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急倾斜薄煤层开采技术研究与应用
王业常
周生伟
（福兴集团有限公司
山东枣庄
277000）
摘要
本文对急倾斜薄煤层的开采技术进行了综合分析，根据本矿井实际，研究实施了四边形掩护支架开采技术，该技术的成功实施为急倾斜薄煤层运用四边形掩护支架开采积累了成功经验，同时为其它矿井开采提供借鉴。
关键词
急倾斜
薄煤层
四边形掩护支架
开采技术
一、概述
福兴集团有限公司位于山东省南部的韩台煤田中偏西部，地处枣庄市峄城区古邵镇，矿井核定生产能力30万t/a，井田东西长约0.996km，南北宽约1.71km，井田面积1.706km2。近几年，由于煤炭市场较好，矿井超强度开采，中厚煤层的储量已基本枯竭，剩余部分储量受水威胁严重，面临无煤可采的局面。伴随着矿井开采深度的加深，薄煤层受采动影响的范围也逐渐加大，基于此，我矿多次派工程技术人员外出调研、考察急倾斜薄煤层开采技术，并成立专门薄煤层开采队伍，通过对14上煤层开采方案进行尝试性研究及可行性论证，目前已成功应用四边形掩护支架进行薄煤层回采。
二、地质条件
福兴集团有限公司141101工作面位于第一水平北二采区14上煤北翼，北起井田边界保护煤柱线，南至颜庄保护煤柱线；工作面走向长175m，倾斜长39m。⑴ 煤层赋存情况：该工作面设计开采煤层为14上煤，煤层厚度0.51m～1.92m，平均1.22m；煤层结构简单，煤层倾角61～69°，平均65°。
⑵ 煤层顶底板情况：14上煤层顶板为八层灰岩，厚度2.0～4.2m。一般4m左右，致密坚硬，有时含黑色燧石结核，属坚硬顶板。底板为黑色泥岩，厚约2m左右，抗压强度值较低，为中等坚硬岩石。
⑶ 地质构造：工作面内无较大断层和褶曲发育。
⑷ 14上煤为低瓦斯煤层，煤尘不具有爆炸危险性和自燃倾向性。⑸ 水文地质情况:对该工作面回采有影响的直接充水含水层为太原组的三灰、五灰、八灰；这三层灰岩均为薄层灰岩，岩溶裂隙发育程度较差，各含水层露头均接受第四系补给，但补给条件较差，补给量较少，富水程度由弱到中等，以静储量为主。涌水形式为煤层顶底板渗水、淋水，对正常回采有一定影响。
三、防治水工作方案 1.灰岩水 ⑴ 疏水降压
疏水降压层为距14上煤层较近，且对14上煤层开采有直接突水威胁的太原组三灰、五灰、八灰。对上述灰岩，通过打钻放水人工强制性疏放其地下水，使其水位（水压）降至开采安全值以下。
⑵ 探放水钻孔布置及出水情况
在-43m水平开拓石门探巷揭露三灰、五灰，最大涌水量25m3/h，现已疏干，其余地段未见出水。在-123m水平开拓石门揭漏14上煤层时最大涌水量20m3/h，一年后减至12 m3/h，现已疏干，其余地段未见出水。
虽然在掘进工作面回风、运输平巷揭漏八灰后无涌水或涌水量较小，但回采后仍有可能出现较大出水现象，这表明灰岩水的防治有一定难度。因此决定在-123m水平布置疏水孔，约50m一个，疏水孔总数为4～6个。疏水孔初期总涌水量在15 m3/h左右，并逐渐衰减疏干。
2.泄水眼
急倾斜煤层开采时煤靠自重自溜至溜煤眼，一但煤层顶底板淋水较大，工作面出煤就很难自溜，这无形之中就增大了工人的劳动强度，行人，运料的安全系数也会降低，当运输巷内的积水较多时，不仅影响煤质，而且还会造成运输设备损坏。
为了减少淋水通过顶底板进入工作面，决定采取提前施工和采后留设泄水眼的措施。即工作面在回采前提前掘进泄水眼，每隔20m掘进一个，垂高为33m，同时还做为工作面的超前溜煤眼使用。在架尾平段出水点下方，将原来的三个小眼保留其中一个做为泄水眼，随着工作面的推进，每隔20m留设一个泄水眼，泄水眼的高度取5m。并尽可能的避免煤水混流。
3.架面
由于工作面长度达到近60m，如果工作面推进速度较慢，必然造成工作面架内积水较多，影响煤炭自溜，工人的劳动环境也会很恶劣。采取分段爆破时，工作面分两段回采，中间留有不少于10m的空段，这样推进度明显加快，不仅解决了积水较多的问题，工作面煤质及产量也得到了保证。
四、薄煤层开采技术 1.采煤方法的选择
⑴ 急倾斜煤层采煤的主要特点：
① 采煤工作面采的煤能靠自重下滑，从而简化了工作面的装运工作，但下滑的煤块和矸石容易冲倒支架，砸伤人员，给生产带来不安全因素。
② 急倾斜煤层顶板压力垂直作用于支架上的压力比缓斜煤层要小，而沿倾斜作用的分力要大，煤层顶底板都有可能沿倾斜方向滑动，支护稳定性差，因而增加了回采和支护工作的复杂性。
③ 采煤工作面的行人、运料、落煤、支护、采空区处理等各项工序的操作都比较困难，增加了机械化采煤的难度。
④ 一般在急倾斜煤层开采中均要布置一组上山眼，以溜煤眼代替运输上山，以运料眼代替轨道上山，另为了安全要分段设行人眼，出矸石时要另设溜矸眼。
㈡ 采煤方法的选择
根据急倾斜薄煤层开采实践，仓储式采煤法、台阶式采煤法和掩护支架采煤法是三种行之有效的采煤方法。但根据国家有关规定，从2008年1月1日起，严禁使用仓储式采煤法，所以只能从后两种采煤法中选择。倒台阶采煤法适合急倾斜薄煤层的开采，但由于其采煤工艺复杂，风镐落煤和支架工作繁重，对支架操作技术高，煤块滚落煤尘大，工作面人员上下困难,工作面木材消耗量大，所以也不能选用。本矿井2、3煤自2005年以来，一直采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法进行开采，技术已相当成熟，加之本工作面的14上煤平均厚度在1.22m，1.0m四边形掩护支架完全适合其开采，因此选取伪倾柔性掩护支架采煤法。
2.巷道布置
如图1所示，在阶段内沿倾斜方向划分为两个区段，区段垂高为35m，区段两端各掘进开切眼与收作眼。工作面长度为55～60m，在开切眼位置，支架逐步调成伪斜。工作面煤经溜煤眼、区段平巷到采区煤仓。
图1
伪倾斜柔性掩护支架工作面巷道布置 1―收作眼；2―开切眼；3―分段溜煤眼；4―采区上山眼
3.支架结构
支架由四变形钢梁、钢丝绳、卡子及螺帽组装而成。用11#工字钢热加工成1.0m四边形掩护支架。钢丝绳φ28mm。架子中至中125mm，即每米8架。架子用4根钢丝绳配合卡子联成一个柔性整体，见图2所示。
4.采煤工艺 ⑴ 掩护支架的安装工作
首先从开切眼位置以外3～5m处，将区段回风巷扩大顶板或底板，并沿走向推进形成安装工作面，然后在安装工作面中，沿煤层厚度的中部挖掘倒梯形地沟。地沟挖好后，沿走向在沟两侧放置钢丝绳，在钢丝绳上根据煤层厚度沿走向铺设钢梁。
在架子安装长度达到最大控顶距（5～10m）时，就应在架尾处开始回柱放顶，将上方的煤柱和冒落矸石放落到支架上。当支架安装长度超过15米，在支架上形成矸石垫层以后，即可调整支架下放，将其从近水平状态调放成伪斜状态。经调放以后的支架与水平面有25～30°的夹角。调放支架的工作须利用开切眼，进行打眼爆破，逐步将架子调斜。当架尾下放到区段运输巷时，支架的安装及准备工作即全部完成，见图2所示。
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图2
四边形掩护支架结构及安装
1―钢丝绳；2―支架；3―卡子；4―短木柱；5―单体支柱； 6―垫层；7―钢棚；8―金属网；
⑵ 掩护支架下正常回采和支架下放工作
掩护支架下正常回采和支架下放工作，其工序比较简单，一般采用爆破落煤，支架下的作业主要包括打眼、爆破、出煤和调整架子等工序。
工作面中的炮眼布置成单排炮眼，且一般只打地沟眼，当煤层很坚硬时才打帮眼。工作面上段打眼时下段出煤，下段打眼时上段出煤，严禁同时爆破出煤，工作面无论哪段爆破，面内的所有人员都必须全部撤至警戒线外的安全地点。当工作面爆破落煤以后，自下而上逐步铺设溜槽，煤沿溜槽自溜运出工作面。与此同时，支架在自重和采空区矸石推力作用下就逐渐下落到新的位置，此时支架应基本垂直于顶底板，并保持3～5°的仰角。
⑶ 掩护支架的回收工作
随着伪斜工作面不断向前推进，下部放平段将不断增长，当它达到一定长度以后，放平段尾部多余的支架就需要拆除。
拆除支架之前，应先在其尾部，由地沟向煤层顶底板两邦扩巷，直到钢梁两端露出为止。随着钢梁两端失去两侧煤台支撑，及时打点柱支撑钢梁，形成一个水平分层形式的下部回收工作面。回收工作的宽度要稍大于钢梁的长度，高度不小于1.2米。回收支架的顺序是由里往外进行，先卸去螺栓，再逐根卸下钢梁和钢丝绳。待所有回收下落的支架材料运出以后，便回柱放顶。
当工作面推进到区段停采线之前，在靠工作面一侧开掘两条收作眼，两眼相距8～10m，并沿倾斜每隔5m用联络平巷连通。掩护支架架头沿区段回风巷安装到收作眼处，不再继续接长，然后利用收作眼将支架逐渐下放，并拆除架头一段多余的支架，最后使支护架放平到超前平巷底板，再将支架全部拆除。
5.四边形掩护支架工作原理
当煤层倾角和厚度正常时，架子的两个主脚直立于工作面两帮煤体上，此时架子正常下放。当煤层变薄或倾角变缓时，利用点柱调整架子仰角，使架子底板主脚成跪立状，底板辅脚成滑脚板，辅助架子下放。当煤层恢复正常时，利用点柱将架子顶回原位，使架子能通过变薄带和倾角变化区，见图3所示。这种架子的优点是适应煤层倾角和煤厚变化能力强，架子的仰角幅度小，调整支架时灵活方便。支架内的操作空间大，改善了工作面通风和工人的劳动条件。
大于45°（a）（b）（c）
图3 四边形掩护支架过变化带示意图
a―煤层变厚时；b―煤层变薄时；c―倾角变缓时；
五、其它
⑴ 工作面在回采前必须编制合理的疏水降压方案，经过论证审批后方可施工。
⑵ 工作面在回采过程中严禁放架外煤，从而防止采空区垮落带和断裂带向上发展，造成上覆积水涌入。
⑶ 工作面在回采期间，其爆破碴口上方5m范围内必须设置牢固可靠的挡煤（矸）板，以防止上方煤矸冲入，伤害人员。
⑷ 工作面爆破必须严格执行“一炮三检”和“三人联锁爆破”制度。
⑸ 工作面上段打眼时下段出煤，下段打眼时上段出煤，工作面内严禁同时爆破出煤。工作面内无论哪段爆破，所有人员都必须撤至警戒线外安全地点。
⑹ 工作面每30m应设置一道挡矸网，以防止大块矸石冒落砸坏搪瓷溜槽、单体支柱及小眼。
⑺ 工作面内的小眼应采用钢盘支护，并班班检查，发现问题及时处理。
⑻ 工作面爆破必须严格执行“一炮三检”和“三人联锁爆破”制度。
⑼ 工作面架尾溜煤眼除泄水眼外，其它小眼必须用黄泥封堵严实，以防止漏水。
⑽ 工作面运输平巷内的水沟，必须及时清挖，严禁水沟淤死造成积水影响正常生产。
⑾ 工作面内严格控制装药量，防止架内浮煤堵塞工作面影响通风，工作面内还应设置一台备用局部通风机。
⑿ 工作面内的所有单体支柱必须栓设牢固可靠的防倒绳，损坏的单体必须及时更换，所有单体支设必须正规。
⒀ 工作面内局部煤层变薄时，必须及时调整支架，支架下落轨迹线必须符合规程要求，当煤层低于0.7m时，可根据现场实际选择破顶板或底板矸石。
⒁ 工作面内支架、钢丝绳、卡子、螺丝必须班班检查，发现问题立即整改。
⒂ 工作面在过老巷、小眼期间必须及时拆棚、拆盘，严禁架爪悬空，一旦悬空必须腰堵严实，以防止窜矸。
六、经济效益
141101采煤工作面的可采储量为7950t，实际采出煤量7632t，实际回采率为96%，按本矿区的实际煤价1100元/t计算，创直接经济效益839.5万元，净效益在610.5万元。
七、结束语
⑴ 急倾斜煤层的开采常常伴有水害的困扰，因此选择合理的防治水措施不仅可以实现安全开采，而且还能获得良好的经济效益。
⑵ 四边形掩护支架开采技术的成功实施解决了福兴集团有限公司薄煤层开采问题，同时也为急倾斜薄煤层开采技术开拓出了一条新路，积累了宝贵经验。
⑶ 四边形掩护支架比“八”字型支架的操作空间大，而且还具有架爪不易窜矸、不易切入底板等优点。
⑷ 四边形掩护支架解决了低于1.3m急倾斜薄煤层不易适用掩护支架采煤法的问题，并且其适用地质变化的能力较强，支架调整方便。
⑸ 煤炭回收率高，采用该种掩护支架，其煤炭回收率达95%以上。并且劳动强度低，工效高，吨煤成本也明显下降。
作者简介
王业常，男，2007年毕业于中国矿业大学，现任福兴集团有限公司采煤技术员。
