煤礦大傾角作業面綜采技術的研究

劉 明

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037007）

我國已探明的煤炭儲量中，大傾角煤層的占比達到1/5，且在每年的煤炭開采量中占比達到1/10，但目前為止，大傾角綜采技術仍然是世界公認的難題。大傾角煤層的開采主要依靠人力完成，導致煤礦工人的勞動強度與危險性都大大增加，同時也無法滿足當前煤礦開采的效率要求。20 世紀80 年代前，蘇聯等部分國外煤礦研究過大傾角綜采技術，但在理論基礎與重要技術裝備上均未取得大的進展，因此一直以來是一個煤礦開采的技術難點。近年來，隨著國內越來越多的科研院校與煤礦企業在大傾角綜采技術方面研究的深入，現已在基礎理論與關鍵技術裝備上取得了長遠的進步，有力地促進了我國煤礦開采技術的進步。

1 大傾角煤層的概念

根據煤層的傾斜程度，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，大傾角煤層尚無統一定義，煤礦開采行業普遍將傾角為35°到55°之間的煤層稱為大傾角煤層。

圖1 大傾角煤層充填區示意圖

大傾角煤層的開采過程中往往具備以下幾個特點[1-2]：工作面的煤層傾斜角度大于矸石的安息角，這樣會導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、部分填充區、完全填充區以及壓實區，如圖1 所示；綜采工作面的底板位移加大，此時如果底板發生破壞，極易造成底板失穩并進一步造成底板、支架、頂板所構成的支護系統失穩[3-4]，從而引發安全事故；采煤工作面的機械設備由于同時收到頂部巖層的壓力與設備自身的重力分力，其滑動與傾翻的危險性大大增加。即使對普通設備增加了常用的穩定裝置后，一般也要求工作面傾角不超過35°。

2 大傾角煤層底板- 支架- 頂板的失穩類型

大傾角煤層綜采過程的安全性核心基礎在于底板-支架-頂板系統的穩定性與安全性，而其中，頂板的位移是主要因素。該系統的失穩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- 頂板系統失穩類型

3 大傾角綜采的支架穩定性分析

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為支架自身質量。由圖可知支架不產生位移的條件是：

式中：θ=arctan（F/W）；R=（F2/W2）1/2。

隨著F的增大，與R會同步增大，從而導致R（h2sinθ-l1cosθ）增大，此時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，支架失穩的可能性就越高，從而使得整個支架往下傾翻栽跟頭的概率越高。此時，在移架作業過程中必須采取適當措施防止支架失穩，常用措施包含以下幾種：一是移架作業過程中要及時調整支架以確保支架與煤層時刻保持垂直狀態；二是移架過程中嚴控每次支架降低的高度，在帶壓狀態下擦頂移架，移架到位后及時升壓升高，堅決執行小降快拉、立即支護的作業準則；三是要對出現咬架或傾斜等不良現象處及時處理，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械設備也需要特殊設計，而在設計過程中，我們必須以工作面的支架作為出發點與核心點，遵循提升采煤機、輸送機以及支架系統三部分整體協調性的設計思路。在上述設計原則的指導下，對于采煤機的設計，必須使得采煤機的重心位置盡量靠近底座，保證其具有足夠的牽引力、制動力以及各個方向的穩定性，同時要保證各部位間良好的潤滑性；對于輸送機的設計，需要在保證整機強度與防滑性的基礎上，選用合適的功率以確保瞬時通過性與運輸能力；對于支架的設計，必須要選用適當的阻力和底板比壓。

近年來，各大企業在大傾角綜采設備的研究上投入越來越大?；谝陨显O計原則，結合集成技術與機器學習技術，成功實現了采煤機、輸送機以及支架系統的動態穩定性控制、區域獨立控制以及系統整體閉環控制等大傾角綜采成套設備的關鍵技術。圖4 是鄭州煤礦機械集團股份有限公司研發的一款大傾角綜采工作面三機裝備，該設備具有防倒防滑、穩定性三維調整性、護幫、工作阻力分區域與整體控制等功能，對大傾角煤層綜采具備很好的適應性。

圖4 大傾角綜采工作面三機裝備

5 結語

本文簡述了大傾角綜采技術的概念，分析了大傾角綜采設備的失穩類型及機理，并進一步提出了大傾角成套綜采設備的設計原則，從中可以，經過最近20 年的發展，大傾角綜采技術在理論研究與實際設備制造兩方面都取得了長遠進步。隨著上述技術與裝備在實際煤礦開采生產過程中的應用越來越廣泛，使得煤礦生產企業的經濟效益與社會效益均取得了重大提升。今后還應繼續沿著這一方向深入理論研究，攻克技術難關，并進一步形成行業標準或國家標準，最終完善理論體系與技術體系，繼續大力提升大傾角綜采技術的安全性與高效性。