元松明

(潞安集团 潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 忻州 036700)

煤炭资源作为我国能源结构中的主要能源之一，在我国一次性能源生产与消费中长期占据着较大的比例[1]。

随着优质煤炭资源多年持续增量开采，近水平开采条件的老井工矿井正面临资源枯竭，有的已经关井，有的采取缩减产能的措施来延长矿井寿命。为延续已有产能，地质条件差、开采难度大的倾斜煤层，以至还有35～55°的大倾角煤层已陆续被开采[2]。大倾角煤层成煤环境复杂，安全高效开采难度较大，截至2018年10月，通过各类不同的非机械化方法来开采大倾角煤层的矿井仍占较大比例[3]，这就造成大多数开采大倾角煤层的矿井产量与效率低下，安全事故频发，故探究适应于此类煤层的开采技术方法成为亟待解决的问题。而传统式“仓储式采煤法”因其回采率低，安全风险大，煤炭资源浪费严重等原因，已于2008年底被国家安监总局列为禁止井工煤矿使用的工艺，被煤炭开采业所淘汰[4]。目前国内甘肃、宁夏、山东等省份已有部分矿井在尝试大倾角煤层赋存条件下倾斜长壁综合放顶煤采煤方法，而就大倾角煤层长壁工作面岩层控制角度而言，其还需要克服以下关键技术难题[5]：①煤层倾角大，装备难自稳；②倾向矿山压力非对称显现；③下端头支架稳定性控制困难；④综放开采顶煤区化破碎；⑤大采高开采煤壁片帮频发，更有国内各煤田区域不同，煤层厚度、煤质硬度和开采深度等地质条件也不尽相同，这都对探寻大倾角厚煤层的开采方法技术体系带来一定的挑战。本文以潞宁孟家窑煤矿井下大倾角松软特厚5号煤层综采实践中所形成的关键技术进行阐述。

1 大倾角综放工作面巷道设计与设备布置

1.1 煤层地质条件概述

潞宁孟家窑煤矿位于山西省宁武县境内，开采宁武煤田石炭系2号和5号煤层，煤层倾角在18～43°，平均倾角为25°，煤层层间距平均为66.19 m。两个煤层采取联合布置分层开采工艺，2号煤层厚度2.1～4.59 m，平均厚度3.6 m，5号煤层厚度8.4～16.8 m，平均厚度13 m，均采用一次采全高综采放顶煤工艺。

1.2 工作面巷道设计

切眼沿煤层倾角方向布置，切眼长度选择150 m；回风巷道和运输巷道沿煤层走向布置，回风巷道布置在上部，运输巷道布置在下部，高差60～80 m，切眼按伪倾斜布置，用来减缓切眼倾角，一般设计回风巷道尾滞后运输巷道尾15～20 m。顶板采用全锚网(索)支护，用直径D22 mm×3 300 mm，间排距1.0 m×1.0 m基本支护,锚索张拉力200 kN，和D22 mm×8 300 mm,间排距1.8 m×2.0 m补强支护，锚索张拉力250 kN，巷帮支护锚杆采用D22 mm×2 400 mm，间排距0.8 m×1.0 m高强度螺纹钢支护，锚固力180 kN。

表1 工作面回采巷道断面及支护

1.3 工作面设备布置

切眼内布置前后刮板运输机、液压支架和采煤机。切眼内刮板运输机呈下运状态。运输巷道内布置胶带机、转载机和破碎机，以及巷道超前支架，超前支架前在布置20 m单体加铰接梁支护。转载机前部150 m布置电缆和电气列车悬吊及拖移装置，该套系统与胶带输送机平行，悬挂在单轨吊梁上。供液系统采用远程供液，在胶带机头段或车场布置三泵两箱自动配液和反冲洗供液设备，运输巷道布置进回液管路。两巷道辅助运输系统为蓄电池单轨吊机车运转系统。

表2 工作面设备列

1.4 工作面设备特点

1.4.1 大倾角液压支架

架构上增设侧护板、底调机构装置、防倒防滑装置。侧护板采用调护并举的双侧双活箱型结构，使支架侧护板紧贴并主动防滑，当工作面长度发生变化时起调整间隙和掉向作用，顶梁选用整体结构。

1.4.2 大倾角采煤机

选择牵引功率大、制动能力强、强制润滑技术。电控系统采用交流四象限变频调速控制器，行走部齿轮和滑靴采用特殊热处理技术，提高强度和韧性，刮板输送机齿轨和齿轨座轨均采用高强度特殊工艺，滑靴采用锻焊结构；每个牵引部安装2套制动器，整台机组安装4套制动器。在传统的液压制动的基础上，增设机械防滑装置，使大倾角采煤机具有二级防滑机构进而提高制动可靠性；摇臂采用强制润滑和飞溅润滑，在摇臂第三轴处安装齿轮泵向高位泵油；机身大架无托架积木式组合，各大部件之间联接采用高强度液压螺母，方便检修。

1.4.3 超前支架(端头支架)

中置式两架一组端头，端头支架顶梁设计为铰接结构，分为前、中、后三段，支架中间布置转载机，前端与转载机相连，主要用于运输巷道处的顶板支护，支架具备有效的自移、防倒、护顶、调架功能，并具有遮护转载机机尾功能，具有支撑切眼内机头过渡液压支架功能。

2 大倾角厚煤层综放工作面采煤关键工艺技术

2.1 工作面采放循环工艺

工作面采用“全顶铺网，单向下行割煤，以放煤为核心的采煤工艺”。依据煤墙软硬情况，采用“一采一放或两采一放”生产循环。工作面生产循环工艺为：挂网—采煤机端尾斜切进刀—下行割煤—分段追机移架—割通机头—采煤机掉向返刀清理浮煤—机头向机尾方向依次顶前部刮板输送机—后尾梁破网放顶煤—拉后溜—挂网—采煤机端尾斜切进刀，进入下一轮循环。工作面割煤高度控制在约2.8～3.2 m，放煤高度5.2～14.6 m，采煤步距0.8 m，日推进度4刀，日产量约8 000 t。顶部挂双层金属网，网片型号为10 m×1.5 m,网孔5 cm×5 cm。劳动组织采取“三八制”，两班生产一班检修。通常8点班为检修班，接班后前半个班进行后溜放煤，前部刮板输送机联网2排，后半个班检修设备；4点班和0点班为生产班，每班割煤两刀，铺网一排，见图1。

图1 工作面采放循环工艺流程

2.2 几种极端情况的原因分析和处理

2.2.1 刮板输送机上窜

刮板输送机上窜的直接原因：液压支架尾部向下头部向上倾斜角度变大，使得支架推移块与前部刮板输送机底座连接耳夹角逐渐增大，推移杆向上的分力大于刮板输送机下滑力，造成刮板输送机上窜。间接原因：在切眼上半段遇到地质变化，推进困难的情况，由于重产量轻质量的管理模式，造成切眼下半段推进多，上半段推进少，采煤工程质量有所下降；第二情况为切内眼煤层倾角增大，工作面长度相应增加，支架摆向调整不及时，刮板输送机机头卸载位置距离转载机中心远，出现搭接不上的情形，刮板输送机开始上窜。

刮板输送机上窜会造成卸载困难，拉回煤严重，大链和刮板阻力加大，容易造成底链卡阻甚至断链事故。

调整方法：调整工作面采斜，多割机尾少割机头，改变顶溜顺序，从机尾向机头方向顶溜，同时通过液压支架侧护使支架摆向，液压支架尾部向上，头部向下，逐步增大推移杆与前部刮板输送机机头方向夹角，实现刮板输送机向下移动。调整过程中，可根据溜槽搭接情况选择在机头增加溜槽，或机尾减少溜槽，调整完成后将机头拆除增加的溜槽等工序环节，若因工作面长度变长造成端尾支架距上帮煤墙超过1.5 m，需要及时考虑增加液压支架数量确保端尾顶板有效支护，见图2。

图2 上窜支架调整示意

2.2.2 刮板输送机下滑

刮板输送机下滑的原因与刮板输送机上窜的原因相反(这里不再叙述)，刮板输送机下滑的结果是刮板输送机机头距离转载机中心近，甚至靠近转载机溜槽下帮，使得卸载困难，同时影响后溜拉出来的煤或矸石的通路，需采取抬高前部刮板输送机机头，或者缩溜等措施。另外刮板输送机下滑，还可能造成转载向下靠，超前架紧靠运巷下煤帮现象，造成超前架移架困难，甚至需要扩巷工程，来解决走架宽度不够的问题。

调整方法与刮板输送机上窜调整的方法相反。

2.2.3 支架挤架

切眼中间段局部液压支架侧护间隙伸缩为零，支架顶梁出现挤架无法移架现象。间接原因为切眼坡度不是直线而是变为下凹弧线，底座间隙大顶梁间隙小；或工作面机头机尾两头推进多，中部推进少，出现后凹弧线，见图3。

图3 凹形工作面支架调整示意

调整方法：①遇下凹弧线，低凹段采取吊溜垫木料方式，从低洼处向两头逐步调整,调整过程中将液压支架侧护伸缩量保持在150～200 mm,最终将刮板输送机和支架调成一条直线；②遇后凹弧线，采取采斜方式从机尾开始向上调架，加大中部推进量，逐步将刮板输送机和支架调成一条直线，调整过程中将液压支架侧护伸缩量保持在150～200 mm。

管理措施上，要强化采煤机司机的工作质量考核，越是遇构造等条件困难时，越要保证整刀推进，降低产量衔接安排，减少推进循环刀数，以工程质量为主要考核对象，坚持整刀推进，保证刮板输送机、支架、煤墙“三直两平”。

2.2.4 支架倾斜甚至倒架

支架倾斜的可能原因有：①采高超过规定，支架结不了顶，支架本身在斜面上，初撑力不足造成倾斜加重；②顶煤漏冒，支架结顶不实，也会造成支架倾斜；③底板松软，喷雾水流冲刷，支架底座触底不实，初撑力不足造成倾斜；④切眼底板局部遇构造，底煤留不住，支架站不稳，造成倾斜；⑤局部底板鼓起，刮板输送机底板、支架底座也随之鼓起，支架顶板组合弧线拉长变长，顶梁间隙大于底座间隙，造成支架倾斜。

支架倾斜角度超过42°或以上，且初撑力达不到规定值，就认为支架发生倒架事故。支架倾斜甚至倒架造成工作面推进困难，设备变形，作业安全风险太大，影响时间一般长达连续3～6月，有时会更长。

发生支架倾斜采取的调整措施：①分段人工造假顶，铺网、上木料、注充填料或加固料，配合打设长锚索吊顶，采用油缸、大链、防倒防滑吊装耳，人工向前走架，走架后继续采用防倒防滑装置固定，防止支架下滑。

发生倒架采取的调整措施：工作面分段人工二次扩切眼，采用锚杆、锚索、双层金属网支护；坡度较大区域增加钢丝绳，按照工作面回撤措施进行支护。其次，将支架推移与刮板输送机连接销摘开，人工顶溜，逐架扶架拉架，拉架过程中确保每次支架初撑力逐渐增加，不发生二次倾倒。二次扩切眼每次步距2.0 m，长度10～20 m，一般需要3轮前进6 m，才能将支架钻入顶底板之间，才能将支架扶起。

2.2.5 采煤机下滑

采煤机下滑的原因有：①制动器摩擦片已磨损超限，制动力不足造成采煤机下滑。②切眼坡度变大采煤机上行驱动力不足，变频器工作状态由第一象限转向第四象限时，液压制动时限配合不好，造成采煤机下滑；③变频器没有工作，液压抱闸已发令打开，操作失误，造成采煤机下滑。采煤机下滑可能造成牵引电缆拉脱，行走部齿规轮扳齿等事故。

采取措施：周期性检查和试验采煤机液压制动，轻微下滑或制动不了应立即查明原因，更换损坏配件。遇坡度较大采煤机上行困难时，不再强行爬坡，采用人工扩切眼方法替代采煤机割煤，采煤机司机必须严格按照采煤机操作规程作业，防止误操作造成采煤机下滑事故，另外，在采煤机行走过程中，必须安排专职电缆看护工对履带进行看护，防止履带夹被挂住或者电缆突然下滑造成电缆损坏和人身伤害事故。

3 综合关键性预防措施

大坡度综采面工作面出现的刮板输送机上窜、下滑，液压支架挤架、倾斜、甚至倒架，均为较大生产事故，但是调整工作面和处理该类事故时间之长，影响之大，处理过程中的难度和复杂程度均超乎想象，频繁加减溜槽、加减支架、人工掘进，人工扶架等给安全带来很大的事故隐患。因此，超前预防，超前调整，采取有效关键性预防措施才是关键。以下为大倾角工作面采煤的主要预防措施：

1) 严格落实采高管理，特别是新安装工作面出切眼找底板时的采高管理。

2) 严格铺顶网联网质量，走架过程中保护网片不要挂网撕网，防止出现顶煤漏冒现象。

3) 严格控制前部刮板输送机机头与转载机搭接位置距离，根据工作面坡度变化及时采取调小斜，提前改变支架摆向角度，以及推溜顺序，防止刮板输送机的上窜与下滑。

4) 严格落实“三直两平”工程质量管理。工作面越是遇困难条件(过断层、过陷落柱、过夹矸)，越不能绕着走，更要采取综合管理措施，整刀推进。

5) 严格落实支架初撑力的管控。泵站系统必须能够不间断正常工作，乳化液浓度和压力达到规定要求，工作面使用的水质符合要求，条件允许使用纯净水供液。每组支架均安装压力表，压力必须达到规定值要求。每班安排专人进行补液增压作业。

6) 严格落实放煤管理。工作面采取多轮分段放煤，既要保证放煤回收率，也要防止将矸石放出，最主要是要防止放煤过量造成支架顶空切顶线前移。

以上措施都是在11204、11205、11506等工作面回采过程中，出现多次刮板运输机上串下滑，断链、及挤架、倒架的事故中不断摸索和吸取国内大倾角工作面采煤成功经验。通过在11505工作面的全面应用，从未发生倒架现象，而且工程质量大幅度提升，已形成平均每天推进4刀，产量稳定在8 000 t水平。

4 结 语

虽然我国在大倾角煤层开采技术与装备层面还存在诸多难题，但只要深入不懈的研究，大倾角采煤工作面的几种极端不利因素就是可以预防和控制的。潞宁孟家窑煤矿大倾角厚煤层综采放顶煤采煤关键技术在生产实践中已得到了良好的应用，具有一定的推广性。而对于未来大倾角厚煤层的开采，还需要更多的研究者与生产技术人员立足于不同矿井的现场实际，深入探索和不断总结经验，进一步提高此类煤层开采安全性与高效性。