大于60°煤层开切眼机械化掘进技术

周忠国 张孟军 刘建

摘 要：通过大于60°煤层倾角综采工作面开切眼采用挖掘机破煤、装煤，通过下煤通道将煤炭转运至机巷胶带输送机，再运输至煤仓，实现开切眼机械化掘进，采用掘进防推底、下煤通道堵塞处理、下煤装置改进、设备安装滑道铺设、防片帮飞矸等技术，破解了60°以上煤层开切眼施工安全难题，为急倾斜煤层综采技术推广应用奠定坚实基础。

关键词：开切眼;一次成巷;机械化

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0202-02

0引言

急倾斜煤层采煤工作面开切眼掘进是综采工作面面临的一大难题[1-6]，由于煤层倾角大，采用传统由下向上钻爆法施工小断面贯穿风巷后，再由上向下扩刷至设计断面，存在的安全威胁较大;一是掘进工作面容易片帮飞矸造成作业人员受伤;二是作业人员搬运中柱挡板等材料劳动强度大，容易发生坠物伤人;三是掘进单进受限制，根据《煤矿安全规程》相关规定，在急倾斜煤层中掘进上山时，应当采用双上山、伪倾斜上山等掘进方式，并加强支护，上山掘进工作面采用爆破作业时，应当采用深度不大于1.0m的炮眼远距离全断面一次爆破，直接导致开切眼掘进工程量增加，循环进度低下，不利于矿井采掘接替。绿水洞煤矿在急倾斜煤层开切眼施工方面开展了大量技术攻关，提出采用全液压钻机从下往上施工眼孔，再从下往上扩孔形成下煤通道，开切眼从上向下采用钻爆法掘进的工艺，解决了掘进工作面片帮、飞矸的威胁，但是采用钻爆法掘进依然存在需频繁撤人、容易破坏煤层顶底板、职工劳动强度大、下煤通道易堵塞、工效难以得到提高等问题，急倾斜煤层开切眼实现安全快速掘进亟待解决。

1技术方案

通过外出参观考察，矿井提出采用煤矿用液压挖掘机破煤、装煤，从上往下台阶式掘进，通过下煤通道将煤炭转运至机巷胶带输送机，再运输至煤仓，全断面掘进后再对顶、帮及底板进行支护，实现开切眼机械化掘进一次成巷。采用MWY6/0.3型煤礦用液压挖掘机掘进，掘进工作面只需一名挖掘机司机和电缆看守人员。对煤矿用液压挖掘机在急倾斜煤层开切眼内使用的约束条件进行了模拟分析，同时在地面进行了还原模拟试验，得出MWY6/0.3型煤矿用液压挖掘机适用于煤层倾角55°～90°，煤层厚度大于2.8m条件下的开切眼施工，煤矿用液压挖掘机约束空间使用模拟见图1，作业范围见图2。

2关键技术

2.1开切眼机械化掘进

急倾斜综采工作面开切眼机械化掘进配套装置，主要由煤矿用液压挖掘机、下煤通道、通风孔、防坠网格、护壁套筒、桥式转载机、胶带输送机组成，其特征在于下煤通道设于开切眼靠煤层顶板及采空区侧，下煤通道内从上往下安设护壁套筒，护壁套筒两端均匀设置四个眼孔，护壁套筒之间采用铁托板及螺栓连接固定，下煤通道上部铺设防坠网格，通风孔设于开切眼采空区侧，通风孔上部铺设防坠网格，煤矿用液压挖掘机从回风平巷运输至开切眼上口，安装于开切眼内，采用煤矿用液压挖掘机液压锤对开切眼内煤炭进行破碎处理，从上往下采用煤矿用液压挖掘机挖斗台阶式转载开切眼内煤矸进入下煤通道，进风平巷安设桥式转载机和胶带输送机，下煤通道内护壁套筒末端搭接于桥式转载机机尾。通风孔直径500mm，下煤通道与通风孔之间距离大于900mm。防坠网格采用直径18mm树脂锚杆进行焊接，网格间距200mm×200mm。

2.2开切眼掘进防推底

急倾斜中厚煤层开切眼在掘进过程中遇到煤层厚度变化较大时，若取全煤则采高过高无合适的配套综采装备，另一种方式就是留底煤，但底煤留设不当很容易造成推底。特别是急倾斜煤层开切眼从上往下掘进，人员在工作面作业，安全威胁较大，上方底板发生推底将造成严重的后果。对开切眼底板的加固和底煤的防护就显得格外重要。针对上述问题，提出一种操作方便、安全可靠，适用于急倾斜中厚煤层开切眼掘进防推底配套装置，主要由底锚杆、底锚索、加固底梁、护底网组成，底锚杆采用无纵筋左旋螺纹钢树脂锚杆或涨壳式锚杆均可，加固底梁采用槽钢加工形成，在加固底梁两端施工眼孔，底锚索穿过加固底梁眼孔对底煤进行加固，护底网采用菱形金属网配笆片对底煤和底板进行防护，防止开切眼掘进过程中煤矸滚落形成飞矸。急倾斜煤层开切眼底板上两侧的加固底梁必须交错布置，底锚杆进入底板的深度不小于1m。底煤留设厚度根据顶板与底板之间的高度和综采工作面配套液压支架最大支撑高度进行选取，底煤留设厚度不超过1m。煤层厚度不稳定时，综采工作面液压支架安装前应提前加设柱帽，以防止采高超高造成液压支架无法接顶。

2.3开切眼下煤通道堵塞处理

在进风巷道采用全液压钻机配普通钻头和扩孔钻头施工形成急倾斜煤层开切眼下煤通道，解决了急倾斜煤层开切眼从上往下掘进煤矸运输难题，避免了以往采用从下往上掘进存在的片帮、推底、飞矸等威胁，但在实施过程中由于受扩孔钻头直径限制，下煤通道孔径通常只有500mm～600mm，开切眼掘进过程中遇到大块煤矸或坚硬顶煤，极易造成开切眼下煤通道堵塞，影响生产制约单进。针对以上问题，提出一种急倾斜煤层开切眼下煤通道堵塞处理装置，主要由第一回柱绞车、第二回柱绞车、钢丝绳、信号联络装置、信号线缆、导向滑轮、疏导器、限位卡符组成，其特征在于第一回柱绞车安设在回风巷道，靠近开切眼上口，第二回柱绞车安设在进风巷道，靠近开切眼下口，第一回柱绞车钢丝绳穿过开切眼上口导向滑轮与疏导器上端连接，第二回柱绞车钢丝绳穿过开切眼下口导向滑轮与疏导器下端连接，疏导器两端设置有眼孔，钢丝绳穿过后采用限位卡符紧固，在第一回柱绞车和第二回柱绞车后方设置信号联络装置，通过信号线通道采用信号线缆连接信号联络装置。疏导器表面焊接有螺旋钢板。第一回柱绞车和第二回柱绞车采用同型号设备，下行疏通时第二回柱绞车收绳，第一回柱绞车松绳，上行疏通时第一回柱绞车收绳，第二回柱绞车松绳。疏导器两端眼孔直径为50mm，钢丝绳穿过疏导器眼孔后采用四个限位卡符固定。

2.4开切眼下煤装置改进

急倾斜综采工作面开切眼采用坑道式液压钻机形成下煤通道后，开切眼掘进工作面由上往下掘进，下煤通道一般采用等径护壁套筒硬性螺栓连接，在使用过程中护壁套筒极易出现变形和卡阻，造成下煤通道堵塞，影响开切眼机械化掘进，制约开切眼单进水平的提高。本文提出一种操作方便、安全可靠，适用于急倾斜煤层开切眼下煤配套装置，主要由异径套筒、压板、限位卡符、钢绳、下煤通道、防坠防堵网格组成，其特征是异径套筒逐节嵌入下煤通道内，相邻异径套筒采用插接方式，压板焊接于异径套筒中下部表面四周，钢绳穿过压板将异径套筒连接成整体，压板两侧钢绳采用限位卡符锁紧。下煤通道直径800mm，异径套筒上端直径700mm，下端直径650mm，长度1000mm，防坠防堵网格孔间距200mm～300mm，钢绳直径30mm，钢绳穿通下煤通道内所有异径套筒。

2.5开切眼设备安装滑道

急倾斜中厚煤层综采工作面开切眼采用煤矿用液压挖掘机机械化掘进到位后，挖掘机需要从开切眼运至风巷再运输至地面，综合考虑后期综采设备安装一次性进行安装滑道铺设。急倾斜综采工作面切眼设备安装滑道装置，主要由主滑道、辅助滑道、轨枕限位器、轨道限位器、缓冲枕木、防滑板、防滑桩组成，缓冲枕木铺设于切眼内底板上，主滑道和辅助滑道采用道钉固定在缓冲枕木上，轨枕限位器采用道钉固定于缓冲枕木上，轨道限位器采用压板配合螺栓连接在主滑道和辅助滑道底部，主滑道和辅助滑道两侧焊接防滑板。防滑桩穿透主滑道或辅助滑道内侧防滑板眼孔向切眼底板方向施工，防滑桩长度700mm～1000mm。轨枕限位器分两侧布置，每根轨枕限位器上均匀布置三个眼孔，采用压接方式进行搭接。主滑道和辅助滑道轨面保持在一个水平面，主滑道采用沉头螺栓和专用道夹板连接。

2.6开切眼掘进防片帮飞矸

一是急倾斜煤层综采工作面开切眼掘进后采用四方支护技术，对巷道顶板、两帮及底板进行主动支护，顶板采用锚网索联合支护，即采用树脂锚杆（φ=18mm，L=2000mm）配菱形金属网、钢筋梯加锚索（φ=15.24mm，L=5000mm）进行支护，锚杆间距、排距均为1m，锚索间距3m，排距为2.5m，错位布置，靠采空区侧巷帮采用锚网支护，即采用涨壳式锚杆（φ=16mm，L=1800mm）配菱形金属网进行支护，间距、排距均为1m，煤壁侧巷帮采用锚网支护，即采用玻璃钢锚杆（φ=16mm，L=1800mm）配菱形金属网进行支护，间距、排距均为1m，由于玻璃钢锚杆具有可切割的特性，不会损坏采煤机，不会产生火花，便于后期综采设备的顺利安全推进，底板采用锚网支护，即采用涨壳式锚杆（φ=16mm，L=1500mm）配菱形金属网进行支护，锚杆间距、排距均为1m，解决由于煤层倾角增大所带来的可能发生推底现象，对底板进行加固，便于后期设备安全安装。二是开切眼内每间隔20m沿工作面走向安装一组挡矸板来防止上方片帮、滚矸和推底，挡矸板采用锚桩（φ=36mm，L=1200mm）配合木板安设，挡板高度为0.5m，两端封齐至煤帮，木板上方采用锚网进行全封闭形成挡矸防护网，有效防止飞矸。

3工业性试验

大于60°煤层开切眼机械化掘进技术在绿水洞煤矿3222采煤工作面开切眼开展工业性试验，3222采面开切眼位于打锣湾背斜西翼中上部，上部为3222风巷，下部为3222机巷。巷道设计长度63.7m，宽度7.6m，切眼采煤机安装硐室长度15m，宽度9.1m，按中线沿煤层破伪顶掘进，从3222机巷及风巷揭露情况分析，工作面预掘范围內不存在较大断层，但不排除有小断层隐伏存在的可能，对巷道掘进不会产生较大影响，煤层倾向299°，煤层倾角55°～61°，平均倾角58°，煤层厚度3.6m，均为合层，为半暗半亮型焦煤、焦肥煤，呈玻璃光泽，夹矸2～4层，属较复杂结构煤层，中部有一层0.07m的高岭石夹矸，在井田内比较稳定，厚度变化较小，为井田内煤层对比的标志层，厚度变化较大，岩性为碳质泥岩、泥岩、砂质泥岩和砂岩，硬度系数f=4～6，在本巷道内夹矸均小于0.5m。

在地面工业广场模拟井下3222采面开切眼受限空间，开展挖掘机司机操作培训，在地面将挖掘机装车后运输至井下开展工业性试验。

4实施效果

（1）在绿水洞煤矿3222采面开切眼采用机械化掘进技术，施工62m巷道工程（含安全硐室2m），平均单进2.3m/d，比传统采用钻爆法掘进平均单进1.5m/d相比，掘进单进水平提高53.33%。

（2）实施后减少开切眼内作业人数，由原来的9个人减少至7个人，大大节省人工费用。急倾斜煤层采用下行机械化掘进技术后，开切眼掘进单进得到提高，使采煤工作面能够提前形成回采条件，缓解采煤接替紧张局面。

（3）急倾斜煤层开切眼下行机械化掘进技术在3222采煤工作面开切眼试验取得成功后，对于解决急倾斜煤层开切眼安全快速掘进的问题提供了很好的操作方法和指导思路，为急倾斜煤层综采技术的发展和延伸奠定坚实基础，在类似条件的矿井具有较好的推广应用价值，特别是煤层倾角大于55°，煤层厚度大于2.8m的开切眼非常适用。

5结语

（1）对于倾角大于60°，局部倾角达到70°的急倾斜煤层，若采用柔性掩护支架炮采工艺，职工劳动强度大，安全保障度低，而大于60°煤层开切眼机械化掘进技术的成功突破，实现急倾斜煤层综采工作面开切眼安全快速形成，为矿井采用急倾斜煤层综采技术创造了条件，大大提高了作业安全性和工作效率。

（2）随着矿井开采水平向深部延伸，煤层倾角越来越大，煤炭资源开采的难度逐渐增加，急倾斜煤层开切眼实现机械化掘进后，为采煤工作面形成做好铺垫，能够提高矿井煤炭资源的回收率，创造良好的经济效益。

参考文献

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