国家能源集团神东柳塔煤矿 内蒙古自治区 鄂尔多斯市 017200
摘要：在综述国内外大倾角煤层开采现状的基础上，认为综合机械化开采是大倾角煤层安全高效开采的惟一出路，并指出了实现大倾角煤层长壁综采需解决的理论与技术难题。给出了大倾角煤层的概念和工程解释。重点论述了大倾角煤层开采基础理论、关键技术、成套装备等方面的研究现状及进展，系统介绍了我国大倾角中厚煤层综采、厚煤层大采高开采、特厚煤层综放开采、煤层群综采及回采巷道支护等工程实践
关键词：大倾角煤层；安全高效；开采技术
迄今“大倾角煤层”在煤炭开采工程与学术界尚无统一定义，大多数学者与工程技术人员倾向于将35°～55°煤层称为大倾角煤层。大倾角煤层约占我国煤炭探明储量的20％和产量的10％，受特殊成煤环境控制，50％以上为优质焦煤和无烟煤，是我国保护性开采的稀缺煤种，提高该类煤层资源采出率是涉及国家能源安全的重大战略问题。
一、大倾角煤层的概念及其工程解释
（一）大倾角煤层倾角范围的界定
煤层倾角是确定采煤方法的重要因素之一。长期以来，我国煤炭开采学术及工程界将煤层按倾角分为缓斜（≤25°）、倾斜（25°～45°）和急斜（≥45°）3类。随着综合机械化采煤技术的不断进步，煤层按倾角的３类划分已不能满足开采实践与学术发展要求。国际主要采煤国家（前苏联、美国、德国、波兰等）早已将煤层按倾角分为４类，其中将35°～55°的煤层称为大斜或陡斜煤层。我国自20世纪80年代以来，综采技术在缓斜煤层开采中广泛应用并取得高产高效，综采技术逐渐向倾斜煤层和急倾斜煤层开采拓展，开始出现“大倾角煤层”称谓。20世纪90年代至今，“大倾角煤层”作为一个煤炭开采的名词术语频繁出现，但至今尚无统一规范的定义。目前多数文献认为“大倾角煤层”是指埋藏倾角为35°～55°的煤层，是倾斜和急倾斜煤层的一部分[1]。
（二）大倾角煤层的工程解释
针对35°～55°的煤层长壁综采（放）技术研究，通过对大量的现场观测资料分析和实验研究发现，当煤层倾角大于35°时，走向长壁工作面开采具有以下基本特征[2]：
1.工作面开采过程中，煤层倾角大于矸石堆积自然安息角，顶板的破断岩石沿工作空间向下滑滚，沿工作面倾斜方向形成工作面下部填实、中下部填满、中上部填虚、上部悬空的采空区分区充填特征，工作面沿倾斜方向的围岩移动（顶板下沉和底板鼓起）和支承压力分布以工作面走向推进中轴线为界呈现出典型的非对称特征。
2.工作面底板围岩向已成卸载空间的移动加剧，变形和破坏的可能性增大。在非控制状态下，一旦底板出现破坏，易产生向下滑移，且破坏滑移区会向上蔓延，造成底板的大范围失稳并引发工作面“顶板（R）－支架（S）－底板（F）”系统失稳，导致灾变。
3.在上覆岩层和自身重力沿倾斜（切向方向）分量的作用下，工作面支架和设备下滑、倾倒的概率急剧增加，一般工作面液压支架、采煤机、刮板输送机等在增加相应的普通防倒、防滑装置后最大适用倾角小于35°。
4.当煤层倾角大于55°时，一般多用水平分段综采放顶煤采煤法，底板脊背煤损失较小，特别是当煤层厚度变化大，工作面非等长时，生产组织难度大，产效低，掘进率高。由于装备能力、安全防护及工人作业环境等因素的制约，采用走向长壁开采方法难度极大。
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5.当煤层倾角大于55°时，含煤地层中分层明显的煤层底板在重力作用下向已成空间的变形速率急剧增大，特别是在工作面倾斜方向的下部区域，具有一般底板比压的工作面装备造成底板破坏的机率亦急剧增大，且底板变形破坏的蔓延区域和速度也明显变化，工作面装备大范围倒滑，使“支架－围岩”系统完整性和稳定性大幅度下降，工作面出现生产与安全事故的概率成倍增加。综上所述，将大倾角煤层规范定义为赋存倾角35°～55°的煤层，是一类特殊埋藏条件的煤层，也是国际采矿界公认的复杂难采煤层，综采难度极大，安全高效开采此类煤层是综采技术拓展的新领域[3]。
二、大倾角煤层综合机械化开采理论与技术
（一）大倾角煤层长壁开采基础理论
1.采场覆岩非对称结构及其失稳致灾机理
大倾角煤层走向长壁综合机械化开采技术研究团队，特别是近20年以来，利用理论、实验和现场实测相结合的综合研究方法，开展了大倾角煤层走向长壁开采围岩应力场形成与演化、岩层裂断和运动过程、矿山压力分布与显现规律等基础研究，建立了非对称约束条件下大倾角煤层走向长壁开采“关键层”岩体结构空间模型，分析了“关键层”岩体结构形成与运动机理、工作面“R-S-F”系统失稳基本类型和主导影响因素[4]。
2.大倾角煤层“R-S-F”系统动力学控制理论
基于大倾角煤层采场围岩运移及致灾机理分析，认为大倾角煤层工作面围岩出现灾变的根本原因是在顶板破断岩块运移、工作面支架或支护系统位移和底板破坏滑移体运动的过程中，由于三者之间的荷载及运动耦合效应减弱，造成可人为控制的支架对围岩的控制效果减弱或消失，导致“R-S-F”系统失稳，从而引发围岩灾变。
（二）大倾角煤层走向长壁机械化开采关键技术
基于实验分析和现场实测，开展了大倾角煤层走向长壁工作面综合机械化开采不同区域“R-S-F”系统完整性和动态稳定性控制关键因素研究。研究发现关键因素包括：其一为顶板、支架与装备、底板三者之间的两两接触状态；其二为工作面沿倾斜上部区域内顶板的悬露与垮落状态；其三为以工作阻力利用率为特征的支架工作状态以及输送机和采煤机之间配合方式[5]。
（三）大倾角煤层长壁工作面成套装备研制关键技术
基于以工作面支架为核心，提高支架、采煤机、输送机（三机）系统耦合程度与整体稳定性的装备设计思想，确立了大倾角状态下“三机”设计原则。提出了合理确定支架工作阻力和底板比压、提高纵－横向稳定性与调整能力、轻型化与高可靠性的工作面支架优化设计方法；四象限控制、增大牵引力与制动力、提高纵－横向稳定性和摇臂强制润滑能力、降低工作重心的采煤机设计方法；提高整体强度与自身防滑能力、适中功率和瞬时通过能力的输送机设计方法[6]。
结语
从1996年开始，通过近20年持续研究和发展，大倾角煤层长壁综合机械化开采技术研究在基础理论、核心技术、关键装备等方面的研究和工程应用均取得了重大突破，并取得了显著的经济和社会效益。在今后的大倾角煤层综合机械化开采发展过程中，还应进一步深入岩层控制基础理论研究，不断突破关键技术瓶颈，创新开采方法，加强新型专门装备研制，制定大倾角煤层开采的行业和国家标准，形成系统的理论和技术体系，不断促进大倾角煤层的安全高效生产。
参考文献
[1]曾国华.大倾角煤层安全高效充填开采技术探析[J].科技视界,2018(17): 149-150.
[2]王明.大倾角综合机械化采煤技术与安全管理[J].山东工业技术,2018 (23):53.
[3]焦贵生.煤矿中厚煤层开采中机械化开采技术的应用分析[J].矿业装备,2018(6):72-73.
[4]杨世杰,王东方,范振东.大倾角综放开采综合技术研究与应用[J].煤矿开采,2017,22(3):20-23.
[5]胡盼.大倾角薄煤层综合机械化开采技术的应用[J].机械管理开发, 2018,33(10):151-152,192.
[6]王国法,庞义辉.煤炭安全高效开采技术与装备发展[J].煤炭工程,2014, 46(10):38-42.
论文作者:朱云龙
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/4
标签：煤层论文; 倾角论文; 工作面论文; 底板论文; 围岩论文; 支架论文; 高效论文; 《防护工程》2019年第4期论文;