煤矿大倾角作业面综采技术的研究

刘 明

（同煤集团四台矿，山西 大同 037007）

我国已探明的煤炭储量中，大倾角煤层的占比达到1/5，且在每年的煤炭开采量中占比达到1/10，但目前为止，大倾角综采技术仍然是世界公认的难题。大倾角煤层的开采主要依靠人力完成，导致煤矿工人的劳动强度与危险性都大大增加，同时也无法满足当前煤矿开采的效率要求。20 世纪80 年代前，苏联等部分国外煤矿研究过大倾角综采技术，但在理论基础与重要技术装备上均未取得大的进展，因此一直以来是一个煤矿开采的技术难点。近年来，随着国内越来越多的科研院校与煤矿企业在大倾角综采技术方面研究的深入，现已在基础理论与关键技术装备上取得了长远的进步，有力地促进了我国煤矿开采技术的进步。

1 大倾角煤层的概念

根据煤层的倾斜程度，通常将煤层划分为三类，分别为不超过25°的缓斜煤层、25°到45°之间的倾斜煤层、不小于45°的急斜煤层。目前为止，大倾角煤层尚无统一定义，煤矿开采行业普遍将倾角为35°到55°之间的煤层称为大倾角煤层。

图1 大倾角煤层充填区示意图

大倾角煤层的开采过程中往往具备以下几个特点[1-2]：工作面的煤层倾斜角度大于矸石的安息角，这样会导致顶板破裂的岩石沿着工作面的斜度方向自上而下分别形成空顶区、部分填充区、完全填充区以及压实区，如图1 所示；综采工作面的底板位移加大，此时如果底板发生破坏，极易造成底板失稳并进一步造成底板、支架、顶板所构成的支护系统失稳[3-4]，从而引发安全事故；采煤工作面的机械设备由于同时收到顶部岩层的压力与设备自身的重力分力，其滑动与倾翻的危险性大大增加。即使对普通设备增加了常用的稳定装置后，一般也要求工作面倾角不超过35°。

2 大倾角煤层底板- 支架- 顶板的失稳类型

大倾角煤层综采过程的安全性核心基础在于底板-支架-顶板系统的稳定性与安全性，而其中，顶板的位移是主要因素。该系统的失稳一般是由顶板破裂岩石位移、支架位移与底板损坏后位移所导致的，其类型主要包含图2 所示三种。

图2 底板- 支架- 顶板系统失稳类型

3 大倾角综采的支架稳定性分析

图3 是大倾角支架的受力情况，其中R为支架所受顶板压力，G为支架自身质量。由图可知支架不产生位移的条件是：

式中：θ=arctan（F/W）；R=（F2/W2）1/2。

随着F的增大，与R会同步增大，从而导致R（h2sinθ-l1cosθ）增大，此时上述不等式成立的可能性就越小，由此可知，随着煤层倾角的增大，支架失稳的可能性就越高，从而使得整个支架往下倾翻栽跟头的概率越高。此时，在移架作业过程中必须采取适当措施防止支架失稳，常用措施包含以下几种：一是移架作业过程中要及时调整支架以确保支架与煤层时刻保持垂直状态；二是移架过程中严控每次支架降低的高度，在带压状态下擦顶移架，移架到位后及时升压升高，坚决执行小降快拉、立即支护的作业准则；三是要对出现咬架或倾斜等不良现象处及时处理，通常采取的方法是单体支柱扶正。

图3 大倾角支架受力情况示意图

4 大倾角综采成套装备介绍

由于大倾角煤层的特性，用于开采该类型煤矿的机械设备也需要特殊设计，而在设计过程中，我们必须以工作面的支架作为出发点与核心点，遵循提升采煤机、输送机以及支架系统三部分整体协调性的设计思路。在上述设计原则的指导下，对于采煤机的设计，必须使得采煤机的重心位置尽量靠近底座，保证其具有足够的牵引力、制动力以及各个方向的稳定性，同时要保证各部位间良好的润滑性；对于输送机的设计，需要在保证整机强度与防滑性的基础上，选用合适的功率以确保瞬时通过性与运输能力；对于支架的设计，必须要选用适当的阻力和底板比压。

近年来，各大企业在大倾角综采设备的研究上投入越来越大。基于以上设计原则，结合集成技术与机器学习技术，成功实现了采煤机、输送机以及支架系统的动态稳定性控制、区域独立控制以及系统整体闭环控制等大倾角综采成套设备的关键技术。图4 是郑州煤矿机械集团股份有限公司研发的一款大倾角综采工作面三机装备，该设备具有防倒防滑、稳定性三维调整性、护帮、工作阻力分区域与整体控制等功能，对大倾角煤层综采具备很好的适应性。

图4 大倾角综采工作面三机装备

5 结语

本文简述了大倾角综采技术的概念，分析了大倾角综采设备的失稳类型及机理，并进一步提出了大倾角成套综采设备的设计原则，从中可以，经过最近20 年的发展，大倾角综采技术在理论研究与实际设备制造两方面都取得了长远进步。随着上述技术与装备在实际煤矿开采生产过程中的应用越来越广泛，使得煤矿生产企业的经济效益与社会效益均取得了重大提升。今后还应继续沿着这一方向深入理论研究，攻克技术难关，并进一步形成行业标准或国家标准，最终完善理论体系与技术体系，继续大力提升大倾角综采技术的安全性与高效性。