四台矿80207工作面急倾斜厚煤层采煤方法优化应用研究

徐映辉

（晋能控股煤业集团四台矿，山西 大同 037000）

1 地质概况

四台矿地处山西大同煤田的西北部，大同市西27 km，开采面积约65.46 km2，其地质构造复杂程度为中等，目前首采的工作面是80207工作面，该工作面上下标高为+18.4和-14，垂高32.4 m。煤层倾角45°～55°，平均倾角50°，煤层厚度为5～35 m，平均厚度25m。该采区为高碳气肥煤，煤质为黑色碎块，细粒片状，硬度中等。工作面走向、倾斜长度分别为120、39.6 m，斜面积4 752 m3。

2 开采方法分析研究

四台矿80207工作面当前采煤方法有：π梁放顶煤、急倾斜水平分层单体。由于采区割煤高度、分层高度依次是2、8 m，选用风镐落煤回采方法。存在机械化程度低，影响产量和矿井效益。

依据煤矿开采采区技术条件，并结合该矿属于急倾斜厚煤层特征，设计3种采煤技术：水平分段、水平分层综合机械化和水平分段滑移支架放顶煤采煤技术[1]。

2.1 水平分层法

水平分层法实质上是将急倾斜煤层分为多个分层，其和水平面平行，并将回采巷道布置于每分层内，每分层厚度是2～3 m，产生采煤工作面，沿走向采煤工作面各个分层推进，逐一多层回采。该技术工艺有落煤、铺设假顶、移输送机和支架等主要工序。水平分层法具有采出率高、煤层厚度适应性强、安全等优点；缺点为：掘进率低、回采工序多[2]等。

由于80207工作面煤层有2层，都是似层状，煤层厚度变化大，属于不稳定煤层，因此，工作面煤层赋存条件不适合水平分层法；此外，水平分层法巷道布置复杂，增加劳动强度，综上所述，80207工作面煤层回采不适合水平分层采煤技术。

2.2 水平分段综采放顶煤

水平分段综采法是比较成熟的采煤技术，采煤工艺有落煤、移输送机和支架、放顶煤等主要工序。该技术的工作面沿水平布置，且垂直于煤层走向，并布置在同一水平面上，区段回风、运输平巷靠顶板和底板，具有消耗少、掘进率低以及劳动强度低[3]等优点。

当急倾斜厚煤层厚度大于10 m时，相比于水平分层法，具有：效率高、产量高、掘进率低、块煤率高、材料消耗低，可节约电能以及设备搬家次数少等显著优势。

2.3 水平分段滑移支架放顶煤法

滑移支架，是居于自移式液压支架、单体液压支柱的一种类型，其工艺有落煤、放顶煤、移输送机和支架等主要工序。该方法具有掘进率低、产出量大等特点，且支架外形小、便于安装、组成简单等，能够和机采、炮采配套使用[4]。

80207工作面年产量50万/t，为中小型开采面，煤层厚度不稳定，倾角变化大，为短壁工作面。综采放顶煤法综放支架体积大，设备初期投资也大，安装和运输也比较困难，且成本高。而滑移支架法，对于在短壁工作面中使用滑移支架具有很好的应用效果，且滑移支架体积小、总量轻，在技术上适应可行、经济上安全高效。综上对比分析，该工作面应采用水平分段滑移支架放顶煤采煤方法。

3 回采工艺分析研究

水平分段滑移支架采煤方法回采参数有割煤高度、放煤步距、放煤高度[5]等。研究分析80207工作面采区不同放高、割煤高度下顶煤回采率等，确定其主要参数，实现工作面高效安全开采。

3.1 割煤高度

当放煤步距0.8 m，“一刀一放”放煤工艺，模拟分析割煤高度是1.5、2、2.5、3 m时，不同割煤高度对顶煤回采率的影响，如图1所示。

图1 不同割煤高度时，顶煤回采率

图1中，当割煤高度是1.5 m时，顶煤回采率仅能达到82%；当高度超过2 m时，顶煤回采率在89%以上。因此，当煤矿顶煤较厚时，高的割煤高度，会使顶煤回收率也越高。所以，合理增大割煤高度，有效提升厚煤层开采回采率。但是，顶煤回采率不是随割煤高度的增加而线性增大，当割煤高度从1.5 m增大至3 m是，采出率增幅比较大；而当从2.5 m增大至3 m时，增幅并不显著。此外，当割煤高度大于2 m时，工作面煤壁出现片状，且降低了稳定性，因此，为保证工作面的安全，确定80207工作面割煤高度是2 m。

3.2 放煤高度

当割煤高度2 m，“一刀一放”放煤步距，模拟分析放煤高度是3、4、5、6 m时，顶煤回采率的变化情况，见图2。

图2 不同放煤高度时，顶煤回采率

图2中，随着顶煤厚度的增加，顶煤回采率也越大。采空区残留煤体颗粒数量随着顶煤高度的增加而增多，因颗粒总数增加，致使降低了残留颗粒的比例。因此，为保证回采率，当增大顶煤高度，可使搬家倒面的次数减少，使开采效率也提升。所以，当割煤高度是2 m时，确定工作面顶煤高度是6 m。

3.3 放煤工艺

当割煤高度2 m，顶煤高度6 m，工作面长度40 m，模拟分析在单轮顺序、单轮间隔多口以及多轮间隔多口[6]3种放煤方式，顶煤采出率的变化规律，见表1。

表1中，对于3种不同放煤方式，对于单论间隔多口放煤，回采率仅是88.9%，最低；其余2种采煤方式的顶煤回采率几乎差不多。但是对于多轮间隔多口放煤方式，其工艺比较复杂，且其回采率与单轮顺序相差不大。综合分析，80207工作面确定采用单轮顺序放煤。

表1 3种不同放煤方式顶煤采出率

3.4 放煤步距

当割煤、放煤高度2、6 m，模拟分析采用一刀、两刀和三刀一放（放煤步距0.8、1.6和2.4 m)3种不同方式，顶煤回采率的变化规律，见表2。

表2中，当放煤步距为0.8、2.4 m时，顶煤回采率分别为最大和最低，当放煤步距是0.8 m时，其回采率比步距是1.6 m时高4.5%，比步距是2.4 m时高9.7%。因此，确定80207工作面采用一刀一放的放煤模式。

表2 3种不同顶煤放煤方式，顶煤回采率

3.5 巷道布置研究

巷道回采工作面的主要任务有输送煤矸、物料、人员及排水、通风等，因此，科学布置巷道，可提高煤炭开采效力、简化回采工艺[7]。结合四台矿80207工作面煤层赋存条件，提出采用如下3种布置方式：①巷道沿底板布置，并随底板方位变化而变化。该布置方式，巷道底板围岩不会发生破坏，稳定性好且掘进成本低，但是由于受底板走向变化限制，和巷道顶板不能保持平行布置，平均掘进费用达1420元/m；②巷道底板沿直线布置。采用水平分段放顶煤开采法，在靠近岩层底板分段上方有一部分三角煤基本上是不能放出的。巷道破坏底板沿直线布置，优点是底板三角煤损失小，缺点是巷道掘进成本高，易出现冒顶跨落，平均掘进费用达1 980元/m；③巷道分段前后部分沿底板、中部破岩，方位调整变化。该方式底板三角煤损失较小，且掘进费用和煤巷相差不大，且两巷工作面可平行布置，平均掘进费用达1 640元/m。

综合分析，四台矿80207工作面回采巷道采用第3种布置方式，即沿顶底板平行布置。结合顶底板条件，底板破岩，分段直线布置，开切巷垂直两巷布置。

4 设备配套选型与采煤工艺分析

4.1 支架选型

1）支护强度[8]。液压支架顶板支护强度受煤层厚度、顶板等级等影响作用，计算公式为：

式中：K来源于支架上顶板岩石厚度系数，取值5～8；H采高，单位m；ρ岩石强度，取值2 500 kg/m3；g为重力加速度，取值10 m/s2。

2）有效工作阻力[9]

式中：F为支架的支护面积，计算公式如下：

式中：B、L为支架顶梁宽度、长度，K、C为架间距、梁端距，单位均为m。

支架有效工作阻力相比于工作阻力即为支撑效率η。对于支撑式支架，其效率100%；而由于掩护、顶梁的铰接影响，支撑掩护式、掩护式支架的支撑效率总是1。因此，将支撑效率计算在内时，每架立柱所需的总阻力是：P=Q/η

3）初撑力、移架力和推溜力：

初撑力：取0.6～0.8倍工作阻力。

移架力：薄、中厚、厚煤层，移架力依次是100～150、150～300、300～400 kN。

推溜力：100～150 kN。

4）支架高度。依据XX工作面割煤高度、采放比、通风等要求，支架高度确定是1 600～2 400 mm。

综上所述，80207工作面顶板所需支护强度是：

式中：H=2，K=8，顶板密度ρ=1 500 kg/m3，g=10 m/s2。

有效工作阻力：

式中：q=0.24 MPa，F=7.5 m2。

根据80207工作面采煤方法、支架工作阻力以及支架支护强度，采用BDY型并联顶梁液压支架。

4.2 采煤机、刮板输送机选型

依据煤层倾角、厚度，煤的性质与刮板输送机、液压支架的配套关系，选用双滚筒采煤机。针对80207工作面短壁工作面，煤壁无片帮危险，所以，割煤高度2 m，截深0.8 m，初步决定采用型号是MG200/456-QWD的采煤机。

刮板输送机是采煤机的运行轨道，也是综采面的运输设备，其溜槽结构、型号配套液压支架架构，配套于支架推移杆连接装置的配合结构、间距，其长度应等同于支架宽度[10]。80207工作面输送量比较大，需前后配备两部输送机，前后部分别需满足采煤机割煤、放煤能力，所以，最终选用输送机的型号为SGZ630/220。

4.3 采煤工艺分析研究

采煤机进刀方式：采取端部自开缺口、直接推入，深度为0.8 m。割煤方式：单向割煤，也就是从上部进刀处沿底割煤并下行，下行割煤时采用上滚筒割底煤、下滚筒割顶煤方式，前滚筒割煤完成后，使用伸缩梁对顶板保护，当割煤至下切口处时，将弧形挡煤板翻转，快速完成上行装煤以及对底煤的清理，并对输送机、支架推移，直到工作面切口。

挂顶网：倾斜铺设菱形金属网，一刀一铺。

移输送机和支架工序：挂顶网，前伸梁伸出，出煤→移前部输送机→前伸梁缩回，提前梁支柱→移架油缸使前梁前移一个步距→支好前梁支架→提后梁签柱，移后部输送机→提后梁支柱→移架油缸使后梁前移一个步距→支好后梁支架。

放煤工艺：“一刀一放”（放煤步距0.8 m）放煤方式。放煤顺序采取双轮分组分段间隔放煤，自上而下或者自下而上方式。具体就是：当结束工作面移架后，在靠近支架采空区位置一侧安置放煤口，使顶煤流入输送机后通过单轮顺序完成放顶煤过程。

装煤方式：主辅装煤分别是利用采煤机滚筒螺旋叶片和人工清理攉煤、刮板输送机铲煤板，两者组合完成装煤过程，此外，通过支架放煤口将顶煤直接落入后部输送机。

5 现场应用

2021年9月20日，对四台矿80207工作面进行生产，采用水平分段滑移支架法，分段高度8 m，放煤、割煤高度6 m和2 m、放煤步距0.8 m，单轮顺序放煤，且巷道沿顶底板平行布置。9月25日，工作满推进5.8 m完成首次放顶煤。到2022年1月20日，回采4个月，见表3。

表3 80207工作面回采情况表

表3中，随工作面推进，工人的熟练程度提高，也加快了工作面推进速度，煤炭产出量也在不断提升。

四台矿80207工作面采用水平分段滑移支架放顶煤法得到回采的经济技术指标，并对比采用水平分层法，见表4。

表4 经济技术指标对比结果

该表中，采用水平分段滑移支架放顶煤法，使工作面机械化作业程度提升，同时，产量也大幅提高，提高了回采率，工效率增长大于600%，工作面直接成本降低近一倍，生产成本降幅显著。

6 结论

四台矿80207工作面为急倾斜厚煤层，为实现其安全高效开采，对该矿采煤方法进行优化探讨分析，经研究形成如下结论：

1）针对工作面急倾斜厚煤层，分析水平分层、水平分段综采以及水平分段滑移支架3种开采方法，结合该矿技术条件，材料消耗量以及3种方法适用性，最终确定该矿采用水平分段滑移支架采煤技术。

2）模拟分析确定工作面最佳回采工艺参数为：割煤高度2 m，放煤步距0.8 m，水平分段放顶煤高度8 m，单轮顺序放煤，且巷道沿顶底板平行布置。

3）结合工作面，选择水平分段开采的“三机”配套设备。对比应用结果表明：采用水平分段滑移支架放顶煤法，相比于水平分层法，提升了工作面机械化，同时使回采率也提升，并显著降低了作业成本。