倾斜厚煤层采煤法研究及应用

【任务描述】

缓斜和倾斜厚煤层一般采用倾斜分层走向长壁下行垮落采煤法采煤、大采高一次采全厚采煤法、放顶煤长壁采煤法开采。本课题主要学习倾斜分层走向长壁下行垮落采煤法、大采高一次采全厚采煤法、放顶煤长壁采煤法的采煤工艺特点、优缺点及适用条件。通过本课题的实施，使学生能理解掌握缓斜和倾斜厚煤层常用的三种采煤方法的采煤工艺特点、优缺点及适用条件。

【知识学习】

一、倾斜分层下行垮落采煤法采煤的工艺特点

倾斜分层下行垮落采煤法（简称倾斜分层采煤法）是我国长期用于开采缓斜和倾斜厚煤层的一种采煤方法。所谓倾斜分层，是将厚煤层沿煤层倾斜方向划分为若干个中等厚度（2.0～3.0m）的分层，分别布置采煤工作面进行开采。采用倾斜分层采煤法时，一般多采用自上而下逐层开采，为确保下分层回采安全，上分层开采时必须铺设人工假顶或形成再生顶板，各分层的采煤工艺也具有薄及中厚煤层长壁工作面采煤工艺的特点。

1.顶分层采煤的工艺特点

顶分层采煤工作面的顶板是煤层的原生顶板，其采煤工艺与薄及中厚煤层长壁采煤法基本相同，只是增加了要为下部分层铺设人工假顶或形成再生顶板的工作。

（1）人工假顶

1）人工假顶的类别。我国煤矿采用的人工假顶种类很多，应用广泛的有竹笆或荆笆假顶、金属网假顶和塑料网假顶等。

金属网假顶一般用12～14号镀锌铁丝编织，而网边常用8～10号铁丝织成，以加强网边的抗拉强度。常见的网孔形状有正方形、菱形及蜂窝形，菱形金属网如图5-63所示。金属网的强度高、耐腐蚀、使用寿命长，铺设一次网可服务几个分层。

图5-63 菱形金属网

2）金属网假顶的铺设。普采和炮采工作面倾斜分层开采时，人工假顶的铺设有铺顶网和铺底网两种方法。当顶板松软破碎时铺顶网，顶板稳定时铺底网。

普采和炮采工作面铺底网一般在落煤、推移工作面刮板输送机后，架设支柱之前铺设。在原输送机道位置，将金属网铺设在工作面底板上，底网铺好后再打柱及回柱放顶。

普采和炮采工作面铺顶网一般在上分层回采时铺设。铺设时将金属网铺设在工作面支架的顶部，然后在放顶线处随回柱放顶将金属网放落在底板上，成为下分层的假顶，如图5-64所示。铺顶网把控制破碎顶板和铺设下分层人工顶板结合在一起。

综采工作面金属网假顶的铺设。综采工作面利用液压支架可实现机械化铺网，也有铺顶网和铺底网两种方法，如图5-65和图5-66所示。

3）塑料网假顶的铺设。塑料网假顶的铺设方法基本上与金属网假顶相同。

图5-64 工作面铺顶网

1—新挂网 2—原挂网 3—网接头

图5-65 液压支架机械化铺顶网

1—网卷1 2—网卷2 3—金属网 4—采煤机 5—支架

图5-66 液压支架机械化铺底网

1—网卷1 2—输送机 3—支架

（2）再生顶板 再生顶板是上分层开采后，采空区中垮落的破碎岩石在上覆岩层的压力作用下，再加上顶分层回采时向采空区内注水或灌浆，经过一段时间后能重新胶结成为具有一定稳定性和强度的再生顶板。形成再生顶板的岩石，一般为页岩或泥质成分较高的岩石。再生顶板形成的时间与直接顶岩层的特征、含水性、上覆岩层对垮落矸石的压实程度等有关，一般至少要4～6个月，有的甚至要一年的时间。为促进再生顶板的形成，可向采空区内注入水、黄泥浆或化学胶结材料等。

当煤层中含有厚度大于0.5m的夹矸层，且分布稳定、层位合适时，可将其作为上、下分层的隔层顶板，称为自然假顶。

2.假顶下采煤的工艺特点

在假顶或再生顶板下采煤，顶板为已垮落的矸石，基本顶来压不明显。但顶板为松散体，抗拉强度小，容易漏矸。所以，在假顶下采煤顶板管理的关键是管理好破碎顶板，应采用浅截深并做到及时支护。

在单体支架工作面，一般采用正、倒悬臂交替的错梁直线柱，或∏型长钢梁组成的对棚在工作面交替迈步前移，落煤后及时进行支护。

综采工作面要选用合适的架型和作业方式。假顶下宜选用掩护式或支撑掩护式液压支架。采煤机割煤后，应紧追采煤机擦顶带压移架，以免在煤壁处出现网兜，采煤机割煤时滚筒距顶网不应小于100mm，以免割破顶网，如图5-67所示为厚煤层金属网假顶分层综采工作面。

根据我国目前的技术条件，较合适的分层厚度，普采为2.0m左右，最大不超过2.4m；综采工作面分层厚度为3m左右，一般不超过3.2m。

倾斜分层下行垮落采煤法有效地解决了缓斜及倾斜厚煤层开采时的顶板支护和采空区处理问题，有利于在此类煤层条件下实现安全生产，提高资源采出率及获取较好的采煤工作面技术经济指标等，适用于煤层顶板不是十分坚硬、易于垮落、直接顶具有一定厚度的缓斜及倾斜厚煤层。

图5-67 兴隆庄矿厚煤层金属网假顶分层综采工作面

二、大采高一次采全厚采煤法的工艺特点

目前，对3.5～5.0m厚煤层开采的发展趋势是采用综采一次采全厚。大采高一次采全厚采煤法已在我国许多矿区得到了应用，并取得了可喜的成绩。

大采高一次采全厚综采工作面一般装备大功率采煤机、强力刮板输送机和大采高液压支架等成套设备。

20世纪90年代，神华大柳塔矿全部引进国外大功率大采高综采装备。采煤机为美国久益公司生产的6LS-03双滚筒电牵引采煤机，其主要特点是多电动机驱动，遥控操作，保护装置先进，总功率1500kt，设备的生产能力达2000～2800t/h。液压支架由德国DBT公司生产，支架采用电液控制系统，完成全部移架动作仅需8s，可实现单架和成组移架及采煤机—支架联动。支架具有阻力大、动作快、操作方便等优点。支架上设有位移和压力传感器。刮板输送机由久益公司生产，功率为1400kW，主要特点是溜槽为铸钢封底式，与采煤机辅助牵引装置一体化，机头、机尾均有液压马达，机尾设有刮板链自动张紧装置。2000年产量达到800万t/a，最高日产突破4万t/d。

大采高综采工作面的采煤工艺过程与一般综采基本相同，但由于设备高度大、煤壁易片邦，采煤方法多采用走向长壁或俯斜长壁采煤法。

大采高一次采全厚采煤法具有以下优点。

1）工作面产量和效率大幅度提高。

2）回采巷道的掘进量比分层开采减少了一半，并减少了假顶的铺设。

3）减少了综采设备的搬迁次数，节省了搬迁费用，增加了生产时间。

4）虽其设备投资比分层综采大，但由于产量大、效益高、巷道工程量少、无假顶铺设、工作面搬家次数少等因素，其综合经济效益明显高于分层综采。

大采高一次采全厚采煤法一般适用于地质构造简单、煤层厚度3.5～5m、赋存稳定、倾角小于12°、顶板较稳定的煤层。

三、综采放顶煤长壁采煤法

放顶煤采煤法是在开采厚煤层时，沿煤层（分段）底部布置一个采高为2～3m的采煤工作面，用综合机械化采煤工艺等进行回采，利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架后方或上方的放煤窗口放出，并由刮板输送机运出工作面。(www.xing528.com)

1.放顶煤采煤法的类型

按机械化程度和使用的支护设备不同，我国应用的放顶煤开采技术有综采放顶煤（图5-68）和简易放顶煤两种。简易放顶煤是用悬移顶梁液压支架铺顶网放顶煤和单体液压支柱配∏型顶梁铺顶网放顶煤等实用技术。

按照煤层赋存条件及相应的采煤工艺，放顶煤采煤法又可分为三类，如图5-69所示。

（1）一次采全厚放顶煤 沿煤层底板布置一个放顶煤开采长壁工作面，一次放出顶煤层全部厚度，如图5-69a所示。综采放顶煤一次采全厚，一般适用于厚度在6～12m以下的缓斜厚煤层；简易型放顶煤一次采全厚，煤层厚度一般应在6～8m以下。其优点是：回采巷道掘进量及维护量少；工作面设备少；采区运输、通风系统简单；生产集中。缺点是煤质较软时，工作面运输平巷及回风平巷维护较困难。

图5-68 综采放顶煤工作面设备布置图

1—采煤机 2—前刮板输送机 3—放顶煤液压支架 4—后刮板输送机 5—平巷带式输送机 6—配电设备 7—安全绞车 8—泵站 9—放煤窗口 10—转载破碎机

A—不充分破碎煤体 B—较充分破碎煤体 C—待放出松散煤体

（2）预采顶分层网下放顶煤 首先沿煤层顶板布置一个普通长壁采煤工作面进行预采，并在采煤过程中进行铺网，而后再沿煤层底板布置放顶煤工作面，并将两个工作面之间的煤层放出，如图5-69b所示。

图5-69 放顶煤开采的基本类型

a）一次采全厚放顶煤 b）预采顶分层网下放顶煤 c）倾斜分段放顶煤

这种方法一般适用于厚度大于12m，直接顶坚硬或煤层瓦斯含量高，需要预先排放瓦斯的缓斜煤层。其优点是由于顶层铺设金属网，可以减少放煤的含矸量。其缺点是开采顶分层后一般矿山压力减弱，不利于顶煤的破碎，常有大块煤需要人工预裂。这种方法在兖州鲍店矿、徐州三河尖矿等得到了应用，取得了较好的效果。

（3）倾斜分段放顶煤 当煤层厚度在15～20m以上时，可将煤层沿倾斜方向，自顶板至底板划分为若干个厚度在8～12m的分段，然后自上而下依次进行放顶煤开采，如图5-69”所示。这种方法一般适用于厚度大于15m的缓斜煤层。前南斯拉夫维林基矿曾用此法开采了厚度在80～150m的褐煤层，我国石炭井矿区开采20m以上的厚煤层，设计选用了这种采煤方法。

2.综采放顶煤液压支架

综采放顶煤开采的显著标志是使用了综采放顶煤液压支架（简称综放支架），综放支架的结构比较复杂，除具有普通液压支架的功能外，还具有放顶煤的功能。我国已研制成了高、中、低位系列多种形式的放顶煤支架。按照与支架配套的输送机台数和放煤机构的不同，综放支架可分为单输送机高位、双输送机中位和双输送机低位三种类型的放顶煤液压支架。目前普遍认为，双输送机低位放顶煤支架具有较好的发展前景。

图5-70所示为双输送机低位放顶煤液压支架。这类支架的主要优点是顶梁较长，一般有铰接前梁、伸缩梁与护板，控顶距大，有利于中硬顶煤的破碎。使用插板机构低位放顶煤，后输送机铺在底板上，能够最大限度地回收顶煤。

图5-70 ZZF5200/19/32S型放顶煤支架示意图

1—护邦板 2—前梁 3—顶梁 4—掩护梁 5—前连杆 6—后连杆 7—放煤尾梁 8—后部刮板输送机的拉杆 9—底座 10—推移杆

3.综采放顶煤的工艺特点

（1）综采放顶煤的工艺过程 在厚煤层（或分段）底部布置的综采工作面中，先进行割煤、移架和推移工作面前部输送机等工序；此后，将工作面后部输送机相应前移。当采煤机割过1～3刀之后，按规定的放煤工艺要求，打开支架上的放煤窗口，放出已松碎的顶煤。当放煤口出现矸石时，及时关闭放煤口。完成上述采放全部工序为一个采煤工艺循环。

（2）放煤步距 沿工作面推进方向，两次放顶煤之间的推进距离称为循环放煤步距。放煤步距的大小与顶煤厚度、顶板冒落和运动特点及顶煤的破碎程度等因素有关。顶煤厚度较小时，通常以一采一放较为合理；顶煤厚度较大时，放煤步距可适当增大，采用“两采一放”或“三采一放”等。

（3）放煤方式 放煤方式主要包括放煤顺序和一次顶煤的放出量。比较好的放煤方式是单轮、间隔、多轮放煤，如图5-71所示，即先放1号、3号、5号等单号支架上的煤，且见矸后关闭放煤口，留下较大的脊背煤，滞后一段距离放双号支架上的煤，将留下的脊背煤放出。这种方式工艺简单，便于掌握，并可提高采出率，是一种较好的放煤方式。

图5-71 单轮间隔多轮放煤示意图

（4）适用条件

1）煤层厚度。一次采出的煤层厚度以6～8m为佳。顶煤厚度过小易发生超前冒顶，增大含矸率；煤层太厚破坏不充分，会降低采出率。预采顶分层综采放顶煤开采时，最小煤层厚度为7～8m。

2）煤层硬度。顶煤破碎主要依靠顶板岩层的压力，其次是支架的反复支承作用。因此，放顶煤开采时，煤的普氏系数一般应小于3；若煤层层理、节理发育，可适当增大，但一次开采的厚度也不宜过大。

3）煤层倾角。缓斜煤层采用放顶煤开采时，煤层倾角不宜过大，否则支架的倒滑问题会给开采造成困难。石炭井乌兰矿在25°～30°的煤层中试验放顶煤开采已获得成功。

4）煤层结构。煤层中含有坚硬夹矸会影响顶煤的放落或者因放落大块夹矸堵塞放煤口。因此，每一夹矸层厚度不宜超过0.5m，其普氏系数也应小于3。顶煤中夹矸层厚度占放煤厚度的比例也不宜超过10%～15%。

5）顶板条件。直接顶应具有随顶煤下落的特性，其冒落高度不宜小于煤层厚度的1.0～1.2倍，基本顶悬露面积不宜过大，以免放顶煤支架受冲击。

6）地质构造。地质破坏较严重、构造复杂、断层较多和使用分层长壁综采较困难的地段、上下山煤柱等，使用放顶煤开采比使用其他方法能取得较好的效益。

7）自燃发火、瓦斯及水文地质等开采技术条件。对于自燃发火期短、瓦斯涌出量大以及水文地质条件复杂的煤层，先要调查清楚，并有相应措施后才能采用放顶煤开采。《煤矿安全规程｝第六十八条规定，煤层有煤（岩）和瓦斯（二氧化碳）突出危险的，严禁采用放顶煤开采。

【任务考评】

本课题的考评表见表5-14。

表5-14 任务考评表

（续）

【思考与练习】

1.简述倾斜分层走向长壁下行垮落采煤法的采煤工艺特点、优缺点及适用条件。

2.简述综采一次采全厚放顶煤的工艺过程。

3.简述综采一次采全厚放顶煤的采煤工艺特点、优缺点及适用条件。

4.综采放顶煤长壁采煤法的基本类型有哪些？

5.简述综采放顶煤开采液压支架的主要特点和性能。

6.综采放顶煤长壁采煤法的采煤工艺特点、优缺点及适用条件。