。如图3所示。

图3 运输平巷断面(单位:mm)

2.3 工作面推采工艺

循环作业方式为一次对工作面整壁爆破，每班推进一循环，三班生产，边采边准。但当煤层厚度较大时，工作面悬移支架数量较多，一次爆破后当班无法全部移架到位，造成支架前方较长时间不能接触煤壁，易引起前方煤壁片帮冒顶或支架失稳，存在较大的安全隐患。

因工作面采用悬移支架支护，工作面内运煤采用刮板输送机，刮板输送机的推移需要人工手拉葫芦操作，且刮板机在工作面支架下方施工空间小，设备运行时人员在支架下作业存在较大风险。

3 急倾斜煤层Z型通风留巷放顶煤采煤方法优化

3.1 巷道布置

煤层顶板侧改为底板侧，即沿煤层走向在煤层底板岩石内布置运输平巷(岩巷)，在运输巷掘进时打设探眼，控制与煤层的距离不超过0.6 m，将回风巷通过沿空留巷方式布置在煤层的顶板侧。工作面布置如图4所示。

图4 工作面布置

该布置方式特点:①巷道在底板岩石内布置，可保证巷道断面符合行人、通风、运料等需求;②煤层变化较大时可在底板侧端头处安装或拆除支架，在运输巷内运送支架;③消除了原方案中破底板三角岩石时底板侧顶煤塌冒的风险;④运输巷断面较原八字形柔掩支架断面大，在铺设运输设备时可有效减少设备弯曲段，从而减少设备数量，降低人工成本，提高工效。

3.2 工作面运煤方式

取消工作面刮板输送机，在前期掘进开切眼时按18°的坡度布置，在切巷内安装支架，向前推采时始终保持工作面18°的坡度，在工作面内铺设搪瓷溜煤板，采出的煤体靠自重沿溜煤板下滑至运输巷内。该布置方式的特点:①避免了人工频繁移动设备;②操作简单，风险小，效率高。

3.3 推采工艺

煤层厚度超过10 m时采用分段爆破推采工艺，将工作面支架每6架为一组，每次只爆破一组支架前方的煤壁，当班完成一组支架区域的推采进度后，再爆破下一组支架前方煤体。该推采工艺特点:①避免了因煤层较厚时一次爆破装药量较多，对支架稳定性的破坏;②工作面分段爆破后，及时出煤移架，保证工作面始终有支架接触前方煤壁，不会造成支架失稳趴架，也不会出现前方煤体大面积片帮塌冒。

4 应用效果

长沟峪煤矿将上述的优化方案依次在－310 m水平东三东3槽、－310 m水平东二东15槽、－310 m水平中三背15槽实施，工作面单产超过8000 t，超出了预期目标，优化调整取得成功。

(1)安全方面。消除了沿空留巷侧爆破岩体可能出现的煤体塌冒风险，采用分段爆破推采，有效保证了工作面悬移支架的整体稳性;运输巷断面增大，使人员施工操作空间得到保证，有效的降低了员工的劳动强度。

(2)单产工效方面。取消一台工作面内刮板输送机，减少了频繁移刮板机所需的工时及运输巷拐弯距离，使刮板机输送机数量明显减少，减少了人员配置，人均工效提高至13 t，回采率达到95.2%。

(3)成本。工作面及运输巷内运输设备配置数量减少，有效地降低了人工成本及设备损耗成本。平均每个工作面可减少4部刮板输送机，工作面定员人数可减少5人。人工成本每个工作面可减少约4万元/月，设备成本可减少0.5万元/月。

5 结论

(1)通过对Z型通风留巷放顶煤采煤法的优化改进，降低了工作面人员劳动强度和施工风险，使回采率提高至95.2%，工效显著提高，较优化前提高3倍左右。

(2)优化后的设备数量减少，工作面操作人员数量减少，推采进度提高，在人工成本和设备材料成本有了大幅度降低。

(3)Z型通风留巷放顶煤采煤法的优化改进是成功的，巷道布置工程量减少，工作面投产快，工艺操作简单，符合国家安全规程的规定，保证了安全生产，为5～20 m厚急倾斜煤层安全高效开采提供了实践依据。

［1］ 徐永圻.急倾斜煤层开采［M］.北京:煤炭工业出版社，1984.

［2］ 霍丙杰.复杂难采煤层评价方法与开采技术研究［D］.阜新:辽宁工程技术大学，2011.

［3］ 李开学.急倾斜煤层采煤方法分析与矿压控制［D］.重庆:重庆大学，2008.

［4］ 李栖凤.煤矿开采学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1999.

［5］ 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议［J］.煤炭科学技术，2006(12):78-81.

［6］ 杨虎雄.急倾斜煤层巷道放顶煤开采合理工艺参数研究［D］.太原:太原理工大学，2013.

［7］ 北京矿务局.京西煤田开采［M］.北京:北京矿务局出版社，1996.

［8］ 张继忠，孙广义，翟永胜.急倾斜煤层“Z”型通风沿空留巷水平分段放顶煤工艺技术［J］.安全与环境学报，2013(2):161-164.

［9］ 柏兴明，孙广义，董长吉.斜煤层Z型通风留巷水平分层放顶煤采煤方法的煤层上覆岩层运动规律的研究［J］.矿冶，2014(1):5-8.