1、专题部分浅谈大倾角综采面设备稳定性机理及其控制方法摘要：在大倾角煤层的综采工作面回采工艺中，工作面设备的防倒、防滑问题一直是困扰工作面生产的难题。为此建立了“支架-围岩”力学模型，通过对工作面支架自由状态及工作状态力学计算分析，得出了影响支架稳定性的临界倾倒角和临界滑移角与采高、支架宽度、支架阻力以及摩擦系数等因素的力学机理。分析了采煤机、输送机失稳机理，解释了设备在大倾角开采及俯采时失稳或无法正常工作的原因，为大倾角综采面的安全快速推进提供理论依据。关键词：大倾角；支架稳定性；失稳机理；防滑防倒Discussion on Equipment Stability Mechanism and i
2、ts Control Method of Greater Tilt Angle Mining FaceAbstract：in the mechanized mining face of the inclined seam extraction process, anti-down and non-slip of working Faces equipment has been plagued face production problems. For this purpose, the mechanical model of the bracket - surrounding rock is
3、Established. Through analysising and calculating the free status and working status force conditions of the working face, it Obtains the mechanical mechanism of support stability in the critical dumping angle and the critical slip angle and the cutting height, bracket width, bracket resistance and f
4、riction coefficient and other factors. It analysises the instability mechanism of the shearer and the conveyor, and explaines the reasons of the equipment to instability or does not work in the big dip mining and underhand stope, then provide a theoretical basis for the big dip angle mechanized mini
5、ng face to advance safely and efficiently.Keywords：big dip angle; support stability; instability mechanism; anti-dumping and anti-slipping0 引言我国煤炭储量丰富，煤层分布类型和开采条件差异巨大，随着经济的发展，对能源的需求不断增加，倾角较小的易采煤层逐渐减少，近几年对大倾角煤层的开采量逐渐增加，但对这类煤层进行长壁开采，采场覆岩活动剧烈，顶板不易管理，采区设备也容易发生下滑和倾倒，其中，支护系统(液压支架)的稳定性对整个工作面的稳定起着决定性作用。近年来，
6、大倾角煤层（35）开采在我国越来越引起采矿界的重视，原因有两个方面：一是西部赋存有大量35以上的大倾角煤层。虽然大倾角煤层在全国只占约17%的储量，但西部矿区50%以上的矿井开采有大倾角煤层，如主要产煤省（区）的四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等，大倾角煤层是许多矿区或矿井的主采煤层。随着21世纪我国矿产资源开采重点西移，对大倾角煤层开采的研究将是西部煤炭开采的重大课题。二是多年的开采己经使在东部矿区赋存条件“优越”的煤层储量日益枯竭，随着煤矿开采强度的不断增大，促使大倾角煤层的开采问题引起高度重视，如山东充州矿区、河北邢台矿区和开滦矿区、安徽淮南和淮北矿区、江苏徐州矿区等，在这些矿区
7、内的许多矿井不得不由条件相对“优越”煤层开采转向复杂的大倾角煤层开采，显然，要保持这些矿区高产高效和可持续发展就必须解决大倾角煤层的开采技术问题。由于大倾角煤层开采目前的发展水平远低于缓倾斜煤层，存在着一系列没有解决的基本技术难题，因而研究大倾角煤层的开采方法，特别是岩层控制理论与技术就成为了既非常必要又十分迫切的重大课题。因而只有对大倾角煤层开采时的关键技术进行系统、全面、科学的认识，对工作面矿压进行实测和分析，准确掌握大倾角超长综采面的基本顶初次来压（周期来压）步距、来压强度以及巷道超前支承压力分布规律，才能有针对性地制定出科学的回采、支护方案；才能在解决工作面顶板控制、设备防滑防倒等安全
8、问题的基础上，充分发挥综采设备的效率，提高工作面产量。1 国内外研究现状1.1大倾角综采技术现状1.1.1国外现状国外综合机械化采煤的比例在二十世纪年代初已经到达80%90%，因而高度机械化、自动化的综合机械化采煤是发展趋势，国外大角度俯仰采技术的研究也主要集中在开采设备方面。早在20世纪70年代，前苏联就在大倾角煤层的机械化开采方面进行了一定的研究，研制了应用于大倾角和急倾斜煤层的各类综采支架及采煤机，并在此基础上对大倾角特别是45以上的煤层开采工艺进行了较系统地研究，基本奠定了急倾斜煤层开采的科学技术基础。乌克兰顿涅茨煤矿机械设计院自1986年开始为顿巴斯的龙恩一亚卡矿井和奥尔忠尼基煤炭工
9、业管局所属的叶娜基也夫卡娅煤矿设计了大倾角和急倾斜煤层采煤机及其相配套的支护设备并装备了54个综采工作面，为了保证采煤机在大倾角煤层工作面上行时牵引部所必须具有的牵引力，在工作面巷道（上部的回风巷）中装备了绞车并将采煤机牵引部连接到滑（绞）车系统之上。德国将赫姆夏特（设计用于缓倾斜煤层）液压支架进行改装并与曼斯菲尔德支架（可用于倾角70以上的煤层）或威斯特伐里亚支架结合辅助防倒、防滑技术用来开采急倾斜煤层；1992年在鲁尔矿区的威斯特豪尔特（Westerholt）矿，采用G9-38Ve4.6加高型滑行式刨煤机（威斯特伐里亚一贝考特公司生产）配合WS1.7型宽体双伸缩二柱掩护液压支架开采了鲁尔矿
10、区1838的大倾角煤层。英国使用多布逊支架（适应煤层倾角2545）和伽里克支撑式支架（适应煤层倾角40）对3543的大倾角煤层进行了开采，取得了一定的技术与经济效果。另外，印度以其东北部煤田为基地，研究了应用于急倾斜和大倾角煤层的柔性支架采煤法、巷柱充填采煤法、掩护支架采煤法、综合机械化及其配套设备；西班牙在帕里奥和圣安托尼奥煤田的HUNOSA矿井使用机械化装备开采了倾角为40的煤层。在大倾角煤层开采岩层控制方面，俄罗斯联邦的库拉科夫（Kulakov）较系统地研究了大倾角煤层工作面的矿山压力（岩层应力和支承压力）；捷克共和国的鲍迪（Both）探讨了较坚硬大倾角煤层无人开采技术及其安全性。印度针
11、对东北部煤田中的大倾角厚煤层的赋存特点，利用实验室（建立矿井生产模型）研究手段，分析了不同倾角和煤层厚度条件下围岩应力分布特征，并以此为基础，探讨了采用放顶煤开采方法的可行性。1.1.2国内现状我国将煤层按倾角分为缓倾斜（025）、倾斜（2545）和急倾斜（4590）三类，但对大倾角煤层迄今为止还没有明确的定义。近年来，随着采煤技术的不断发展，尤其是综采技术的突飞猛进，促进了大倾角煤层的机械化开采水平，使得以“大倾角”名义发表的研究成果也越来越多。对“大倾角”的界定，有些专家基于冒落矸石滑动的自然安息角一般为35，认为大倾角煤层主要是指倾角大于35或3555的煤层；有些学者从金属对顶板或底板的
12、摩擦系数出发，认为在潮湿条件下，当煤层倾角大于8时，采煤机要有防滑装置，煤层倾角大于12时，输送机也要有防滑装置，煤层倾角大于16时，支架或支柱应有防倒和防滑装置，并以此界定大倾角煤层主要指倾角为2035的煤层。可见，“大倾角”煤层是一个模糊概念，其主要针对的是倾斜煤层，在急倾斜煤层中讨论大倾角的意义不大，应结合具体工艺来说明。对于综采工艺而言，鉴于目前我国倾角大于35的煤层使用综采的困难性，大倾角煤层是指倾角为1832的煤层；对于普采工艺而言，大倾角煤层是指倾角为2542的煤层。1）非机械化开采方法我国大倾角煤层（3555）采煤方法很多，这与我国采煤历史悠久和多次进行采煤方法改革有关。解放前
13、主要采用高落式采煤法和人工落煤等极落后的方法，安全条件差劳动效率不高，资源回收率低。20世纪50年代初，各矿区根据不同的煤层条件，推行倒台阶，水平分层和俯斜推进平板支护支架等采煤方法，并在落煤，运输和采空区处理等方面部分矿区采用小型机械，如风镐，刮板输送机和回柱绞车等。20世纪50年代末在一些矿区的大倾角松软煤层中，试验成功钢丝绳锯采煤法，并相继在四川，河北，辽宁和江西一些矿区应用。60年代，安徽淮南矿区曾成功地在一部分赋存条件较好的急倾斜和大倾角煤层中研究和试验了柔性掩护支架采煤法。该方法依据掩护支架结构的不同又可分为多种形式其特点是工作面支架在安装之后依靠冒落矸石的作用自动调整和前移，劳动
14、强度有所降低。由于掩护支架与矸石充填体的共同构成的支护体系分布于伪斜工作面全长，有效支撑控制了工作面顶板，避免了顶板大面积悬空、压力较大、矸石下滑冲击支柱，安全性有了明显提高。但这种方法也存在着在回采过程中不能调整支架宽度和扭、斜，支架无初撑力，回采过程中无法排矸等缺点。80年代中期，四川省鉴于大倾角煤层在煤炭生产中所占比例很大，一些矿区同时开始了以俯伪斜体系为代表的采煤方法改革。如重庆中梁山煤矿的伪斜短壁采煤法，四川广旺矿务局旺苍矿及芙蓉矿务局杉木树矿、南桐矿务局柳新矿的伪俯斜走向长壁分段密集采煤法，芙蓉矿务局巡场矿的伪俯斜走向分段密集支柱采煤法及广旺矿务局唐家河矿伪斜小巷多短壁采煤法等，改
15、革获得了成功。与此同时，甘肃华亭矿务局东峡煤矿针对该矿大倾角特厚易燃煤层群数量多、围岩条件差、煤层较坚硬的特点，通过近20年的努力，研究使用了非机械化“双大”（大采高、大推进度）开采方法，配合矿井综合防灭火技术（黄泥注浆、局部注氮、系统堵漏、均压通风等），取得了良好的技术与经济效益；窑街矿务局三矿在大倾角煤层试验使用了超前预爆破非机械化放顶煤技术，并对爆破参数和回采工艺过程及参数进行了比较系统的研究；在新疆建设兵团、河南义马矿务局等局、矿还探讨了在大倾角和急倾斜煤层中使用巷道放顶煤的可行性并进行了一定规模的工业性试验。2）机械化开采方法我国开采大倾角煤层的矿井目前多集中在西部地区，由于这些地方
16、的区域经济发展相对落后，矿井的开采规模、产量相对比较所占比例又较小，从而导致矿井的综合经济效益差，加上大倾角煤层开采围岩移动和矿井技术管理与缓倾斜煤层开采相比具有很大的差异和难度，故开采大倾角煤层的矿井大多数使用的是传统的非机械化开采方法。但自20世纪80年代开始，我国就一直致力于对大倾角煤层的机械化和综合机械化开采的研究，煤炭科学研究院北京开采所、唐山分院、成都煤干院、西安矿业学院、中国矿业大学以及东北大学等科研院所从急倾斜煤层入手开始这方面的研究，同时引进国外技术与装备，在辽宁沈阳矿务局、新疆艾维尔沟煤矿、北京矿务局、四川攀枝花矿务局、辽宁鹤岗矿务局、安徽淮南矿务局等矿区进行了试验与生产。具有代表性的有：辽宁沈阳矿务局红菱矿与煤炭科学研究总院北京开采所共同承担了国家“七五”重点科技攻关计划项目“大倾角煤层开采成套设备的研制”，研制了ZYS9600/14/
