我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势.doc

我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势 1引 言 急倾斜煤层开采方法一直是采矿技术中的难题。2007年3月，国家煤矿安全监察局颁发“关于急倾斜煤层安全开采的指导意见煤安监技装[2007]5号”,揭开了急倾斜煤层安全、高效生产的序幕。由于急倾斜煤层开采条件的特殊性，开采方法仍然是这类矿井改善技术经济面貌的主要障碍。急倾斜煤层储量占我国煤炭总储量的4，而南方地区80的矿区赋存有急倾斜煤层。因此，急倾斜煤层开采方法的研究对我国煤炭工业的可持续发展仍具有十分重要作用。 急倾斜煤层的开采方法与煤层埋藏的地质条件有密切关系。选择某种采煤方法不仅受煤层倾角和厚度的影响，而且与煤层埋藏深度、煤层数目、围岩性质、地质构造，以及煤层的自然发火性质、瓦斯含量、水文条件等多方面的地质因素有关。我国急倾斜煤层分布广泛，其地质条件大多数比较复杂，经过长期的勘探和开采，对现有生产矿井中的急倾斜煤层和将要开采的急倾斜煤层的赋存特征及开发环境已有相当的了解，但对具体矿井的具体煤层的开采技术缺乏足够的认识，为此，全面了解急倾斜煤层的的开采历史及相应的技术发展，实现安全、高效生产显得尤为必要。 2急倾斜煤层开采方法的历史沿革 我国急倾斜煤层开采技术的改革，从解放初期到现在，大致经历了以下四个发展阶段[1] 第一阶段 五十年代初，进行了采煤方法的改革。各矿区根据不同的煤层赋存条件，推行倒台阶工作面、水平分层、巷道长壁和沿俯斜推进的掩护支架等采煤方法。部分采用风镐落煤，刮板运输机运煤和机械式回柱，用冒落法处理采空区，取得了提高工作面生产能力、减轻劳动强度、改善安全状况的效果，初步改变了急倾斜煤层矿井落后的技术经济面貌。 第二阶段 六十年代开始，急倾斜煤层开采技术的进步主要表现为改风镐落煤为电钻打眼爆破落煤。为扩大掩护支架的使用范围，淮南、开滦、徐州等矿区先后在掩护支架采煤法中成功应用“八字”型等掩护支架，克服了平板型支架的一些缺点，取得了较好的技术经济效果；此外，一些开采急倾斜煤层的矿井还进行了矿井开拓和巷道布置方面的改革，降低了掘进率，改善了巷道的维护条件；同时也对工作面回采工艺进行了改革，开始应用金属支柱和金属铰接顶梁，在水平分层工作面中采用金属网假顶，或因地制宜地利用竹笆、荆笆等作假顶材料，均取得了较好的技术经济效果。 第三阶段 七十年代中期，以淮南矿区首创的伪斜柔性掩护支架采煤法获得成功为标志。这种采煤法具有产量大、生产系统简单、巷道掘进量小、回采工序少、生产安全、材料消耗低和劳动效率高等优点。它的试验成功是急倾斜煤层开采技术上的一大进步，目前仍在许多矿区使用。为进一步提高急倾斜煤层开采的机械化程度，在此期间，北京、鸡西等矿区试验了滚筒式采煤机，四川攀枝花矿区试验了冲击式刨煤机，开滦、淮南矿区试验了用于掩护支架下机械化落煤的地沟机。此外，在一些矿区还进行过急倾斜煤层综合机械化采煤的试验。但总体来说，机械化试验成功率不高，能推广的更少。 第四阶段 八十年代末九十年代初，急倾斜煤层采煤方法得到进一步的改进，工作面长度加大、单产提高、安全条件进一步改善。如四川芙蓉矿务局巡场煤矿试验成功的俯伪斜走向长壁分段密集采煤法，将急倾斜短壁采工作面演变成缓倾斜长壁工作面的一种采煤方法，具有产量大、通风条件好、便于顶板管理的特点。甘肃窑街矿务局二矿试验成功的特厚煤层综采放顶煤采煤法，实现了在急倾斜煤层中进行机械化生产，大大提高了工作面的单产，改善了工作面的作业环境。广东梅田矿务局六矿试验成功的中厚厚煤层巷道放顶煤采煤法，产量高、材料消耗低，改善了工作面的作业环境，大大降低了工人的劳动强度，为该类煤层安全、高效开采提供了有效途径。 几十年来，我国在研究和改进急倾斜煤层开采技术方面已作了大量的工作，取得一个又一个重大的技术成果，开采急倾斜煤层矿井的技术经济面貌也在不断得到改善。 3急倾斜煤层主要开采方法评述[2] 3.1柔性掩护支架采煤法 柔性掩护支架采煤法是我国开采急倾斜煤层一种主要的开采方法，在一些主要矿区如开滦、徐州、淮南、四川、湖南及广东等地均有应用。 这种采煤方法与目前所应用的其他急倾斜煤层采煤方法相比，具有以下优点 ⑴工作面沿走向推进，具有走向长壁采煤系统的优点，与沿俯斜推进的掩护支架采煤方法和其它柱式采煤方法相比，减少了大量溜眼和其它巷道的掘进量。 ⑵简化了复杂而繁重的顶板管理工作，使生产工艺大为简化。 ⑶掩护支架的安装与拆卸工作与工作面的回采工序在空间上互不干扰，可实现三班采煤，非生产的准备时间较短。 ⑷采用25左右的伪斜工作面，把急倾斜煤层变成了缓倾斜煤层来开采，使工作面行人、操作比较方便，减轻了工人的劳动强度，工作安全可靠。 ⑸掩护支架受力较小，支架可以多次回收复用，在回采过程中只消耗一些竹（荆）笆或金属网，使矿井的材料消耗和生产成本降低。 这种采煤方法存在以下缺点 ⑴支架结构不完善，不能在下放过程中适应煤层厚度的变化，倾角的变化也不能太大。要求煤层赋存比较稳定，否则会造成很大困难。 ⑵这种采煤方法在厚度2～8m、倾角60～70的煤层中使用效果较好；在厚度超过10m和倾角小于60的煤层中使用比较困难。 ⑶工艺虽然简单，但难以实现机械化回采，并且拆装支架的劳动强度较大。 ⑷在掩护支架下采煤，支架将工作空间与采空区隔离，所以在回采过程中不能排除矸石。另外当煤层含有夹矸以及煤层变薄需要破底时，会降低煤质。 3.2俯伪斜走向长壁分段密集采煤法 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法是四川芙蓉矿务局巡场矿研究试用的一种急倾斜煤层采煤方法，于1987年8月率先在地质条件较复杂，倾角在38～52的薄及中厚煤层内应用成功。目前这种方法已推广到四川广旺矿务局、湖南白沙、涟邵以及江西萍乡等矿区。 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法工作面呈俯伪斜直线布置，避免了煤壁片帮伤人，减少了煤炭自溜过程中因串入采空区而造成的丢煤，也为进一步实现采煤机械化创造了条件。 与传统的台阶式采煤法相比，俯伪斜走向长壁分段密集采煤法提高了工作面煤壁的有效利用率，在区段垂高相同的情况下，工作面有效利用率比伪斜短壁采煤法提高30～40，有利于提高工作面单产。 采用分段走向密集支柱切顶和挡矸，工作面上下分段可同时回柱放顶，充分利用了时间空间，加快了工作面推进速度。 采用分段走向密集后，工作面周期来压不明显。主要原因是走向密集拦截的采空区矸石，在工作空间与顶板冒落区之间形成一个自然充填带，随着工作面推进和密集柱前移，充填带也跟着前移，始终起着隔离采场工作空间和冒落区的作用，也起着临时支撑采空区顶板和减缓周期来压的作用。 这种采煤方法的主要缺点有工作面支、回柱工作量较大，工人操作不便，且劳动强度大；区段煤柱损失较大，约占区段煤量的15左右；分段走向密集下方的“三角区”通风较差，易积存瓦斯。 俯伪斜走向长壁分段密集采煤法适用于煤层倾角40～75，煤层顶板中等稳定，工作面采高不超过2m的低瓦斯煤层，或不宜使用伪斜柔性掩护支架采煤法的不稳定急倾斜薄及中厚煤层。 3.3水平分层、斜切分层采煤法 该采煤法是我国较早应用于开采急倾斜厚及特厚煤层的一种开采方法，从50～60年代开始，开滦、北票、通化、鹤岗、淮南、萍乡、窑街、乌鲁木齐等矿区使用这种开采方法，在青海、甘肃、辽宁、湖南、福建、四川等省的中小煤矿也有应用。由于这种开采方法克服了工作面倾角大带来的落煤、支护及采空区处理的诸多不便，改善了工作面工人的劳动条件，提高了生产安全性，目前，该采煤法仍广泛应用于我国的中小矿井，并在中厚－厚煤层中也有广泛的应用。 水平分层、斜切分层采煤法的主要特点是将急倾斜煤层划分成若干个厚2～8米的水平分层或倾角部超过300的斜切分层，每一个分层布置一个回采工作面。根据分层间隔物（即假顶）的不同，此类方法又分为木板假顶、荆笆或竹笆假顶、金属网假顶、再生假顶及煤皮假顶等采煤方法，由于木板假顶、荆笆或竹笆假顶的材料消耗大，目前基本不采用。 水平分层、斜切分层采煤法能很好地适应煤层厚度及倾角的变化工作面内工人的劳动生产条件好，工作较安全。当分层间采用人工假顶时，工作面和采区的回采率较高。此类采煤法的严重缺点是，巷道掘进和维护量大，通风系统复杂，通风条件差。尤其是单巷布置时，分层工作面多为串联掺新风通风。此外，还存在运料困难，工作面不易实现机械化，产量小劳动效率不高等缺点。因此，此类采煤法只是在埋藏条件不稳定，厚度和倾角变化较大的不规则中厚至特厚煤层中还有较强的适应性。 3.4长孔爆破采煤法 急倾斜煤层壁式工作面炮采开采方法普遍存在作业条件艰苦、劳动强度大、安全条件差等问题。而长孔爆破采煤法回采工艺比较简单，人员不进入回采工作面，基本解决了上述问题。北京矿务局的长峪沟煤矿、湖北香溪矿务局、福建省陆家地煤矿、铅坑煤矿、宁化煤矿、江西棠浦煤矿等均采用了这种采煤方法。 长孔爆破采煤法的主要特点是具有一定的灵活性，除可用于正规的工作面外，还可用于煤柱、煤仓、边角煤的回收，也可用于水力采煤中的炮采水运。长孔爆破采煤法具有以下优点 ⑴工作安全可靠。工作人员不进入采空区，在巷道中操作电钻和装药，避免了采空区冒矸的威胁。 ⑵提高了经济效益。与巷道短壁采煤法相比，坑木消耗减少30以上，吨煤成本也下降30以上。 ⑶减轻了工人的劳动强度，提高了工效。钻孔钻具灵活轻巧，操作方便，适应性强。用手持煤电钻在坚硬煤层中打眼需3～4人，这种采煤法用专用钻具打眼只需1～2人，并且钻孔速度快，工效比传统炮采方法提高1～2倍。 但是，这种开采方法也存在以下缺点 ⑴产量低。一个工作面只能单点作业，且打眼与出煤不能平行作业，出煤时间过于集中，不利于均衡生产。 ⑵煤质难以保证。尤其当煤层较薄、顶底板较破碎时，由于炮眼方向难以准确掌握，造成顶板或底板的破坏而形成煤矸混合，影响煤质。 ⑶部分乏风易进入采空区，不易通风管理。 ⑷这种方法只能用于顶底板比较坚硬，无煤尘爆炸危险的低瓦斯矿井。 3.5滑移顶梁支架放顶煤采煤法 滑移顶梁液压支架是介于单体液压支柱和机械化液压支架之间的一种过渡型支架，我国于上世纪八十年代中期在急倾斜煤层中使用这种支架放顶煤。 滑移支架放顶煤具有以下优点 ⑴初期投资少，仅为机械化液压支架的1/3～1/5。 ⑵分段高度一般可达10m或更多，比用水平分层开采少掘部分平巷和溜煤眼，掘进量减少3/4以上。 ⑶支架体积小，重量轻，能自移。既减轻了工人的劳动强度，又能较好地适应煤层厚度的变化。 主要缺点 ⑴滑移顶梁不是放顶煤的专用支架，许多方面与放顶煤法不相适应。 ⑵滑移顶梁支架自稳性较差，又反复卸载支撑顶煤，破坏顶板的完整性，影响安全生产。 ⑶支架移架工序多、速度慢，使用寿命短。 3.6水平分段放顶煤采煤法[3] 我国传统的开采急倾斜特厚煤层多用高落式采煤法、水平分层和斜切分层采煤法以及伪倾斜柔性掩护支架采煤法。随着近水平厚煤层综采放顶煤技术的发展，综采支架放顶煤技术已被成功引入急倾斜煤层的开采。在辽原梅河矿、窑街矿务局二矿、乌鲁木齐六道弯矿先后进行了急倾斜煤层水平分段综采放顶煤采煤法试验，均取得了良好的开采效果。急倾斜煤层水平分段放顶煤采煤法的试验成功，是急倾斜煤层采煤法及其回采工艺的重大改革。 急倾斜煤层水平分段综采放顶煤具有以下优点 ⑴产量大副度提高。有的矿井比巷道长壁、柔性掩护支架等采煤法产量提高了2～6倍。矿井生产集中，机械化程度高。 ⑵与一般的急倾斜煤层开采方法相比，煤巷掘进率大幅度降低。 ⑶提高了劳动生产率，降低了成本。与倾斜分层相比，梅河矿工作面效率提高了2.4～7.9倍，窑街矿务局提高了2.9倍，开采成本降低10～15。 主要缺点是 ⑴适应性不强。对于煤层厚度沿走向变化较大，断层较多，厚度小于20m的急倾斜煤层均不适用。 ⑵综采机械设备初期投资大，初期投资远大于其他任何急倾斜煤层开采方法。 ⑶设备搬运和安装比较困难，工作面长度必须保持不变，因此而造成的煤损大。 ⑷煤尘大，危害工人健康和安全生产。 适应条件 ⑴煤层倾角大于45； ⑵煤层厚度大于20m； ⑶用于中硬（f2.0）和中软（f≥0.8）的煤层，f≥2.0时要使用放炮强制落煤措施。 ⑷在采区走向长度范围内厚度基本无变化，无落差较大的断层，煤层稳定。 3.7巷道放顶煤采煤法[4] 二十多年来，湖南科技大学采矿工程学科根据自身的区位优势和我国煤炭工业发展的需要，一直致力于急倾斜煤层开采方法的研究。在前人研究的基础上于上世纪九十年代初提出了“急倾斜煤层巷道放顶煤采煤法”，在广东梅田矿务局六矿工业性试验取得成功后[5]，先后在广西合山、河北开滦、安徽淮南、湖南资兴、湖南涟邵、四川攀枝花等矿区推广应用，初步形成了该采煤法的开采理论与技术体系。 3.7.1 急倾斜煤层巷道放顶煤工艺及巷道系统布置 急倾斜煤层巷道放顶煤是在一个采区内沿倾斜方向按照一定的标高（1530m）划分若干个区段，在每个区段的下部布置放煤巷道，放煤巷道的两端分别与采区内的进回风系统相联，构成全风压通风系统。所有的工艺和工序都在放煤巷道内进行，顶煤开采在巷道内侧帮全长内以一定间距布置放煤小眼，利用矿山压力作用或辅以人工松动的方法，使巷道上方顶煤破碎，堆于采场，临时支撑顶、底板。以一定的放煤管理制度打开放煤小眼的闸门，破碎煤体及其上覆顶板垮落矸石利用自重近似水平状态下移，并且沿放煤巷道走向全长通过放煤小眼将松散的煤体均匀放出，放煤巷道实际上是在松散煤体的保护下的一种沿空留巷方式。因此，巷道放顶煤采煤法综合应用了综采放顶煤开采理论和急倾斜煤层沿空留巷理论，是放顶煤技术和沿空留巷技术的综合运用。 3.7.2 急倾斜煤层巷道放顶煤工艺 急倾斜煤层巷道放顶煤回采过程是一个较为复杂的生产过程，它包括生产工艺、工序以及生产的管理制度等。根据急倾斜煤层的矿山压力与放顶煤的特点，巷道放顶煤的回采工艺实际只有破煤、放煤、运煤三道工序，不用支护采空区和进行顶板管理，相当于少了两道工序，使得工艺非常简单。工人只在放煤巷内作业，劳动强度轻。 而顶煤的破碎和下放是放顶煤采煤工艺的关键技术之一。为此，在整个回采工艺过程中，重点是破煤和放煤两道工艺。根据回采工艺的特点以及生产的顺序，将这种采煤工艺分为三个阶段即初采、正常回采和终采。 （1）初采阶段 利用矿山压力、煤体自重以及适当的爆破等动力作用，沿放煤巷道全长各放煤小眼逐个放出少量的顶煤，以达到整个区段内的顶煤全部破碎、垮落，为正常回采作好准备。 回采方式视煤体的软硬程度而定，当煤质松软时，用手镐掏煤；当煤质较坚硬时，用浅孔少量炸药进行松动爆破，使得顶煤松动、垮落。 放煤在爆破后视具体情况进行，如果顶煤较稳定，则先放一定时间的松散煤后再安装放煤口的闸门；如果顶煤松散不稳定，则先安装放煤口闸门后再进行放煤作业。放煤的顺序是在放煤巷道内逆着风流方向后退式依次放落顶煤。为了保证每次顶煤冒落的高度在整个顶煤的卸压带内，同时也使顶煤能充分放出，提高顶煤的回收率，降低含矸率，各放煤口应严格控制放出的煤量，并且使放出的煤量基本相等，作到均匀放煤。 放出的顶煤通过放煤巷道内的运输机进行外运。在运输过程中，除大部分的顶煤通过放煤口的槽板直接装入到运输机外，其余用人工进行装载。 初采阶段应加强支架受力和变形的监测和加固工作，确保放煤巷道的正常运行。 （2）正常回采阶段 在保证有效支护的前提下，采取分段全线均衡多轮放煤，以使顶煤与采空区上方矸石的接触面近似水平下降（即水平放煤）。正常回采期间只有两道工序放煤和运输。且都是在放煤巷道内完成，在此生产过程中，放出的松散顶煤直接进入放煤巷道内的运输机上，外运到采区（上山）煤仓。采场依靠冒落的松散煤体临时支撑顶、底板。随着冒落顶煤的逐渐下放，顶煤上部边界空间逐渐往下扩大，其上部悬露的顶、底板自上而下逐渐自然垮落，垮落矸石落在冒落的顶煤上，通过多口均衡放煤，使煤矸接触面近近似水平下降，并充填采空区。 当放煤量占应放煤量的60～65左右时，即正常放煤阶段结束，进入终采阶段。 （3）终采阶段 全面检查各个放煤口，将剩余的顶煤放到见矸为止，并立即封闭放煤口，回撤运输机和巷道支架，且回收部分支架脊背煤体，整个这一阶段的放煤量占应放煤量的10～15。 3.7.3 放顶煤工作制度及劳动组织 一种新的采煤方法的形成，必须由一种高效、有力的劳动组织相匹配。巷道放顶煤采煤法工序简单，宜采用三班作业出煤，无需准备班。采用“三八”制作业。根据本采煤方法的作业特点，生产中的作业队可采用采、掘、运综合的作业队。 由此表明，巷道放顶煤采煤法具有工艺简单、劳动组织高效、全班均能采煤等特点，具备了高产、高效采煤方法的基本特征。 3.7.4 巷道放顶煤采煤法的适用条件 （1）煤层赋存状态与构造。由于巷道放顶煤采煤法不需要大型机械设备，且对巷道的断面面积、坡度没有严格的要求，具有较高的灵活性，因此可适用埋藏不稳定、厚度变化大、地质构造较复杂的急倾斜煤层。 （2）煤层厚度。巷道放顶煤适用厚度在2～ 10m 左右的急倾斜煤层。 （3）煤层倾角。根据现场试验及理论分析，巷道放顶煤采煤法适用的煤层倾角为50～900。 （4）煤层物理力学性质。与综采放顶煤不同，煤的强度对巷道放顶煤有较大影响。如强度太大，在矿山压力作用下，顶煤是难以冒落的。一般地当煤层的普氏系数在1.5以下时，顶煤能顺利冒落。此外，煤层的节理越发育，对放顶煤越有利。 （5）瓦斯、自然发火等对放顶煤采煤法的影响。瓦斯对巷道放顶煤有重要的影响。一般地，高瓦斯煤层顶煤可放性较好，低瓦斯煤层可放性较差[6]。而对于高瓦斯煤层，在采空区有冒落空洞时，空洞里容易造成瓦斯积聚。有自然发火倾向的煤层，不宜采用巷道放顶煤。 4急倾斜煤层开采的发展趋势[7] 回顾几十年来急倾斜煤层采煤方法的改革进程，我国急倾斜煤层开采方法大致向两个方向发展。一是视急倾斜煤层倾角大为不利因素，按缓倾斜煤层工作面布置及回采工艺模式设计急倾斜煤层开采方法。例如俯伪斜走向长壁分段密集采煤法。这些开采方法在工作面通风及回采工艺上取得了较大的进步，然而，在回采过程中，尽管工作面的坡度减小了，煤层及其顶底板的倾角却是始终无法改变的，采场顶底板仍按其某些固有的规律运动，工作面矿压显现也不同于缓倾斜煤层。因此，这些开采方法的顶板管理工作比缓倾斜煤层复杂得多，也是其效益难以发挥的主要原因之一。二是充分利用急倾斜煤层倾角大、煤层易沿倾斜方向垮落的特点设计的开采方法，如从仓储、高落式采煤法到长孔爆破采煤法，在通风安全条件、工人劳动强度等方面得到了一些改善，但采出率低、单产低、煤质差等问题仍然存在。 尽管如此，从我国采矿工业的发展来看，工艺改革仍是采矿技术展的核心。缓倾斜煤层开采效果的不断改善是回采工艺不断进步的结果，从房柱式到短壁，从短壁到长壁一直到综采放顶煤，使缓倾斜煤层的开采效果一步步大幅度提升。急倾斜煤层也不例外，随着工艺的改革开采效果也在不断改善之中。但工艺改革的成功离不开采矿基本理论尤其是采场围岩运动规律及其控制的研究。多年来，与缓倾斜煤层开采方法相比，急倾斜煤层采煤方法的改革是非常活跃的，到目前为止，急倾斜煤层采煤方法已达几十种之多。然而，在急倾斜煤层采煤方法改革的过程中，人们往往只注重工艺的创新，而忽视了采场围岩运动规律的研究，因而难以从根本上改善急倾斜煤层的开采效果。 急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤是急倾斜煤层开采方法改革的重要成果之一。它充分利用了急倾斜煤层倾角大、煤层易垮落、顶板稳固性相对较好的特点，利用了综采放顶煤的优势，形成了自己较为完整的矿压控制及回采工艺的理论体系，真正实现了急倾斜煤层开采的高产高效，是急倾斜煤层采煤方法改革的一个里程碑。然而，水平分段综采放顶煤采煤法只能用于厚度在20m以上的急倾斜煤层。而我国特别是南方矿区，急倾斜煤层的厚度大部分在10m以下，以中厚煤层居多，并且赋存条件复杂。这些煤层的开采方法种类繁多，但大部分还不成熟，存在许多问题。巷道放顶煤采煤法为该类煤层的开采找到了一条有效的途径，并在采取一定手段后可以用于急倾斜硬煤层放顶煤开采[8]。 为此，我国急倾斜煤层开采的总体趋势将朝着两个主要的方向发展。第一个方向是实现机械化开采，把缓倾斜煤层的回采工艺引入急倾斜煤层是一种途径，研制新的急倾斜煤层的轻型机械更为迫切。第二个方向则是向放顶煤发展，放顶煤仍是急倾斜煤层采煤方法改革的一个很有潜力的发展方向。对于急倾斜厚煤层可以采用水平分段综采放顶煤采煤法，对于中厚厚煤层可以采用巷道放顶煤采煤法。