基于金刚石串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层无人工作面开采方法探索

汪永印 ，高 林 ，杨得礼

（1.贵州大学 矿业学院, 贵州 贵阳 550025；2.贵州省黔西南州贞丰县三河顺勋煤矿, 贵州 贞丰 562200）

0 引 言

贵州省煤炭资源丰富，煤种齐全，但贵州煤矿具有地质条件复杂，煤层倾角大，煤层薄，矿井规模小等特点，导致实现机械化、智能化生产存在独特的困难。尤其是贵州部分矿区的倾角大于60°的薄及中厚煤层，难以实现机械化、智能化生产。又因为这部分煤层的煤质好，大多数为主焦煤，开采价值大等因素，贵州省曾多次发文推动贵州省“关键4%”煤矿机械化开采的研究工作，主要是倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层的机械化开采研究工作。

国内及贵州的煤矿、相关科研机构在倾角大于60°的急倾斜煤层的机械化开采领域已经做出过有益的尝试。伪倾斜柔性掩护支架采煤法曾经作为倾角大于60°的薄及中厚急倾斜煤层开采的有效方法，由于产量低、劳动强度大，机械化程度低等因素已经难以满足现代煤炭工业机械化、智能化的发展需要[1]。在伪倾斜柔性掩护支架能有效隔离采空区的思路影响下，国内多家煤矿及科研机构分别研制出液压可伸缩柔性掩护支架、自移式柔性掩护液压支架[2-3]；为提高急倾斜煤层的机械化程度，利用急倾斜煤层的赋存特点，多家煤矿及科研机构分别研制出巷道放顶煤采煤法[4-8]；为减少急倾斜煤层开采时工作面爆破落煤的工作量，部分科研机构研制出铣采采煤机[9]及钢丝绳锯采煤法[10-11]等。贵州煤矿在急倾斜薄及中厚煤层开采方法研究领域也进行了有益的尝试，如桐梓某矿曾经试验了采煤机配合移动气垫的无人工作面采煤法，六枝某矿试验了急倾斜柔性液压支架配合截煤机的急倾斜煤层综合机械化开采方法等。

目前研制的各种急倾斜煤层机械化采煤法，受限于不同煤矿的具体地质条件，均未得到规模化推广应用。巷道放顶煤采煤法，由于其巷道系统简单，并由于工作面不需要支护且实现了工作面无人作业等优势，成为急倾斜薄及中厚煤层开采的主要研究方向[12]。但是巷道放顶煤采煤法，尤其是急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤开采过程中，由于顶煤不能及时冒落并放出，并由于顶、底板的垮落导致煤、矸混下影响煤质，从而导致目前的急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤采煤法存在区段高度小，巷道掘进率高、不能完全回采区段高度内的煤炭等缺点[13-16]。采取辅助手段破碎煤体，以便于顺利进行巷道放顶煤开采已经成为急倾斜薄及中厚煤层机械化开采的重要思路。

目前，巷道放顶煤开采存在的问题主要表现在：

1）巷道放顶煤开采时，顶煤冒落高度小。由于急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤开采时，支架沿走向布置，并由于不存在冒落拱叠合效应，导致放煤高度有限[17-18]。

2）巷道放顶煤开采时，顶、底板岩层垮落导致顶煤不能全部放出。急倾斜煤层开采时，不仅顶板会垮落，底板也会垮落，还有采场后方冒落的矸石也会涌向放煤窗口，从而导致煤、矸混合后不得不关闭放煤窗口，从而导致采场上方的煤体不能完全放出[19-22]。

3）中深孔松动爆破。中深孔松动爆破不仅增加了工作量，而且会诱导突出，也与机械化、智能化采矿技术的发展有一定的距离。

到目前为止，此方面的研究还不能满足急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤开采的需要，而改造广泛应用于地面采石场的串珠绳锯为液压动力后，作为巷道放顶煤的辅助切割措施，可有效地将煤体与顶、底板分离，可有效地将煤体切割成薄层状条带，从而让煤体易于成条带状下移垮落，减少与采空区后方冒落的矸石的混合。因此，可有针对性地研究采用串珠绳锯切割后的急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤工作面的煤体及顶底板的移动及破碎规律，为急倾斜煤层的开采带来新的技术参考，为提高急倾斜煤层的工作面产量、回采率，降低含矸率及巷道掘进率提供重要依据。

1 巷道布置系统

1.1 基于串珠绳锯的无人工作面采煤方法概况

在工作面运输巷沿煤层走向布置放顶煤液压支架，采用放顶煤工艺。基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层无人工作面开采方法，充分利用煤炭自重落煤，并采用广泛应用于地面采石场的串珠绳锯改造为液压动力后应用于放顶煤工作面煤层的预切割、破碎以及与顶、底板分离，从而有效提高巷道放顶煤的高度，提高开采效率及产量，降低含矸率。为解决巷道放顶煤工艺时的工作面通风问题，必要时采用潜孔钻机配合串珠绳锯在巷道放顶煤工作面前方预掘通风眼。

1.2 基于串珠绳锯的无人工作面巷道布置系统

伪倾斜柔性掩护支架采煤法通过增加腰巷来提高区段高度[1]、巷道放顶煤采煤法时通过“两段三平巷”等方式来增加区段高度[8]，其目的都是通过上下区段错茬推进，实现2 个工作面同时开采，以达到增加同时开采的区段高度的方式来提高工作面产量。而基于串珠绳锯的无人工作面采煤方法，采用串珠绳锯可以切割的区段高度达120 m 以上，已经超过布置腰巷的伪倾斜柔性掩护支架工作面的区段高度，也大于采用松动爆破辅助破煤的“两段三平巷”式巷道放顶煤采煤法的区段高度，从而节约巷道掘进工程量。

基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层无人工作面采煤法可以采用传统的U 型通风方式。该采煤方法的巷道布置系统类似于走向长壁工作面巷道布置系统，如图1 所示，工作面巷道主要包括：工作面运输巷、回风巷、开切眼、通风眼。

图1 工作面布置Fig.1 Layout of working face

回采巷道掘进顺序为：先掘进工作面运输巷、回风巷至采区边界、然后掘进工作面开切眼。在工作面运输巷安装巷道放顶煤支架、串珠绳锯主机，在工作面回风巷安装串珠绳锯辅机及串珠绳后，利用串珠绳锯将煤体从顶底板分离切割，以及必要时在煤体中部再分层切割形成条带块状结构后，进行巷道放顶煤开采。

1.3 基于金刚石串珠绳锯的无人工作面通风系统

采用U 型通风系统，即利用放顶煤工作面及工作面运输巷、工作面回风巷形成通风系统。

在工作面推进过程中，由于工作面后方的采空区矸石涌向工作面，导致工作面通风断面较小，此时，即必要时在工作面前方每隔5 m 采用潜孔钻机掘进1～2 个通风眼，根据工作面推进度，确定通风眼上部眼盖即风门的开闭，以确保工作面风量。

2 基于金刚石串珠绳锯的煤体切割技术

在开采60°以上急倾斜薄及中厚煤层的过程中，因工作面煤层倾角大，导致在工作面安装常规的开采及运输设备困难，工作面支护难度大，工人劳动强度高，工作环境恶劣，产量低，煤炭生产成本高，事故隐患多等问题。为解决急倾斜薄及中厚煤层开采过程中的这些问题，将地面采石场广泛应用的串珠绳锯改造为液压动力后用于将工作面煤体沿走向进行分层切割成条形块状，然后利用煤炭自重沿工作面倾斜方向自溜至工作面运输巷液压支架上方，通过放煤窗口放入工作面运输巷的刮板输送机，从而实现急倾斜薄及中厚煤层开采工作面不需要安装开采设备、不需要支护、也不需要人员进入工作面，从而减少安全事故的发生，改变传统模式下急倾斜薄及中厚煤层开采产量低，煤炭生产成本高，事故隐患多的现状。

2.1 串珠绳的结构

串珠绳通常采用在钢丝绳的外周沿轴向一定间隔固定环状串珠切削体或者在钢丝绳上沿轴向连续配列螺旋状切削体，并将钢丝绳的两端焊接起来成为绳锯，由驱动装置带动绳锯连续旋转，使串珠切割石材或煤层。在钢丝绳上沿轴向连续配列螺旋状切削体，由于切削体的突出部分呈螺旋状，在径向，相邻的裸线上的切削体形成连续移动切割，易于排屑等优势，应用更广泛。

沿轴向连续配列螺旋状切削体的钢丝绳的主要结构特点为：切削体在带状的表面制成一体，切削体以螺旋状缠在钢丝绳外周，钢丝绳由构成芯材的芯线与卷缠在芯线周围的若干根裸线构成，切削体与一根以上的裸线外表面制成一体。

常用的连续配列螺旋状切削体的钢丝绳是在绳芯上螺旋状卷缠6 根裸线，并在裸线外周固定切削体，具体如图2、图3 所示。

图2 串珠绳表面示意Fig.2 Layout of beaded wire

图3 串珠绳断面示意Fig.3 Section of beaded wire

切削体用微细金刚石磨料复合电镀而成，磨料用金属镍固定在裸线表面。由于这种串珠绳的整个表面都有切削体，因而不论在锯的轴向还是径向均可切割；又由于这种钢丝绳没有使用绞合线，因而柔软性小，刚性大。

采用微细金刚石磨料复合电镀而成的串珠绳最高切割硬度可达普氏硬度系数8 以上，可轻松切割煤层顶、底板，可以轻松过断层等地质构造。

2.2 串珠绳锯切割工艺

2.2.1 串珠绳锯的安装

在工作面运输巷距离开切眼10 m 处安装串珠绳锯主机，在开切眼下端靠近煤壁处的煤层顶板及底板附近分别安装串珠绳锯导向轮1、导向轮2，在工作面回风巷距离开切眼10 m 处安装串珠绳锯辅机，在开切眼上端靠近煤壁处的煤层顶板及底板附近分别安装导向轮3、导向轮4，通过串珠绳锯的切割作用将煤层从顶底板分离开来，以便于实现巷道放顶煤开采并提高开采效率，如图4 所示。对于中厚煤层，可以增加导向轮数量，增加在煤层中间的切槽，可以将煤体切割成条带状，以利于煤层垮落并顺利采出。

图4 工作面运输及回风巷串珠绳锯布置Fig.4 Layout of beaded wire saw in entrance of mining face

2.2.2 串珠绳的安装

将串珠绳绕过工作面回风巷的串珠绳锯辅机的从动轮，两端头分别绕过工作面回风巷靠近开切眼煤壁处的煤层顶板及底板附近的导向轮3、导向轮4，再由工作面开切眼分别牵引并绕过工作面运输巷靠近开切眼煤壁处的煤层顶板及底板附近的导向轮1、导向轮2，然后将串珠绳牵引至工作面运输巷的串珠绳锯主机的主动轮处，绕过主动轮后将串珠绳首端和末端连接套入并拉紧后安装完成，如图4 所示。

2.2.3 回采工艺特点

开动串珠绳锯主机，主动轮带动串珠绳顺时针方向旋转，串珠绳锯主机、辅机同时在机座上行走实现对工作面煤层的切割，切割后的煤炭产品沿工作面自溜至工作面运输巷的放顶煤支架上方，由放顶煤支架的放煤窗口自溜入工作面运输巷的刮板运输机，由刮板运输机将煤炭产品运至其他煤炭运输设备后运至煤仓。回采过程中，采煤工人不必进入工作面，只需要在巷道内开动绳锯及调整导向轮位置。

工作面运输巷及回风巷应采用声光信号及防爆电话联系，使串珠绳锯的主机、辅机同步运行，以避免造成机械故障。主动轮、导向轮数量及串珠绳条数根据煤层厚度、硬度等参数确定，以保证煤体正常下落，必要时根据煤层厚度等可增加主动轮、导向轮数量及串珠条数，在煤体中间增加切槽，将煤体分割成易于垮落的薄条带状。

2.2.4 串珠绳锯的液压动力系统

液压绳锯机是液压泵站的油压力驱动液压马达旋转，液压马达带动主动轮转动，主动轮带动绳子转动，同时绳子靠从动轮导向控制绳子的方向高速旋转实现对煤体及顶底板的分离切割。液压动力站由电机、油泵、油箱、过滤器、液压胶管、水冷器、高压阀等构成。采用多级液压齿轮装置，液压推进，链绳速度0～40 m/s，可带绳长20～150 m，输出功率25～80 kW。

2.3 改造后的串珠绳锯的特点

1）改造后的串珠绳锯的动力系统为液压系统，不存在机电设备失爆的风险，适用于煤矿井下作业环境。

2）改造后的串珠绳带水切割煤层，切割作业时不会产生火源，粉尘产生量小，噪音小，且自动化程度高，分离式操控，工人劳动强度低、安全性高，有效地改善了工作面的作业环境。

3）适应性强，串珠绳锯适用于所有类型矿山。功能强、效率高，绳锯能进行垂直、水平、斜面等多个方向的切割，还能进行盲切；其次切割速度快，用于煤体切割时，一般能达到60～80 m2/h。

4）次锯缝小，只有约11 mm，不会造成放顶煤条带内的煤体破碎，导致与采空区滑落的矸石混合，降低煤质。

3 巷道放顶煤工艺

3.1 巷道放顶煤液压支架布置方式

由于急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤开采的特点，工作面沿煤层走向推进，但工作面的主要设备均位于工作面运输巷及回风巷，尤其巷道放顶煤液压支架安装于工作面运输巷靠近工作面处，且沿煤层厚度方向布置。由于煤层厚度的影响，对于薄及中厚煤层，只能布置2～3 台液压支架。

由于急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤开采时，液压支架移动频繁，为提高液压支架的移动速度，可采用以放煤为主的后架，以驱动为主的前架相结合的巷道放顶煤组合型自移式液压支架。

近年很多科研及生产单位在急倾斜煤层开采方面进行了有益的尝试，已经形成了一系列适应于急倾斜煤层巷道放顶煤的液压支架。图5 所示为中平能化集团机械制造有限公司生产的巷道放顶煤液压支架的平、立面图。液压支架的前架采用同降同移，后架采用迈步式移动，移后架时始终有3 个面支护顶板，顶板支护面积大，可有效管理顶板。也可根据顶板的情况将后架调整为整体移动。

图5 巷道放顶煤液压支架平、立面图Fig.5 Plane and vertical view of top coal caving hydraulic support in roadway

急倾斜煤层巷道放顶煤组合式自移液压支架，包括自前向后依次连接设置的前架、过渡梁和后架，至少由2 组并排组合设置。适用于急倾斜水平分段巷道放顶煤开采工作面，特别适用于煤层倾角大于55°的急倾斜煤层。可实现放顶煤、运输、支护、移架的全部机械化作业，结构简单，操作方便，安全可靠、机械化程度高，可有效减轻工人劳动强度，改善工作环境，提高生产效率。

3.2 巷道放顶煤液压支架结构

每组前架均包括前底座、伸缩杆、两根前立柱、前顶梁、挑梁、挑梁千斤顶、翻转梁和翻转梁千斤顶。每组后架均包括后底座、2 根后立柱、后顶梁、四连杆机构、外侧护板、外侧护板导杆、外侧护千斤顶、内侧护板、内侧护板导杆、内侧护千斤顶、尾梁、尾梁千斤顶、插板和插板千斤顶。每组过渡梁均包括外过渡梁、内过渡梁和过渡梁千斤顶。

并排设置的2 组前架通过中担梁和前横拉千斤顶连接，中担梁两侧分别通过两根长销与两前顶梁铰接，前横拉千斤顶两端分别与两伸缩体铰接。并排设置的2 组后架通过后横拉千斤顶连接，后横拉千斤顶两端分别与两后顶梁铰接。每组前架与该前架正后方的后架之间通过拉架千斤顶连接，拉架千斤顶两端分别与前底座后端和后底座前端铰接。

对于急倾斜薄煤层，由于通风及材料运输需要，工作面运输巷的宽度范围内可由2 组液压支架组合一起使用；对于急倾斜中厚煤层，可根据煤层厚度采用多组液压支架组合在一起使用。液压支架的中心距可调，以适应不同组数的液压支架组合以及适应不同巷道宽度的需求。

3.3 串珠绳锯等与液压支架的配合

在进行串珠绳锯预切割工作面的煤体前，将前架的前立柱和后立柱升起，前顶梁和后立柱升起支护顶板，翻转梁千斤顶将翻转梁左右展开辅助支护顶板，在下方形成人行通道及串珠绳道；后架的内侧护千斤顶和外侧护千斤顶伸长，使内侧护板和外侧护板伸出支护巷道煤壁，前横拉千斤顶和后横拉千斤顶拉紧，使两组前架和后架间及外侧护板与巷道煤壁紧密贴合，提高液压支架的稳定性。

在进行串珠绳锯预切割工作面的煤体时，可通过调整尾梁的角度、串珠绳锯的从动轮的位置及角度，保护后架的后立柱和尾梁千斤顶，同时人员撤至串珠绳后方。

通过操纵尾梁千斤顶使尾梁动作，进行放顶煤作业，插板千斤顶控制插板伸缩以控制放煤量，并切碎大块煤。放顶煤经布置在两组液压支架中间的刮板输送机直接输送，降低劳动强度，提高生产效率。

4 基于金刚石串珠绳锯的无人工作面主要优缺点分析

4.1 与其他急倾斜煤层采煤法的比较

基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤工作面带水预切割工作面煤体，切割速度可以达到15 m/s，切割效率60～80 m2/h，切割长度可达到120 m，与传统的巷道放顶煤开采法、伪倾斜柔性掩护支架采煤法相比较，主要技术参数比较见表1。

表1 不同采矿方法主要技术参数Table 1 Main technical parameters of different mining methods

由表1 可以看出，基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤采煤法，相对于伪倾斜柔性掩护支架采煤法、中深孔爆破巷道放顶煤采煤法等采煤方法，具有区段高度大，推进速度快，采出率高，工作面需要的工人少等优势。

4.2 该无人工作面主要技术优势分析

1）实现了工作面无人作业，安全性高。采用串珠绳锯作为辅助落煤措施，不需要中深孔爆破等其他辅助工艺，减少了爆破引发事故的可能性，减少了采煤工作面的安全风险，降低了工作面支护及爆破器材消耗，降低了开采成本。

2）提高了区段高度及工作面产量，减少了巷道掘进工程量。由于串珠绳锯切割长度大，从而可以实现区段高度120 m 以上而不需要布置腰巷，一方面减少了巷道掘进工程量，另一方面通过增加工作面长度提高了工作面单产。

3）提高了煤质及采出率。采用将煤体切割成条带状并与顶底板分离的措施，有助于煤体整体下滑并实现高效放顶煤，减少了采空区遗煤，减少了采空区矸石混入煤体的可能性，提高了煤质及采出率。

4）对煤层厚度及倾角的适应性强。可以推广到倾角35°及以上的煤层，解决了其他急倾斜薄及中厚煤层开采方法对煤层倾角的局限性。

5）对工作面内的地质构造及煤厚变化适应性强。串珠绳锯对煤层及顶底板岩层的硬度的适应性强，最高切割硬度可达到普氏硬度系数f8 以上，可轻松切割煤层顶、底板，可以轻松过断层等地质构造。同时，由于可以切割煤层顶、底板，因而对煤层厚度变化的适应性强。

6）实现了急倾斜薄及中厚煤层的机械化开采，为后续智能化开采提供了机械化技术基础。

5 结 论

1）基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层工作面无人化的巷道放顶煤采煤法，解决了急倾斜薄及中厚煤层机械化开采的难题，为急倾斜薄及中厚煤层的智能化开采提供了机械化基础。

2）基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层工作面无人化的巷道放顶煤采煤法，解决了急倾斜薄及中厚煤层开采区段高度小，工作面产量低，含矸率高，回采率低的问题，为急倾斜薄及中厚煤层的安全、高效开采提供了技术基础。

3）基于串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层工作面无人化的巷道放顶煤采煤法，对工作面内的地质构造、煤层厚度变化的适应性强。对煤层倾角的适应性强。可以推广到倾角35°及以上的煤层，解决了其他急倾斜薄及中厚煤层开采方法对煤层倾角的局限性。