急斜煤层的高效采煤技巧及系统设计

【任务描述】

我国西部地区地质构造复杂，煤层倾角较大，甚至出现倒转倾角的煤层。由于急斜煤层倾角较大，在开采技术、安全、运输、顶板管理等方面都比较困难。本课题主要学习煤层倾角＞45°的急斜煤层的采煤方法及其采煤系统。通过本课题的实施，使学生理解掌握急斜煤层开采的主要特点及急斜煤层采区巷道布置方式；理解掌握急斜煤层单一煤层钢丝绳煤锯走向长壁采煤法、俯伪斜走向长壁采煤法、伪斜柔性掩护支架采煤法采煤系统的巷道布置方式、掘进顺序、主要生产系统、主要特点和适用条件。

【知识学习】

急斜煤层开采在我国比重较小。由于急斜煤层的倾角比较大，在开采技术、安全、运输、顶板管理方面都具有独自的特点，因而形成了多种采煤方法。

一、急斜煤层开采的主要特点

急斜煤层的开采原则和方法与缓斜、倾斜煤层开采基本一致。但由于急斜煤层倾角大，煤层地质因素和矿山压力显现与缓斜、倾斜煤层有着较大的差异，在矿井开拓方式、采区巷道布置、采煤方法以及提升运输、采煤机械化、安全生产等方面独具特点。

1）矿井地质构造复杂、开采难度大、生产能力小。因为煤层由水平状态变为急斜状态，必然经过漫长地质年代中多次剧烈地质构造变化。在构造应力的作用下，含煤岩系地层发生变形和破坏，通常使得急斜煤层中断层和褶曲比较发育，煤层倾角和厚度变化较大，煤层与岩层节理发育，易于垮落，所以急斜煤层开采条件普遍较差，而且储量少、开采困难、矿井生产能力小。开采急斜煤层的矿井多数是中、小型矿井。

2）由于煤层倾角已经超过岩石自然安息角，采煤工作面破落的煤块会沿底板自动向下滑滚，简化了采煤工作面的装运工作。但采落的煤和冒落的矸石向下滑滚容易冲倒支柱，砸伤人员，给生产带来不安全因素，必须采取相应的安全技术措施。

3）采煤工作面的行人、破煤、支护、采空区处理、运料等各项工序的操作困难，增加了采煤机械化的难度。因为急斜煤层采煤机械在设计时都要考虑工作时的稳定性和防倒滑问题，所以国内外急斜煤层的采煤机械化问题尚未得到根本解决，仍然主要依靠爆破或风镐破煤、木支柱或单体液压支柱支护，工人劳动强度大。

4）急斜煤层顶板压力垂直作用于支柱或煤柱上的分力比缓斜煤层要小，而沿倾斜作用的分力要大，煤层顶底板都有可能沿煤层倾斜方向滑动、垮落，支柱稳定性差，增加了破煤和支柱工作的复杂性。

在正常开采初期，由于顶板尚未得到垮落矸石的充填，或在顶板岩层坚硬不能及时垮落时，顶板在初次垮落之前，并不出现明显的移动和下沉，而在悬露面积达到极限值后会突然发生垮落，易于造成垮顶事故。

5）由于煤层倾角超过底板岩层移动角，煤层开采后顶板会发生移动垮落，底板也会发生滑动和垮落。当开采急斜近距离煤层群时，上部煤层的开采会使下部煤层受到破坏。为使煤层开采时顶底板移动不会对未采煤层造成破坏，必须根据上部、下部煤层之间的间距确定合理的区段垂高。

6）由于急斜煤层倾角大于岩石自然安息角，采空区垮落矸石会自动由上部向下部滚落，对下部采空区产生局部充填作用，从而导致开采急斜煤层时垮落带、裂隙带及下沉带的分布与缓斜及倾斜煤层正好相反，如图5-54所示。

图5-54 急斜煤层开采围岩移动规律

A—垮落带 B—裂隙带 C—下沉带

α—煤层倾角 β—顶板岩层移动角 γ—底板岩层移动角

7）因为煤层倾角较大，使用水平投影图无法将急斜煤层开采状态表述清楚，所以急斜煤层开采的工程图纸一般是以立面投影图、水平切面图和剖面图来反映的。

二、急斜煤层采区巷道布置方式

开采急斜煤层的矿井，常采用集中运输大巷、集中回风大巷及采区运输石门和采区回风石门开采的采区巷道布置方式。采区划分沿煤层走向以采区石门为标志，一般多采用双翼采区。单翼采区走向长度一般为200～300m，双翼采区为400～600m。采区倾斜长度取决于阶段垂高，即两个开采水平之间高度一般为80～150m。随着采矿技术发展和生产集约化的需要，采区走向长度和采区倾斜长度有进一步加大的趋势。急斜煤层采区巷道布置有单层布置和联合布置两种方式。

1.单层布置

急斜单一薄及中厚煤层采区巷道布置如图5-55所示。

图5-55 急斜单一薄及中厚煤层采区巷道布置

1—采区运输石门 2—采区溜煤眼 3—采区运料眼 4—采区行人眼 5—联络平巷 6—区段运输平巷 7—区段回风平巷 8—采区回风石门 9—采区煤仓

（1）上山眼数目 在采区中央沿煤层倾斜方向掘进3～5条上山眼，用于溜煤、运料、行人以及溜矸等。一般设溜煤、运料、行人眼；煤、矸分装分运时增设溜矸眼；当工作面涌水量大时，还需设置放水眼。

采区溜煤眼应靠近采区运输石门，沿倾斜方向成直线，坡度要均匀一致，以保证溜煤顺畅；溜煤眼下端与采区煤仓相连，采区煤仓穿过底板与采区运输石门连通；采区运料眼与行人眼分别布置在石门两侧，运料眼要直通回风水平，使用特制运输设备（如带撬板的小罐笼）运输；行人眼一般紧靠溜煤眼设置，在与联络平巷交接处要左右错开2～3m，并在行人眼上口设置防坠栏，以保证行人安全。

（2）上山眼间距 上山眼的间距主要根据煤层硬度、煤层厚度、维护工程量和安装通风安全设施需要等确定，一般为8～15m。

（3）上山眼间联络平巷间距 为了保证施工、通风、运输的方便及行人安全，各上山眼间沿倾斜方向每隔10～15m用联络平巷连通。

（4）上山眼断面及支护 采区上山眼断面多为矩形、正方形或圆形。运料眼、行人眼断面常为矩形或正方形，多使用木质盘料箍制而成。行人眼要钉上拉板，以便人员上下；运料眼应沿底板侧钉上木板或铁皮，以防提运材料时破坏运料眼。溜煤（矸）眼断面常为矩形、正方形或圆形。当溜煤（矸）眼断面为矩形时，多使用木质盘料箍制而成，其净断面为1.2～1.3m²；当溜煤（矸）眼断面为正方形时，常使用工字钢或旧钢轨制成的金属盘料箍制而成，其净断面约为1.0m²；当溜煤（矸）眼断面为圆形时，常使用混凝土预制块砌壁，净直径约为1.0m，壁厚为150～200mm。

（5）开切眼 在采区边界布置一组由区段运输平巷至区段回风平巷的开切眼，开切眼一般应包括下煤眼和行人眼，两眼间距一般为5～8m。当工作面涌水量较大时，还应增加放水眼。

2.近距离煤层群联合布置

根据开采煤层数目、层间距、顶底板岩性等因素，急斜近距离煤层群联合布置可以采用分组小联合布置和大联合布置两种形式。

三、急斜煤层采煤法简介

急斜煤层走向长壁采煤法按工作面布置方式及形式可分为单一煤层钢丝绳煤锯走向长壁采煤法、倒台阶采煤法、俯伪斜走向长壁采煤法、伪倾斜柔性掩护支架采煤法和仓储式采煤法等。

1.单一煤层钢丝绳煤锯走向长壁采煤法

急斜单一煤层走向长壁采煤法区段巷道的布置与缓倾斜、倾斜煤层走向长壁采煤法布置基本相同。工作面沿走向布置，上部为回风平巷，下部为运输平巷，采区边界布置开切眼，工作面为直线，国内外曾试验过钢丝绳煤锯、刨煤机、滚筒采煤机破煤，如图5-56所示。

图5-56 钢丝绳煤锯走向长壁工作面布置

1—区段运输平巷 2—区段回风平巷 3—超前平巷 4—开切眼 5—牵引绳 6—绳锯 7—锯刀 8—导向滑轮 9—绞车 10—绞车固定装置 11—钻孔机

单一煤层钢丝绳煤锯走向长壁采煤法工作面一般长度为10～30m，使用一条装有锯齿的钢丝绳，用它沿工作面往复运动掏槽，利用地压和煤的自重完成落煤工作。图5-57所示为辽宁北票矿区常用的锯刀形式，其直径一般为200～300mm，具有六角十二刃锯齿。

根据重庆南桐及中梁山、河北开滦、四川攀枝花、辽宁北票、江西乐平等矿区的生产实践经验，钢丝绳煤锯走向长壁采煤法适用于顶底板岩层稳定，允许有较大悬露面积，煤质松软，煤层不粘结顶底板，无夹矸，煤厚小于2.0m的煤层。

图5-57 辽宁北票矿区六角十二刃锯刀

2.倒台阶采煤法

倒台阶采煤法是我国20世纪70年代以前开采急斜薄及中厚煤层应用较广的一种采煤方法。目前，仅在煤层赋存条件极为复杂，厚度变化较大的急斜煤层中少量使用。

倒台阶采煤法分为倒台阶全部垮落采煤法和倒台阶矸石充填采煤法。倒台阶全部垮落采煤法的特点是采煤工作面呈台阶状布置。在采区走向中部沿煤层布置一组采区上山眼，一般包括溜煤眼、运料眼、行人眼。采区内沿煤层倾斜方向一般划分1～2个区段，每个区段布置一个倒台阶工作面，倾斜长度一般为60～80m，工作面沿倾斜方向一般划分为4～6个台阶，每个台阶长度一般为10～15m，上下台阶错距称为阶檐宽度，一般为2～3m，最下一个台阶加宽到5～6m，台阶长度缩短为8～10m，便于暂存部分煤炭及行人和进行通风。

3.俯伪斜走向长壁采煤法

俯伪斜走向长壁采煤法又称俯伪斜走向长壁分段密集支柱采煤法，它是由正台阶采煤法逐渐演变而形成的，其主要特点是采煤工作面沿伪斜方向呈直线布置，沿走向推进；用分段水平密集支柱切顶挡矸隔离采空区与采煤空间；工作面采用分段爆破方式破煤，煤炭自溜运输。此采煤法1987年首次在四川芙蓉巡场矿试验成功，现已在四川广旺、湖南白沙及涟邵、江西萍乡、河北开滦等矿区广泛采用，取得了较好的经济效果。

（1）采煤系统 俯伪斜走向长壁采煤法工作面呈伪斜直线布置，放顶密集支柱呈近水平排列，工作面沿走向推进，如图5-58所示。

俯伪斜走向长壁采煤法改善了工作面近煤壁处的通风条件，提高了工作面煤壁的有效利用率，大大改善了工作面顶板管理，为采煤机械化创造了条件。

工作面伪斜角应满足煤炭自溜、人员行走方便和减轻工人劳动强度的要求，一般取30°～35°。在目前的技术条件下，区段垂高一般为50～60m，工作面伪斜长度可达80～90m。为溜煤、通风、行人和掘进方便，工作面下部的溜煤眼不得少于3个，且掘成漏斗状，并铺有溜槽。

（2）采煤工艺

1）工作面初采。工作面初采由开切眼与区段回风平巷交接处开始，按工作面伪斜角要求自上而下推进，工作面斜长逐渐增大，如图5-59所示。为了便于初采时工作面出煤和人员通行，开切眼沿伪斜方向布置，随工作面推进，开切眼自上而下逐段报废。当工作面下端距区段回风平巷4m时，开始支设分段密集支柱。当第一分段密集长度达到5m而直接顶仍不垮落时，应采取强制放顶措施，打眼爆破获取垫层。随着工作面继续推进，不断增设新的分段密集支柱，当工作面煤壁达到图5-59中6所示位置时，初采工作结束。

2）工作面正常回采。工作面采用爆破破煤，自上而下分段爆破。支护采用单体液压支柱和铰接顶梁，支护形式采用倒悬臂梁齐梁齐柱布置，排、柱距均为0.9m。架设单体液压支柱时应采取防倒措施。沿煤层倾斜方向，每隔4～5m设置一排水平密集支柱，每排密集支柱沿走向长4m，上铺竹笆或荆笆。密集支柱随工作面推进，前添后回，支柱间距一般不超过0.3m，放顶前后始终保持13～15根带帽点柱。相邻两排密集支柱沿煤层走向保持1.0～1.5m错距，密集支柱除起到切顶作用外，还用于挡矸。

采空区采用全部垮落法处理。当回风平巷上方采空区出现大面积悬顶时，除采用人工强制放顶外，还可将上区段采空区垮落矸石放入本区段采空区。

图5-58 俯伪斜走向长壁采煤法

1—密集支柱 2—“人”形溜煤眼 3—单边钢板溜槽 4—带帽点柱 5—超前掘进工作面

图5-59 俯伪斜工作面初采

1—区段运输平巷 2—区段回风平巷 3—开切眼 4—溜煤眼、行人眼 5—调整中工作面煤壁 6—调整结束时工作面

分段水平密集支柱的安设与顶板性质、工作面采高、采空区垮落矸石安息角、煤层瓦斯涌出量以及相邻两排密集支柱间距等因素有关。分段密集过长，工作面控顶增大，顶板压力随之增大，造成回柱困难，密集下方三角区易于瓦斯积聚；密集长度过短，不能有效起到挡矸作用，影响工作面煤炭质量。根据四川广旺矿区的生产经验，在顶板中等稳定条件下，分段密集走向长度以4m为宜，最长不得超过5m。

3）工作面收尾。当工作面上端推进到距收尾眼4m时，工作面进入收尾阶段，工作面逐渐缩短，如图5-60所示。

图5-60 俯伪斜工作面收尾

1—区段运输平巷 2—区段回风平巷 3、4—收尾眼 5—收尾中的工作面煤壁 6—收尾眼煤柱

为满足工作面收尾时的通风、行人和运料需要，收尾眼必须加强维护，始终保持畅通，在收尾眼靠工作面一侧应设保安煤柱，宽度为4m。(www.xing528.com)

（3）优缺点及适用条件

优点：

1）工作面沿俯伪斜直线布置，减少了煤矸下滑速度，有利于防止冲倒支架和砸伤人员，改善了工作面安全生产条件。

2）因工作面伪斜直线布置，改善了工作面顶底板的受力状况，相对增加了稳定性，出现大面积底推和顶板拉裂的可能性减小。

3）工作面有效利用率提高，为提高单产，改善工作面近煤壁处的通风状况，为采煤机械化的发展提供了技术支持。

4）分段走向密集支柱除切顶外，主要起挡矸作用，拦截采空区矸石，在工作空间与采空区垮落区之间形成一个自然充填带，使老顶来压滞后，减缓了老顶来压作用，减少了工作面支柱损耗量及维修工作量。

5）减少了煤炭自溜过程中因窜入采空区造成的煤炭损失，提高了采区回收率，有利于工作面煤层自燃发火的防治。

缺点：

1）工作面支、回柱工作量大，工人操作不便。

2）分段密集支柱下方三角区通风条件较差，易于瓦斯积聚。

3）区段煤柱损失较大。

4）煤层顶板有淋水时，作业环境较差。

适用条件：

俯伪斜走向长壁采煤法适用于倾角为40°～75°、顶板中等稳定、易片邦、采高不超过2.0m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的急斜薄及中厚煤层。它是当前开采地质条件较复杂的急斜薄及中厚煤层的一种较好方法，将逐步替代倒台阶采煤法。

4.伪斜柔性掩护支架采煤法

伪斜柔性掩护支架采煤法是指在急斜煤层中，沿伪斜布置采煤工作面，用柔性掩护支架将采空区和工作空间隔开，沿走向推进的采煤方法。

伪斜柔性掩护支架采煤法经过近40年的发展，已在安徽、河北、江苏、四川、重庆、贵州、浙江、新疆、云南、青海、广东、广西、吉林、陕西等省（市）急斜煤层中广泛使用，成为我国开采急斜煤层的一种主要采煤方法。

伪斜柔性掩护支架采煤法区段高度取决于煤层倾角大小、沿倾斜变化情况、采煤技术条件、职工队伍素质、管理水平等因素。目前实际使用区段高度一般为30～50m，当煤层赋存稳定、构造简单时，区段高度可达80～100m。

（1）采煤系统 伪斜柔性掩护支架采煤法采区巷道布置如图5-61所示。

图5-61 伪斜柔性掩护支架采煤法采区巷道布置

1—采区回风石门 2—采区运输石门 3—运料眼 4—溜煤眼 5—行人眼 6—区段回风平巷 7—区段运输平巷 8—初采斜巷 9—收尾眼 10—架尾移动轨迹线 11—架头移动轨迹线 12—采煤工作面 13—溜煤小眼 14—永久密闭墙 15—小眼临时封闭

采区运输石门2掘到煤层后，向上掘进一组上山眼、区段运输平巷7、回风平巷6。在区段范围内，区段运输平巷和区段回风平巷掘到边界后，距采区边界5m处开掘一处初采斜巷。初采斜巷包括溜煤眼和行人眼，两眼间距5～8m，沿倾斜每隔10～15m用联络平巷贯通。初采斜巷贯穿区段回风平巷后，便可从区段回风平巷边界起铺设掩护支架。利用初采斜巷逐步把水平铺设的掩护支架下放到与水平面成30°～35°夹角的伪倾斜位置，形成伪斜工作面，然后在掩护支架下进行回采工作。根据重庆中梁山矿区的生产经验，区段回风平巷至初采斜巷中行人眼的距离应达到5～10m，以保证掩护支架工作面下倒角沿初采斜巷顺利下放。为了溜煤、行人、通风和运料的方便，在工作面下端掘超前平巷（辅助运输平巷），沿走向每隔5m左右，由区段运输平巷向上开掘小眼，与超前平巷贯通。

正常采煤过程中，应安排专人在回风平巷扩巷、采地沟、铺设掩护支架，在工作面下端掩护支架下放到运输平巷时应按作业规程、操作规程要求拆除掩护支架，并及时运至运输石门，经转运后重复使用。

在工作面推进过程中，应在采区上山眼隔离煤柱外侧开掘一对收尾眼，逐步将支架下放成水平位置，然后全部回收。根据重庆南桐、中梁山矿区的生产经验，煤厚小于2m，掩护支架采煤工作面可以不掘收尾眼，而采用沿空留巷方式进行收尾。

1）通风系统。新鲜风流自采区运输石门进入，经运输平巷到采煤工作面。污浊风流从采煤工作面经回风平巷到回风石门排出。

2）运料系统。支架等材料由回风石门运进，经回风平巷运到支架安装地点。

3）运煤系统。工作面破煤经自溜到运输平巷，经刮板输送机转到运输石门，到采区溜煤眼，到大巷装车。

（2）掩护支架的结构 平板型掩护支架是国内使用最早的一种掩护支架，其他形式的掩护支架是在平板型掩护支架的基础上演变而成的。平板型掩护支架的结构如图5-62所示。

图5-62 平板型掩护支架的结构

1—钢梁 2—钢丝绳 3—竹笆 4—压木 5—撑木

平板型掩护支架结构简单，由长度比煤层厚度小0.2～0.4m的直钢梁及钢丝绳构成。钢梁排列密度根据煤层厚度灵活掌握。煤厚在2.5～4m时，钢梁密度为3～5根/m；煤厚在4～5m时，钢梁密度为5～6根/m。钢梁可采用矿用工字钢、U型钢及旧钢轨。钢梁的规格应根据开采煤层厚度选用不同型号。架宽在2m以下时，可选用10号矿用工字钢、18号U型钢、18kg/m钢轨；架宽在2.0m以上时，选用11号矿用工字钢、18号U型钢或24kg/m钢轨。为便于运输，单根钢梁长度不宜超过3.0～3.2m。单根钢梁平板型掩护支架的主要规格为2.2m、2.4m、2.6m、2.8m、3.0m、3.2m。理想适用条件：倾角大于60°，厚度2.4～3.6m，赋存稳定的煤层。钢梁垂直于煤层顶底板，沿走向每米布置4～5根，钢梁间夹方木或荆条捆，使钢梁保持200～300mm间距，排列好后用直径为ϕ22～ϕ43.5mm的钢丝绳、夹板和螺栓将钢梁联接成一柔性掩护体。

钢丝绳根数依据架宽确定。根据河北开滦、安徽淮南、重庆天府及中梁山矿区的生产经验，架宽在2m以下时用4～5根。为了防止钢丝绳松捻，要在其两端封口，每段钢丝绳长度为15～20m，搭接接头处用5～6个绳卡卡牢。钢梁上交替铺设竹笆、荆笆或金属网，并用铁丝与钢梁拴紧，以隔离采空区矸石。竹笆宽度应稍小于钢梁长度，以避免支架下放过程中竹笆挂住顶底板矸石被拉开，而发生漏矸现象。

（3）优缺点及适用条件

优点：

1）工作面倾角变缓，工作面较长，采区巷道掘进量小，煤炭损失少，回采率高。

2）工人在掩护支架下工作，工作安全。

3）利用掩护支架把工作空间与采空区隔开，简化了顶板管理工作，从根本上解决了工作面支柱、回柱的笨重体力劳动，为安全生产和三班出煤创造了条件。

4）煤炭自滑运输，不用人工攉煤，减轻了工人的劳动强度，通风系统简单，坑木消耗量低。

5）采煤工作面工序简单，管理方便。

缺点：

1）掩护支架的宽度不能自动调节，难以适应煤层厚度的变化。

2）采煤工艺落后，工作面基本是单点出煤，机械化程度低。

3）在含有夹石的煤层中使用这种方法，无法排除矸石；工作面煤尘大，工作环境较差。

适用条件：

伪斜柔性掩护支架采煤法一般适用于煤层稳定、厚度变化不大、倾角大于60°、煤层厚度在1.1～8m的急斜煤层。

5.仓储式采煤法

仓储式采煤法是指利用急斜煤层倾角大、煤炭可以自溜的特点，将采落的煤暂存于已采空间中，临时支撑顶底板，供工人站在上面操作，待仓房内的煤体采完后，再依次放出存煤的采煤方法。其实质是利用急斜煤层开采后可以自溜的特点，将采落的松散煤炭暂时储留在采空区，用以暂时支撑采空区悬露的煤层顶底板。为了保持工作面具有一定的工作空间，要把破落后体积碎胀的约占破落煤炭体积1/3的那部分煤炭随时从工作面放出。

根据仓房布置与采煤工作面推进关系，仓储采煤法可分为倾斜条带仓储式采煤法和伪斜走向仓储式采煤法；前者工作面沿仰斜推进，后者工作面沿煤层走向推进。

倾斜条带仓储式采煤法适用于顶板岩石坚硬，能暴露较大面积而不垮落，底板平整稳定；煤层倾角大于50°，煤厚1.0～4.5m，煤质坚硬，不易自燃发火，瓦斯含量不大，无淋水的急斜煤层。

6.其他采煤法

急斜煤层采煤方法较多，除上述几种采煤方法外，还有倒台阶矸石充填采煤法、正台阶采煤法、急斜特厚煤层水平分段采煤法、水平分层及斜切分层采煤法等。

【任务考评】

本课题的考评表见表5-13。

表5-13 任务考评表

【思考与练习】

1.解释专业术语：钢丝绳煤锯走向长壁采煤法、倒台阶采煤法、俯伪斜走向长壁采煤法、伪斜柔性掩护支架采煤法、仓储式采煤法。

2.急斜煤层开采的主要特点是什么？

3.试述急斜单一煤层钢丝绳煤锯走向长壁采煤法的适用条件和主要优缺点。

4.试述倒台阶采煤法的适用条件。

5.试述俯伪斜走向长壁采煤法的适用条件和主要优缺点。

6.简述伪斜柔性掩护支架采煤法的适用条件和主要优缺点。

7.柔性掩护支架的结构类型有哪些？

8.简述沿仰斜推进仓储采煤法的适用条件。