薄煤层开采工艺探讨

引言:

扩大综采的应用范围、提高综采的经济效益，实现薄煤层高产高效是煤炭工业科技发展的一项重要目标。由于各地地质条件不同，煤层厚度不同，世界各主要采煤国家都在积极发展适应薄煤层条件下的高产高效综采设备，美国、澳大利亚、德国、英国等国家发展尤为迅速，日产超过万t的工作面数量逐年增多，而且产量纪录不断刷新，使薄煤层采煤综合机械化的发展进入了一个新时期。

美国长壁综采工作面的产量处于世界领先地位。在美国现有的长壁综采工作面中，有15％的工作面平均班产超过6000t，相当于年产400多万t水平，个别工作面月产已超过80多万t，所配备的液压支架工作阻力大部分在7000~8000kN，个别达到9800kN，有87．5％的工作面配备电液控制系统，配套设备均为大功率电牵引重型采煤机组和大功率、大运量、高可靠性刮板运输机。美国井工开采煤层厚度不大，从最小开采厚度到0.9 m的占10.45％，0.9~1.2m的占16.45％，1.2~1.5m的占19．31％，1.5~1.8m的占19.11％，1.8~2.1m的占14.74％，2.1~2.3m的占1.71％，2.3~2.6m的占7.93％，大于2.6m的占10.31％。有26个煤厚在1.3~2.0m的综采工作面最高年产2.86Mt，工作面效率411t／工。说明使用大功率综采设备在采高较小的煤层条件下，完全能够取得良好的技术经济效果。

近年来，我国薄煤层开采取得了一定的进展。辽宁铁法煤业集团开发

的薄煤层高产高效自动化工作面，采用了刨煤机获得成功。使用了国产的液压支架，德国DBT公司生产的刨煤机和电液控制系统，在煤厚1.5m时平均日产3712t，最高达6480t，生产能力可达120～150万t/a。

枣庄田陈煤矿用国产综采设备开采1.1m的煤层，最高日产达3504t，基本达到了年产百万吨的能力。

新汶矿务局对薄煤层进行了钻采法试验，取得一定成效。

我国薄煤层的开采经历了三个发展阶段。第一阶段：50年代我国在薄煤层中主要使用炮采工艺。第二阶段：60年代开始使用深截深截煤机掏槽爆破落煤，平面环行式薄煤层输送机运煤，人工装煤，木对柱或丛柱支护顶板，回柱绞车放顶的工艺系统。在鸡西、淄博等矿区出现了爬底式改装MLQ—64型薄煤层采煤机，工作面单产达6000～8000t/月，回采工效达2～4t/工，比炮采工作面提高了0.5~1倍。第三阶段：70年代以来，薄煤层机组得到了较大的发展。1974年开始研制新型薄煤层采煤机。80年代以来单体液压支柱的成功应用，促进了薄煤层机组的发展。BM—100、MLT—150、YRG型等采煤机等相机出现，并在鸡西、双鸭山、七台河、开滦等局使用，取得了较好的技术经济效果，使产量和效率都有了很大提高。

1、薄煤层开采的特点

薄煤层由于其开采厚度较小，与中厚及厚煤层相比，开采主要存在以下特点：

1.1 煤层薄、采高低、煤质硬、劳动效益低

煤层厚度多在1.3 m 以下，并且华南地区龙潭组、东北侏罗纪煤层多

不足1.0 m ，并且煤层硬度多大于3～4，使得人员进入或在工作面内作业以及设备移动都十分困难，采煤机经常需要挑顶或割底，机电事故增多，工作面内的工作条件差，劳动强度大。煤质相对较硬，炸药、截齿、刨刀的吨煤消耗量较大，回采成本较高。

1.2 采掘比例大、掘进率高，采掘接替紧张

随着刨煤机、螺旋钻机等设备的投入，工作面推进加快，而回采巷道多为半煤岩巷，综掘设备难以投入，放炮也不能一次全断面爆破，煤矸分装，掘进速度很慢，造成工作面接替紧张。

1.3 煤层的厚度、角度变化，褶曲、断层等构造对采煤方法影响很大 由于薄煤地质条件及赋存状况较复杂，一有褶曲或断层就很难布置巷道，掘进送面时提前圈切眼，致使工作面缩短，回采率降低；或者回采时搬家重新送切眼，使得回采效率降低，很难有效益。

2、薄煤层高产高效开采技术的探讨

基于以上薄煤层开采的特点，从一开始采区巷道系统布置到回采工艺的选择、到安全技术措施的实施，应该进行综合考虑，优化设计，而这一切又必须以精密准确的地质资料为依据。

2.1 合理划分采区，优化采区巷道布置

对于厚薄搭配开采或开采保护层的矿井，在地质条件基本明确的条件下，采区尺寸尽可能加大。在以前所进行的采区划分，确定采区尺寸重点着眼在采区运输设备的适应性上，所划分出的采区走向都较短，一般限制

在2 000 m 以内，在倾向上利用煤层群组作为采区境界。以上两种划界办法使采区内可采煤层走向长度及可采煤层数减少，限制了采区生产能力的提高，缩短了采区服务年限，造成矿井采区接续紧张。鉴于此，建议在地质构造较好的地段，两翼采区走向长度达到4 000 m，同时，尽可能加大煤层层组的划分范围，增加采区内的可采煤层层数。这样，增加了采区储量，提高了采区服务年限。

对于厚度为1.0～1.3 m、地质条件比较好的矿区，如大同矿区侏罗纪7#，8#，9#，12-1#，14-3#层，兖州矿区北宿矿、杨村矿，采区走向尽可能长，采区一翼应不小于1500 m，对于层间距不大于20～30 m、顶板比较稳定的煤组，应划为一个采区；对于厚度低于1.0 m、或赋存不稳定的矿区，如华蓥山矿区、徐州矿区，地质条件复杂，断层切割严重，多属高瓦斯或突出地区，采区一翼走向不超过600～700 m，但也不应小于300 m。

采区巷道布置的优化应本着方便生产，减少巷道工程量，不片面追求多送煤巷的原则进行，对于厚薄配采的采区，生产能力一般不超过70 万t/a，运输量小，因此考虑将3 条上(下) 山布置简化为机轨合一上(下) 山布置。这样既可以减少巷道工程量，减少采区上(下) 山煤柱，又可以减少上(下) 山之间的各种联络巷道，巷道系统相对简单。对煤层群布置的机轨上(下) 山，为不受采动影响，应布置在岩层中。但是如果薄煤层处于煤层组的最上层或最下层、且层间距大(一般大于50 m) 时，可以沿薄煤层布置运输上山、轨道上山，三或四个区段(采面) 共用一个煤仓、一个轨道石门的方式，与采区运输上山、轨道上联系。这样可以减少施工全岩巷道、减少皮带搬家次数和投入、经济效益显著。

2.2 采煤方法的选择

薄煤层中一般采用壁式采煤法，国外也有采用柱式采煤法，但在我国试验效果不好。壁式采煤法在薄煤层中多是跟顶一次采全高，故在这里就前进、后退两种采煤方法的优缺点进行比较，以此选择合理的采煤方法。

后退式采煤法工序简单、推进快、利于上大功率机组设备、不保留工作面后部上巷，通风系统容易维护，但后退式采煤法事先要求了解煤层赋存情况，以便于准确送巷圈面，其次是工作面上下顺槽为半煤岩巷，而工作面推进快，综掘机组难以施工，即使炮掘也不能全断面一次爆破，致使采掘比例增大，一般为2～2.5。前进式采煤法工作面准备时间短、缓解采掘紧张，回采巷道服务时间短、维修次数低，运输巷掘出的矸石不需要升井，直接码石墙，但前进式采煤法运输巷掘进超前工作面4 m 左右，机头空间狭小，工序复杂，如果为高突煤层，则必须事先打探放钻孔，采空区如果石墙质量不好，容易漏风，其次过断层或隐落柱时，必须先探明煤的走向。

通过对两种方法比较，认为地质条件较好、采掘接替不紧张、生产能力大的采区，应采用后退式采煤法，如同煤集团晋华宫矿、铁法集团小青矿、新汶集团鄂庄煤矿三采区15#层；而采掘接替紧张、断层切割严重、通风能力富裕的采区则采用前进式采煤法，如七煤集团东风矿二采区、乐山龙池煤矿K4煤层等。

2.3 采煤工艺及设备的选择

回采工艺选择的合理与否是采煤面高产高效的决定性因素之一，它与

设备的选择、员工的综合素质、煤层倾角有关。尽管采煤机械化水平是煤矿高产高效的必由之路，但薄煤层地质复杂，遇构造难以通过，故应根据实际情况选择合理的采煤工艺及参数，否则会出现采煤机组不适应地质条件或不配套、劳动作业循环不容易组织等情况。

对煤厚在1.0～1.3 m、赋存简单的缓倾斜或倾斜煤层，选择综合机械化开采是最佳选择，结合现国内薄煤层刨煤机开采的实践，应用刨煤机全自动化开采系统是实现薄煤层高产高效的有效途径。由于采煤机截深大，自重不足，且有时需要挑顶割底，截齿磨损严重，因此选用浅截深、速度快、适应性强的刨煤机综采工艺是1.3 m 以下煤层高产高效的首要选择。铁法集团小青矿WE-703 综采面选择德国DBT 公司制造的GH9 - 34VEP4. 7 滑行刨，及PEZ. 30P732 刨头运行轨道系统、液压支架PM4电液控制系统，配套国产ZY- 6400P09P200 掩护支架、SZZ- 764P160 转载机，平均日产3 417 t，最高日产5 300t，达到了年产120～150 万t 水平，实现了薄煤层开采的高产高效，创造了国内薄煤层开采史上的最高水平。

对煤厚在1.0～1.3 m、赋存复杂或1.0 m 以下的倾斜煤层，如果员工素养比较高，优先选用螺旋钻采煤机。螺旋钻采煤法是一项新引进的技术，前苏联、西德1970 年后就大量使用，它适应于开采厚度0.45～1.5 m、倾角12°～15°以下的煤层，该采煤工艺的特点是“二无、五高、五少”，即工作面无人、无固定设备；资源回收率高、劳动效率高、经济效益高、安全系数高、投资回收率高；系统环节少、用人少、掘进率少、设备配置少、材料消耗少。山东新汶矿业集团潘西矿1701 工作面、南冶矿2000年从乌克兰引进两台BSHK- 2DM 螺旋钻采煤机，在上下顺槽中采煤，每班7 名

作业人员，实现了单面单钻月产5 800t 、工效10 t/工，最大钻进85 m，使薄煤层的回采率从30 %提高到80 %。因此对于比较复杂的煤层，螺旋钻采煤法是一种极为有效的技术，应予以推广。

炮采工艺是当前薄煤层开采中最为常见的回采工艺，适应性强、灵活多变，但存在工人劳动强度大、回采率低、遇夹矸推进慢、工作面安全度低、运输环节复杂等缺点，因此要想实现高产高效，必须简化作业环节，改进作业技术。首先根据煤层厚度布置炮眼，煤层低于0.6 m 布置单排眼，在0.6～1.0 m 布置三花眼，并根据煤层硬度确定炮眼间距。

2.4 巷道断面积及支护方式的选择

根据对东北某地区薄煤层井巷统计，60 %巷道中高普遍不足1.8m，断面积不足5.0 m2，有时即使中高达到1.8 m，由于煤层倾角较大，下帮侧往往仅有1.4～1.5 m，如果在上帮悬挂水管或风筒，造成巷道断面缩小，严重影响工作面运输、通风，从而威胁井下的安全生产，而且回采巷道的多次返修，还是造成煤炭企业亏损、采掘接替紧张的主要原因之一。

据此，可以分为几种情况考虑：

（1）对综采工作面、高档普采对拉工作面和使用螺旋钻的工作面，巷道净断面按正常通风、运输要求选择，一般不小于6 m2

（2）对煤厚多低于1.0 m，构造比较复杂的炮采工作面，在保证通风、运输的前提下，巷道断面一般不小于4.0 m2，中高可以低于1.8 m，由于围岩移近量小，巷道变形小，故多采用锚杆或木棚支护，但是必须勤加固锚杆或勤检查木棚折损情况，防止巷道片帮冒顶。

（3）由于采动影响，必须在工作面前方30 m 范围超前支护，建议上巷采用单体液压支柱加金属铰接顶梁，上下贴帮各打一排，中间根据矿压大小打一到两排；下巷采用长2.5～3.0 m 的工字钢加单体支护，在保证行人和转载机运输的前提下，靠下帮750mm补打一排单体，上下巷沿巷道走向单体排距110m，这样不仅能回收支护材料，还能保证足够的支护能力。

（4）为了提高资源回收率，薄煤层中多采用沿空留巷或沿空送巷，需要进行巷旁充填。对瓦斯涌出量低于5 m/min 的回采面，可以码石架涂抹黄泥充填；而对于有邻近层、瓦斯涌出量高于5 mPmin 的回采面，可以采用高水速凝材充填，这样既保证巷道净断面，又能够减小采空区漏风。

3、小结

薄煤层中实现高产高效是能够实现的，关键是根据煤层赋存实际考虑，不过在1.0 m 以上、赋存简单的煤层中，选择以刨煤机机组的综采工艺，在1.0m 以下或赋存复杂的煤层中，选择以多台螺旋钻机组的采煤工艺，是未来薄煤层中实现高产高效值得推广的技术体系。同时，我国大多数薄煤层矿井现缺乏的是有效的设备和高素质的人员，这是急需解决的问题。

大倾角薄煤层综采设备配套设计

随着综采技术的进步，应用采煤机实现大倾角薄煤层综采已成为可能。关键是处理好输送机的防滑和支护设备的防倒防滑，采煤机的防滑，以及预防煤块和矸石的飞溅伤人等。

1、极薄煤层采煤机的改进

采煤机的装煤效果和滚筒直径有密切关系， 采煤机滚筒直径越大装煤效果越好， 在采高允许的情况下， 尽量加大滚筒直径是提高装煤率的有效办法。但在极薄煤层条件下， 煤层薄， 采煤机滚筒较小， 装煤效果差， 是采煤机普遍面临的难题。为解决这个问题， 将滚筒向采空区一侧靠拢， 减小采煤机综采横向断面尺寸， 减少煤壁到输送机中心线的距离。

薄煤层采煤机由于垂直空间受到限制， 纵向尺寸减少， 其模块化设计普遍采用侧面开箱式结构，截割电机变速齿轮部分普遍较宽， 摇臂结构普遍做成下弯折形而非直线形。

这种结构在较厚煤层中使用较好， 加大了卧底量， 但在薄煤层中， 摇臂和底板近似水平， 滚筒外缘和摇臂变速部分外缘直径差值小， 弯折摇臂最高点极易和顶梁产生碰撞， 造成采高逐渐降低。为了避免这种情况的发生， 对薄煤层采煤机摇臂进行了直线性改造。薄煤层工作面顶底板条件普遍较好， 采煤机摇臂的直线化处理减小了较低采高时碰撞的发生， 优化了支护设备的结构， 使得当支架高度降低时顶梁有后移的趋势， 为摇臂腾出足够的空间。另外， 将推移千斤顶行程加大， 在采高较小时增加有效推移距离， 这样既有利于增大行人空间， 又能防止煤层较薄时设备碰撞的发生。

2、大倾角极薄煤层液压支架的设计研究

大倾角极薄煤层综采配套设备由于行人空间有限， 在行人通道上不能布置液压阀件和管路， 在满足使用要求的情况下力求直径和流量的最

小化， 特别是在大倾角条件下， 防倒防滑千斤顶数量多， 管路复杂， 管路布置不好， 容易挤压胶管。重视液压管路的布置是发挥大倾角极薄煤层液压支架性能的前提。在布置管路时， 如果条件允许， 可在液压支架结构件内部设计圆孔， 胶管布置在结构件内部，能够有效防止挤压等一系列问题。薄煤层支架结构一般采用双前连杆结构， 为推移装置留出足够的空间。平衡千斤顶一般安装中挡， 也可考虑布置两个边挡。大倾角煤层综采设备的防滑是一个不容忽视的问题， 薄煤层条件下如果采用传统的防滑办法将会给行人空间带来极大的不便， 通过液压支架推移装置的改造有效地避免占用行人空间， 解决了输送机的下滑上窜问题。大倾角薄煤层条件下， 搬家倒面时， 要求液压支架双侧活动侧护板能更好地适应大倾角工作面方向性的要求， 侧护调架千斤顶不含有传统的弹簧套筒装置， 当大倾角支架出现下滑歪斜时， 依靠顶梁和底座的调架千斤顶实现支架的调整， 进而实现其他综采设备的调整。

大倾角极薄煤层工作面受空间限制， 在输送机布置上可采用单电机机头驱动。由于倾角较大， 煤块受自重下滑分力影响， 能够实现自动下滑， 单电机机头驱动电机实现输送机的回链， 驱动部位于工作面上巷侧， 下巷一侧是简易链轮装置， 空间大，便于实现与转载机的搭接过渡。过渡支架位于上巷一侧， 对于下侧工作面来说， 虽然支架没有了掩护电机的需要， 但大倾角综采设备的稳定性关键在于工作面下侧设备的稳定可靠性， 为此在下侧支架上增加防倒防滑装置。

3、小结

随着国内高强度板材的研制成功和国内综采设备制造工艺水平的提高， 实现极薄煤层综采的有关设备各项瓶颈问题逐渐得以研究解决， 但是极薄煤层的配套关系比厚煤层综采复杂， 特别是在采煤机做了模块化纵向尺寸加大改进后， 传统观念上单纯依赖于减小薄煤层液压支架顶梁厚度已经不是解决问题的办法， 这种配套关系对所有相关设备都提出了更高的要求， 特别是在大倾角极薄煤层工作面中， 研究如何在不占用行人空间的情况下实现综采的顺利推进， 具有深远的意义。

单体柱支护存在问题及采取的安全措施

1、单体液压支柱支护工作面适用条件

（1）工作面煤厚变化不大，采高在0.5～1.2m 之间，与单体柱长度相当。煤厚变化大时，需频繁调换柱子支护，造成工作效率低，当柱子不适用于采高时，可能使工作面存在不同支护材料的支柱。

（2）工作面顶、底板规则，不出现大的变化，不能过于软或破碎的岩层，否则要穿鞋、带帽、背顶。顶板冒落情况良好，冒落后不影响支柱回收。

（3）采面上、下运巷必须完好，有2 个下出口及1 个上出口。实现高位贯通布置采面，并且在采面推进时要保证上出口不消失，因此最好是在沿煤掘进巷道布置。

（4）煤层倾角小的缓倾斜回采工作面，如采取了一定的安全措施后，使用范围可扩大到倾斜回采工作面。

（5）单体面建面和撤面时需建设泵站等，所费工时较大，所以工作面需有一定的可采储量，以满足服务年限要求。

2、推广应用取得主要成效

（1）改善作业环境，工作面安全效果大大提高。解决了木支护初撑力不够，放炮易倒柱，补柱工作量大，安全无保障的问题。切顶效果良好，单排密集柱可把顶板切在采空区，人在密柱区内作业比较安全，大大提高了采面顶板支护强度。

（2）单体柱操作简单，缩短了支护工序时间，工人的劳动强度大大降低。正规推采时，只需从3～4m 处移动支柱就行了，不需从上风巷搬运木头到工作面，减少了坑木上采面搬运和支护时砍锯坑木的工作量；不需用大锤加固柱子，只需注液加压后自动升到顶板；减少支护时间，有效提高了劳动生产效率。

（3）工作面的回采率有明显提高。使用木支护时，工作面回采率一般在85%-90%。单体液压支柱方式采用无煤柱开采，工作面无需设煤柱，回采率可提高到97%以上。

（4）明显提高工作面的单产及采煤工效。与使用木支护工作面相比，使用单体液压支柱后月单产可提高500～1000t。由于不用抬木头、锯木头和点柱支护，大大缩短了支护的工作时间，采煤工效可提高到4.0t/工以上。

3、存在问题及解决

在急倾斜工作面推行单体支柱管理顶板，必须密切关注中部以上顶板压力变化情况，尤其是初次来压和周期来压步距。龙潭煤矿37# 试验工作面初次来压步距约65～70m，周期来压步距约35～40m。顶板破碎时随采随冒，当新建工作面推进到65m 时，采面开始出现压力显现，紧接着初次大面积来压下顶。初次来压下顶后，基本上每推进35～40m 出现周期来压显现。当初次来压和周期来压时，顶板的下沉量相对于其它正常开采时间段要大得多，由于支柱保持有效支撑状态，刚性支柱就把顶板“刺破”，使支柱帽周边的顶板变碎掉落。支柱帽周边围岩漏空后，支柱不吃劲了就失

效倒下。失效到一定面积后，该处顶板就跟着下来，由于坡度大，冒落下的顶板会下滑，把支柱冲倒并埋压，甚至垮面，既影响生产进度，又不利于安全作业。

管理问题，如找不到可靠且行之有效的办法，减少空区顶板下沉量对采场支柱的影响，单体面建设推进将受阻。要解决这一问题，可用充填空区的办法。经初步试验和实施，效果显著。人工充填空区的措施，减缓了空区下沉量和矸石对密集支柱的冲击作用，使人员能安全作业。

合理组织施工，实施俯伪斜走向密集充填采煤法。单体面的劳动力尽量达到每班15 人或以上， 并配备专职机电工。每月回采作业20d，10d 进行上运巷充填矸碴。每回采班全斜长应推进1m，每推进5m 后开一上出口，并开始填矸。班产必须达到60～80t，才能保证员工收入，从而稳定员工，实现单体面高产高效良性循环。

刨煤机：0.6～3m 螺旋钻：>0.4m 液压支架：0.6（0.8） 单体支柱：0.4（0.5） 采煤机：0.5（0.45）