汪永印，李緒方

（1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州萬恒科技發(fā)展有限公司，貴州 貴陽 550025）

急傾斜煤層指傾角大于45°的煤層。國內(nèi)主要產(chǎn)煤區(qū)均有分布，急傾斜煤層約占中國煤炭總儲量的25%，而產(chǎn)量卻不足10%[1]。

大傾角煤層通常指35°～55°的煤層。下限為35°是由矸石的自然安息角所確定的，但上限55°則是根據(jù)當(dāng)時技術(shù)裝備條件下布置長壁工作面所能達到的極限角度而確定的。我國大傾角煤層已探明儲量約（1800～3600）×108t，產(chǎn)量約（18.5～3.0）×108t，分別占全國儲量和產(chǎn)量的10%～20%和5%～8%[2]。

目前，貴州及國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)對于大傾角煤層綜合機械化開采方面的研究已經(jīng)有了成功的經(jīng)驗。如貴州六枝某礦成功的急傾斜柔性液壓支架配合截煤機的急傾斜煤層綜合機械化開采方法已經(jīng)試采成功。

目前貴州及國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)在傾角大于60°的急傾斜煤層的機械化開采領(lǐng)域已經(jīng)做出過有益的嘗試。偽傾斜柔性掩護支架采煤法曾經(jīng)作為傾角大于60°的薄及中厚急傾斜煤層開采的有效方法，由于產(chǎn)量低、勞動強度大，機械化程度低等因素已經(jīng)難以滿足煤炭工業(yè)機械化、智能化的發(fā)展需要[1,3]。但是，在偽傾斜柔性掩護支架能有效隔離采空區(qū)的思路影響下，國內(nèi)多家煤礦及科研機構(gòu)分別研制出液壓可伸縮柔性掩護支架[4]、自移式柔性掩護液壓支架[5]；為減少急傾斜煤層開采時工作面爆破落煤的工作量，部分科研機構(gòu)研制出銑采采煤機[4]、鋼絲繩鋸采煤法[6]、巷道放頂煤采煤法[7]、采煤機配合移動氣墊采煤法等。

1 急傾斜煤層主要采礦方法簡介

1.1 急傾斜煤層主要采礦方法分類

目前，急傾斜煤層薄及中厚煤層的采礦方法主要有臺階采煤法、掩護支架采煤法、巷道放頂煤采煤法、機械化/綜合機械化采煤法以及地下氣化等，急傾斜薄及中厚煤層主要開采方法如圖1所示。其中的臺階采煤法基本淘汰。

1.2 柔性掩護支架采煤法

柔性掩護支架采煤法利用柔性掩護支架隔離采空區(qū)，人員在掩護支架下方工作，有效提高了工作面的安全狀況。主要采煤方法分類如圖1所示。其中真傾斜掩護支架采煤法已經(jīng)淘汰。

圖1 急傾斜薄及中厚煤層采礦方法分類示意圖

1.2.1 偽傾斜柔性掩護支架采煤法

偽傾斜柔性掩護支架采煤法工作面由于通風(fēng)困難、產(chǎn)量低、勞動強度大、機械化程度低等因素已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代煤炭工業(yè)機械化、智能化的發(fā)展需要[1]。

為提高工作面產(chǎn)量，通常需增大區(qū)段高度。為緩解由于區(qū)段高度的增加導(dǎo)致的煤炭運輸時的向下的沖擊力，常采用在掩護支架中部增加平架子段、溜煤斜巷、溜煤高眼以及通過增加腰巷（中巷）的方式來實現(xiàn)分段運輸[1]。又由于增加了溜煤斜巷、溜煤高眼、中巷等導(dǎo)致工作面分段進入新鮮風(fēng)流，導(dǎo)致工作面下段風(fēng)量不足，上段風(fēng)速超限，給原本就因為地溝斷面小而存在諸多通風(fēng)問題的偽傾斜柔性掩護支架工作面帶來新的管理難度。

1.2.2 掩護支架類型

柔性掩護支架的主要支架類型有7字型、“〈”形、八字型、一字型。為增加掩護支架對煤層厚度的適應(yīng)性，目前有可變寬度的液壓可伸縮型掩護支架[4]以及部分實現(xiàn)自移的液壓支架[5]。

1.2.3 破煤方式

柔性掩護支架采煤法的主要破煤工藝有風(fēng)鎬破煤、爆破破煤、銑采/俯采采煤機破煤。為減少爆破或風(fēng)鎬破煤的工作量，目前發(fā)展有銑采采煤機[4]、俯采采煤機等，即基于柔性掩護支架的機械化采煤法。

1.3 巷道放頂煤采煤法

巷道放頂煤采煤法主要有單分段水平放頂煤采煤法，區(qū)段高度一般稍大于10m，輔以中深孔松動爆破[7-8]。為提高推進速度，采用放頂煤液壓組合支架，后架以放煤為主，在掩護梁和頂梁設(shè)置放煤口，進行中位和高位放煤。前架以驅(qū)動為主，采用履帶式電動牽引。

為增加區(qū)段高度，提高工作面產(chǎn)量，改進的巷道放頂煤開采方法有“兩段三平巷”式開采方法，其目的都是通過上、下區(qū)段錯茬推進，實現(xiàn)兩個工作面同時開采，巷道布置類似于偽傾斜柔性掩護支架采煤法的增加腰巷/中巷的開采方法。

為減少巷道掘進工程量，通過維護放頂煤巷道，形成單一巷道放頂煤采煤法，但需要布置邊界回風(fēng)上山。具體做法是，在放頂煤巷道內(nèi)，靠近底板側(cè)維護一條人字形巷道作為工作面的回風(fēng)巷。工作面的風(fēng)流由放頂煤巷道進入，然后通過維護的人字形巷道回風(fēng)至采區(qū)邊界上山。

1.4 機械化采煤法

機械化采煤法主要是通過反井鉆機、鋼絲繩鋸，采煤機實現(xiàn)煤炭開采，主要采礦方法分類如圖1所示，其中普通機械化采煤法已經(jīng)淘汰。

1.4.1 房柱式充填采煤法

房柱式充填采煤法由工作面回風(fēng)巷裝反向鉆機、向下施工導(dǎo)向孔、下放鉆桿、在運輸巷根據(jù)煤厚安裝刷擴刀盤、反向鉆采落煤、在回風(fēng)巷拆除鉆機的方式回采。通常，將工作面劃分為若干個房柱，房柱交替回采，回采后的房柱采用矸石+膠凝材料充填。

1.4.2 鋼絲繩鋸采煤法

工作面長度一般10～30m，煤鋸繩長5～7m，每隔1～1.5m裝一個鋸齒，采過的空間不支護，每隔一定距離留設(shè)2～3m的煤柱，為此，要在工作面前方每隔20～30m預(yù)先開好一個切眼。

采煤工不進入工作面，只是在巷道中開動絞車和移動導(dǎo)向滑輪，大大減輕了工人的勞動強度，而且設(shè)備簡單。存在的問題是斷繩處理困難，煤炭可能自溜進入采空區(qū)，采出率底，含矸率高等。

為解決采出率及斷繩維修等問題，發(fā)展有鋼絲繩鋸+移動氣垛采煤法，依靠鋼絲繩懸吊單排氣垛并以絞車牽引鋼絲繩移動氣垛。根據(jù)頂?shù)装鍘r性可以采用單排或雙排氣垛。

這種采煤方法所需勞動量小，坑木消耗小，可遠距離操作；但是氣墊卸載時間長，且存在密封性問題。

1.4.3 采煤機+移動氣墊采煤法

通過空氣管路給氣垛充、放氣，根據(jù)要求實現(xiàn)氣垛的支撐作用，實現(xiàn)無人操作，保護采面的采煤機不受采空區(qū)矸石的沖擊。

采煤機工作時兩組氣垛充氣，分兩列支撐在上下頂板之間，工作面布置如圖2所示。

1.4.4 液壓掩護廂體支架+截煤機綜合機械化采煤法

液壓掩護廂體式支架+截煤機的急傾斜煤層綜合機械化開采方法，首次應(yīng)于貴州六枝某礦試采成功，采用液壓掩護廂體式支架，創(chuàng)新了急傾斜煤層頂板支護管理技術(shù)及裝備；研發(fā)了急傾斜煤層采煤機械，創(chuàng)新了急傾斜煤層機械落煤工藝，實現(xiàn)了急傾斜65°以上煤層機械化開采，形成了急傾斜煤層機械化開采的成套技術(shù)、工藝及裝備，工作面布置如圖3所示。

圖3 液壓掩護廂體式支架+截煤機綜采工作面布置圖

但是，目前安裝使用的急傾斜柔性液壓支架前探梁為固定式，還不能很好的根據(jù)煤層厚度變化來調(diào)整前探梁的長短以更好地適用煤層厚度的變化。

1.4.5 大傾角煤層長壁綜合機械化采煤法

（1）采煤法。采煤機下行割煤，反向割三角煤，割煤后采用追機拉支架，返刀收浮煤，分段停機推移刮板機，正常推溜時只能從機頭向機尾方向依次移溜。

使用掩護式大傾角液壓支架，使用架前和架間擋矸門。架前擋矸裝置安裝于刮板機的槽幫上，可調(diào)高度。架間擋矸裝置安裝于支架底座的兩側(cè)，可調(diào)寬度。

（2）綜采支架的發(fā)展。隨著大傾角煤層長壁綜采的研究發(fā)展，已經(jīng)形成了主動防倒防滑、自動扶正、穩(wěn)定狀態(tài)三維可調(diào)、防陷底防片幫、工作阻力分區(qū)控制的第3代綜采支架和適應(yīng)工作面?zhèn)胃┬辈贾玫牡?代異形液壓支架[2]。

（3）綜采機械化開采的主要難題。目前我國的非專門開采設(shè)備（液壓支架、采煤機、刮板機）在增加防倒防滑裝備后的最大適用傾角小于35°；但當(dāng)傾角大于55°時，由于設(shè)備能力等因素，很難使用工作面傾斜布置走向推進的傳統(tǒng)開采方法[2]。

回風(fēng)巷附近支架的空頂、倒滑、沖擊失穩(wěn)，運輸巷附近支架的推垮以及非對稱載荷場內(nèi)異形斷面巷道支護也是大傾角綜采面臨的難題。

2 發(fā)展趨勢

以人為本的采礦發(fā)展理念，要求采礦方法必須實現(xiàn)機械化、智能化、智慧化、無人化。但是，目前關(guān)于急傾斜煤層的采礦方法均存在不同的弱點。

繩鋸采煤法受限于繩鋸及氣墊的維修量、含矸率、采出率等因素。

柔性掩護支架采煤法受限于柔性掩護支架的拆、裝的繁重工作，受限于工作面的采煤機械的牽引及運輸溜槽的安裝及拆卸工作。

巷道放頂煤采煤法受限于放頂煤高度小、產(chǎn)量低、含矸率、采出率等因素。

大傾角煤層長壁綜采(放)的理論研究、關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)是以緩傾斜煤層為基礎(chǔ)的，隨著現(xiàn)場應(yīng)用的不斷拓寬，對55°以上的煤層開采的安全與產(chǎn)效問題凸顯，已經(jīng)成為大傾角煤層綜合機械化開采的“瓶頸”。但是，隨著大傾角煤層長壁綜采裝備體系的發(fā)展，綜合機械化開采大傾角煤層是主要發(fā)展方向。

因此，必須針對大傾角煤層研究開采過程中最基本的科學(xué)問題并獲得突破，提出“顛覆性”的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)新方法和新裝備，才能實現(xiàn)安全高效與綠色開采。

3 新思路、新方法分析

巷道放頂煤采煤法，由于其巷道系統(tǒng)簡單，并由于工作面不需要支護且實現(xiàn)了工作面無人作業(yè)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為急傾斜薄及中厚煤層開采的主要研究方向之一。為提高巷道放頂煤工作面的產(chǎn)量，采取輔助手段破碎煤體，并實現(xiàn)煤體與采空區(qū)矸石的有效分離，以便于順利進行巷道放頂煤開采已經(jīng)成為急傾斜薄及中厚煤層機械化開采的重要思路。

串珠繩鋸由于剛度大，切割硬度大，切割長度大，切槽小，對煤的整體性破壞小，能很好的適應(yīng)煤層厚度變化，可有效地將煤體與頂、底板分離、將煤體切割成薄層狀條帶塊狀，從而讓煤體易于整體下移垮落，減少與矸石的混合，將成為急傾斜煤層巷道放頂煤開采的有效的輔助破煤手段。

3.1 串珠繩鋸

目前，已經(jīng)有應(yīng)用于煤礦井下的防爆型電動三代繩鋸機FBDSJ-Ⅲ，目前，串珠繩鋸機主要用于低滲透煤層切槽卸壓的瓦斯治理工作。防爆型電動三代繩鋸機FBDSJ-Ⅲ如圖4所示[9]。

圖4 防爆型電動三代繩鋸機FBDSJ-Ⅲ圖

3.2 串珠繩

串珠繩通常采用在鋼絲繩的外周沿軸向一定間隔固定環(huán)狀串珠切削體或者在鋼絲繩上沿軸向連續(xù)配列螺旋狀切削體，并將鋼絲繩的兩端焊接起來成為繩鋸，由于切削體的突出部分呈螺旋狀，在徑向，相鄰的裸線上的切削體形成連續(xù)移動切割，易于排屑。由于這種串珠繩的整個表面都有切削體，因而不論在鋸的軸向還是徑向均可切割；又由于這種鋼絲繩沒有使用絞合線，因而柔軟性小，剛性大。

3.3 開采方法

采用在工作面運輸巷沿煤層走向布置放頂煤液壓支架，采用放頂煤工藝，采用串珠繩鋸作為輔助破煤工藝。

該采煤方法的巷道布置系統(tǒng)類似于走向長壁工作面巷道布置系統(tǒng)，工作面巷道主要包括：工作面運輸巷、回風(fēng)巷、開切眼，必要時在工作面前方每隔5～6m布置通風(fēng)眼。

3.3.1 串珠繩鋸的安裝

在工作面運輸巷安裝串珠繩鋸主機，在工作面回風(fēng)巷安裝串珠繩鋸輔機。

將串珠繩繞過工作面回風(fēng)巷的串珠繩鋸輔機的從動輪及導(dǎo)向輪，再由工作面開切眼牽引并繞過工作面運輸巷主機的導(dǎo)向輪及主動輪，然后將串珠繩首端和末端連接套入并拉緊后安裝完成。

3.3.2 回采

開動串珠繩鋸主機，主動輪帶動串珠繩順時針方向旋轉(zhuǎn)，串珠繩鋸主機、輔機同時在機座上行走實現(xiàn)對工作面煤層的切割。回采過程中，采煤工人不必進入工作面，只需要在巷道內(nèi)開動繩鋸及調(diào)整導(dǎo)向輪位置。

主動輪、導(dǎo)向輪數(shù)量及串珠繩條數(shù)根據(jù)煤層厚度、硬度等參數(shù)確定。

3.4 巷道放頂煤工藝

放頂煤液壓支架的前架采用同降同移，后架采用邁步式移動，移后架時始終有三個面支護頂板，頂板支護面積大，可有效管理頂板。也可根據(jù)頂板的情況將后架調(diào)整為整體移動。

3.5 主要優(yōu)缺點分析

3.5.1 與其他急傾斜煤層采煤法的比較

與傳統(tǒng)的巷道放頂煤開采法、偽傾斜柔性掩護支架采煤法相比較，主要技術(shù)參數(shù)比較如表1所示。

表1 不同采礦方法主要技術(shù)參數(shù)

由表1可以看出，基于串珠繩鋸的急傾斜薄及中厚煤層巷道放頂煤采煤法，具有區(qū)段高度大、推進速度快、回采率高、工作面需要的工人少等優(yōu)勢。

3.5.2 主要技術(shù)優(yōu)勢分析

（1）實現(xiàn)了工作面無人作業(yè)，安全性高。

（2）提高了區(qū)段高度及工作面產(chǎn)量，可以實現(xiàn)區(qū)段高度120m以上而不需要布置腰巷。

（3）提高了煤質(zhì)及回采率。

（4）對煤層厚度及傾角的適應(yīng)性強，對工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造及煤厚變化適應(yīng)性強。

（5）實現(xiàn)了急傾斜薄及中厚煤層的機械化開采。為后續(xù)自動化/智能化開采提供了機械化技術(shù)基礎(chǔ)。

（6）還可以作為保護層開采措施、低滲透煤層卸壓增透防治瓦斯的輔助措施。

4 結(jié)論

根據(jù)急傾斜煤層開采時，煤炭可以利用自重下滑的特點，改造應(yīng)用于低滲透煤層切槽卸壓的串珠繩鋸，將其用于對巷道放頂煤工作面的煤體進行預(yù)破碎、預(yù)切割，從而將煤體切割成條帶塊狀并實現(xiàn)煤體與頂?shù)装宓姆蛛x，可以有效提高巷道放頂煤開采時的區(qū)段高度，進而提高工作面產(chǎn)量及回采率，降低巷道掘進率及含矸率。