2 缓倾斜薄煤层开采方法
2.1 薄煤层高档普采
薄煤层高档普采采煤工艺如图2-1所示，工作面装备有MLQ-100单滚筒采煤机进行割煤，截深0.6m。SGW-150C型刮板输送机，DZ-1200型单体液压支柱及薄型金属顶梁。工作面支护为齐梁齐柱布置，四、五排控顶，最小控顶距3.lm，最大控顶距3.7m。两班半采煤半班准备，每昼夜进度2.4m。
采煤机双向割煤，往返一次进两刀。割煤后立即打临时支柱和清扫浮煤。滞后采煤机10～15m移输送机，随即进行正规支护，在移输送机25m后进行回柱放顶，并把撤下的支柱打在后边第二排上，暂成对柱以便下次进刀后撤下，用于前方支护，摘下的顶梁挂在前排。
工作面上、下端头分别用八根长钢梁支架支护，二根一组，前后错距0.6m，随工作面推进交替迈步前移。工作面人工做缺口，上缺口长10m，下缺口长5m，每两刀做一次。运输平巷采用沿空留巷，砌宽5.0m的矸石墙护巷。在石墙边缘距运输平巷上帮0.5m处打一排柱距为1.0m的支柱护墙。每进两刀接砌一次矸石墙，矸石墙的接茬端距输送机头距离不大于l.2m。工作面运输平巷和回风平巷用锚杆支护，回风平巷超前支护用带帽点柱，柱距l.0m。靠近放顶线14m内用双排点柱，外段10m用单排点柱。在运输平巷内随工作面推进超前20m补架木棚。棚距1.0m。在靠上帮一侧的棚子之间增打一根边柱。
2.2 薄煤层综采
薄煤层要实现综合机械化采煤，必须配备成套设备，特别要把工作面“三机”配套搞好，否则综采生产将无法进行，勉强生产也达不到良好效果。
煤层地质条件对薄煤层综采设备选型及生产能力有很大影响。煤层地质条件主要包括煤层厚度、倾角、顶底板岩性、煤层埋藏范围及深度、煤层数目、层间距离、煤层构造、煤层硬度、含水量、含瓦斯量、煤层自燃倾向、煤尘爆炸危险等。一般来说，煤层硬度、层厚、倾角等对采煤机械选型和参数确定有影响；煤层厚度、倾角对工作面输送机设备结构和参数有影响；煤层厚度、倾角、硬度及围岩性质等对支架选型、支护强度确定及结构参数和形式选择等都有影响。
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图2-1 薄煤层高档普采采煤工艺图
1-上巷超前支护点柱；2-端头长钢梁；3-工作面支架；4-工作面输送机；5-护巷石墙；6-下巷超前支护边柱；7-下巷刮板输送机；8-木棚；9-采煤机；10-护巷边柱；11-临时支柱；
12-移溜器；13-铁皮溜槽；14-档板
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图2-2 薄煤层综合机械化采煤工作面布置图
1-采煤机；2-刮板输送机；3-液压支架；4-转载机；5-胶带输送机；6-电控设备；7-运输平巷；
8-回风平巷；9-对柱；10-机窝；11-戴帽点柱；12-破碎机；13-金属锚杆
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薄煤层综采采煤工艺如图2-2所示。薄煤层综合机械化采煤工艺使工作面破煤、装煤、移输送机、支移液压支架等主要作业全部实现了机械化，大幅度降低了劳动强度，提高了单产及安全性，提高了经济效益和煤炭回采率。
薄煤层工作面采高低，要求采煤机机身矮，却要有足够的功率，通常功率不应低于100～200kw；机身尽可能短，以适应煤层的波状起伏；要有足够的过煤和过机空间高度；尽可能实现工作面不用人工切口进刀；有较强破岩过地质构造能力；结构简单、可靠，便于维护和安装。由于薄煤层赋存条件变化较大(断层、夹矸、变薄带较多)，薄煤层采煤机截割坚硬矸石的概率比中厚煤层要多，带来的振动、冲击也要比中厚煤层频繁和剧烈，因此，整机结构强度和稳定性要求较高。表2-1列举了几个典型的薄煤层综采工作面配套设备情况。
表2-1 典型的薄煤层综采工作面设备配套
设备型号 煤 矿 支架 枣庄田陈矿 新汶华丰矿 临沂邱集矿 ZY2400/08/19 ZY2800/8.5/16 ZY2800/09/20 刮板输送机 SGZ630/220 SGZ630/220 SGZ630/220 采煤机 MG200-BW1 MG312/310-BW MG132/315-WD
枣庄田陈矿薄煤层综采设备配套见表2-1,回采工艺：顶板管理，采用全部垮落法管理顶板，顶板破碎时，及时拉移超前架支护。采煤方法，采用中部斜切进刀，双向割煤，随机推输送机0.2～0.3m，到机头后返刀拾煤，推移输送机的采煤方式，一个循环采煤1刀，进尺0.6m，一个循环生产时间为1.0～1.5h。
2.3 薄煤层刨煤机开采
2.3.1 刨煤机薄煤层开采的采煤工艺
刨煤机自动化采煤（图2-3）是针对薄煤层开采的新技术，在国外已有几十年的历史。由于刨煤机自动化采煤科技含量高，对煤层的赋存条件和操作人员的技术要求比较高。目前，刨煤机自动化采煤在我国没有得到广泛的应用。
铁法煤业(集团)公司于2000年引进了我国第一套采用德国DBT公司核心技术设备装备的全自动化刨煤机采煤系统，经过在小青煤矿W1E701等4个工作面的试采，取得了圆满成功。该套全自动化刨煤机采煤系统引进了德国DBT公司的型号为
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Gleihobel9-34ve/4.7滑行刨煤机，型号为PF2.30/732的运输机及计算机远程控制等先进技术，其他配套设备由国内各生产厂家协助制造。2002年9月铁法煤业（集团）从德国DBT公司引进了第二套全自动化刨煤机综采系统，2003年7月装备于晓南矿W3410工作面，此套设备在技术上作了诸多改进，增强了对地质条件的适应性。此套设备具有体积小，通风阻力小等优点，便于瓦斯管理和降低粉尘，有利于工作面的安全生产。
刨煤机在工作时，刨头在无极圆环链即刨链的牵引下，沿着安装在输送机中部槽上的导轨运行，刨刀将煤壁刨落，刨落的煤在刨头犁形斜面的作用下被装入输送机运出工作面；传统采煤机设备由于截深较大，其回采工艺要求也十分严格，而刨煤机的截深远远小于采煤机的截深，从而减小了刨煤机在回采工艺上的局限性。割煤时采用端头斜切进刀，工作面往返刨煤方式刨煤，然后合理调整两端头和中间段刨深使工作面输送机达到平直状态。
刨头在工作面往返自动运行及液压支架的各种动作和输送机的推移均由计算机远程控制系统进行控制，工作面内每3个支架上安装一台PM4支架控制单元，每台支架上配有电磁阀和推移测控杆，用以实现支架的各种动作，每个PM4控制单元均有自身的地址和编码，当刨煤机通过当前支架一段距离后，PM4开始控制工作面支架进行各种动作，当推移千斤顶剩余行程小于下次刨深时，液压支架就会自动前移；运输机的推移距离由上行和下行刨深决定，每次输送机的推移量即为下次的刨深。
在刨头运行轨道采空区一侧安装在液压支架推移杆上的调斜千斤顶用来实现底刨刀的调斜，在正常生产中调斜千斤顶用人工操作，使刨头下切或上仰，以适应工作面在纵向上的起伏不平。
2.3.2 刨煤机薄煤层开采适用的条件
（1）煤层厚度在2m以下，倾角小于25°，最好小于15°。
（2）煤质在软和中硬以下（f＜1.8）可选用拖钩刨，中硬及中硬以上（f＝2.4～3）应选用滑行刨，硬煤及特粘性煤不宜用刨煤机。
（3）最好顶板不粘顶煤，若轻度粘顶，可人工处理；要求煤层中硫化铁块度小，含量不多，或分布位置不影响刨煤机刨煤；夹石层厚度大于200mm不宜用刨煤机。
（4）中等稳定以下顶板可用液压支架及时支护，要求底板平整，没有底鼓或超过7～10°倾角起伏不平；拖钩刨要求底板为中等硬度，不宜用于软底板，否则刨刀容易“啃底”；底板属泥岩、粘土砂岩等软底板应用滑行刨。
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图2-3 刨煤机采煤工作面布置图
1-端头液压支架；2-刨煤机；3-中部液压支架；4-刮板输送机；5-皮带输送机；
6-超前支护；7-破碎机；8-回柱绞车
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（5）水文地质条件：矿井水文地质条件对刨煤机的应用也有一定的影响，如顶板淋水，不利于对刨煤机的各种精密设备的维护和管理，如底板有水，容易造成底板松软，自动拉架困难，会制约此套设备的全自动功能。
（6）煤层沿走向及倾斜方向无大的断层及褶曲现象；小断层落差小于0.3～0.5m时可用刨煤机，大于0.5m时应做超前处理。
2.4 薄煤层螺旋钻采煤法
2.4.1 螺旋钻采煤机的组成、工作原理及适用条件
（1）螺旋钻采煤机的组成及工作原理
螺旋钻采煤法是前苏联顿巴斯矿区顿涅茨克矿业研究院开发的一种开采薄煤层的采煤方法，于1979年在顿巴斯矿区马斯宾斯克矿试验成功，并推广应用。该采煤法是一种新型的无人工作面采煤方法，并将煤层可采厚度由0.6～0.8m下延到0.4m，对开采松软薄煤层有极高的推广应用价值。螺旋钻采煤法可使平衡表外的储量得到开采，提高了资源利用率，延长了矿井的服务年限，充分利用有限的不可再生资源，提高矿井的经济效益和社会效益。
以乌克兰生产的BSHK-2DM型螺旋钻采煤机（图2-4）为例介绍其结构、工作原理及其特点。BSHK-2DM螺旋钻采煤机已广泛应用于美国、俄罗斯、保加利亚、波兰、乌克兰等国。在我国主要有：淄博矿业（集团）公司埠村矿、西山煤电（集团）有限责任公司西曲矿、新汶矿业（集团）鄂庄矿、潘西矿、孙村矿，山东阳光矿业有限公司崖头矿和贵州能化有限公司等矿区应用。
图2-4 BSHK-2DM型螺旋钻采煤机外观图
螺旋钻采煤机由主机、钻机动力设备、通风系统、钻头和移动装置等组成（图2-5），其工作原理是：螺旋钻采煤机是三轴联动式，两边轴为可旋转的螺旋钻杆，用于向外排
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煤，中间轴为不可旋转的通风管道，用于向钻孔内通风、供水。由两台110kW电动机分别驱动两边的螺旋钻杆钻进，中间钻头通过头部齿轮传动箱由一侧钻杆提供动力，实现三轴联动钻进。钻杆的安装、拆卸、储存是由安装在巷道的单轨吊完成的。机组采下来的煤，由设置在巷道里的刮板输送机运输。螺旋钻机、操作台和动力装置连接在一起，沿巷道一起移动。
图2-5 螺旋钻采煤机组总装示意图
1-螺旋钻采煤机主机；2-托架；3-操作台；4-液压系统；5-动力装置；6-CYB-350AB型控制站；7-APSH.1型矿用接线开关；
8-BMCH-4.5型风机通风系统；9-钻具
BSHK-2DM螺旋钻采煤机特点：①钻头为三轴联动式，钻杆每5节有一节稳定器。与单钻杆相比，三轴钻杆的刚性、稳定性和定向性好，侧向不易钻偏，钻孔截面大，采煤回收率较高；②钻杆连接为内卡环式结构，换装钻杆时能实现机械化操作，拆、接钻杆时间短，减少了辅助时间，提高了生产效率；③三轴的中间轴为通风管道，沿管道可敷设水管，实现向钻孔内通风及内喷雾降尘降温，提高钻头截齿的使用寿命，安全可靠，可在高瓦斯矿井使用；④钻杆前部装有微调装置，可适用于煤层倾角的起伏变化；⑤底盘有稳钻油缸和调斜油缸，可以方便地固定钻机，对煤层的适应性强，侧面设有操作台集中控制，一人便可操作；⑥钻机、液压泵站、电控装置等为分体式，在巷道内形成链式布置，对巷道的适应性强。
（2）螺旋钻具的结构
螺旋钻具是由一些很容易组装、拆卸的构件组成（图2-6）。钻具为两组螺旋钻杆和
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通风管，它们都与螺旋钻机连接。在前右螺旋钻杆和通风管之间由减速箱连接，在前左螺旋钻杆上安装了用刚性拉杆与减速箱壳体相连的轴承座。在右螺旋钻杆的轴承座前面及减速箱的输出轴上装有3个钻头，钻头轴之间的距离为640mm，两侧的钻头按煤层厚度采用不同直径(φ625mm，φ725mm或φ825mm)的钻头所有钻头有通用的连结节，以保证把钻头安装在减速箱和轴承座的输出轴上。螺旋钻杆和中间通风管1.54m一节，每5节有一节连接三轴联接段(俗称眼镜框)。
图2-6 BSHK-2DM型螺旋钻采煤机钻具结构
1-螺旋钻杆；2-中间通风管；3-轴承座；4-钻头；
5-变速器；6-控制箱
执行机构的减速箱由两个轴齿轮和两个传递齿轮组成。把右螺旋钻杆的旋转动力递给中心钻头。执行机构减速箱壳体上的通风管路端装了带有法兰盘的控制箱，由法兰盘与通风管连结,用齿轮泵来维持控制箱的运行。左边钻杆为右旋、右边钻杆为左旋。为了保持两个螺旋钻杆轴线之间距离能稳定，安装一个稳定器。
（3）机组电控装置
螺旋钻采煤机电控设备是由机组的电气系统和煤矿供电系统所组成。动力电源、控制站及控制设备的电源为660V交流电，照明及单轨吊的电源为127V，电气控制装置PC-KY及AT3-1为36V交流电。机组电气系统的电源由功率不小于400kW的移动变电站提供。
电器设备的总功率约为390kW，其中螺旋钻采煤机为235kW。电气设备分别有：电机、启动组合机组、警告信号设备、甲烷分析仪、控制台、控制室、联络设备、控制仪表、照明、执行机构电机、降尘系统水泵电机、风机电机、水泵站电机、单轨吊电机。
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（4）螺旋钻采煤机开采的适用条件
螺旋钻采煤机采宽为1.905～2.105m，采深可达85m（向上钻深85m、向下钻深45m）。适用于煤层倾角小于15°（实践生产中在倾角27°煤层中有应用），煤层走向倾角小于8°，煤层厚度0.4～1.0m，硬度<3的薄和极薄煤层，单机设计日产量可达250～350t。BSHK-2DM型螺旋钻采煤机组可用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的薄煤层开采，也可用于不规则煤层和保安煤柱的开采，但不允许在有突出危险和自燃危险的煤层中应用。
（5）BSHK-2DM螺旋钻采煤机技术参数 BSHK-2DM螺旋钻采煤机技术参数见表2-2。
表2-2 BSHK-2DM螺旋钻采煤机技术参数
生产率（t/min） 采高（m） 煤的切割阻力（KN/m） 倾角（°） 钻头直径（mm） 采宽（mm） 采深（m） 主轴转速（rpm/min） 进给作用力（kN） ——向前 ——向后 额定总功率（kw） 采煤机重量（吨） 钻机重量（吨） 钻具重量（吨） 整个机组尺寸(mm) 钻机外形尺寸(mm) ≥1.5-2.5 0.6-0.9 350 ＜15° 625/725/825 1905～2105 85 55、60 ≤390 ≤390 ≤290 235 54.5～57.5 31.3～34.3 19～19.3 14840×3310×2240 6540×3310×2240
2.4.2 螺旋钻采煤机的开采工艺
（1）开采方法
螺旋钻采煤机的开采工艺为，将螺旋钻采煤机沿水平方向布置在顺槽、沿倾斜方向钻进采煤。开采方法既可采用前进式也可以采用后退式。若采用前进式采煤，可边掘进巷道边钻采，先钻采下帮，并将掘进过程中起底破顶的矸石充填到下帮钻孔中，实现掘
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进矸石不上井，并提高煤质。后退式钻采的工艺方式为，上山方向钻采完后再退回调头钻采下山方向煤层。留煤柱尺寸为0.5～1.0m。
（2）巷道支护与断面
钻采工作面运输顺槽沿煤层顶板起底布置，为半圆拱形断面，工作巷道净断面不小于12 m2，倾斜在±3°，卧底不小于0.6m。顺槽主要用于该钻采面的进风、运煤和运料。巷道的支护方式根据矿上的实际情况确定。
（3）回采工艺
螺旋钻采煤机布置在运输顺槽中，先向上山(下山)方向煤层打钻，钻头割煤，螺旋钻杆掏煤，煤直接落在运输顺槽的刮板输送机上运出，该机一次采宽1.9+05～2.105m，三轴联动钻杆1.54m/节，钻机本身自动接杆，达到设计采深或遇断层时退出钻杆，螺旋钻采煤机整体前移，预留0.5～1.0m煤柱后开始下一循环钻采。螺旋钻机后退、前进采煤及在顺槽中的布置如图2-7所示。
图2-7 螺旋钻采煤机在顺槽中工作状态
1—单轨吊；2—螺旋钻采煤机；3—固定油缸；4—调斜油缸；
5—刮板输送机；6—节式钻杆
通风方式是采用局部通风机对迎头供风，把新鲜风流通过钻杆送到钻采工作面，避免由于瓦斯积聚而发生事故，另外在钻机上还附有水管，可把清水喷到钻头上降尘、降灰。
（4）工作面配套设备
工作面配套设备如图2-8所示（以新汶南冶矿1203西钻采工作面为例）。 螺旋钻机：螺旋钻机为BSHK-2DM螺旋钻采煤机，主要技术参数为钻高0.825m，钻宽2.105m；向上钻深85m，向下钻深45m；电机功率235kW；钻进速度1.0m/min。在靠
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近钻采工作面处设有移动开关站及螺旋钻采煤机液压系统泵站等设备。
运输设备：靠工作面侧设置SGW-40T型和SGW-30B型刮板输送机两部，SPJ-800型带式输送机一部。
辅助运输设备：单轨吊一部，起吊重量2t，爬坡角度6°；提升绞车选用JD-40型调度绞车，矿车选用1t固定式矿车。
图2-8 新汶南冶矿1203西钻采工作面设备布置图
2.4.3 螺旋钻采煤法的效益分析
（1）实现了单巷开采，不用另外布置回风巷，降低了巷道掘进率，节省了掘进、支护和维护的费用。在一条巷道中前面掘进，螺旋钻机组滞后前进式采煤，有利于采掘接续。
（2）实现了煤炭洁净开采。钻采过程中遇到断层时退出钻杆，减少了开采过程矸石采出量，提高了煤质；采用前进式采煤，把在掘进过程中产生的矸石，充填在下帮的采空区中，不仅使矸石不出井，而且减少了地表下沉量。
（3）实现了回采工艺的单一化，减少了劳动环节。螺旋钻采煤机无人工作面开采工艺过程简单，将传统的回采工艺的破、装、运、支、处五大工序合并，由螺旋钻采煤机统一完成。
（4）改善了煤炭开采的工作环境，降低了劳动强度。螺旋钻采煤机无人工作面开采极大地改善了工人的劳动条件和劳动环境，工人不再进入工作面，而是在巷道中操纵机械，劳动强度小。
（5）劳动生产率高，经济效益好。采用螺旋钻采煤机无人工作面开采，用人少，
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占用设备也少，节省了工作面输送机、支架等设备，减少了设备的故障率。
（6）提高了矿井安全生产程度，减少了事故的发生率。钻采孔内不进入工作人员，实现了无人工作面独头采煤，杜绝了占煤矿事故达50%的顶板事故；
（7）社会效益显著。我国的薄煤层可采储量约为60多亿t，占全国煤炭总储量的19%。螺旋钻采煤法的应用，既提高了矿井的服务年限，又提高了资源的利用率。
各种缓倾斜薄煤层采煤方法所适应的地质条件、煤层条件及其优缺点对比见表2-3。
表2-3 缓倾斜薄煤层各种采煤方法特点对比
薄煤层高档普采 薄煤层综采 地质条件 普采对煤层赋存的地质条件适应性较综采强。 煤层条件 特 点 与综采相比设备投资少；机械化程度煤层厚度＞0.6m、较综采低，劳动强度较综采大，采煤煤层倾角＜30°各机完成落煤和装煤工序，工作空间支种硬度的薄煤层。 护和采空区处理都需人工。 采高＞0.8～1.0m、煤层倾角＜25°各种硬度的薄煤层；煤层起伏变化小。 采煤机机身矮，整机长度尽可能短，要有较高的整体结构强度和稳定性；输送机中部槽要低；破、装、运、支、处全部实现机械化。 地质构造简单，无大断层、褶曲；对地质条件的适应性较刨煤机和螺旋钻强。 顶板稳定性好，顶板不粘顶煤；煤层中硫化铁块度小，含量不多，或分布位置不影薄煤响刨煤机刨煤；夹石层厚度层刨要小于200mm；底板平整，起煤机伏不超过7°～10°，没有底开采 鼓；煤层沿走向及倾斜方向无大的断层（断层落差小于0.3～0.5m）及褶曲。 螺旋钻采煤机组可用于有瓦薄煤斯和煤尘爆炸危险的薄煤层层螺开采，也可用于不规则煤层旋钻和保安煤柱的开采，但不允采煤 许在有突出危险和自燃危险的煤层中应用。 刨煤机结构简单可靠，便于维修；截深小（一般为4～15cm）；刨落煤的块煤层厚度＜2m，煤度大，劳动条件好；工作面可实现无层倾角＜25°，最人操作，移架和移输送机工人的工作好＜15°，煤质中位置相对固定，通常刨进10次硬以下（f＜1.8），（600mm）移一次液压支架，劳动强硬煤及特粘性煤不度小。对地质条件的适应性不如滚筒宜用刨煤机。 采煤机强；自动化程度高，要求操作者具备较高的知识水平。 煤层厚度0.4～1.0m，煤层倾角＜27°，煤层走向起伏＜8°，各种硬度的薄和极薄煤层。主要开采0.7m以下的极薄煤层。 螺旋钻采煤机布置在运输顺槽中；钻头割煤，螺旋钻杆掏煤，煤直接落在运输顺槽的刮板输送机上运出，采宽1.905～2.105m，采深可达85m（向上钻深85m、向下钻深45m）。工作面无人开采，劳动条件好。达到设计采深或遇断层时退出钻杆，预留0.5～1.0m煤柱后开始下一循环钻采。
2.5 9槽煤层采煤工艺选择
刨煤机薄煤层开采的适用于中硬以下的煤层，由于9槽煤层属于中硬煤，煤质较硬，所以不适用刨煤机开采。9下煤层平均厚度1.2m，煤层平均倾角为17°，适合用螺旋钻
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采煤法开采。
总体分析，薄煤层普通机械化开采和综合机械化采煤都适用于9槽煤层的开采，且9下煤层还适合用螺旋钻采煤法开采。相比而言，综合机械化采煤设备价格昂贵，但其顶板易于管理，工作面推进速度要优于高档普采；螺旋钻机采煤法具有巷道掘进率低、工效高、经济效益好等特点，但其回采率相对较低。
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