大黄山矿大倾角特厚煤层开采方法及设备的选型研究＊

时间：2024-07-28

侯铁军赵云峰赵耀江谢生荣李通达

（1.新疆百花村股份有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830002；2.新疆大黄山豫新煤业有限责任公司，新疆维吾尔自治区阜康市，831509；3.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；4.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

我国煤炭资源储量丰富，但其分布类型和开采条件差异巨大，在新疆和甘肃等西部省份的煤炭资源储备中，倾斜厚煤层储量达到30%以上。近年来，随着我国中东部地区煤层倾角小于30°的易采资源大幅度减少，西部地区倾斜厚煤层资源逐步已成为国家能源开发的重点。然而倾斜厚煤层因其特殊的煤层赋存条件、煤岩体力学性质以及矿山压力显现等因素，工作面易出现单产低、掘进量大、效益及安全性能差、支架易倾倒以及咬架等问题，极大地限制了急倾斜厚煤层的开发利用，合理的设备选型及采煤工艺已成为倾斜厚煤层大规模开发利用的关键技术之一。

为了解决大黄山矿+735西翼综放工作面倾斜厚煤层的设备选型配套及采煤工艺问题，结合实际地质生产条件，对大倾角特厚煤层综放开采的采煤工艺与设备选型配套技术进行了探讨研究，以期实现倾斜厚煤层的高产高效开采。

1 地质概况

新疆大黄山煤矿位于乌鲁木齐以东120km处，井田面积为5.49 km2，海拔标高一般在+1000～+1100m 之间，可采煤层有5 层，自上而下分别为五尺槽、四尺槽、米尺槽、中大槽和八尺槽，其中，中大槽为28m 特厚煤层，为主要回采煤层。中大槽煤层结构简单，基本不含夹矸，属于侏罗系下统八道湾组，煤层平均厚度为23.5m，煤层倾角为30°～41°，煤层具有煤尘爆炸性，为易自燃煤层，煤层可采指数为0.98。顶板完整性较好，局部有0.2～0.5m 厚的炭质泥岩伪顶，直接顶为8.0m 厚的细砂岩，属较坚硬岩石，老顶为砂砾岩，不易冒落，平均厚度为37 m。直接底板为泥质粉砂岩，属半坚硬岩石，老底为细砂岩，属坚硬岩石。中大槽煤层属于高油煤，焦油产率达到13.6%，工业用途广泛，既可炼焦又可炼油。

+735 西翼综放工作面位于副井以西290 m处，采用走向长壁斜切分层放顶煤采煤法，走向长度为1240 m，倾向长度为96 m，采高为2.7 m，工作面坡度为22°～32°，由东向西逐步加大，+735工作面进风巷（运输）位于煤层顶板巷水平标高+735m，回风巷位于煤层底板水平标高+770 m。此种伪倾斜回采工作面布置方法适应中大槽煤层厚度和倾角的变化，不仅可以增加工作面倾向长度，提高采出率和经济效益，同时工作环境也比较安全。+7 3 5工作面巷道布置剖面图如图1所示。

图1 +735工作面巷道布置剖面图

2 大倾角特厚煤层开采技术的特点

大倾角厚煤层机械化开采一直是矿山开采的难题之一，其开采受到埋深、倾角、采高、煤厚、煤体强度以及顶板力学性质等众多因素的影响，但总体来说，煤层大倾角是该类煤层回采困难的最主要影响因素。+735工作面煤层倾角达到了41°，特殊的煤层赋存条件使得采场开采工艺、支架选型、采场维护都呈现出以下新的特点：

（1）倾斜煤层多是强烈构造运动的结果，中大槽煤层中赋存有较多的中小断层和褶曲等地质构造，且煤层厚度自东向西有较大的变化，该类煤层开采较困难，工作面单产低，生产能力较小。

（2）中大槽煤层倾角达41°，接近于煤的自然安息角45°，工作面在回采过程中，割落的煤块及矸石极易滑落，滑落过程中的煤和矸石容易损坏工作面设备和砸伤人员，工作面安全性欠佳。

（3）随着工作面倾角的增大，工作面支架所受的切向分力增大，垂直分力减小。中大槽煤层大倾角易导致支护系统的有效载荷变小以及支护系统失稳外载荷增大，支架容易出现下滑、倾倒及架间挤、咬现象。

综上所述，大倾角是该类煤层开采困难的主要影响因素。总结国内大倾角煤层现场工程实践可知，在客观地质条件既定的情况下，进行合理的设备配套选型和采煤方法以及相应工艺的选取可最大限度地降低煤层倾角带来的不利影响，实现倾斜厚煤层的高产高效开采。

3 大倾角特厚煤层综合机械化开采技术

3.1 大倾角特厚煤层综放配套设备选型

+735工作面倾向长度为96 m，平均采高为2.7m，采煤机截深为0.6 m，采煤采出率为80%，产量为70万t／a。研究了国内大倾角厚煤层综放设备配套技术及高产高效开采方法，同时对“三机”厂家设备的可靠性进行了现场调研，依据大黄山矿具体地质生产条件，确定了液压支架的额定工作阻力为5200kN，支撑高度为1.7～3.2m，对采煤机和输送机进行了配套选型，最终确定了适合大黄山矿的大倾角特厚煤层开采的 “三机”设备。

3.1.1 液压支架选型

（1）综放面中部选用ZFS5200／17／32 低位放顶煤液压支架，主要技术参数为：高度1700～3200mm，中心距1500mm，初撑力2182kN，工作阻力5200kN，支护强度0.9～0.91 MPa，适应煤层倾角≤45°，泵站压力31.5 MPa，操作方式为本架控制。

（2）过渡支架选用ZFSG5600／17／32放顶煤过渡支架。主要技术参数为高度：1700～3200 mm，中心距1500 mm，初撑力3956 kN，工作阻力5600kN，支护强度0.97～0.98 MPa，适应煤层倾角≤45°，泵站压力31.5 MPa，操作方式为本架控制。

3.1.2 采煤机选型

采煤机选用MG200／500-QWD 型电牵引采煤机，主要技术参数为：截深630mm，截割高度1.8～3.5 m，滚筒直径1800 mm，牵引力412～689kN，牵引速度6m／min，适用倾角≤45°。

3.1.3 刮板输送机选型

（1）前部选用SGZ-730／200型刮板输送机，主要技术参数为：输送量450t／h，刮板链速1.12 m／s，中部槽尺寸1500 mm×680 mm×150mm，紧链方式为闸盘紧链，电机功率200kW。

（2）后部放顶煤选用整铸结构槽宽较大的SGB-730／200 型刮板输送机，主要技术参数为：输送量800t／h，刮板链速1.1 m／s，中部槽尺寸1500mm×680mm×300mm，紧链方式为闸盘紧链，电机功率2×200kW。

一般来讲，工作面的生产能力取决于采煤机落煤能力，而工作面输送机、液压支架和其他设备的生产能力都要大于采煤机的生产能力，初步选型采煤机割煤能力为375.8t／h，工作面刮板运输机的运输能力为500t／h，转载机运输能力为630t／h，可伸缩带式输送机输送能力为400t／h。

从以上数据可以看出，沿运煤方向生产能力基本上呈 “喇叭口”形式扩展，虽然带式输送机的输送能力稍小于刮板输送机的运输能力，但其输送能力大于采煤机的割煤能力。转载机是制约综采放顶煤工作面安全高效生产的主要环节，所以转载机的输送能力一定要足够大。对于双输送机的综放工作面，转载机的输送转载能力应是工作面输送机能力的1.2倍。根据调研+735综放工作面的实际生产情况，可以满足配套要求。

3.2 +735工作面支架防倒防滑安全技术措施

液压支架稳定是大倾角厚煤层工作面安全高效生产的关键，也是其他设备稳定工作的前提，而支架稳定的关键在于下端头支架安全可靠。+735工作面从控制支架高度、立柱伸缩量以及增设防倒千斤顶等方面进行防滑作业，具体措施如下：

（1）控制采高。工作面采高严格控制在2.5～2.7m范围内，工作面支架活柱至少留200mm余量，提高支架自身稳定性。

（2）执行 “少降快移”、 “带压移架”的原则。移架时，侧护板一直保持打开状态，立柱降移量小于100mm，前梁超前支撑煤壁并充分接触顶板。

（3）中间架每隔5架用防倒千斤顶连为一体，移架时，以下方支架为支撑，由下向上向前移架。支架间距超过规定时，先调底座间距，然后调倾斜度，保持支架平稳，杜绝前倾后仰，调整以后再拉支架，防止个别支架下倾造成中部倒架。

（4）下端头支架在移架之前要随时起架，支架底座与工作面底板要保持一致。将工作面下端头1＃架与3＃架用防倒千斤顶连为一体，防止其倾倒或下滑。

（5）液压支架顶梁、底座必须平行于顶底板，严禁悬空，同时及时将产生在架前和架间的碎煤和碎矸清理干净，使支架受力均匀，达到平衡。对于有倾倒趋势的支架必须当班进行调整。

3.3 大倾角特厚煤层综放工作面采煤方法及工艺

3.3.1 回采方法

+735综放面采用走向长壁斜切分层综放采煤法，其简化了工作面的装煤和运煤工序，改善了劳动条件，在煤层倾角和厚度比较稳定的情况下，用此方法比水平分层采煤法更有利，采用自然跨落法与强制放顶相结合的方法管理顶板，采用注氮和黄泥注浆处理采空区。

3.3.2 回采工艺

采煤工作面沿煤层伪倾斜布置，平均采高为2.7m，采煤机中部斜切进刀，单向割煤，截深为0.6m，往返割一刀。采取割两刀放一次顶煤的循环作业方式，放顶煤步距为1.2m。工作面循环进度为1.2m，每日3个循环，日进度为3.6m，月进度为84m，年进度为1008m。工作面采用 “三八”制作业组织方式，其中两班生产，一班检修。

3.3.3 回采流程

回采工艺流程为：割煤→推前溜→移架→拉后溜→割煤→推前溜→移架→放顶煤→拉后溜。

3.3.4 回采步骤

（1）落煤。采用采煤机单向割煤，截深0.6m，往返割一刀，返空刀清理底煤。

（2）装煤。利用采煤机滚筒旋转破煤、落煤和装底煤，人工收缩液压支架尾梁插板和升降尾梁破、落、放顶装煤。

（3）运煤。前溜将工作面采煤机切割下的煤运至工作面运输巷道的转载机和可伸缩带式输送机上，后溜将液压支架后部放落的顶煤运至工作面运输巷道的转载机和可伸缩带式输送机上并运出。

（4）移架及推溜。采用单架依次顺序及时支护方式，移架滞后采煤机追机作业，并及时伸出前梁，为保证支架移成一条直线，应拉线移架。前刮板输送机正常情况下随移架逐段移向煤壁，滞后采煤机15～25m 处，依次顺序自下而上进行，推溜步距为0.6m，刮板输送机弯曲段长度不得小于15 m，推溜后，刮板输送机必须保证平直。移架后将后溜及时回拉，保证架后放煤。

（5）放顶煤。工作面采用割煤与放顶煤不平行的作业工艺多轮间隔顺序等量放煤，放煤顺序按1＃、3＃、5＃…放煤口顺序放煤，一次放煤量为1／4～1／3，然后按2＃、4＃、6＃…放煤口顺序放煤，这样反复进行3～4轮将煤放完，尽量使顶煤保持均匀下降，以减少混矸，提高回采率。