一、大傾角薄煤層儲(chǔ)量及分布
一般認(rèn)為，厚度小于1.3m的煤層為薄煤層，厚度小于0.8m的煤層屬極薄煤層。在全國95個(gè)重點(diǎn)礦務(wù)局中有80個(gè)局445個(gè)礦井中，賦存著750多層薄煤層，保有工業(yè)儲(chǔ)量98.3億t，可采儲(chǔ)量61.5億t，約占總可采儲(chǔ)量的19％，全國國有重點(diǎn)煤礦薄煤層儲(chǔ)量為25.29億t，其中山西、河北、四川、內(nèi)蒙、貴州、東北和重慶公司，薄煤層儲(chǔ)量達(dá)5.01億噸。薄煤層資源不僅分布廣泛，且煤質(zhì)較好，一些省區(qū)薄煤層儲(chǔ)量比重很大，如四川省占60％，山東省54％，黑龍江省占51％，貴州省占37％，其他產(chǎn)煤省份如遼寧、河南、山西、內(nèi)蒙、河北、吉林等也有豐富的薄煤和較薄煤層資源。各省薄煤層儲(chǔ)量分布如表1-1所示，其中厚度在0.8~1.3m的占86.02％，厚度小于0.8m的占13.98％。
表1-1 我國部分省區(qū)薄煤層儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)表
煤層傾角和厚度是影響采煤方法選擇的兩個(gè)關(guān)鍵因素。按煤層傾角將煤層分為三類：8～25°的煤層為緩傾斜煤層；25～45°為傾斜煤層；45°以上為急傾斜煤層。大傾角煤層是傾角在35°～55°的煤層。
二、大傾角薄煤層開采機(jī)具
2.1 滾筒采煤機(jī)
薄煤層滾筒采煤機(jī)可分為側(cè)面工作式和正面工作式兩類。
側(cè)面工作式滾筒采煤機(jī)即騎溜式采煤機(jī)，機(jī)身高度較低，配套的刮板輸送機(jī)高度也較低，用于大于0.8m的煤層。
正面工作式滾筒采煤機(jī)，機(jī)身不騎坐在工作面刮板輸送機(jī)上，而在前滾筒開出的機(jī)道內(nèi)，采煤機(jī)的兩個(gè)滾筒分別裝在機(jī)身的前、后兩端，采煤機(jī)可在工作面穿梭工作，故又稱機(jī)道內(nèi)采煤機(jī)。該種采煤機(jī)是應(yīng)用較多的薄煤層采煤機(jī)，因?yàn)樗或T坐在刮板輸送機(jī)上面，從而降低了配套高度并增加了刮板輸送機(jī)的過煤空間，其牽引方式除了錨鏈牽引外，還發(fā)展了無鏈牽引。
正面工作式滾筒采煤機(jī)主要有兩種形式，即爬底板式和懸機(jī)身式。
爬底板式采煤機(jī)，其底部一端坐落在底板上，一端坐落在刮板輸送機(jī)的鏟煤板上。其主體布置及其在工作面與刮板輸送機(jī)和支架的配套布置情況如圖2-1所示。
1—滾筒；2—搖臂；3—機(jī)身；4—操縱箱；5—導(dǎo)軌；6—支撐滑靴；7刮板輸送機(jī)
圖2-1 爬底板式滾筒采煤機(jī)總體布置圖
滾筒1可由搖臂2調(diào)整高度，在機(jī)身3靠采空區(qū)側(cè)伸出一操縱箱4，操縱箱在刮板輸送機(jī)7的上方并留有足夠大的過煤空間，機(jī)身支撐在輸送機(jī)靠煤壁側(cè)并裝有導(dǎo)軌5的鏟煤板上，導(dǎo)軌和鏟煤板即作為采煤機(jī)的主要支承點(diǎn)，又作為采煤機(jī)的導(dǎo)向軌道。在機(jī)身下的靠煤壁側(cè)，前后裝有兩個(gè)液壓缸的支撐滑靴6，滑靴在底板上滑行，并可進(jìn)行機(jī)身的調(diào)斜?；ヅc底板的接觸面積設(shè)計(jì)得足夠大，以便采煤機(jī)在軟底板上能正常工作。爬底板式采煤機(jī)工作時(shí)前滾筒沿煤層底板截割，滾筒直徑大于機(jī)身高度300~500mm，以便機(jī)身能夠順利通過，后滾筒沿頂板截割，這與一般中厚煤層雙滾筒采煤機(jī)不同，而且滾筒旋轉(zhuǎn)方向也不同。
懸機(jī)身式滾筒采煤機(jī)不像爬底板式采煤機(jī)有支撐滑靴，而是在刮板輸送機(jī)的擋煤板頂部裝有導(dǎo)向管，機(jī)身靠采空區(qū)側(cè)安裝有抓手，抓在導(dǎo)向管上，采煤機(jī)的重量主要支承在刮板輸送機(jī)的鏟煤板上，機(jī)身懸在刮板輸送機(jī)靠煤壁側(cè)的一方，為了平衡處于懸臂狀態(tài)的機(jī)身，除導(dǎo)向管限位外，在操縱箱一側(cè)加配重。
懸機(jī)身式采煤機(jī)的機(jī)身底面距煤層底板有170~320mm，這樣可使采煤機(jī)較好地適應(yīng)底板起伏不平的工作面。工作時(shí)前滾筒沿頂板截割并把割下的煤裝入刮板輸送機(jī)，后滾筒沿底板截割底煤。滾筒的旋轉(zhuǎn)方向仍與一般的雙滾筒采煤機(jī)一樣，即前滾筒采用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，后滾筒采用逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。前滾筒沿頂板開出的空間，應(yīng)使采煤機(jī)懸伸的機(jī)身能夠順序通過。
2.2 刨運(yùn)機(jī)
刨運(yùn)機(jī)由驅(qū)動(dòng)裝置、鏈輪、鏈條、和刨頭等組成。驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)兩個(gè)傾斜布置的鏈輪旋轉(zhuǎn)，鏈條帶動(dòng)刨頭圍繞兩個(gè)鏈輪形成一條封閉的無極鏈條運(yùn)行，刨頭運(yùn)行時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)刨削煤炭和輸送煤炭的功能，將刨煤和運(yùn)煤合二為一。刨運(yùn)機(jī)的工作過程主要可以分為三個(gè)階段：①刨運(yùn)機(jī)梁在搖擺千斤頂?shù)淖饔孟聫牡装逄?，尚未與煤壁接觸；②刨運(yùn)機(jī)梁到頂板后，推移千斤頂伸出，刨運(yùn)機(jī)割槽；③割槽結(jié)束后，推移千斤頂不施加主動(dòng)的推力，刨運(yùn)機(jī)梁在自重和搖擺千斤頂拉力的作用下，下行割煤，煤炭隨著刨頭運(yùn)出。
圖2-2 刨運(yùn)機(jī)
2.3 鋼絲繩鋸
鋼絲繩鋸的形式繁多，但工作原理大致相似，煤鋸一般是由雙向割煤的碎煤刀組成，碎煤刀上有截齒，截齒上鉗有合金鋼片，煤鋸與牽引鋼絲繩相連接，鋼絲繩通過兩個(gè)出口繞過導(dǎo)向滑輪，與位于巷道中的絞車相連接，絞車帶動(dòng)牽引鋼絲繩，使煤鋸壓緊煤壁，做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)，煤鋸就拉出一個(gè)槽溝，隨著槽溝的加深，煤壁在礦山壓力的作用下，自行垮落破碎，然后靠煤炭自溜運(yùn)出工作面，再由巷道中的輸送機(jī)將煤運(yùn)出，煤鋸采煤工人不進(jìn)入工作面工作，只是在巷道中開動(dòng)絞車和移動(dòng)導(dǎo)向滑輪，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且設(shè)備簡單。采過的空間，一般不進(jìn)行支護(hù)。每隔一定距離留寬2~3m的煤柱（即刀柱）管理頂板。為此，要在工作面前方每隔一定距離（一般20~30m）預(yù)先開好一個(gè)切眼。這項(xiàng)工作可用鉆孔機(jī)完成。
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這種采煤方法，工人可以不進(jìn)入工作面，只在平巷內(nèi)開動(dòng)絞車和移動(dòng)導(dǎo)向輪。但由于頂板管理問題較難解決，使得采出率低，煤質(zhì)無法保證，斷繩也不好處理，因此，應(yīng)用受到很大限制。
1-輔巷；2-回風(fēng)巷；3-牽引絞車；4-移垛絞車；5-煤鋸絞車；6-導(dǎo)向輪；7-移垛絞車；8-煤鋸絞車；9-導(dǎo)向輪；10-滑輪；11-第一次移垛后位置；12-第二次移垛后的位置；13-第三次移垛后的位置；14-第四次移垛后位置；15-運(yùn)輸巷
圖2-3 鋼絲繩鋸采煤工作面布置圖
三、 大傾角薄煤層支護(hù)技術(shù)
我國在薄煤層開采過程中主要形成了以下幾種支護(hù)方式。
3.1 液壓支架
液壓支架是由支柱、底座、頂梁、掩護(hù)梁及擋煤板等組成的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。它以壓力液為動(dòng)力，不僅能實(shí)現(xiàn)支設(shè)和回撤的機(jī)械化，而且使移輸送機(jī)等一系列工序也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，大大減輕了繁重的體力勞動(dòng)。
大傾角薄煤層液壓支架一般采用二柱掩護(hù)式支架及整頂梁形式，其結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠適應(yīng)較大的高度變化且便于維護(hù)和操作。支架底座一般采用分體底座，左右底座通過橋鉸接。這種結(jié)構(gòu)既可以最大限度地降低支架高度，又能保證較大的排矸空間。支架配帶短底靴板結(jié)構(gòu)，可以改善底座對底板的比壓分布，使支架比壓分布合理，便于拉架。同時(shí)靴板厚度較薄，加大了人行通道。短柱支撐在底座與掩護(hù)梁之間，使支架具有較好的穩(wěn)定性和對頂板的適應(yīng)能力。頂梁采用高強(qiáng)度鋼板，以盡可能減小頂梁厚度。為了防止倒架、咬架現(xiàn)象的發(fā)生工作面支架配有防倒防滑機(jī)構(gòu)。
3.2 單體支柱與鉸接頂梁
1-密集支柱；2-“人”字形溜煤眼；3-單邊鋼板溜槽；4-帶帽點(diǎn)柱
圖3-1 單體支柱與鉸接頂梁支護(hù)頂板
從上世紀(jì)80年代初開始，四川省即進(jìn)行了大傾角煤層采煤方法的試驗(yàn)研究。廣旺、芙蓉局等先后應(yīng)用了利用密集支柱和金屬鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)的俯偽斜走向長壁采煤法（圖3-1）。這種采煤方法利用分段水平密集支柱切頂擋矸隔離采空區(qū)與回采空間，支護(hù)形式采用倒懸臂齊梁齊柱布置，柱距0.8m、排拒1.0m，金屬支柱架設(shè)應(yīng)采取防倒措施，沿煤層傾向每隔4~5m設(shè)置一排密集支柱，每排密集支柱沿走向長4m，上鋪竹笆或荊片，密集支柱隨工作面推進(jìn)，前添后回，支柱間距一般不超過0.3m，放頂前后始終保持13~15根帶帽點(diǎn)柱，相鄰兩排密集支柱沿煤層走向保持有1.0~1.5m錯(cuò)距。分段密集支柱的長度與頂板性質(zhì)、工作面采高、采空區(qū)冒落矸石的安息角、煤層瓦斯涌出量以及相鄰兩排密集支柱的間距等因素有關(guān)，分段密集支柱過長，工作面控頂增大，頂板壓力隨之增大，造成回柱困難，而且在密集支柱下方的“三角區(qū)”也易積聚瓦斯，分段密集支柱長度過短則不能有效地起到擋矸作用，根據(jù)廣旺礦務(wù)局旺蒼礦的經(jīng)驗(yàn)，在頂板中等穩(wěn)定的條件下，分段密集支柱的走向長度以4.0m為宜，最長不宜超過5.0m。
3.3 氣垛支架
氣垛支架能適應(yīng)破碎底板、煤厚變化大的煤層，能夠在工作面與采空區(qū)之間形成了攔煤墻，安全可靠，工作面礦壓顯現(xiàn)緩和。與薄煤層綜采支架相比，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)空間大的優(yōu)點(diǎn)，支架無頂梁和四連桿結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了支架的采高適應(yīng)范圍，伸縮比大，支架結(jié)構(gòu)重心低，重心投影在底座范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生支架傾倒和咬架情況，現(xiàn)場操作相對簡單。與單體液壓支柱和木支護(hù)相比，支架為主動(dòng)支護(hù)，初撐力大、支護(hù)強(qiáng)度高，而且大大提高了在易滑落破碎底板條件下支架的穩(wěn)定性，避免立柱扎底和傾倒傷人，提高了安全性，避免了單體支柱丟失和坑木消耗，工作面動(dòng)力為液壓控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，無需回柱、打柱，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了回采成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
其主要缺點(diǎn)是：卸載時(shí)需要1.5~2.0min，時(shí)間較長；與普通支架配合使用時(shí)，因普通支架間距小，使氣垛移設(shè)不方便，有時(shí)需要重新翻打支柱；氣垛本身密封問題尚未很好解決，其結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)一步改進(jìn)。
圖3-2 氣垛支架基本架最小空頂距時(shí)俯視圖
圖3-3 氣垛支架基本架主視圖
圖3-2和圖3-3為天地科技股份有限公司研發(fā)的大傾角薄煤層自移式氣垛支架，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
（1）由前底座、4根前立柱組成前架，雙囊氣垛固定在后底座上，組成后架，前后架鉸接，以適應(yīng)煤層底板的起伏變化。
（2）前后架以推桿為導(dǎo)向，通過推移梁和固定在后架底座上的推移千斤頂連接形成推移機(jī)構(gòu)，以推移梁為支撐向前拉移支架。
（3）在推移梁上設(shè)計(jì)柱窩用于插單體液壓支柱，使單體液壓支柱可隨著推移梁前移并及時(shí)支護(hù)，保證架前打眼操作空間的人員安全，起到支護(hù)和防止推移梁下滑的作用。
（4）在支架后底座安裝2根雙側(cè)底調(diào)千斤頂，缸徑為63mm，活塞桿徑為45mm，行程200mm，推力98kN，收力48 kN，能滿足左右工作面支架防滑的需要。
（5）支架前后柱的中心距為1.2m，在支架錯(cuò)距340mm的情況下，可以保證足夠的行人空間。
（6）在氣垛支架的上側(cè)、后側(cè)設(shè)置有可伸縮的鋼絲帶擋矸簾，可以有效的防止充填矸石竄入支架內(nèi)。
（7）在工作面上巷設(shè)置推移梁懸吊千斤頂，工作面中部6架一組設(shè)置軟連接斜拉千斤頂，用于防止推移梁的動(dòng)態(tài)下滑和移步橫梁的及時(shí)復(fù)位。
（8）在工作面下巷設(shè)計(jì)橫式端頭支架，兩架一組，利用伸縮梁控制排頭氣垛支架的下滑并充當(dāng)其前移滑道，為采后留巷的作業(yè)安全提供條件。
（9）在氣垛充排氣設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)大流量液控充氣閥和氣體安全閥，實(shí)現(xiàn)鄰架操作和保證氣垛超載時(shí)及時(shí)卸載，保證操作人員的安全。
3.4 柔性掩護(hù)支架
偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法具有走向長壁采煤法的某些特點(diǎn)，采煤工作面是直線型，按偽傾斜方向布置，沿走向推進(jìn)，用柔性掩護(hù)支架隔離采空區(qū)，工人在掩護(hù)支架下進(jìn)行采煤（圖3-4）。
圖3-4 偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法布置圖
柔性掩護(hù)支架主要有“八”字形掩護(hù)支架、“《”形掩護(hù)支架、單腿支撐式掩護(hù)支架、“7”字型掩護(hù)支架等幾種。其中平板型掩護(hù)支架是使用最早和最廣的一種，主要由鋼梁及鋼絲繩構(gòu)成。鋼梁可用礦用工字鋼、U型鋼或舊鋼軌。鋼梁的長度比煤層厚度小0.2~0.4m，以利于支架下放。為了便于運(yùn)輸，每根鋼梁的長度不宜超過3.0~3.2m。鋼梁的規(guī)格應(yīng)根據(jù)支架的寬度（即相應(yīng)的煤層厚度）選用不同型號、鋼絲繩可用直徑為25~35mm的舊鋼絲繩。為了便于安裝和拆卸，可將鋼絲繩加工成20~30mm一段，兩端做好封頭，以防松捻。掩護(hù)支架上鋼絲繩的根數(shù)，根據(jù)支架寬度確定。根據(jù)開灤趙各莊和淮南大通礦的經(jīng)驗(yàn)，架寬在3m以下時(shí)用2~3根，架寬在3m以上時(shí)用4~5根。掩護(hù)支架結(jié)構(gòu)如圖3-5。
1-鋼梁；2-鋼絲繩；3-竹笆；4-壓木；5-撐木
圖3-5 偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法布置圖
四、大傾角薄煤層開采面臨的問題
大傾角薄煤層工作面由于其具有傾角大和煤層薄兩大特點(diǎn)，工作面在開采過程中主要存在以下三點(diǎn)問題：
（1）煤層薄、工作面空間狹小，使得以下兩點(diǎn)問題極為突出：
①人員行動(dòng)不便
由于傾角大、采高低，人行走已經(jīng)不方便，還要操作各種設(shè)備，如采煤機(jī)、液壓支架等，在開采的過程中應(yīng)盡量提高自動(dòng)化程度，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
②機(jī)械設(shè)備的尺寸、可靠性、功率等要求高
a.薄煤層的機(jī)械設(shè)備要小巧：以適應(yīng)狹窄的工作空間，如采煤機(jī)機(jī)面高度要低，以適應(yīng)低采高；機(jī)身要短，以適應(yīng)煤層的起伏等。
b.可靠性要高：在薄煤層工作面中三機(jī)設(shè)備很難維修，甚至無法修理，特別是采煤機(jī)，因此要提高工作面設(shè)備的可靠性，降低故障率。
c.設(shè)備的功率大：薄煤層采高小是不可改變的事實(shí)，中厚煤層采煤機(jī)割一刀煤相當(dāng)薄煤層的3~5倍。薄煤層要高產(chǎn)高效只有加大工作面采長、加大截深、加快切割速度三種方式，而這三種方式的前提是工作面設(shè)備具有大功率。
（2）工作面設(shè)備傾倒、下滑
一方面大傾角工作面開采過程中采煤機(jī)、刮板、支架等設(shè)備在自身重力的作用下容易沿工作面傾向發(fā)生傾倒和下滑，設(shè)備穩(wěn)定性差；另一方面大傾角煤層頂板壓力垂直作用于支架上的分力比緩傾斜煤層要小，而沿傾斜作用的分力要大，進(jìn)一步增加了工作面支架發(fā)生傾倒、下滑的危險(xiǎn)。
（3）煤塊和矸石下滑傷人
由于工作面傾角大，采煤工作面采下的煤塊能自動(dòng)下滑，從而簡化了工作面的裝運(yùn)工作，但下滑的煤塊和矸石容易沖倒支架，砸傷人員，給生產(chǎn)帶來不安全因素。
以上是大傾角薄煤層開采面臨的三個(gè)主要問題，針對大傾角薄煤層的開采特點(diǎn)和面臨的主要問題，可采用三種開采模式：薄煤層滾筒采煤機(jī)配電液控液壓支架開采模式，刨運(yùn)機(jī)配電液控液壓支架開采模式和鋼絲繩鋸開采模式。
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