大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法的製造方法與工藝
2023-07-03 00:13:01
本發明屬於煤礦開採技術領域，尤其是涉及一種大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法。
背景技術：
大傾斜特厚煤層是指傾角α＝55°～75°且厚度為4.5m以上的煤層，在俄羅斯、烏克蘭、波蘭等國家和我國西部賦存較多，特別是新疆儲量較大，開採難度極大。長期以來，開採此類煤層的小型煤礦普遍採用的是傳統落後的非機械化採煤法，如落垛、倉儲、臺階、巷放等，存在勞動強度大、作業環境差、安全事故多、產量效率低等缺陷。上世紀70年代以來，中型煤礦在此類煤層中逐步試驗並推廣鋼絲繩鋸和偽俯斜面傾柔性掩護支架採煤法(簡稱柔掩採煤法)，作業環境和安全狀況有所改善，但鋼絲繩鋸夾死處理難度大，柔掩支架不適應煤層厚度變化且下放困難、初採與末採工藝複雜，仍然存在勞動強度大、產量效率低等突出問題。隨後，有些中小煤礦針對柔掩採煤法不適應煤層厚度變化的缺陷進行改造，提出並試驗了分段密集採煤法和斜臺階採煤法，儘管此種採煤法對煤層厚度變化適應性有所改善，但依然存在勞動強度大、產量效率低等同樣問題。上世紀80年代後期，特別是90年代以來，一些中小型煤礦試驗了大傾斜特厚煤層水平分段滑移支架或網格支架放頂煤法，勞動強度有所降低，安全狀況和工作環境有所改善；特別是大中型煤礦試驗成功了大傾斜特厚煤層水平分段綜合機械化放頂煤採煤法(簡稱綜放採煤法)，勞動強度顯著降低，安全狀況和工作環境明顯改善。但與大傾角(α＝35°～55°)厚煤層走向長壁(80m以上)採煤法相比，掘進率高、產量效率低。水平分段採煤法存在的主要問題是工作面長度受煤層厚度和傾角的雙重製約，忽長忽短，工作面被迫頻繁增減支架，無法正常推進。近年來，有的煤礦為了提高大傾斜特厚煤層水平分段綜放工作面產量，試驗加大分段高度(即大段高)以加大頂煤厚度的方法，儘管產量效率增加幅度較大，但由於「跨層拱」的形成，分段高度增加受到制約，工作面產量增加依然受限。近十多年來，大傾角中厚煤層長壁綜採技術日趨成熟，取得了良好的安全與經濟效益，其中大傾角中厚煤層指的是傾角α＝35°～55°且層厚為1.3m～3.5m的煤層，長壁指的是工作面長度為80m～150m。同時，層厚為3.5m～4.5m的大傾角厚煤層長壁大採高綜採技術也相繼取得了成功。層厚為4.5m以上的大傾角特厚煤層傾斜分層長壁綜放技術初見成效，但隨著煤層傾角增大和工作面加長，頂煤控制難度大，支架易失穩倒架的問題尤為嚴重。特別是煤層鬆散時，頂煤漏冒加劇並沿工作面傾斜向上迅速擴展，導致支架群滑群倒，工作面生產癱瘓，處理冒頂和倒架事故難度極大，安全隱患劇增，恢復生產異常困難。由於冒落頂煤滑滾並大量堆積在工作面下部採空區而無法放出，導致頂煤放出率極低。由於長壁工作面長度一般為80m以上，工作面操控與管理難度極大，且隨著長度的加大，難度異常之大，經常造成工作面無法正常生產。由此可見，大傾斜特厚煤層的安全高效開採一直是懸而未決的技術難題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其方法簡單、設計合理、施工簡便且開採效率高、開採過程安全可靠，能有效解決大傾斜特厚煤層開採過程中存在的開採難度大、安全係數低、不能實現高效開採等問題。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵在於：所開採大傾斜特厚煤層的同一階段內由上至下布置有多個採煤區段，上下相鄰兩個所述採煤區段之間留設有用於保護或隔離的區段保護煤柱，每個所述採煤區段的上下部沿大傾斜特厚煤層的煤層走向分別設置有迴風平巷和運輸平巷；多個所述採煤區段的採煤工作面結構均相同且其段高H均相同，所述採煤區段的段高H為該採煤區段的垂直高度；對大傾斜特厚煤層進行開採時，由上至下依次對多個所述採煤區段分別進行開採；對大傾斜特厚煤層中一個階段進行開採時，開採過程如下：步驟一、採煤工作面確定：對當前所開採階段內所述採煤區段的採煤工作面進行確定；所述採煤工作面為高段走向壁式工作面，所述高段走向壁式工作面為俯斜工作面且其為所述採煤區段的實際開採工作面；所述採煤工作面分為下段工作面和位於所述下段工作面上方的上段工作面，所述下段工作面布置為折線段工作面，所述上段工作面為直線段工作面；所述採煤工作面的長度L＝L1+L2且L≥80m，其中L1為上段工作面的長度，L2為所述下段工作面的長度；所述採煤工作面與水平面之間的夾角為偽俯斜面傾角β且β≤55°，所述採煤工作面與大傾斜特厚煤層的煤層走向之間的夾角為走向夾角γ，其中α為大傾斜特厚煤層的傾角；所述下段工作面由多個工作面節段從下至上拼接而成，多個所述工作面節段均為直線段工作面且其沿由前至後進行布設，所述工作面節段的長度為5m～20m，所述下段工作面的長度L2為多個所述工作面節段的長度之和；多個所述工作面節段與水平面之間的夾角由前至後逐漸增大；所述大傾斜特厚煤層的煤層厚度越大，所述工作面節段的長度越大；所述偽俯斜面傾角β越大，所述下段工作面的長度越小；多個所述工作面節段中位於最下部的工作面節段為底部工作面節段，多個所述工作面節段中位於最上部的工作面節段為頂部工作面節段，所述底部工作面節段位於所述頂部工作面節段前側；所述運輸平巷位於所述底部工作面節段的底部，所述迴風平巷位於所述上段工作面的頂部；步驟二、段高確定：根據步驟一中所確定的所述採煤區段的採煤工作面結構，對當前所開採階段內所述採煤區段的段高H進行確定；其中，H＝H1+H2，H1為所述上段工作面的豎直高度且H1＝L1×sinβ，H2為所述下段工作面的豎直高度且H2＝L2×sinβ；步驟三、煤層開採：由上至下對當前所開採階段內的多個所述採煤區段分別進行開採，過程如下：步驟301、第一採煤區段開採：以步驟一中所確定的採煤工作面為實際開採工作面且以大傾斜特厚煤層的煤層走向為推進方向，對當前所開採階段內位於最上部的第一採煤區段進行開採；對當前所開採的採煤區段進行開採時，將大傾斜特厚煤層的傾角α轉變為偽俯斜面傾角β；且開採過程中，採用工作面支架對實際開採工作面進行同步支護；步驟302、下一個採煤區段開採：按照步驟301中所述的方法，對當前所開採階段內的下一個所述採煤區段進行開採；步驟303、重複步驟302，直至完成當前所開採階段內所有採煤區段的開採過程。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟一中每個所述工作面節段的傾角均為該工作面節段與水平面之間的夾角，所述底部工作面節段的傾角為5°～15°，所述頂部工作面節段的傾角比偽俯斜面傾角β小5°～15°，所述下段工作面中除所述頂部工作面節段之外的各工作面節段的傾角均比其後側相鄰工作面節段的傾角小5°～15°。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟一中所述下段工作面中所包括工作面節段的數量不小於三個；所述偽俯斜面傾角β越大，所述下段工作面中所包括工作面節段的數量越少。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟一中所述運輸平巷沿大傾斜特厚煤層的頂板進行布設，所述迴風平巷沿大傾斜特厚煤層的底板進行布設，且運輸平巷和迴風平巷均位於大傾斜特厚煤層內。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟301中對所述第一採煤區段進行開採時和步驟302中對下一個所述採煤區段進行開採時，採煤機均沿所述採煤工作面自上向下割煤且自下向上空刀返回；開採過程中，採用工作面支架對實際開採工作面進行同步支護時，按照自下向上的順序進行移架與推溜。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟301中對所述第一採煤區段進行開採時，過程如下：步驟3011、巷道打通：在所述第一採煤區段的上下部，分別打通迴風平巷和運輸平巷；步驟3012、工作面上下端頭支護：步驟3011中所述迴風平巷和運輸平巷打通過程中，採用工作面端頭液壓支架同步對所述第一採煤區段的採煤工作面上下端頭分別進行支護；步驟3013、煤層回採：採用常規的煤層開採方法，對所述第一採煤區段進行回採。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟302中對下一個所述採煤區段進行開採時，採用全部垮落法進行放頂煤。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟302中對下一個所述採煤區段進行開採時，過程如下：步驟3021、巷道打通：在當前所開採採煤區段的上下部，分別打通迴風平巷和運輸平巷；步驟3022、工作面上下端頭支護：步驟3021中所述迴風平巷和運輸平巷打通過程中，採用工作面端頭液壓支架同步對當前所開採採煤區段的採煤工作面上下端頭分別進行支護；步驟3023、煤層回採：採用常規的煤層開採方法，對當前所開採採煤區段進行回採；步驟3024、放頂煤開採：對當前所開採採煤區段進行放頂煤開採，開採過程中區段保護煤柱全部跨落，使得當前所開採採煤區段後方的採空區與其上方相鄰採煤區段的採空區相互連通。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟301中對所述第一採煤區段進行開採時，不放頂煤或者在工作面支架不出現傾倒、下滑或咬架的前提下進行控制性放頂煤。上述大傾斜特厚煤層高段走向壁式綜放採煤法，其特徵是：步驟301中所述工作面支架為放頂煤液壓支架。本發明與現有技術相比具有以下優點：1、方法步驟簡單、設計合理且施工簡便，實現方便。2、採煤工作面結構設計合理，分為上段工作面和下段工作面；並且，採煤工作面按偽俯斜面傾工作面進行布置，將所開採大傾斜特厚煤層的開採工作面由真傾角α的理論工作面轉換為偽俯斜面傾角β的偽俯斜面傾工作面後，將大傾斜特厚煤層大幅減小，有效減小了工作面坡度，緩解頂煤冒落下滑，從而大幅度降低了大傾斜特厚煤層的開採難度，大幅度降低了大傾斜特厚煤層開採過程中所存在的危險係數。其中，上段工作面為直線段工作面且其與水平面之間的夾角為偽俯斜面傾角β。下段工作面為折線段工作面，該折線段工作面能充分利用煤層特厚的條件，將傳統的工作面下段由直線段改為折線段，各工作面節段的傾角由0°逐漸增大至工作面坡度(即偽俯斜面傾角β)，折線段工作面的上端與上段工作面相連且其下端為工作面下端頭，這種折線段結構極大地簡化了工作面下段直線布置形式的下端頭綜放設備選型配套的複雜性，同時能提供工作面傾斜段支架穩定的下部基點，並能緩衝滾石墜物速度確保下部安全出口不受威脅。3、高段走向壁式工作面沿偽俯斜面傾方向布置且具有以下優勢：一方面既可避免水平分段綜放工作面的長度受煤層厚度和傾角的雙重製約導致頻繁增減支架的困難，又能消除大段高頂煤形成的「跨層拱」，為加大段高降低掘進率奠定了基礎，同一階段內各採煤區段的段高大；另一方面避免了傾斜分層放頂煤法下分層開採受上分層採空區冒落破碎頂板和殘餘動壓(有時強度很大持續時間長)的威脅。4、採煤方法簡單，採用常規採煤方法，採煤機沿工作面自上向下割煤，自下向上空刀返回；自下...