柔性掩护支架的采煤方法在急倾斜煤层开采中的应用

摘要：本文主要阐述了急倾斜煤层开采的主要特点，并分析了急倾斜煤层开采技术存在的问题，最后针对柔性掩护支架的采煤方法在急倾斜煤层开采中的应用进行论述，仅供参考。

关键词：急倾斜煤层；柔性掩护支架；采煤方法

一、急倾斜煤层开采的主要特点

1.急倾斜煤层的构造复杂,断层和褶曲多,煤层厚度变化较大,开采煤层的赋存条件普遍较差、储量少、开采困难、采煤工作面生产能力小。因此,开采急倾斜煤层的矿井多数是中、小型矿井。

2.急倾斜煤层的倾角大于岩石安息角,采煤工作面采下的煤能自动下滑,从而简化了工作面的装运工作,但下滑的煤和矸石容易冲倒支架,砸伤人员,急倾斜煤层和围岩的节理发育,初次来压和周期来压与不明显,易发生无预兆的大面积突然冒顶垮落,造成顶板事故,给生产带来一些不安全因素。因此,生产的不安全因素多,安全性差。

3.急倾斜煤层顶板压力垂直作用于支架或煤柱上的分力比缓倾斜煤层小,而沿倾斜作用的分力大,煤层开采后,煤层顶、底板都有可能沿倾斜方向滑动垮落,支架稳定性差,易发生扭曲与倾倒。因而工作面支护工作的难度大。

二、急倾斜煤层开采技术存在的问题

总的来说,目前我国急倾斜煤层开采方法中不同程度地存在很多问题,这些问题主要表现在以下几个方面:

1.煤炭损失率高。主要存在于那些采落的煤炭与采空区冒落矸石无隔离设施的采煤方法,如斜坡式、小分段爆破、水力采煤、仓储式等。这些采煤方法的煤炭损失率有的高达40%-50%,与此同时,生产的煤炭往往有较高的含矸率。煤炭损失率高,不但给煤炭自燃创造了条件,而且浪费资源,缩短矿井寿命。

2.巷道掘进率高。这些问题主要表现在斜坡式、小分段爆破和沿倾斜推进的掩护支架等采煤方法中。这些采煤法,有相当大的一部分巷道是在支承压力带内掘进和维护的,维护这些巷道的工作量很大。掘进率高,增加了巷道掘进维护的费用,影响工作面的接替,给通风管理工作造成困难。尤其在有冲击地压危险的煤层中,巷道对煤体切割过多,增加了冲击地压的危险。

3.通风条件差。这一问题,大部分急倾斜煤层采煤方法都不同程度地存在,而斜坡式、小分段爆破、仓储式和长孔爆破采煤法尤为严重。这些采煤方法中,通风系统复杂,有的采煤工作面为独头通风,工作面风流中,煤尘和瓦斯的含量较高,对工人的健康和安全危害较大。

4.工人劳动强度大。这是所有急倾斜煤层采煤方法共同的缺点,由于煤层赋存条件的限制,急倾斜煤层中大部分巷道和工作面坡度大、空间小,工人在工作面落煤、支护、运料、行走均十分困难,劳动强度大。

5.开采效益差。与倾斜或近水平煤层比较,急倾斜煤层的开采不仅单产低、工效低,而且成本高、煤质差,因此,这类急倾斜煤层矿井规模小、效益差。

三、柔性掩护支架的采煤方法在急倾斜煤层开采中的应用分析

某煤矿为一不对称的向斜构造，北翼为倾斜及缓倾斜煤层，南翼为急倾斜煤层。急倾斜煤层的储量占矿井总储量的一半左右，20多年来，采用八字形钢梁组成柔性金属掩护支架采煤法开采急倾斜煤层，取得了较好的经济效益。

伪倾斜柔性金属掩护支架开采急倾斜煤层工艺，组成支架的钢梁有直线形钢梁，八字形钢梁，“〈”形钢梁。直线形钢梁组成的支架在回采过程中下放和管理难度较小，但煤层厚度较小时，架下工作空间较小。适用于赋存稳定、倾角大于60°（倾角小于60°时，支架下放困难，容易切入底板）、厚度在1.8～4.0m条件下的煤层。“〈”形钢梁掩护支架和带腿的“〈”形掩护支架，可以开采煤层赋存较稳定、构造简单、倾角为45～65°、煤层厚度为4m左右的煤层。八字形钢梁组成的支架在回采过程中架下工作空间较大，尤其煤层厚度较小时，更需要用八字形钢梁组成的柔性金属掩护支架进行回采。但掩护支架在下放过程中，管理控制难度较大，可供开采厚度为1.3～1.6m的煤层。根据某煤矿用八字形组成的柔性掩护支架回采经验，其适用的条件是：煤层赋存稳定、倾角大于60°、煤厚在1.5～3.5m的中厚煤层。

1倾角较小急倾斜煤层开采存在的问题

随着采深的不断加大，某煤矿的回采区域接近井田向斜轴部，煤层倾角越来越小，至三水平后，煤层平均倾角约50°左右，用八字形钢梁组成的柔性掩护支架来开采，在工艺措施不改进的情况下越来越困难。在使用八字形钢梁组成的柔性掩护支架回采某工作面过程中，就暴露出支架切入底板、下放不成功的问题，被迫中间收面，重新开切眼装面初放。

技术上使用“〈”形钢梁掩护支架开采较为合适，但某煤矿剩余急倾斜煤层储量仅72.22万t，且煤层厚度不一，再加工几套“〈”形钢梁显得非常不经济，同时也缺少用“〈”形钢梁组成的掩护支架回采的经验。而且用“〈”形钢梁掩护支架和带腿的“〈”形掩护支架回采发生煤壁片帮事故的风险较高。通过分析某失败的教训，综合各方面的因素，在开采某工作面时仍使用了八字形钢梁组成的柔性掩护支架，但对工艺参数和工艺措施做了改进。

2改进对策措施

2.1工作面概况

某工作面位于某煤矿三水平二采区第二区段，327轨道（1）下山以东，某工作面倾斜下方。区段垂高为30m左右，工作面走向长度325m，面内7、9层煤合并，局部中间以夹矸形式出现，煤层厚度2.4～4.7m，平均3.0m；煤层倾角45～55°，平均约50°。伪顶为砂泥岩，厚度0.2m，直接顶为粉细砂岩互层，厚度7.0m左右，老顶为砂泥岩；直接底为泥岩，老底为砂泥岩。

2.2材料巷扩棚

正常情况下，掩护支架的选型，是支架的跨度比煤层的真厚度小200～300mm，以利于支架下放。在材料巷的宽度能满足支架安装的要求时，就不需要扩棚，在支架宽度大于材料巷宽度时，则需要扩棚，一般情况下是在煤层里扩。扩棚的宽度等于支架的跨度减去巷道的宽度。根据某工作面煤层的厚度，选用2.8～3.2m的钢梁组成支架。材料巷维修施工时，大部分区域跟顶板维修，底板侧有煤，按常规，只要扩底板侧，满足摆架子要求即可，这样扩棚作业容易，工作量小。但根据煤层倾角较小的特点，对扩棚工作采取了特殊的措施：一是由于巷道在损坏过程中，顶板向巷道的位移量较大，维修时就破过顶，所以必须扩顶板侧，而且要扩到顶板里面；二是扩棚的宽度必须达到破顶板1.50m以上，扩棚段的高度达1.90m以上；三是由于材料巷多次维修，顶板破碎区域多，为保证扩棚的安全，需做好防冒顶的工作，采取预注胶，手工破矸，用旧钢钎、旧钻杆提前穿顶等措施进行及时有效的支护。这样，虽然在材料巷破顶工作量较大，花费了一定人工和材料，但支架进工作面后，在上变坡点向下沿倾斜方向人为啃顶3～5m，避免了在变坡点出现支架上肢侧过度扭斜而无法下放的情况，对整个支架的下放起到了至关重要的作用。

2.3支架的安装

支架安装的质量是保证支架能顺利下放的前提条件。为适应较小倾角煤层回采的要求，对支架安装参数进行了调整，正常情况下，支架钢梁的仰角（通常指上下肢端点的联线与水平面夹角）一般控制为100－α（α为煤层倾角），正常控制这一角度为50°，现在将这一角度调整为60°，并要求架头平台的净高度达1.50m以上；架头平台的长度由原来的9～12m改为现在的8～12m，因为煤层倾角小，支架进入工作面后，整体支架对平台拉力小。支架安装时上肢超前下肢量同煤层厚度和倾角有关，煤层厚，倾角小，支架进入工作面后，支架仰角大，向架尾的拉力大，此次安装支架时，将上肢超前下肢的量增加至300～400mm；同时，在支架安装过程中，狠抓每一道工序的施工质量，从钢丝绳、轻轨的位置到螺丝的松紧等都进行了严格的跟踪检查，确保了支架的整体性和稳定性，杜绝了因螺丝松动引起的轻轨移位、翻转现象，为支架的顺利下放打下了基础。

2.4工作面坡度及煤壁管理

柔性掩护支架工作面的煤壁管理对保证安全生产是非常重要的。伪倾角是柔性掩护支架回采工艺中的一个重要参数，理论角度是25～30°。在倾角大于60°的工作面，伪倾斜角度通常规定为28～32°，一般不超过30°。但在某工作面，为了增加支架沿倾斜方向向下运动的动力，减少支架啃底的风险，将工作面的伪倾角放大到34°。为了防止因工作面伪倾角加大发生片帮伤人事故，该矿采取了相应的措施：一是严格控制炮眼布置与装药爆破，避免因打眼放炮效果不佳产生伞檐；二是工作面出煤前必须首先清除伞檐。

2.5地沟尺寸

工作面地沟的宽度是保证工作面具有足够作业空间的一个主要指标。地沟宽了，作业空间大，便于作业人员在里面打眼、整理煤帮、铺设溜槽。在煤层倾角较小时，地沟控制较宽，必然要求支架工作角度较小，这样支架容易切入底板，不利于支架下放。地沟窄了，作业空间小，作业人员的活动范围小，操作不方便，但对倾角较小的煤层来说，有利于支架的下放。因此规定工作面地沟的宽度，原则上不大于0.70m，只要满足工人的操作即可，这样对支架的下放起到了一定的积极作用。

2.6架尾管理

掩护支架工作面架尾支架的回拆，是柔性掩护支架采煤法回采工艺的最后一道工序，抓好架尾的管理，是保证小倾角煤层掩护支架顺利回采下放的重要环节。对柔性掩护支架架尾的管理，主要体现在架尾平台的长度，长度长一点，对工作面的出煤、安全管理有好处，但长度过长，可能造成架尾通风不畅，风量不足，也不利于支架的下放。通过现场跟班摸索，将架尾平台的长度由正常的不大于8m调整为不大于5m，而且将拆除支架作业施工由固定整修班调整为当班采煤当班拆除。这样，保证采煤班炮后支架能在架尾及时拆除，也有利于支架的下放。

四、结束语

通过研究并改进工艺措施，在煤层倾角55°左右的某工作面使用八字形钢梁组成的伪倾斜柔性金属掩护支架实现了成功回采。