CN112483087A - 一种急倾斜煤层的开采方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及煤炭开采技术领域，具体公开了一种急倾斜煤层的开采方法，包括以下步骤：第一步，布置长壁后退式采煤工作面；第二步，安装金刚石串珠绳主机；第三步，安装导向部分；第四步，安装金刚石串珠绳；第五步，开动金刚石串珠绳主机。本专利的目的在于解决煤矿开采大于45度斜角的煤层的问题。

Description

一种急倾斜煤层的开采方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，特别涉及一种急倾斜煤层的开采方法。

背景技术

急倾斜煤层储量占我国煤炭总储量的4％，南方地区80％的矿区赋存有急倾斜煤层。由于急倾斜煤层开采条件的特殊性，目前国内急倾斜煤层开采一直是采矿技术中的难题，研发本技术，对提高煤矿急倾斜煤层的产量及工效，降低煤矿工人劳动强度，确保煤矿安全生产，提高煤炭资源回收率具有重大意义。

现有的煤矿急倾斜煤层常用的开采方法及技术缺点如下：

1.柔性掩护支架采煤法，该采煤方法的主要缺点有：

⑴支架结构不完善，不能在下放过程中适应煤层厚度的变化，倾角的变化也不能太大。要求煤层赋存比较稳定，否则会对开采造成很大困难。

⑵这种采煤方法在厚度为2～8m、倾角为60°～70°的煤层中使用效果较好，在厚度超过10m和倾角小于60°的煤层中使用比较困难。

⑶工艺虽然简单，但难以实现规模化回采，并且拆装支架的劳动强度较大。

⑷在掩护支架下采煤，支架将工作空间与采空区隔离，在回采过程中不能排除矸石。当煤层含有夹矸以及煤层变薄需要破底时，会降低煤质。

(5)掩护支架的结构固定不能调宽，对煤层厚度、倾角等开采状况变化的适应性较差。

(6)工作面基本上是单点出煤，限制了这种采煤方法各项技术经济指标的进一步提高。

(7)采用放炮落煤，放炮时容易崩坏架子和两帮煤台，造成架子下落失常，局部窜矸。

2.俯伪斜走向长壁分段密集采煤法，该采煤方法的主要缺点有：

(1)工作面支、回柱工作量较大，工人操作不便，且劳动强度大，区段煤柱损失较大，约占区段煤量的15％左右，分段走向密集下方的“三角区”通风较差，易积存瓦斯。

(2)该采煤法只适应煤层顶板中等稳定，工作面采高不超过2m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急倾斜薄及中厚煤层。

3.仓储式采煤法，该采煤法的缺点是：

(1)当采用仓间留煤柱的倾斜条带布置方式时，巷道掘进率高，煤尘飞扬；当顶板有淋水时，仓内的煤炭不易放尽；当煤层较坚硬时，溜煤小眼容易被大块煤卡住。

(2)该采煤法只宜用于地质构造简单、顶底板岩层较稳固、顶板无淋水的急倾斜煤层。不宜用于瓦斯涌出量大、自然发火期短的煤层。

(3)该采煤法煤炭资源采出率较低，煤质不易保证。

4.长孔爆破采煤法，该采煤法的缺点是：

⑴产量低，一个工作面只能单点作业，且打眼与出煤不能平行作业，出煤时间过于集中，不利于均衡生产。

⑵煤质难以保证。尤其当煤层较薄、顶底板较破碎时，由于炮眼方向难以准确掌握，造成顶板或底板的破坏而形成煤矸混合，影响煤质。

⑶部分乏风易进入采空区，不易通风管理。

⑷这种方法只能用于顶底板比较坚硬，无煤尘爆炸危险的低瓦斯矿井。

5.水平分段放顶煤采煤法，该采煤法的缺点是：

⑴适应性不强。对于煤层厚度沿走向变化较大，断层较多，厚度小于20m的急倾斜煤层均不适用。

⑵机械设备初期投资大，初期投资远大于其他任何急倾斜煤层开采方法。

⑶设备搬运和安装比较困难，工作面长度必须保持不变，因此而造成煤的损失大。

⑷煤尘大，危害工人健康和安全生产。

(5)只适应于煤层倾角大于45°煤层厚度大于20m的煤层，

(6)只适应于中硬(硬度f<2.0)和中软(硬度f≥0.8)的煤层，当硬度f≥2.0以上时需要使用放炮强制落煤措施，不能保证安全。

6.倒台阶采煤法，该采煤法的缺点是：

⑴这种采煤方法不利于实现采煤机械化，劳动强度大，劳动生产效率低，顶板管理工作量较大。

⑵坑木消耗比较大，在台阶上隅角处容易积聚瓦斯。

⑶工艺多，操作复杂，支护技术要求高，煤尘大，安全性差，技术经济指标低。

7.钢丝绳采煤法，该采煤法的缺点是：

(1)这种方法需要在采煤工作面运输巷和工作面回风巷分别安装绞车，煤矿安全规程明确规定高瓦斯矿井严禁在工作面回风巷安装机电设备。

(2)该方法采用在单根钢丝绳上加装自制六轮刀头上下拉锯式运动切割煤层，若煤层松软，煤炭容易自落压住刀头导致钢丝绳无法上下运动。

(3)该方法采用上下绞车一拉一放及一放一拉实现拉锯式运动，要求上下绞车司机必须协调一致同步拉放，绞车司机操作难度极高几乎不可能实现上下同步，容易拉断钢丝绳。

(4)该方法采用干式切割，切割时容易产生粉尘及火花引发瓦斯和煤尘爆炸事故。

(5)切割后的煤层需要利用煤层顶板应力破坏才能实现切割后的煤层下落，若煤层顶板坚硬不易垮落，切割作业就必须停止，工作面无法实现稳定生产。

(6)煤层和顶板同时下落，导致煤炭和矸石混合，严重降低煤炭质量。

(7)煤层容易黏贴顶板和底板降低煤炭回采率浪费煤炭资源。

(8)煤炭部分呈粉末状不利于自溜运输，自溜过程中会产生大量粉尘容易引发煤层爆炸事故。

(9)切割速度慢产量低。

8.综合机械化采煤法，该采煤法的缺点是：

(1)该采煤法俗称(综采)，是采用液压支架支护、采煤机割煤、刮板运输机运输，该方法机械设备初期投资较大(单个工作面投资5000万元以上)，初期投资远大于其他任何急倾斜煤层开采方法的投资。

(2)工作面设备安装十分困难，成本高，进度慢、安全威胁大。

(3)国内外现有采煤机最大适应倾角均小于45°，若采煤机强行用于45°以上急倾斜煤层开采，采煤机行走轮容易断齿、导向滑靴容易损坏、牵引箱内齿轮容易断齿，牵引行走系统容易出现故障，若行走机构断齿或电机断轴时，都会造成采煤机飞车带来严重安全后果。

(4)采煤机运行时，电缆、防尘和冷却水管紧随采煤机在电缆槽内往返运动，采煤机下行时容易出现管缆多层重叠、突然急速下滑，造成管缆崩断，危及人身安全，甚至引发瓦斯爆炸事故。

(5)工作面为了保障安全，行人空间和采煤机运行空间完全封闭隔离，而采煤机参数显示设计在机身上，采煤过程中，为了观察采煤机运行情况和参数，需要打开封闭隔离防护装置，由于工作面倾角太大，飞矸严重，采煤司机和工作面作业人员容易被矸石砸伤；

(6)由于上行牵引力不够、防滑问题没有得到有效解决，采煤机在煤层倾角大于45°时只能在下行时割煤，上行时跑空刀，不能充分发挥机械化设备的能力，产量受到限制。

(7)液压支架稳定性较差，容易下划，液压支架的架前挡矸板容易被自动卸载下降的支架损坏。

(8)工作面运输机销排节距小导致采煤机的行走能力不够，运输机机头传动装置垂直布置，横向断面尺寸较大顶板难以管理，急倾斜工况下减速器的润滑存在问题刮板容易损坏，

(9)大多数煤矿急倾斜煤层综采工作面采用伪仰斜布置以解决设备下滑问题，这一方法带来了新的问题，因为大倾角急倾斜工作面煤壁本身就容易片帮，采成伪仰斜后就更易片帮，片帮后既增加了顶板管理的难度，片帮煤又易冲入工作面，是一个较大的安全威胁，对生产的影响也比较大。

(10)现有综采技术只适应煤层倾角在45°以下使用。工作面煤层倾角大于45°时，当煤层厚度局部段超过液压支架的最大支撑高度时，只有留底煤开采，产生较多安全隐患，一是移架时支架推起浮煤太多；二是支架接不到顶板，造成顶板断裂下沉，严重威胁操作人员的安全；三是没有成熟的端头支架，工作面下出口经常出现底煤推移滑落，造成无法支护；四是由于倾角太大，原有的液压牵引采煤机，不能适应煤层倾角变化，经常出现故障，检修时人员要进入机道维修时，受上方片帮煤、矸石下滑飞窜伤人的威胁；五是工作面片帮煤在推移液压支架时向下飞窜伤人的威胁非常大。若以上问题不进一步解决，安全将无法保证，产量也将大幅下降。

发明内容

针对现有技术不足，本发明解决的技术问题是提供一种急倾斜煤层的开采方法，解决煤矿开采大于45度斜角的煤层的问题。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种急倾斜煤层的开采方法，包括以下步骤：

第一步，布置长壁后退式采煤工作面，工作面包括工作面回风巷和工作面运输巷，工作面运输巷及工作面回风巷沿煤层顶板卧底掘进，掘进施工到采空区边界后，留出保护煤柱施工上山切眼,切眼巷贯通后形成工作面切眼，煤层的工作面切眼包括上山切眼、下山切眼、运输巷切眼和回风巷切眼，进行开采前的准备工作；

第二步，安装金刚石串珠绳主机，所述金刚石串珠绳主机安装在主机行走基座上，所述主机行走基座滑动连接在重型轨道上，所述重型轨道固定在工作面运输巷的底部；所述金刚石串珠绳主机上转动连接有主动轮，所述金刚石串珠绳主机包括金刚石串珠绳；

第三步，安装导向部分，导向部分沿着工作面运输巷、工作面运输巷切眼煤壁、工作面回风巷切眼煤壁、工作面回风巷布置呈“U”型；

第四步，安装金刚石串珠绳，所述金刚石串珠绳的一端连接在主动轮上，所述金刚石串珠绳的另一端沿着导向部分安装后折返至主动轮处，金刚石串珠绳的两端连接在一起并且绷紧在主动轮上；

第五步，开动金刚石串珠绳主机，主动轮带动金刚石串珠绳旋转，同时，金刚石串珠绳主机在主机行走基座上行走实现对煤层的连续切割。

进一步，所述导向部分包括所述运输巷切眼煤壁处安装金刚石串珠绳的第一导向轮，所述工作面回风巷靠近上山切眼处安装有金刚石串珠绳托轮，在回风巷切眼煤壁处安装有金刚石串珠绳的第二导向轮；第一导向轮和第二导向轮的数量均设置为主动轮数量的2倍；所述金刚石串珠绳的一端连接在主动轮上，所述金刚石串珠绳的另一端依次穿过其中一个第一导向轮、其中一个第二导向轮、金刚石串珠绳托轮、另一个第二导向轮、另一个第一导向轮后回到主动轮，金刚石串珠绳的两端连接在一起并且绷紧在主动轮上。

进一步，还包括刮板运输机，所述刮板运输机水平安装在工作面运输巷内并且位于金钢石串珠绳的正下方；切割后的煤炭产品沿工作面切眼自溜至工作面运输巷刮板运输机，由刮板运输机将煤炭产品运输至煤仓。

8.进一步，还包括液压工作站，所述液压工作站电性连接有液压支架和液压支柱，液压支架和液压支柱用于采煤的工作面的上下安全出口的支护。

进一步，相邻两个所述重型轨道之间可拆卸连接。

进一步，相邻两个所述主机轨道基座之间可拆卸连接。

进一步，所述金刚石串珠绳主机的数量设置为1个以上。

本方案产生的有益效果是：

(1)本技术采用的所有设备全部为液压动力，没有了使用机电设备失爆的风险。

(2)无需施工开切煤层上山。杜绝了施工全煤上山容易引发的煤与瓦斯突出及其他各类事故。

(3)本技术采用金刚石串珠绳带水切割煤层，切割作业时不会产生火源，不会产生粉尘，杜绝了瓦斯及煤层爆炸的风险。

(4)工作面无人作业，煤层开采不需要打眼放炮，其他急倾斜煤层开采方法的所有工序都不存在，所有设备都在工作面20米以外进行操作，不存在工作面伤亡现象，工作面伤亡事故为零。

(5)工作面不需要支护，坑木及工作面支护材料为零。大大节约了开采成本。

(6)采用切割方式落煤，采空区浮煤少，减少了自燃发火的可能。

(7)不存在冒顶、摧毁工作面的现象。

(8)35度-90度倾角煤层都可以适应，解决了其他急倾斜煤层开采方法的倾角限制。

(9)煤层顶底板都有切割口，不存在煤层拉底及粘顶现象。

(10)煤层切割断面非常光滑，切割后的煤炭呈长条块状，块状大小可以随意控制，非常有利于工作面自溜运输，因切割后的煤炭呈块状，自溜运输过程中不会产生大量粉尘，降低了其他急倾斜煤层开采方法自溜运输容易发生煤尘爆炸的风险。

(11)工作面煤层切割后的煤炭长条形块状规格可以控制在20厘米以内，煤炭自溜运输下落过程中不会冲击工作面运输巷及煤壁，不会发生堵塞工作面进风巷的现象。

(12)本技术采用金刚石串珠绳带水切割工作面煤层，切割速度可以达到每小时60-80平方米的断面，以工作面倾斜长120米计算，每天可以实现工作面推进10米以上，降低了工作面顶板周期来压延煤壁切顶的可能性，提高了工作面通风的可靠性。

(13)工作面日推进度可以达到10以上，工作面回采率最大可以达到85％以上，煤炭产量是其他急倾斜煤层开采方法的两倍以上。开采成本是其他急倾斜煤层开采方法的50％以下，回采率提高30％以上。

(14)煤炭产品块状率可以达到60％以上，部分煤种销售单价可以提高150元/吨以上，隐性效益巨大。

(15)可以随时调整工作面采高，最低采高可以达到30厘米且不需要切割顶底板，可以适应任何厚度变化的煤层。

(16)可适应任何硬度的煤层，最高切割硬度可达到f8以上，可轻松切割煤层顶底板，可以轻松过断层。

(17)煤层切割作业时震动较小，不容易引发工作面煤与瓦斯突出。

附图说明

图1为工作面示意图。

图2整体结构横向剖视图。

图3整体结构纵向剖视图。

图4金刚石串珠绳与煤层的配合结构图。

图5为图2中A部放大图。

图6为图2中B部放大图。

图7为图4中C部放大图。

图8为图4中D部放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：工作面运输巷11、工作面切眼12、工作面回风巷13、采空区14、液压工作站20、液压支架21、液压支柱22、金刚石串珠绳主机30、主机轨道基座31、金刚石串珠绳32、金刚石串珠绳托轮33、第一导向轮341、第二导向轮342、主动轮35、主机行走基座37、重型轨道38、刮板运输机40、煤层50、煤层顶板51。

实施例基本如附图1-附图8所示：

一种急倾斜煤层的开采方法，包括以下开采步骤：

第一步，布置长壁后退式采煤工作面，如图1所示，工作面包括工作面回风巷13、工作面切眼12以及工作面运输巷11，工作面运输巷11及工作面回风巷13沿顶板卧底掘进，掘进施工到边界后，留出保护煤柱施工上山切眼,切眼巷贯通后，形成工作面切眼12，倾斜煤层50的工作面切眼12包括上山切眼、下山切眼、运输巷切眼和回风巷切眼。如图3和图4所示，工作面的右侧为采空区14，进行开采前的准备工作；

第二步，安装金刚石串珠绳主机30，如图2和图6所示，金刚石串珠绳主机30安装在工作面运输巷11中距离上山切眼20米处，如图3所示，金刚石串珠绳主机30上转动连接有主动轮35，金刚石串珠绳主机30包括金刚石串珠绳32；

如图3所示，金刚石串珠绳主机30安装在主机行走基座37上，主机行走基座37通过主机轨道基座31滑动连接在重型轨道38上，重型轨道38固定在工作面的底部。相邻两个主机轨道基座31之间通过紧固螺栓可拆卸，连接相邻两个重型轨道38之间通过紧固螺栓可拆卸连接。

主机轨道基座31和重型轨道38重量大，适合分段并且可拆卸连接，方便主机轨道基座31和重型轨道38的安拆。切割的过程中通过主机行走基座37使金刚石串珠绳主机30在工作面运输巷11内部移动，方便煤层50的连续开采，重型轨道38起到支撑和方便主机轨道基座31滑动的作用。

第三步，安装导向部分，如图6所示，导向部分包括运输巷切眼煤壁处安装金刚石串珠绳32的第一导向轮341，如图5所示，工作面回风巷13距离上山切眼20m处安装有金刚石串珠绳托轮33，在回风巷切眼煤壁处安装有金刚石串珠绳32的第二导向轮342；如图3所示，第一导向轮341和第二导向轮342均位于煤层顶板51的下方；如图3所示，本实施例中的第一导向轮341和第二导向轮342的数量均设置为金刚石串珠绳主机30的数量的2倍。

第四步，安装金刚石串珠绳32，如图2和3所示，金刚石串珠绳32的一端连接在主动轮35上，金刚石串珠绳32的另一端依次穿过上方的第一导向轮341、上方的第二导向轮342、金刚石串珠绳托轮33、下方的第二导向轮342、下方的第一导向轮341后回到主动轮35，金刚石串珠绳32的两端连接在一起并且绷紧在主动轮35上。

金刚石串珠绳32与煤层50的相对位置关系如图3和图4所示，

第五步，开动金刚石串珠绳主机30，启动主动轮35，主动轮35带动金刚石串珠绳32旋转，金刚石串珠绳主机30同时在主机行走基座37上行走对煤层50进行切割。

通过调整金刚石串珠绳主机30和金刚石串珠绳托轮33二者与工作面切眼12之间的距离，以及调整第一导向轮341和第二导向轮342的高度，从而可以调节金刚石串珠绳32与水平面之间的夹角。

如图2所示，本实施例中包括液压工作站20，如图3和图5所示，液压工作站20电性连接有液压支架21和液压支柱22，液压支架21和液压支柱22用于采煤的工作面的上下安全出口的支护。

本煤矿开采方法中的工作设备全部为液压动力，没有了使用机电设备失爆的风险。

如图2所示，本实施例中还包括刮板运输机40，刮板运输机40的结构为现有的，刮板运输机40水平安装在工作面运输巷11内并且位于金钢石串珠绳32的正下方。切割后的煤炭产品沿工作面切眼12自溜至工作面运输巷11内部的刮板运输机40，由刮板运输机40将煤炭产品运输至煤仓。

如图3、图4、图7和图8所示，金刚石串珠绳主机30的数量设置为2个，相应的第一导向轮341和第二导向轮342的数量均设置为4个。两条金刚石串珠绳32上下设置，实际工作中可根据煤层50厚度确定金刚石串珠绳主机30的数量及金刚石串珠绳32的条数。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种急倾斜煤层的开采方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，布置长壁后退式采煤工作面，工作面包括工作面回风巷和工作面运输巷，工作面运输巷及工作面回风巷沿煤层顶板卧底掘进，掘进施工到采空区边界后，留出保护煤柱施工上山切眼,切眼巷贯通后形成工作面切眼，煤层的工作面切眼包括上山切眼、下山切眼、运输巷切眼和回风巷切眼，进行开采前的准备工作；

第二步，安装金刚石串珠绳主机，所述金刚石串珠绳主机安装在主机行走基座上，所述主机行走基座滑动连接在重型轨道上，所述重型轨道固定在工作面运输巷的底部；所述金刚石串珠绳主机上转动连接有主动轮，所述金刚石串珠绳主机包括金刚石串珠绳；

第三步，安装导向部分，导向部分沿着工作面运输巷、工作面运输巷切眼煤壁、工作面回风巷切眼煤壁、工作面回风巷布置呈“U”型；

第四步，安装金刚石串珠绳，所述金刚石串珠绳的一端连接在主动轮上，所述金刚石串珠绳的另一端沿着导向部分安装后折返至主动轮处，金刚石串珠绳的两端连接在一起并且绷紧在主动轮上；

第五步，开动金刚石串珠绳主机，主动轮带动金刚石串珠绳旋转，同时，金刚石串珠绳主机在主机行走基座上行走实现对煤层的连续切割。

2.根据权利要求1所述的一种极薄煤层的开采方法，其特征在于：所述导向部分包括所述运输巷切眼煤壁处安装金刚石串珠绳的第一导向轮，所述工作面回风巷靠近上山切眼处安装有金刚石串珠绳托轮，在回风巷切眼煤壁处安装有金刚石串珠绳的第二导向轮；第一导向轮和第二导向轮的数量均设置为主动轮数量的2倍；所述金刚石串珠绳的一端连接在主动轮上，所述金刚石串珠绳的另一端依次穿过其中一个第一导向轮、其中一个第二导向轮、金刚石串珠绳托轮、另一个第二导向轮、另一个第一导向轮后回到主动轮，金刚石串珠绳的两端连接在一起并且绷紧在主动轮上。

3.根据权利要求1所述的一种极薄煤层的开采方法，其特征在于：还包括刮板运输机，所述刮板运输机水平安装在工作面运输巷内并且位于金钢石串珠绳的正下方；切割后的煤炭产品沿工作面切眼自溜至工作面运输巷刮板运输机，由刮板运输机将煤炭产品运输至煤仓。

4.根据权利要求1所述的一种极薄煤层的开采方法，其特征在于：还包括液压工作站，所述液压工作站电性连接有液压支架和液压支柱，液压支架和液压支柱用于采煤的工作面的上下安全出口的支护。

5.根据权利要求1所述的一种极薄煤层的开采方法，其特征在于：相邻两个所述重型轨道之间可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的一种极薄煤层的开采方法，其特征在于：相邻两个所述主机轨道基座之间可拆卸。

7.根据权利要求1所述的一种急倾斜煤层的开采方法，其特征在于：所述金刚石串珠绳主机的数量设置为1个以上。

Images