大傾角煤層綜合機(jī)械化開采關(guān)鍵技術(shù)研究

宋高峰，任志成，孔德中，劉會臣

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

煤炭是我國的主體能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右。在未來相當(dāng)長時期內(nèi)，煤炭作為主題能源的地位不會改變。煤炭工業(yè)是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。中國煤炭工業(yè)發(fā)展近幾年取得較大成績，但也遇到以下幾方面的問題［1］。①煤炭資源破壞、浪費嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展堪憂；②機(jī)械化程度低，整體生產(chǎn)力水平相對落后；③煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻。

大傾角煤層一般是指傾角在35°～55°之間的煤層，在我國占有15%～20%的儲量，年產(chǎn)量占全國煤炭總產(chǎn)量的8%～10%。大傾角煤層主要分布在我國西部礦區(qū)，如四川、新疆、寧夏、甘肅、貴州、云南等，淮南、淮北、內(nèi)蒙、東北等省區(qū)也有一定儲量的分布。大傾角煤層開采在我國有著良好的發(fā)展前景。

長期以來，我國煤炭行業(yè)飽受挑肥丟瘦、資源回采率低下的詬病，這除了客觀強(qiáng)調(diào)地質(zhì)因素和經(jīng)濟(jì)原因外，技術(shù)裝備水平落后也是不可忽視的原因。我國煤炭生產(chǎn)開發(fā)布局如圖1所示，近年來隨著我國東部煤炭資源日漸枯竭，中部受資源與環(huán)境約束的矛盾加劇，開采條件“優(yōu)越”的煤層儲量越來越少，以及“十二五”期間煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移和“全國煤礦采煤機(jī)械化程度達(dá)到75%以上”發(fā)展目標(biāo)的確立，大傾角煤層開采日漸受到人們的重視。在此背景下，提出大傾角煤層的“安全、高產(chǎn)、高效”開采，一定程度上有助于解決以上制約煤炭工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”問題。

圖1 中國煤炭生產(chǎn)開發(fā)布局示意圖

1 大傾角煤層開采發(fā)展概況

大傾角煤層在形成初期，受地殼不均衡沉降、沖蝕作用及后期褶皺、斷裂運動的影響，形成了復(fù)雜的地質(zhì)條件［2］。大傾角煤層開采難度大，勞動強(qiáng)度高，效率低，安全性差，生產(chǎn)技術(shù)水平和巖層控制理論研究等都明顯滯后于緩傾斜煤層。

1.1 我國大傾角煤層采煤方法的發(fā)展

采煤方法是采煤工藝與回采巷道布置及其在時間上、空間上的相互配合。由于大傾角煤層惡劣的人（機(jī)）工作環(huán)境，其“安全、高產(chǎn)、高效”生產(chǎn)需要合理的、創(chuàng)新的采煤方法。我國對大傾角煤層開采進(jìn)行了長期的探索和革新，從早期炮采工藝，到大傾角煤層綜合機(jī)械化開采，取得了較大的進(jìn)步。

非機(jī)械化開采：新中國成立前，我國主要采用柱式體系采煤法開采急（傾）斜煤層；20世紀(jì)50年代初，我國推行了倒臺階采煤法、水平分層采煤法、巷道長壁和沿俯斜推進(jìn)的掩護(hù)支架采煤法；60年代中期，淮南礦區(qū)發(fā)展和創(chuàng)造了偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法；80年代中后期，芙蓉、廣旺等礦區(qū)創(chuàng)造了俯偽斜分段走向密集采煤法，逐漸取代了倒臺階采煤法。

機(jī)械化開采：20世紀(jì)80年代末，窯街、梅河、烏魯木齊礦區(qū)發(fā)展了水平分段綜合機(jī)械化放頂煤采煤法；北京、靖遠(yuǎn)礦區(qū)和華亭煤礦成功試驗了滑移頂梁支架鋪頂網(wǎng)水平分段放頂煤采煤法；2003年前后，靖遠(yuǎn)王家山煤礦發(fā)展了水平、圓弧過渡工作面綜采長壁放頂煤采煤法。

以上采煤方法一定程度上解決了大傾角煤層的相關(guān)技術(shù)難題，同時還存在一些弊端。對我國大傾角煤層采煤方法，提出以下認(rèn)識：①我國在大傾角煤層開采方法上具有一定的變革和創(chuàng)新。但機(jī)械化程度偏低，產(chǎn)量相對低下，工人體力勞動繁重。②大傾角厚或特厚煤層放頂煤技術(shù)相對成熟，實現(xiàn)了機(jī)械化開采。提高了產(chǎn)量和效益，降低了掘進(jìn)率，安全性也得到保障。但大傾角厚及中厚煤層機(jī)械化開采在采煤方法上并沒有實質(zhì)性突破。

1.2 我國大傾角厚及中厚煤層綜采發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代，我國對大傾角厚及中厚煤層綜合機(jī)械化開采進(jìn)行了一系列的研究和嘗試［3－6］，取得了一定的成績，其中具有代表性的匯總于表1。

表1 我國大傾角中厚煤層開采礦井

綜合機(jī)械化在大傾角煤層的應(yīng)用，拓寬了綜采技術(shù)的適用范圍，提高了產(chǎn)量、工效和采出率，降低了掘進(jìn)率、安全事故，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，同時為大傾角煤層“安全、高產(chǎn)、高效”生產(chǎn)奠定了理論技術(shù)和生產(chǎn)實踐基礎(chǔ)。

但限于綜采技術(shù)水平，大傾角厚及中厚煤層綜采工作面長度及推進(jìn)長度相比于緩傾斜煤層仍較短。大量的現(xiàn)場生產(chǎn)實踐與試驗研究表明，綜采設(shè)備并不能很好的適應(yīng)大傾角厚及中厚煤層，甚至發(fā)生過工作面支護(hù)系統(tǒng)大范圍失穩(wěn)而引發(fā)的重大人員傷亡事故。大傾角厚及中厚煤層綜采在技術(shù)和裝備上處于摸索和試驗階段，尚有待于進(jìn)一步實踐、改進(jìn)、完善與提高。

2 大傾角煤層綜采關(guān)鍵技術(shù)難題

根據(jù)我國大傾角厚及中厚煤層機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀，提高大傾角厚及中厚煤層綜采技術(shù)水平，應(yīng)從礦山壓力理論研究著手，尋求采煤方法的突破，難點在于設(shè)備的穩(wěn)定性控制［7］。

2.1 采場圍巖控制缺乏理論基礎(chǔ)

大傾角煤層受其自身傾角狀態(tài)、圍巖力學(xué)性質(zhì)等影響，頂?shù)装鍘r層的運動、變形和破壞具有同緩斜煤層不同的規(guī)律和特征。

1）實際觀測表明，煤層傾角是影響采場礦山壓力顯現(xiàn)的重要因素。如圖2所示，隨著傾角增大，上覆巖層沿層面的切向滑移力Q2增大，而作用于層面的垂直壓力Q1減小。采空區(qū)頂板冒落的矸石也可能沿著底板滑移（滾），使工作面沿傾斜方向形成下部填實、中部填滿、上部懸空的不均勻充填帶（圖3），從而改變工作面傾斜方向的礦山壓力分布及上覆巖層的運動規(guī)律［8－9］。

圖2 傾角對頂板壓力的影響

圖3 大傾角煤層采空區(qū)冒落矸石的滑移

2）大傾角煤層受地質(zhì)構(gòu)造運動影響，煤層頂、底板破壞程度相對較大，因而頂、底板巖石的節(jié)理裂隙較發(fā)育，較易冒落［10］。

礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律對于采場圍巖控制和采煤方法設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。我國在緩（傾）斜煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究方面卓有成效，已形成系統(tǒng)的、科學(xué)的圍巖控制理論與技術(shù)方法。在大傾角煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究方面，不少學(xué)者進(jìn)行了一定的現(xiàn)場礦壓觀測和理論、實驗研究，但系統(tǒng)的研究工作尚待展開。大傾角煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律仍處于研究和探索階段，在圍巖控制技術(shù)、開采方法設(shè)計方面主要依靠緩傾斜的研究成果，顯然不利于大傾角煤層的“安全、高產(chǎn)、高效”開采。

2.2 采煤方法需進(jìn)一步創(chuàng)新

如前文所述，急傾斜厚或特厚煤層運用放頂煤技術(shù)，使綜采設(shè)備很好地適應(yīng)了復(fù)雜的煤層地質(zhì)條件，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。不具備放煤條件的大傾角厚及中厚煤層實現(xiàn)機(jī)械化，則需要合理的、創(chuàng)新的采煤方法。

1）工作面?zhèn)窝鲂辈贾茫▓D4）可使工作面系統(tǒng)整體向上移動，減小工作面真傾角，減緩甚至抵消工作面支架和設(shè)備的下滑趨勢，從而加強(qiáng)整個工作面系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 工作面?zhèn)窝鲂辈贾檬疽鈭D

2）大傾角煤層綜采工作面割煤方式應(yīng)選擇由上向下單向割煤，這樣有助于減小牽引阻力，防止采煤機(jī)下滑，同時也有利于采煤裝煤。

大傾角煤層賦存條件復(fù)雜，開采難度大，先進(jìn)的、適用的采煤方法有利于大傾角煤層的“安全、高產(chǎn)、高效”生產(chǎn)。大傾角厚及中厚煤層采煤方法仍具有較大的創(chuàng)新空間。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對生產(chǎn)工藝過程與回采巷道布置方式之間相互配合的探討和研究。

2.3 綜采設(shè)備穩(wěn)定性差

大傾角煤層開采難度大的根本原因在于煤層傾角過大，因此實現(xiàn)機(jī)械化的關(guān)鍵是設(shè)備的穩(wěn)定性控制。在實際生產(chǎn)中，綜采工作面設(shè)備常出現(xiàn)以下問題。

1）采煤機(jī)上行爬坡困難，滾筒裝煤效果差。

2）刮板輸送機(jī)下滑嚴(yán)重，甚至牽動液壓支架下滑；輸送機(jī)機(jī)頭與運輸平巷轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾搭接困難，輸送機(jī)溜槽與支架、采煤機(jī)連接件工況差。

3）液壓支架穩(wěn)定性和可靠性差，倒、滑、擠、咬架問題嚴(yán)重，支架復(fù)位困難，導(dǎo)致工作面推進(jìn)困難甚至支架與設(shè)備被壓死，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，威脅員工安全。

目前大傾角煤層工作面綜采設(shè)備只是對緩傾斜煤層設(shè)備進(jìn)行稍加改進(jìn)，這樣很難適應(yīng)大傾角煤層復(fù)雜的生產(chǎn)條件。一般的綜采設(shè)備在大傾角煤層中使用異常困難。例如大噸位、高阻力的綜采支架不能很好地適應(yīng)大傾角煤層。因此，大傾角煤層工作面綜采設(shè)備的穩(wěn)定性控制，必須從設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計著手。

3 解決大傾角煤層綜采技術(shù)難題的可行途徑

根據(jù)我國大傾角厚及中厚煤層機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀，提高大傾角厚及中厚煤層綜采技術(shù)水平，應(yīng)從礦山壓力理論研究著手。在緩（傾）斜的礦壓理論基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的新進(jìn)展，通過計算機(jī)數(shù)值分析、實驗室相似模擬試驗和現(xiàn)場實測，系統(tǒng)地、深入地研究大傾角煤層采場頂板活動規(guī)律，礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，及“支架－圍巖”相互作用原理，豐富和完善礦山壓力與巖層控制理論，為綜采設(shè)備穩(wěn)定性控制奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，選擇適用的采煤方法，合理布置回采巷道，優(yōu)化開采工藝，嚴(yán)格作業(yè)規(guī)程，加強(qiáng)組織管理，可以一定程度上確保生產(chǎn)的安全高效。采煤機(jī)下行割煤，上行裝煤，可有效控制采煤機(jī)下滑；移架時，應(yīng)帶壓由下向上逐架前移，以避免支架后方堆矸下竄對支架的影響；推移輸送機(jī)時，應(yīng)從下向上順序操作，可同時實現(xiàn)向上調(diào)輸送機(jī)的目的。

大傾角煤層工作面綜采設(shè)備的穩(wěn)定性控制，必須改變傳統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計理念。根據(jù)我國大傾角煤層綜采設(shè)備出現(xiàn)的問題，針對性提出我國大傾角煤層綜采設(shè)備的設(shè)計發(fā)展方向，見圖5。工作面的 “三機(jī)”配套設(shè)計選型必須以設(shè)備整體的可靠性為核心，以提高設(shè)備防滑能力為技術(shù)措施，在提高液壓支架穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化升級采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)設(shè)計。

圖5 綜采設(shè)備設(shè)計發(fā)展方向

4 結(jié)論

1）大傾角煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，采煤方法，及工作面設(shè)備穩(wěn)定性控制是大傾角綜采工作面“安全、高產(chǎn)、高效”的關(guān)鍵技術(shù)難題。系統(tǒng)研究和解決大傾角煤層開采過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，對于豐富復(fù)雜煤層開采理論和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重大意義。

2）大傾角厚及中厚煤層開采的出路在于實現(xiàn)綜合機(jī)械化。綜合機(jī)械化的應(yīng)用有利于提高煤炭回采率，珍惜國家煤炭資源，提高行業(yè)整體生產(chǎn)力水平，保障條件“復(fù)雜”煤層開采的安全性，符合煤炭工業(yè)“十二五”規(guī)劃戰(zhàn)略部署。

3）對于大傾角厚及中厚煤層，工作面布置方式與生產(chǎn)工藝過程仍具有較大的創(chuàng)新空間。根據(jù)不同的大傾角煤層地質(zhì)條件，尋求采煤方法的突破，多層次、因地制宜地應(yīng)用和發(fā)展先進(jìn)適用的機(jī)械化采煤技術(shù)，應(yīng)作為今后大傾角煤層實現(xiàn)機(jī)械化開采的發(fā)展重點。

4）隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，圍巖控制理論、采煤方法的不斷完善，綜采設(shè)備和管理技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，大傾角煤層綜合機(jī)械化開采必將取得更加顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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