大倾角煤层综合机械化开采关键技术研究

2013-09-07宋高峰任志成孔德中刘会臣

中国矿业 2013年11期

宋高峰，任志成，孔德中，刘会臣

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右。在未来相当长时期内，煤炭作为主题能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。中国煤炭工业发展近几年取得较大成绩，但也遇到以下几方面的问题［1］。①煤炭资源破坏、浪费严重，可持续发展堪忧；②机械化程度低，整体生产力水平相对落后；③煤矿安全生产形势依然严峻。

大倾角煤层一般是指倾角在35°～55°之间的煤层，在我国占有15%～20%的储量，年产量占全国煤炭总产量的8%～10%。大倾角煤层主要分布在我国西部矿区，如四川、新疆、宁夏、甘肃、贵州、云南等，淮南、淮北、内蒙、东北等省区也有一定储量的分布。大倾角煤层开采在我国有着良好的发展前景。

长期以来，我国煤炭行业饱受挑肥丢瘦、资源回采率低下的诟病，这除了客观强调地质因素和经济原因外，技术装备水平落后也是不可忽视的原因。我国煤炭生产开发布局如图1所示，近年来随着我国东部煤炭资源日渐枯竭，中部受资源与环境约束的矛盾加剧，开采条件“优越”的煤层储量越来越少，以及“十二五”期间煤炭开发战略西移和“全国煤矿采煤机械化程度达到75%以上”发展目标的确立，大倾角煤层开采日渐受到人们的重视。在此背景下，提出大倾角煤层的“安全、高产、高效”开采，一定程度上有助于解决以上制约煤炭工业发展的“瓶颈”问题。

图1 中国煤炭生产开发布局示意图

1 大倾角煤层开采发展概况

大倾角煤层在形成初期，受地壳不均衡沉降、冲蚀作用及后期褶皱、断裂运动的影响，形成了复杂的地质条件［2］。大倾角煤层开采难度大，劳动强度高，效率低，安全性差，生产技术水平和岩层控制理论研究等都明显滞后于缓倾斜煤层。

1.1 我国大倾角煤层采煤方法的发展

采煤方法是采煤工艺与回采巷道布置及其在时间上、空间上的相互配合。由于大倾角煤层恶劣的人（机）工作环境，其“安全、高产、高效”生产需要合理的、创新的采煤方法。我国对大倾角煤层开采进行了长期的探索和革新，从早期炮采工艺，到大倾角煤层综合机械化开采，取得了较大的进步。

非机械化开采：新中国成立前，我国主要采用柱式体系采煤法开采急（倾）斜煤层；20世纪50年代初，我国推行了倒台阶采煤法、水平分层采煤法、巷道长壁和沿俯斜推进的掩护支架采煤法；60年代中期，淮南矿区发展和创造了伪倾斜柔性掩护支架采煤法；80年代中后期，芙蓉、广旺等矿区创造了俯伪斜分段走向密集采煤法，逐渐取代了倒台阶采煤法。

机械化开采：20世纪80年代末，窑街、梅河、乌鲁木齐矿区发展了水平分段综合机械化放顶煤采煤法；北京、靖远矿区和华亭煤矿成功试验了滑移顶梁支架铺顶网水平分段放顶煤采煤法；2003年前后，靖远王家山煤矿发展了水平、圆弧过渡工作面综采长壁放顶煤采煤法。

以上采煤方法一定程度上解决了大倾角煤层的相关技术难题，同时还存在一些弊端。对我国大倾角煤层采煤方法，提出以下认识：①我国在大倾角煤层开采方法上具有一定的变革和创新。但机械化程度偏低，产量相对低下，工人体力劳动繁重。②大倾角厚或特厚煤层放顶煤技术相对成熟，实现了机械化开采。提高了产量和效益，降低了掘进率，安全性也得到保障。但大倾角厚及中厚煤层机械化开采在采煤方法上并没有实质性突破。

1.2 我国大倾角厚及中厚煤层综采发展现状

自20世纪80年代，我国对大倾角厚及中厚煤层综合机械化开采进行了一系列的研究和尝试［3－6］，取得了一定的成绩，其中具有代表性的汇总于表1。

表1 我国大倾角中厚煤层开采矿井

综合机械化在大倾角煤层的应用，拓宽了综采技术的适用范围，提高了产量、工效和采出率，降低了掘进率、安全事故，具有良好的经济效益和社会效益，同时为大倾角煤层“安全、高产、高效”生产奠定了理论技术和生产实践基础。

但限于综采技术水平，大倾角厚及中厚煤层综采工作面长度及推进长度相比于缓倾斜煤层仍较短。大量的现场生产实践与试验研究表明，综采设备并不能很好的适应大倾角厚及中厚煤层，甚至发生过工作面支护系统大范围失稳而引发的重大人员伤亡事故。大倾角厚及中厚煤层综采在技术和装备上处于摸索和试验阶段，尚有待于进一步实践、改进、完善与提高。

2 大倾角煤层综采关键技术难题

根据我国大倾角厚及中厚煤层机械化发展现状，提高大倾角厚及中厚煤层综采技术水平，应从矿山压力理论研究着手，寻求采煤方法的突破，难点在于设备的稳定性控制［7］。

2.1 采场围岩控制缺乏理论基础

大倾角煤层受其自身倾角状态、围岩力学性质等影响，顶底板岩层的运动、变形和破坏具有同缓斜煤层不同的规律和特征。

1）实际观测表明，煤层倾角是影响采场矿山压力显现的重要因素。如图2所示，随着倾角增大，上覆岩层沿层面的切向滑移力Q2增大，而作用于层面的垂直压力Q1减小。采空区顶板冒落的矸石也可能沿着底板滑移（滚），使工作面沿倾斜方向形成下部填实、中部填满、上部悬空的不均匀充填带（图3），从而改变工作面倾斜方向的矿山压力分布及上覆岩层的运动规律［8－9］。

图2 倾角对顶板压力的影响

图3 大倾角煤层采空区冒落矸石的滑移

2）大倾角煤层受地质构造运动影响，煤层顶、底板破坏程度相对较大，因而顶、底板岩石的节理裂隙较发育，较易冒落［10］。

矿山压力显现规律对于采场围岩控制和采煤方法设计具有重要的指导意义。我国在缓（倾）斜煤层矿压显现规律研究方面卓有成效，已形成系统的、科学的围岩控制理论与技术方法。在大倾角煤层矿压显现规律研究方面，不少学者进行了一定的现场矿压观测和理论、实验研究，但系统的研究工作尚待展开。大倾角煤层矿压显现规律仍处于研究和探索阶段，在围岩控制技术、开采方法设计方面主要依靠缓倾斜的研究成果，显然不利于大倾角煤层的“安全、高产、高效”开采。

2.2 采煤方法需进一步创新

如前文所述，急倾斜厚或特厚煤层运用放顶煤技术，使综采设备很好地适应了复杂的煤层地质条件，并取得良好的经济效益。不具备放煤条件的大倾角厚及中厚煤层实现机械化，则需要合理的、创新的采煤方法。

1）工作面伪仰斜布置（图4）可使工作面系统整体向上移动，减小工作面真倾角，减缓甚至抵消工作面支架和设备的下滑趋势，从而加强整个工作面系统的稳定性。

图4 工作面伪仰斜布置示意图

2）大倾角煤层综采工作面割煤方式应选择由上向下单向割煤，这样有助于减小牵引阻力，防止采煤机下滑，同时也有利于采煤装煤。

大倾角煤层赋存条件复杂，开采难度大，先进的、适用的采煤方法有利于大倾角煤层的“安全、高产、高效”生产。大倾角厚及中厚煤层采煤方法仍具有较大的创新空间。因此，应进一步加强对生产工艺过程与回采巷道布置方式之间相互配合的探讨和研究。

2.3 综采设备稳定性差

大倾角煤层开采难度大的根本原因在于煤层倾角过大，因此实现机械化的关键是设备的稳定性控制。在实际生产中，综采工作面设备常出现以下问题。

1）采煤机上行爬坡困难，滚筒装煤效果差。

2）刮板输送机下滑严重，甚至牵动液压支架下滑；输送机机头与运输平巷转载机机尾搭接困难，输送机溜槽与支架、采煤机连接件工况差。

3）液压支架稳定性和可靠性差，倒、滑、挤、咬架问题严重，支架复位困难，导致工作面推进困难甚至支架与设备被压死，严重影响生产，威胁员工安全。

目前大倾角煤层工作面综采设备只是对缓倾斜煤层设备进行稍加改进，这样很难适应大倾角煤层复杂的生产条件。一般的综采设备在大倾角煤层中使用异常困难。例如大吨位、高阻力的综采支架不能很好地适应大倾角煤层。因此，大倾角煤层工作面综采设备的稳定性控制，必须从设备的优化设计着手。

3 解决大倾角煤层综采技术难题的可行途径

根据我国大倾角厚及中厚煤层机械化发展现状，提高大倾角厚及中厚煤层综采技术水平，应从矿山压力理论研究着手。在缓（倾）斜的矿压理论基础上，结合数学、力学理论的新进展，通过计算机数值分析、实验室相似模拟试验和现场实测，系统地、深入地研究大倾角煤层采场顶板活动规律，矿山压力显现规律，及“支架－围岩”相互作用原理，丰富和完善矿山压力与岩层控制理论，为综采设备稳定性控制奠定理论和技术基础。

根据不同的地质条件和生产技术条件，选择适用的采煤方法，合理布置回采巷道，优化开采工艺，严格作业规程，加强组织管理，可以一定程度上确保生产的安全高效。采煤机下行割煤，上行装煤，可有效控制采煤机下滑；移架时，应带压由下向上逐架前移，以避免支架后方堆矸下窜对支架的影响；推移输送机时，应从下向上顺序操作，可同时实现向上调输送机的目的。

大倾角煤层工作面综采设备的稳定性控制，必须改变传统的设备设计理念。根据我国大倾角煤层综采设备出现的问题，针对性提出我国大倾角煤层综采设备的设计发展方向，见图5。工作面的 “三机”配套设计选型必须以设备整体的可靠性为核心，以提高设备防滑能力为技术措施，在提高液压支架稳定性的基础上，优化升级采煤机、刮板输送机设计。