大傾角煤層綜合機械化開采關(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 （北京）資源與安全工程學院，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、浪費嚴重，可持續(xù)發(fā)展堪憂；②機械化程度低，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，這除了客觀強調(diào)地質(zhì)因素和經(jīng)濟原因外，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“全國煤礦采煤機械化程度達到75%以上”發(fā)展目標的確立，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，形成了復雜的地質(zhì)條件［2］。大傾角煤層開采難度大，勞動強度高，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）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械化開采，取得了較大的進步。

非機械化開采：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的掩護支架采煤法；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。

機械化開采：20世紀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械化放頂煤采煤法；北京、靖遠礦區(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)了機械化開采。提高了產(chǎn)量和效益，降低了掘進率，安全性也得到保障。但大傾角厚及中厚煤層機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80年代，我國對大傾角厚及中厚煤層綜合機械化開采進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

綜合機械化在大傾角煤層的應用，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，降低了掘進率、安全事故，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，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大傾角厚及中厚煤層，甚至發(fā)生過工作面支護系統(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，尚有待于進一步實踐、改進、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，不少學者進行了一定的現(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)備很好地適應了復雜的煤層地質(zhì)條件，并取得良好的經(jīng)濟效益。不具備放煤條件的大傾角厚及中厚煤層實現(xiàn)機械化，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，防止采煤機下滑，同時也有利于采煤裝煤。

大傾角煤層賦存條件復雜，開采難度大，先進的、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，應進一步加強對生產(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）采煤機上行爬坡困難，滾筒裝煤效果差。

2）刮板輸送機下滑嚴重，甚至牽動液壓支架下滑；輸送機機頭與運輸平巷轉(zhuǎn)載機機尾搭接困難，輸送機溜槽與支架、采煤機連接件工況差。

3）液壓支架穩(wěn)定性和可靠性差，倒、滑、擠、咬架問題嚴重，支架復位困難，導致工作面推進困難甚至支架與設(shè)備被壓死，嚴重影響生產(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)備進行稍加改進，這樣很難適應大傾角煤層復雜的生產(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、力學理論的新進展，通過計算機數(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，嚴格作業(yè)規(guī)程，加強組織管理，可以一定程度上確保生產(chǎn)的安全高效。采煤機下行割煤，上行裝煤，可有效控制采煤機下滑；移架時，應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；推移輸送機時，應從下向上順序操作，可同時實現(xiàn)向上調(diào)輸送機的目的。

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”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、刮板輸送機設(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，對于豐富復雜煤層開采理論和國民經(jīng)濟建設(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)綜合機械化。綜合機械化的應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、因地制宜地應用和發(fā)展先進適用的機械化采煤技術(shù)，應作為今后大傾角煤層實現(xiàn)機械化開采的發(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)水平的進一步提高，大傾角煤層綜合機械化開采必將取得更加顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

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