伪倾斜柔性掩护支架采煤工艺在急倾斜煤层中的应用

文/孙树根 张玉泉

伪倾斜柔性掩护支架采煤工艺在急倾斜煤层中的应用

文/孙树根 张玉泉

冀中能源张矿集团怀来矿业有限公司1952年建井，建井60多年来，一直采用传统的垛眼上山、巷柱式采煤法开采倾角50°以上煤层。但该采煤方法安全事故多，工人劳动强度大、工作环境恶劣且资源回收率不足40%，万吨掘进率450米。因此，为了实现回采工作面的转型换代并为集约增产、内涵增效和打造本质安全型矿井创造条件，怀来矿业公司采取“伪倾斜柔性掩护支架采煤工艺”，有效避免了瓦斯事故，减轻了劳动强度，工作面生产能力、回采率和回采效率都得到了有效提高。

一、矿井资源条件概述

1.地质构造

开采井田煤系地层属中生界下侏罗系下花园统下部煤系，为陆相沉积。井田总体呈复式向斜构造，由2个向斜组成，向斜轴线走向近东西。区域内煤层多呈急倾斜分布，井田内断层交错复杂。

2.矿井工程条件、水文地质、瓦斯和煤尘概况

工作面煤层厚度4.21～4.43m，倾角68°，走向长110m，倾斜长30m，伪斜坡度25°。回风、运输平巷顺煤层走向沿顶板布置，矿用工字钢梯形支护，净断面积4.6m2。采用爆破落煤方式，搪瓷溜槽自溜，柔性掩护支架上下交替循环支护。

矿井正常涌水量 35.87m3/h，最大涌水量47.85m3/h。

矿井相对瓦斯涌出量4.7m3/t，绝对瓦斯涌出量2.63m3/min。煤尘无爆炸性，煤层自燃发火倾向性为II级，矿井属瓦斯矿井。

工作面开拓方式为斜井开拓。水平分区布置采区，双翼开采。矿井通风采用抽出式通风方法，俩翼对角式通风方式。

二、工作面回采工艺

1.支架技术原理

柔性掩护支架由多段、整体箱式结构件组成长方形支架，架间采用3道高强度圆环链链接并配合液压系统，形成对开采空间的全封闭支护。支架顶梁支撑煤层顶板，支架掩护梁支撑顶板的跨落物，支架尾梁支撑底板侧，开挖工作面煤炭，使支架底部支撑悬空，在上部跨落物的垂直压力下，支架沿顶板自动下移并支撑。遇煤层产状变化时，柔性掩护支架通过液压系统及导向梁实现自动调整，整个工作面支架均按照工艺设计形成自移。

2.支架结构

根据怀来矿业公司矿井的资源开采条件及工作面具体情况，设计的柔掩支架架型为ZRY27/35L，其主梁长1700mm，掩护梁加尾梁长2100mm，支架垂高1717mm，支架最大长度3500mm，最小长度2700m。柔掩支架组成结构如图1所示。

图1 柔性掩护支架架型结构

从图1可以看出，支架由导向梁、顶梁、掩护梁、尾梁四部分组成，各部分之间呈一定固定或可调夹角，相邻支架由三环链连接装置进行连接。见图2。

从图2可以看出，支架间连接采用圆环链接式连接。共3道连接，主梁2道，掩护梁1道，主梁采用三环链连接，掩护梁采用三环链或五环链连接，既保证了支架间的柔性，又保证工作面支架的整体性，同时也实现了与回风巷连接处的顺利变坡。

3.巷道布置

柔性掩护支架工作面为伪斜25°～30°布置，工作面巷道由运输巷、小眼、切眼、回风巷组成，工作面运输巷单巷掘进，回采时超前预掘小眼，其间距为中对中5m，断面为1.0m×1.0m正方形。工作面下端支架支护超过2个小眼，即前部小眼运煤，后部小眼作为行人、拆架、运料通道，小眼见三回一，依次交替前行。回风巷距工作面8米内由柔掩支架支护完成，俩巷超前支护20m采用单体液压支柱配合绞接顶梁支护。见图3。

4.工艺流程

支架沿顶板法线布置，一端由导向梁贴顶板（或煤壁）支撑，另一端由尾梁支在底板（或底煤）上形成支架的两个最基本的支点。随着煤壁或煤槽（地沟）推进或开挖，支架的两支点失去支撑，在架后（采空区）矸石推挤和本身重力双重作用下实现移动，其工艺流程如图4所示。

（1）放炮落煤。在分段台阶处大致沿台阶（工作面）坡度方向打眼（厚煤层还可向掩护梁和尾梁侧帮里打眼放松动炮落帮煤），放炮前提起该巷段支柱或卸载，挂好保护帘，然后分段放炮。

（2）溜煤运煤。随着响炮煤体被松动、抛开和自溜，通过搪瓷溜槽运至储煤眼。

（3）支护。清净放炮崩落的煤炭，该部位的部分支架失去支撑，因采空区矸石推挤和支架的本身的重量下落，支架将采空区与操作空间隔开，阻挡矸石涌入，维护操作空间安全，起掩护作用；同时，在由顶板自承、煤壁支撑、底板自承、采空矸石及支架联合支撑所构筑的受力体系中，支架只起到辅助支撑作用。

（4）调整好支架状态。用顶梁单体液压支柱配合尾梁千斤顶调整好支架状态，并将支柱和尾梁按支柱初支撑力进行注液打压，完成1个放炮落煤小循环。如此重复1～3工序，直至完成整个工作面循环。

图2 支架连接方式

图3 工作面巷道布置示意图

图4 工艺流程示意图

三、实施效果和结论

怀来矿业公司自实施伪倾斜柔性掩护支架采煤工艺以来，工作面月单产能力9000t（以面长30m，采高3.5m计）、回采率93%、直接工效8.5t/工、掘进率145m/万t、坑木消耗16m3/万t。工作面单产能力、回采率和直接工效分别比传统的垛眼上山、巷柱式采煤法提高50%、70%和50%，掘进率和坑木消耗分别比一般柔性掩护支架采煤方法降低82%和70%。

伪倾斜柔性掩护支架采煤工艺的应用，使采面生产系统简单、产量均衡、通风可靠、操作安全，具有技术含量高、适应性强、安全系数大、工人劳动强度低、煤炭回收率高、吨煤成本低等明显的经济效益和社会效益优势，是开采急倾斜煤层（特别是倾角50°以上）的有效方法之一。

（作者单位：冀中能源张矿集团怀来矿业有限公司）

（责任编辑：周琼）