煤礦大傾角作業(yè)面綜采技術(shù)的研究

劉 明

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037007）

我國已探明的煤炭儲(chǔ)量中，大傾角煤層的占比達(dá)到1/5，且在每年的煤炭開采量中占比達(dá)到1/10，但目前為止，大傾角綜采技術(shù)仍然是世界公認(rèn)的難題。大傾角煤層的開采主要依靠人力完成，導(dǎo)致煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度與危險(xiǎn)性都大大增加，同時(shí)也無法滿足當(dāng)前煤礦開采的效率要求。20 世紀(jì)80 年代前，蘇聯(lián)等部分國外煤礦研究過大傾角綜采技術(shù)，但在理論基礎(chǔ)與重要技術(shù)裝備上均未取得大的進(jìn)展，因此一直以來是一個(gè)煤礦開采的技術(shù)難點(diǎn)。近年來，隨著國內(nèi)越來越多的科研院校與煤礦企業(yè)在大傾角綜采技術(shù)方面研究的深入，現(xiàn)已在基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)裝備上取得了長遠(yuǎn)的進(jìn)步，有力地促進(jìn)了我國煤礦開采技術(shù)的進(jìn)步。

1 大傾角煤層的概念

根據(jù)煤層的傾斜程度，通常將煤層劃分為三類，分別為不超過25°的緩斜煤層、25°到45°之間的傾斜煤層、不小于45°的急斜煤層。目前為止，大傾角煤層尚無統(tǒng)一定義，煤礦開采行業(yè)普遍將傾角為35°到55°之間的煤層稱為大傾角煤層。

圖1 大傾角煤層充填區(qū)示意圖

大傾角煤層的開采過程中往往具備以下幾個(gè)特點(diǎn)[1-2]：工作面的煤層傾斜角度大于矸石的安息角，這樣會(huì)導(dǎo)致頂板破裂的巖石沿著工作面的斜度方向自上而下分別形成空頂區(qū)、部分填充區(qū)、完全填充區(qū)以及壓實(shí)區(qū)，如圖1 所示；綜采工作面的底板位移加大，此時(shí)如果底板發(fā)生破壞，極易造成底板失穩(wěn)并進(jìn)一步造成底板、支架、頂板所構(gòu)成的支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)[3-4]，從而引發(fā)安全事故；采煤工作面的機(jī)械設(shè)備由于同時(shí)收到頂部巖層的壓力與設(shè)備自身的重力分力，其滑動(dòng)與傾翻的危險(xiǎn)性大大增加。即使對(duì)普通設(shè)備增加了常用的穩(wěn)定裝置后，一般也要求工作面傾角不超過35°。

2 大傾角煤層底板- 支架- 頂板的失穩(wěn)類型

大傾角煤層綜采過程的安全性核心基礎(chǔ)在于底板-支架-頂板系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，而其中，頂板的位移是主要因素。該系統(tǒng)的失穩(wěn)一般是由頂板破裂巖石位移、支架位移與底板損壞后位移所導(dǎo)致的，其類型主要包含圖2 所示三種。

圖2 底板- 支架- 頂板系統(tǒng)失穩(wěn)類型

3 大傾角綜采的支架穩(wěn)定性分析

圖3 是大傾角支架的受力情況，其中R為支架所受頂板壓力，G為支架自身質(zhì)量。由圖可知支架不產(chǎn)生位移的條件是：

式中：θ=arctan（F/W）；R=（F2/W2）1/2。

隨著F的增大，與R會(huì)同步增大，從而導(dǎo)致R（h2sinθ-l1cosθ）增大，此時(shí)上述不等式成立的可能性就越小，由此可知，隨著煤層傾角的增大，支架失穩(wěn)的可能性就越高，從而使得整個(gè)支架往下傾翻栽跟頭的概率越高。此時(shí)，在移架作業(yè)過程中必須采取適當(dāng)措施防止支架失穩(wěn)，常用措施包含以下幾種：一是移架作業(yè)過程中要及時(shí)調(diào)整支架以確保支架與煤層時(shí)刻保持垂直狀態(tài)；二是移架過程中嚴(yán)控每次支架降低的高度，在帶壓狀態(tài)下擦頂移架，移架到位后及時(shí)升壓升高，堅(jiān)決執(zhí)行小降快拉、立即支護(hù)的作業(yè)準(zhǔn)則；三是要對(duì)出現(xiàn)咬架或傾斜等不良現(xiàn)象處及時(shí)處理，通常采取的方法是單體支柱扶正。

圖3 大傾角支架受力情況示意圖

4 大傾角綜采成套裝備介紹

由于大傾角煤層的特性，用于開采該類型煤礦的機(jī)械設(shè)備也需要特殊設(shè)計(jì)，而在設(shè)計(jì)過程中，我們必須以工作面的支架作為出發(fā)點(diǎn)與核心點(diǎn)，遵循提升采煤機(jī)、輸送機(jī)以及支架系統(tǒng)三部分整體協(xié)調(diào)性的設(shè)計(jì)思路。在上述設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，對(duì)于采煤機(jī)的設(shè)計(jì)，必須使得采煤機(jī)的重心位置盡量靠近底座，保證其具有足夠的牽引力、制動(dòng)力以及各個(gè)方向的穩(wěn)定性，同時(shí)要保證各部位間良好的潤滑性；對(duì)于輸送機(jī)的設(shè)計(jì)，需要在保證整機(jī)強(qiáng)度與防滑性的基礎(chǔ)上，選用合適的功率以確保瞬時(shí)通過性與運(yùn)輸能力；對(duì)于支架的設(shè)計(jì)，必須要選用適當(dāng)?shù)淖枇偷装灞葔骸?/p>

近年來，各大企業(yè)在大傾角綜采設(shè)備的研究上投入越來越大。基于以上設(shè)計(jì)原則，結(jié)合集成技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)、輸送機(jī)以及支架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制、區(qū)域獨(dú)立控制以及系統(tǒng)整體閉環(huán)控制等大傾角綜采成套設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。圖4 是鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司研發(fā)的一款大傾角綜采工作面三機(jī)裝備，該設(shè)備具有防倒防滑、穩(wěn)定性三維調(diào)整性、護(hù)幫、工作阻力分區(qū)域與整體控制等功能，對(duì)大傾角煤層綜采具備很好的適應(yīng)性。

圖4 大傾角綜采工作面三機(jī)裝備

5 結(jié)語

本文簡述了大傾角綜采技術(shù)的概念，分析了大傾角綜采設(shè)備的失穩(wěn)類型及機(jī)理，并進(jìn)一步提出了大傾角成套綜采設(shè)備的設(shè)計(jì)原則，從中可以，經(jīng)過最近20 年的發(fā)展，大傾角綜采技術(shù)在理論研究與實(shí)際設(shè)備制造兩方面都取得了長遠(yuǎn)進(jìn)步。隨著上述技術(shù)與裝備在實(shí)際煤礦開采生產(chǎn)過程中的應(yīng)用越來越廣泛，使得煤礦生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益均取得了重大提升。今后還應(yīng)繼續(xù)沿著這一方向深入理論研究，攻克技術(shù)難關(guān)，并進(jìn)一步形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，最終完善理論體系與技術(shù)體系，繼續(xù)大力提升大傾角綜采技術(shù)的安全性與高效性。