一种高瓦斯矿井边角煤连采机采煤方法与流程

1.本发明提供了一种高瓦斯矿井边角煤连采机采煤方法，属于煤炭开采技术领域。


背景技术：

2.矿井井下边角煤资源难以采用长壁式综采法开采，目前边角煤资源回采方式主要有：巷式开采、短壁开采、充填开采、连采机开采以及这几种方式的组合开采，这些开采方式在低瓦斯矿井边角煤资源回收中取得了一定的效果，提高了低瓦斯矿井的资源回收率。在《煤矿安全规程》（2016版）实施前，规程中未对连采机开采进行单独规定，各矿采用连采机开采时，均参考规程中对房柱式开采和掘进机的规定进行采煤，比如曾经比较流行的旺格维利采煤法，回采与掘进均采用连采机，以掘代采，利用局部通风机供风，该工艺在低瓦斯矿井边角煤资源回收中广泛应用，但对于高瓦斯矿井，由于通风管理难度较大，很少有成功案例。
3.《煤矿安全规程》（2016版）第一百一十六条首次对连采机开采作了具体规定，现行的《煤矿安全规程》（2022版）仍延用了该条规定，其中两段规定为：“连采工作面必须形成全风压通风后方可回采”、“突出矿井或者掘进工作面瓦斯涌出量超过3m3/min的高瓦斯矿井严禁采用连采机开采”。《煤矿安全规程》（2016版）实施后，以往的以掘代采、利用局部通风机供风的连采机采煤法均被淘汰，各设计院工程师和科研机构学者对连采机开采进行了一系列的改进和研究，重点在通风管理和顶板管理中，取得了一系列成果，但均应用在低瓦斯矿井中。
4.部分高瓦斯矿井虽采用了连采机开采，也是提前对开采区域进行了瓦斯预抽，由于边角煤资源面积较小、分散且不规则，瓦斯预抽难度较大，因此高瓦斯矿井边角煤资源很难采用连采机开采，在国内外现有的专利、学术报道及书籍中，只有少许高瓦斯矿井利用连采机掘进的文献，尚未见利用连采机开采的相关文献和成功案例。
5.专利号为cn202111576818.4的专利申请公开了《一种边角煤全负压连采机采煤方法》，针对在边角煤资源中采用连采机采煤法时采硐中无法全负压通风以及产量较低的问题，提出了四个步骤：顺槽巷道布置、回采单元支巷布置、回采单元开采、边角煤区段开采；将顺槽巷道、回采单元支巷以及采硐内全部实现全负压通风，整个连采工作面均为“一进一回”通风，采硐回采时完全取消了局部通风机供风。该专利在低瓦斯矿井边角煤资源回收中取得了成功，连采工作面完全满足《煤矿安全规程》（2016版）规定，但该专利技术方案推广到高瓦斯矿井时，采空区瓦斯极易积聚，“一进一回”通风容易导致瓦斯超限，特别是采空区顶板垮落后，瓦斯大量涌入回采区域，容易发生瓦斯事故，影响矿井安全生产。


技术实现要素：

6.本发明为了解决在高瓦斯矿井边角煤资源中采用连采机采煤法时通风管理困难、采硐中未全负压通风以及瓦斯积聚或超限的问题，提出了一种高瓦斯矿井边角煤连采机采煤方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高瓦斯矿井边角煤连采机采煤方法，包括以下步骤：步骤一，顺槽与区段ⅰ支巷布置：沿边角煤保安线范围中部布置三条顺槽，依次为胶带顺槽、轨道回风顺槽、专用回风顺槽，分别与井下采区巷道联通；然后在顺槽右翼最里侧区段ⅰ布置三条支巷，依次为回采支巷、左回风支巷、右回风支巷，与三条顺槽联通后，三条支巷和三条顺槽构成“一进两回”通风系统；在回采支巷与左回风支巷、右回风支巷之间，分别设有若干支巷横贯；步骤二，区段ⅰ采硐开采：在回采支巷左右两侧利用一台连采机及配套设备，左右交替进行后退式采硐回采，回采完3~5个采硐留设一个硐间煤柱，直至区段ⅰ内所有采硐开采完毕；步骤三，区段ⅱ支巷布置和采硐开采：待区段ⅰ采硐开采完毕后布置区段ⅱ支巷，同步骤一支巷布置方式，在顺槽左翼、与区段ⅰ对称位置布置三条支巷，然后同步骤二开采方式，开采完毕区段ⅱ内所有采硐；步骤四，区段ⅰ和区段ⅱ采空区瓦斯抽采：待区段ⅰ和区段ⅱ开采完毕、在布置区段ⅲ支巷之前，需在区段ⅲ的左回风支巷与三条顺槽交岔外侧的顺槽中各设置一道密闭墙，然后沿着专用回风顺槽布置一趟瓦斯支管；瓦斯支管一端敷设至专用回风顺槽的密闭墙中，另一端连接到井下采区巷道的瓦斯管，对区段ⅰ和区段ⅱ的采空区进行瓦斯抽采；步骤五，整块边角煤区域开采：根据步骤一~步骤四，开采完毕区段ⅲ内所有采硐，再开采完毕区段ⅳ内所有采硐，依次的右翼和左翼交替、后退式设置区段，开采完毕区段内所有采硐，每开采完毕右翼、左翼两个区段，对两个区段的采空区进行瓦斯抽采；以此类推，直至整块边角煤区域开采完毕。
8.所述步骤一中胶带顺槽位于轨道回风顺槽和专用回风顺槽的中间，回采支巷位于左回风支巷和右回风支巷的中间。
9.所述步骤一中的三条顺槽平行布置，布置到边角煤保安线位置时，设顺槽联巷将三条顺槽联通；三条支巷平行布置，布置到边角煤保安线位置时，设支巷联巷将三条支巷联通；顺槽与支巷的夹角为50
°
~70
°
。
10.所述三条支巷与三条顺槽交岔口处的巷道中共设有4道调节风门，左回风支巷与三条顺槽交岔外侧的顺槽中各设有一道密闭墙，利用调节风门和密闭墙实现“一进两回”通风系统。
11.所述回采支巷与左回风支巷、右回风支巷之间的净煤柱宽度不小于6m，且不大于连采机长度乘以采硐与回采支巷夹角的余弦值。
12.所述支巷横贯每隔8~12个采硐宽度布置一个，支巷横贯的宽度等于一个采硐宽度，支巷横贯中部设有一道临时密闭墙。
13.所述步骤二中的采硐宽度等于连采机宽度，采硐与回采支巷夹角为40
°
~55
°
；所述硐间煤柱的宽度等于1~2个采硐宽度。
14.所述步骤五中，单翼相连的区段之间留设有区间煤柱，区间煤柱宽度为10m~15m。
15.所述采煤方法用于掘进工作面瓦斯涌出量不超过3m3/min的高瓦斯矿井。
16.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：（1）本发明提供的采煤方法，区段内左右交替进行后退式采硐回采，回采完3~5个
采硐留设一个硐间煤柱，而且单翼相连的区段之间留设有区间煤柱，区段内三条支巷的顶板支护、硐间煤柱、区间煤柱以及连采机配套的液压支架共同支撑着煤层顶板，可确保开采完毕相连右翼、左翼两个区段内采硐前，区段内煤层顶板仍处于弹性应力状态，采空区顶板短时间内不会大面积垮落，也不会出现因垮落造成瓦斯大量涌入回采区域的情况，可避免瓦斯事故，回采相对安全。
17.（2）本发明提供的采煤方法，区段内采硐回采期间，因为煤壁暴露面积较小，且采空区顶板不会大面积垮落，绝对瓦斯涌出量相对较小；利用“一进两回”通风系统，可使得通风所允许风排的瓦斯涌出量大于采硐回采期间的绝对瓦斯涌出量，因此采硐回采期间无需进行瓦斯抽采；随着采空区范围增加，瓦斯涌出量也会逐渐增加，可能会出现大量瓦斯涌入回采区域，因此本发明中每开采完毕右翼、左翼两个区段，设置密闭墙封闭两个区段，同时设置瓦斯支管对两个区段的采空区进行瓦斯抽采；这种风排瓦斯为主、采空区瓦斯抽采并行的瓦斯抽采方法满足《煤矿安全规程》（2022版）中通风和瓦斯防治相关规定，也证明了本发明提供的采煤方法的可行性和安全性。
18.（3）本发明提供的采煤方法，新风流从胶带顺槽进风，流向回采支巷，再分成两道从回采支巷左右两侧的正回采和刚回采完毕的采硐旁流过，一道污风流经左回风支巷流向专用回风顺槽，另一道污风流经右回风支巷流向轨道回风顺槽，最后污风流均流向采区回风巷道中，两道污风流相对独立，有利于通风管理。
19.（4）本发明提供的采煤方法，三条支巷和三条顺槽构成“一进两回”通风系统，连采工作面（即采硐）回采时处于全负压风流中，回采时无需局部通风机供风，整个巷道和支巷布置系统以及通风系统满足《煤矿安全规程》（2016版）和《煤矿安全规程》（2022版）通风相关规定。
20.（5）本发明提供的采煤方法，在回采支巷与左回风支巷、右回风支巷之间的煤体中每隔8~12个采硐宽度布置一个支巷横贯，支巷横贯中部设有一道临时密闭墙；当采硐采空侧瓦斯积聚浓度达到安全临界值前或者风流堵塞时，可打开支巷横贯中的临时密闭墙，同时将连采机及配套设备及时后退至支巷横贯非采空侧的安全区域，可避免瓦斯超限或者风流短路，有利于通风管理和安全。
附图说明
21.下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明高瓦斯矿井边角煤连采机采煤方法平面布置结构示意图；图2为区段ⅰ采硐开采、设备布置及全负压通风结构示意图；图3为区段ⅰ和区段ⅱ采空区瓦斯抽采结构示意图；图中：1—胶带顺槽；2—轨道回风顺槽；3—专用回风顺槽；4—回采支巷；5—左回风支巷；6—右回风支巷；7—支巷横贯；8—顺槽联巷；9—支巷联巷；10—采硐；11—硐间煤柱；12—区间煤柱；13—边角煤保安线；14—调节风门；15—密闭墙；16—临时密闭墙；17—硐间采空区；18—瓦斯支管；19—新风流；20—污风流；21—连采机；22—液压支架；23—梭车；24—破碎机；25—刮板机；26—带式输送机。
具体实施方式
22.本实施例提供了一种高瓦斯矿井边角煤连采机采煤方法，包括以下步骤：步骤一，顺槽与区段ⅰ支巷布置。如图1、图2所示，首先在井下边角煤保安线13范围中部平行布置三条顺槽，依次为胶带顺槽1、轨道回风顺槽2、专用回风顺槽3，其中胶带顺槽1位于轨道回风顺槽2和专用回风顺槽3的中间；三条顺槽的一端分别与井下采区巷道联通，另一端布置到边角煤保安线13位置时，设顺槽联巷8将三条顺槽联通，顺槽先构成“一进两回”通风系统。现场施工时，三条顺槽与井下采区巷道联通，应设置必要的风桥和交岔点，并在顺槽各关键风口设置风门等通风设施，确保顺槽构成完善的“一进两回”通风系统。
23.然后在顺槽右翼最里侧区段ⅰ、与顺槽夹角为50
°
~70方向平行布置三条支巷，依次为回采支巷4、左回风支巷5、右回风支巷6，其中回采支巷4位于左回风支巷5和右回风支巷6的中间；三条支巷的一端分别与三条顺槽联通，另一端布置到边角煤保安线13位置时，设支巷联巷9将三条支巷联通，三条支巷和三条顺槽均构成“一进两回”通风系统。现场施工时，可以从顺槽右翼开始布置支巷开采，也可以从顺槽左翼开始，其功能和效果不变；顺槽与支巷的夹角应根据所采用的连采机规格参数合理确定，在合理范围内夹角应尽可能的小一点，以方便连采机及配套运输设备的运行。
24.进一步的，步骤一中三条支巷与三条顺槽交岔口处的巷道中共设有4道调节风门14，左回风支巷5与三条顺槽交岔外侧的顺槽中各设有一道密闭墙15，此处共设有3道密闭墙15，利用调节风门14和密闭墙15实现“一进两回”通风系统。现场施工时，顺槽最里侧的边角煤保安线13和区段ⅰ、区段ⅱ之间可能存在有少许边角煤资源，可在区段ⅰ支巷布置前，采用本发明提供的方法将其合理回收，以进一步提高资源回收率，但应留设足够宽度的区间煤柱12，确保本部分边角煤资源开采对区段ⅰ、区段ⅱ开采不造成影响；在区段ⅰ支巷布置完后，应设置3道密闭墙15将顺槽最里侧无用的顺槽密闭，同时合理设置4道调节风门14，确保三条支巷和三条顺槽均构成“一进两回”通风系统。
25.进一步的，步骤一中三条支巷布置时，回采支巷4与左回风支巷5、右回风支巷6之间的净煤柱宽度不小于6m，且不大于连采机长度乘以采硐10与回采支巷4夹角的余弦值。现场施工时，应根据连采机长度、煤层厚度、支巷支护强度、顶板稳定性等因素合理确定净煤柱宽度；当净煤柱宽度小于等于6m时，利用扩散通风就能满足通风要求，无须全负压通风，导致可采煤柱较少，资源回收率较低；净煤柱最大宽度为连采机21长度乘以采硐10与回采支巷4夹角的余弦值，即连采机21开采时采硐长度不得超过连采机21长度。
26.进一步的，步骤一中在回采支巷4与左回风支巷5、右回风支巷6之间，每隔8~12个采硐宽度布置一个支巷横贯7，支巷横贯7宽度等于一个采硐宽度，支巷横贯7中部设有一道临时密闭墙16。现场施工时，可根据支巷长度、煤层厚度、支巷支护强度、顶板稳定性等因素合理确定支巷横贯7设置距离；当采硐采空侧瓦斯积聚浓度达到安全临界值前或者风流堵塞时，可打开支巷横贯7中的临时密闭墙16，同时将连采机及配套设备及时后退至支巷横贯7非采空侧的安全区域，可避免瓦斯超限或者风流短路，有利于通风管理和安全。
27.步骤二，区段ⅰ采硐开采。如图2所示，在区段ⅰ的回采支巷4左右两侧利用一台连采机及配套设备，左右交替进行后退式采硐回采，回采完3~5个采硐10，形成硐间采空区17，需留设一个宽度等于1~2个采硐宽度的硐间煤柱11，利用硐间煤柱11支撑着硐间采空区17的顶板，直至区段ⅰ内所有采硐10开采完毕。现场施工时，应根据煤层厚度、支巷支护强度、顶
板稳定性等因素合理确定硐间煤柱11留设位置和宽度，当硐间煤柱11留设间隔位置较远时，对应的硐间煤柱11留设宽度就较宽；若遇顶板有构造或其他特殊地质条件以及矿压显现严重时，须及时加大硐间煤柱11留设尺寸。
28.进一步的，步骤二中采硐10宽度等于连采机21宽度，采硐10与回采支巷4夹角为40
°
~55
°
。现场施工中，采硐10宽度不宜大于连采机21宽度，不然需要连采机21退机二次进刀，影响采硐回采速度，且不利于顶板管理；采硐10与回采支巷4夹角应根据所采用的连采机规格参数合理确定，在合理范围内夹角应尽可能的小一点，以便于连采机的运行。
29.进一步的，步骤二中设备布置时首先在回采支巷4中最里端右侧（也可视现场情况，从左侧开始）第一个采硐口前方煤柱位置布置两台液压支架22，采硐口位置布置一台连采机21，在回采支巷4中依次布置一台梭车23、一台破碎机24、一台刮板机25，在胶带顺槽1中布置一台带式输送机26；连采机21用于回采采硐，液压支架22用于临时支撑顶板，梭车23用于将连采机开21采出的煤炭运输至破碎机24，煤炭再由破碎机24转至刮板机25和带式输送机26；回采完毕右侧第一个采硐后，退出连采机21至左侧第一个采硐口处，同时移动液压支架22到左侧第一个采硐口前方位置，再回采左侧第一个采硐口，以此类推，左右交替后退式回采采硐10。
30.进一步的，步骤二中新风流19从胶带顺槽1进风，流向回采支巷4，再分成两道从回采支巷4左右两侧的正回采和刚回采完毕的采硐10旁流过，一道污风流20经左回风支巷5流向专用回风顺槽3，另一道污风流20经右回风支巷6流向轨道回风顺槽2，最后污风流20均流向采区回风巷道中，两道污风流20相对独立，有利于通风管理。
31.步骤三，区段ⅱ支巷布置和采硐开采。待区段ⅰ采硐开采完毕后布置区段ⅱ支巷，同步骤一支巷布置方式，在顺槽左翼、与区段ⅰ对称位置布置三条支巷，然后同步骤二开采方式，开采完毕区段ⅱ内所有采硐10。现场施工时，区段ⅰ采硐开采完毕后，应在支巷口处合理设置临时密闭墙16，以临时阻断区段ⅰ中的瓦斯，同时防止区段ⅰ和区段ⅱ通风混乱；布置完区段ⅱ支巷后，应及时调整步骤一中设置的4道调节风门14位置，确保区段ⅱ的三条支巷和三条顺槽均构成新的“一进两回”通风系统。
32.步骤四，区段ⅰ和区段ⅱ采空区瓦斯抽采。如图3所示，待区段ⅰ和区段ⅱ开采完毕、在布置区段ⅲ支巷之前，需在区段ⅲ的左回风支巷5与三条顺槽交岔外侧的顺槽中各设置一道密闭墙15，然后沿着专用回风顺槽3布置一趟瓦斯支管18；瓦斯支管18一端敷设至专用回风顺槽3的密闭墙15中，另一端连接到井下采区巷道的瓦斯管，对区段ⅰ和区段ⅱ的采空区进行瓦斯抽采。现场施工时，在新设置密闭墙15前，应打开设在区段ⅰ支巷口处的临时密闭墙16，使区段ⅰ和区段ⅱ的采空区贯通；新设置的3道密闭墙15距离区段ⅲ左回风支巷5设计位置应小于6m，以满足扩散通风要求；瓦斯支管18管径应根据区段ⅰ和区段ⅱ的采空区瓦斯涌出预测量大小合理确定；当采空区瓦斯涌出量较大时，可在轨道回风顺槽2中增设一趟瓦斯支管18，以便将采空区瓦斯尽可能多的抽出，避免瓦斯涌入回采区域。
33.步骤五，整块边角煤区域开采。同步骤一~步骤四方式，开采完毕区段ⅲ内所有采硐10，再开采完毕区段ⅳ内所有采硐10，依次的右翼和左翼交替、后退式设置区段，并开采完毕区段内所有采硐10，每开采完毕右翼、左翼两个区段，对两个区段的采空区进行瓦斯抽采；以此类推，直至整块边角煤区域开采完毕。
34.进一步的，步骤五中在单翼相连的区段之间留设有区间煤柱12，区间煤柱12宽度
为10m~15m。现场施工时，应根据煤层厚度、支巷支护强度、顶板稳定性等因素合理确定区间煤柱12宽度；若遇顶板有构造或其他特殊地质条件以及矿压显现严重时，须及时加大区间煤柱12留设尺寸。
35.更进一步的，本发明的采煤方法仅适用于掘进工作面瓦斯涌出量不超过3m3/min的高瓦斯矿井。对于掘进工作面瓦斯涌出量超过3m3/min的高瓦斯矿井和突出矿井，《煤矿安全规程》（2016版）和《煤矿安全规程》（2022版）是严禁采用连采机开采的，因此本发明提供的采煤方法，是在满足规程要求前提下，对高瓦斯矿井边角煤资源开采的一种连采机采煤方法。
36.本实施例中，该矿井为掘进工作面瓦斯涌出量为1.6m3/min的高瓦斯矿井，边角煤资源煤层平均厚度为4.2m，煤层平均倾角3
°
、最大倾角7
°
；选用的连采机21型号为eml340，采高范围为2.7～5.5m，外形尺寸为11m
×
3.3m
×
2.05m（长
×
宽
×
高）；利用一台连采机及配套设备进行顺槽和支巷掘进、并进行采硐回采，采掘一体作业。
37.步骤一中，三条顺槽断面尺寸均为4.5m
×
3.0m，三条支巷断面尺寸均为5.0m
×
4.2m，顺槽与支巷的夹角为60
°
，三条支巷之间的净煤柱宽度为8.5m；每隔10个采硐宽度布置一个支巷横贯7，支巷横贯7断面尺寸为3.3m
×
4.2m，只支护顶板、两帮不支护。
38.步骤二中，采硐宽度等于连采机21宽度（即3.3m），采硐10与回采支巷4夹角为50
°
，采硐10长度为连采机21长度（即11m），每回采完4个采硐留设一个硐间煤柱11，硐间煤柱11宽度等于一个采硐10宽度；步骤四中，瓦斯支管18选用φ325
×
8mm螺旋钢管；步骤五中，单翼相连的区段之间留设的区间煤柱12宽度为12m。
39.经矿井现场验证，开采完毕区段ⅳ时，区段ⅰ和区段ⅱ中均未监测到采空区顶板大面积垮落现象，而且也未监测到瓦斯超限现象，直至整块边角煤资源回采完毕，也未监测到瓦斯超限现象，说明本实施例中的顶板支护、硐间煤柱、区间煤柱能有效支撑着煤层顶板，同时证明采用的风排瓦斯为主、采空区瓦斯抽采并行的瓦斯抽采方法是可行的、合理的。
40.关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
41.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。