我國急傾斜煤層開采的現狀及發展趨勢
1引 言
急傾斜煤層開采方法一直是采礦技術中的難題。2007年3月，國家煤礦安全監察局頒發“關於急傾斜煤層安全開采的指導意見(煤安監技裝[2007]5號)”,揭開了急傾斜煤層安全、高效生產的序幕。由於急傾斜煤層開采條件的特殊性，開采方法仍然是這類礦井改善技術經濟麵貌的主要障礙。急傾斜煤層儲量占我國煤炭總儲量的4%，而南方地區80%的礦區賦存有急傾斜煤層。因此，急傾斜煤層開采方法的研究對我國煤炭工業的可持續發展仍具有十分重要作用。
急傾斜煤層的開采方法與煤層埋藏的地質條件有密切關係。選擇某種采煤方法不僅受煤層傾角和厚度的影響，而且與煤層埋藏深度、煤層數目、圍岩性質、地質構造，以及煤層的自然發火性質、瓦斯含量、水文條件等多方麵的地質因素有關。我國急傾斜煤層分布廣泛，其地質條件大多數比較複雜，經過長期的勘探和開采，對現有生產礦井中的急傾斜煤層和將要開采的急傾斜煤層的賦存特征及開發環境已有相當的了解，但對具體礦井的具體煤層的開采技術缺乏足夠的認識，為此，全麵了解急傾斜煤層的的開采曆史及相應的技術發展，實現安全、高效生產顯得尤為必要。
2急傾斜煤層開采方法的曆史沿革
我國急傾斜煤層開采技術的改革，從解放初期到現在，大致經曆了以下四個發展階段[1]：
第一階段：五十年代初，進行了采煤方法的改革。各礦區根據不同的煤層賦存條件，推行倒台階工作麵、水平分層、巷道長壁和沿俯斜推進的掩護支架等采煤方法。部分采用風鎬落煤，刮板運輸機運煤和機械式回柱，用冒落法處理采空區，取得了提高工作麵生產能力、減輕勞動強度、改善安全狀況的效果，初步改變了急傾斜煤層礦井落後的技術經濟麵貌。
第二階段：六十年代開始，急傾斜煤層開采技術的進步主要表現為改風鎬落煤為電鑽打眼爆破落煤。為擴大掩護支架的使用範圍，淮南、開灤、徐州等礦區先後在掩護支架采煤法中成功應用“八字”型等掩護支架，克服了平板型支架的一些缺點，取得了較好的技術經濟效果；此外，一些開采急傾斜煤層的礦井還進行了礦井開拓和巷道布置方麵的改革，降低了掘進率，改善了巷道的維護條件；同時也對工作麵回采工藝進行了改革，開始應用金屬支柱和金屬鉸接頂梁，在水平分層工作麵中采用金屬網假頂，或因地製宜地利用竹笆、荊笆等作假頂材料，均取得了較好的技術經濟效果。
第三階段：七十年代中期，以淮南礦區首創的偽斜柔性掩護支架采煤法獲得成功為標誌。這種采煤法具有產量大、生產係統簡單、巷道掘進
量小、回采工序少、生產安全、材料消耗低和勞動效率高等優點。它的試驗成功是急傾斜煤層開采技術上的一大進步，目前仍在許多礦區使用。為進一步提高急傾斜煤層開采的機械化程度，在此期間，北京、雞西等礦區試驗了滾筒式采煤機，四川攀枝花礦區試驗了衝擊式刨煤機，開灤、淮南礦區試驗了用於掩護支架下機械化落煤的地溝機。此外，在一些礦區還進行過急傾斜煤層綜合機械化采煤的試驗。但總體來說，機械化試驗成功率不高，能推廣的更少。
第四階段：八十年代末九十年代初，急傾斜煤層采煤方法得到進一步的改進，工作麵長度加大、單產提高、安全條件進一步改善。如四川芙蓉礦務局巡場煤礦試驗成功的俯偽斜走向長壁分段密集采煤法，將急傾斜短壁采工作麵演變成緩傾斜長壁工作麵的一種采煤方法，具有產量大、通風條件好、便於頂板管理的特點。甘肅窯街礦務局二礦試驗成功的特厚煤層綜采放頂煤采煤法，實現了在急傾斜煤層中進行機械化生產，大大提高了工作麵的單產，改善了工作麵的作業環境。廣東梅田礦務局六礦試驗成功的中厚—厚煤層巷道放頂煤采煤法，產量高、材料消耗低，改善了工作麵的作業環境，大大降低了工人的勞動強度，為該類煤層安全、高效開采提供了有效途徑。
幾十年來，我國在研究和改進急傾斜煤層開采技術方麵已作了大量的工作，取得一個又一個重大的技術成果，開采急傾斜煤層礦井的技術經濟麵貌也在不斷得到改善。
3急傾斜煤層主要開采方法評述[2]
3.1柔性掩護支架采煤法
柔性掩護支架采煤法是我國開采急傾斜煤層一種主要的開采方法，在一些主要礦區如開灤、徐州、淮南、四川、湖南及廣東等地均有應用。
這種采煤方法與目前所應用的其他急傾斜煤層采煤方法相比，具有以下優點：
⑴工作麵沿走向推進，具有走向長壁采煤係統的優點，與沿俯斜推進的掩護支架采煤方法和其它柱式采煤方法相比，減少了大量溜眼和其它巷道的掘進量。
⑵簡化了複雜而繁重的頂板管理工作，使生產工藝大為簡化。
⑶掩護支架的安裝與拆卸工作與工作麵的回采工序在空間上互不幹擾，可實現三班采煤，非生產的準備時間較短。
⑷采用25°左右的偽斜工作麵，把急傾斜煤層變成了緩傾斜煤層來開采，使工作麵行人、操作比較方便，減輕了工人的勞動強度，工作安全可靠。
⑸掩護支架受力較小，支架可以多次回收複用，在回采過程中隻消耗一些竹（荊）笆或金屬網，使礦井的材料消耗和生產成本降低。
這種采煤方法存在以下缺點：
⑴支架結構不完善，不能在下放過程中適應煤層厚度的變化，傾角的變化也不能太大。要求煤層賦存比較穩定，否則會造成很大困難。
⑵這種采煤方法在厚度2～8m、傾角60°～70°的煤層中使用效果較好；在厚度超過10m和傾角小於60°的煤層中使用比較困難。
⑶工藝雖然簡單，但難以實現機械化回采，並且拆裝支架的勞動強度較大。
⑷在掩護支架下采煤，支架將工作空間與采空區隔離，所以在回采過程中不能排除矸石。另外當煤層含有夾矸以及煤層變薄需要破底時，會降低煤質。
3.2俯偽斜走向長壁分段密集采煤法
俯偽斜走向長壁分段密集采煤法是四川芙蓉礦務局巡場礦研究試用的一種急傾斜煤層采煤方法，於1987年8月率先在地質條件較複雜，傾角在38～52°的薄及中厚煤層內應用成功。目前這種方法已推廣到四川廣旺礦務局、湖南白沙、漣邵以及江西萍鄉等礦區。
俯偽斜走向長壁分段密集采煤法工作麵呈俯偽斜直線布置，避免了煤壁片幫傷人，減少了煤炭自溜過程中因串入采空區而造成的丟煤，也為進一步實現采煤機械化創造了條件。
與傳統的台階式采煤法相比，俯偽斜走向長壁分段密集采煤法提高了工作麵煤壁的有效利用率，在區段垂高相同的情況下，工作麵有效利用率比偽斜短壁采煤法提高30～40%，有利於提高工作麵單產。
采用分段走向密集支柱切頂和擋矸，工作麵上下分段可同時回柱放頂，充分利用了時間空間，加快了工作麵推進速度。
采用分段走向密集後，工作麵周期來壓不明顯。主要原因是：走向密集攔截的采空區矸石，在工作空間與頂板冒落區之間形成一個自然充填帶，隨著工作麵推進和密集柱前移，充填帶也跟著前移，始終起著隔離采場工作空間和冒落區的作用，也起著臨時支撐采空區頂板和減緩周期來壓的作用。
這種采煤方法的主要缺點有：工作麵支、回柱工作量較大，工人操作不便，且勞動強度大；區段煤柱損失較大，約占區段煤量的15%左右；分段走向密集下方的“三角區”通風較差，易積存瓦斯。
俯偽斜走向長壁分段密集采煤法適用於煤層傾角40°～75°，煤層頂板中等穩定，工作麵采高不超過2m的低瓦斯煤層，或不宜使用偽斜柔性掩護支架采煤法的不穩定急傾斜薄及中厚煤層。
3.3水平分層、斜切分層采煤法
該采煤法是我國較早應用於開采急傾斜厚及特厚煤層的一種開采方法，從50～60年代開始，開灤、北票、通化、鶴崗、淮南、萍鄉、窯街、烏魯木齊等礦區使用這種開采方法，在青海、甘肅、遼寧、湖南、福建、四川等省的中小煤礦也有應用。由於這種開采方法克服了工作麵傾角大帶來的落煤、支護及采空區處理的諸多不便，改善了工作麵工人的勞動條件，提高了生產安全性，目前，該采煤法仍廣泛應用於我國的中小礦井，並在中厚－厚煤層中也有廣泛的應用。
水平分層、斜切分層采煤法的主要特點是將急傾斜煤層劃分成若幹個厚2～8米的水平分層或傾角部超過300的斜切分層，每一個分層布置一個回采工作麵。根據分層間隔物（即假頂）的不同，此類方法又分為木板假頂、荊笆或竹笆假頂、金屬網假頂、再生假頂及煤皮假頂等采煤方法，由於木板假頂、荊笆或竹笆假頂的材料消耗大，目前基本不采用。
水平分層、斜切分層采煤法能很好地適應煤層厚度及傾角的變化工作麵內工人的勞動生產條件好，工作較安全。當分層間采用人工假頂時，工作麵和采區的回采率較高。此類采煤法的嚴重缺點是，巷道掘進和維護量大，通風係統複雜，通風條件差。尤其是單巷布置時，分層工作麵多為串聯摻新風通風。此外，還存在運料困難，工作麵不易實現機械化，產量小勞動效率不高等缺點。因此，此類采煤法隻是在埋藏條件不穩定，厚度和傾角變化較大的不規則中厚至特厚煤層中還有較強的適應性。
3.4長孔爆破采煤法
急傾斜煤層壁式工作麵炮采開采方法普遍存在作業條件艱苦、勞動強度大、安全條件差等問題。而長孔爆破采煤法回采工藝比較簡單，人員不進入回采工作麵，基本解決了上述問題。北京礦務局的長峪溝煤礦、湖北香溪礦務局、福建省陸家地煤礦、鉛坑煤礦、寧化煤礦、江西棠浦煤礦等均采用了這種采煤方法。
長孔爆破采煤法的主要特點是具有一定的靈活性，除可用於正規的工作麵外，還可用於煤柱、煤倉、邊角煤的回收，也可用於水力采煤中的炮采水運。長孔爆破采煤法具有以下優點：
⑴工作安全可靠。工作人員不進入采空區，在巷道中操作電鑽和裝藥，避免了采空區冒矸的威脅。
⑵提高了經濟效益。與巷道短壁采煤法相比，坑木消耗減少30%以上，噸煤成本也下降30%以上。
⑶減輕了工人的勞動強度，提高了工效。鑽孔鑽具靈活輕巧，操作方便，適應性強。用手持煤電鑽在堅硬煤層中打眼需3～4人，這種采煤法用專用鑽具打眼隻需1～2人，並且鑽孔速度快，工效比傳統炮采方法提高1～2倍。
但是，這種開采方法也存在以下缺點:
⑴產量低。一個工作麵隻能單點作業，且打眼與出煤不能平行作業，出煤時間過於集中，不利於均衡生產。
⑵煤質難以保證。尤其當煤層較薄、頂底板較破碎時，由於炮眼方向難以準確掌握，造成頂板或底板的破壞而形成煤矸混合，影響煤質。
⑶部分乏風易進入采空區，不易通風管理。
⑷這種方法隻能用於頂底板比較堅硬，無煤塵爆炸危險的低瓦斯礦井。
3.5滑移頂梁支架放頂煤采煤法
滑移頂梁液壓支架是介於單體液壓支柱和機械化液壓支架之間的一種過渡型支架，我國於上世紀八十年代中期在急傾斜煤層中使用這種支架放頂煤。
滑移支架放頂煤具有以下優點：
⑴初期投資少，僅為機械化液壓支架的1/3～1/5。
⑵分段高度一般可達10m或更多，比用水平分層開采少掘部分平巷和溜煤眼，掘進量減少3/4以上。
⑶支架體積小，重量輕，能自移。既減輕了工人的勞動強度，又能較好地適應煤層厚度的變化。
主要缺點：
⑴滑移頂梁不是放頂煤的專用支架，許多方麵與放頂煤法不相適應。
⑵滑移頂梁支架自穩性較差，又反複卸載支撐頂煤，破壞頂板的完整性，影響安全生產。
⑶支架移架工序多、速度慢，使用壽命短。
3.6水平分段放頂煤采煤法[3]
我國傳統的開采急傾斜特厚煤層多用高落式采煤法、水平分層和斜切分層采煤法以及偽傾斜柔性掩護支架采煤法。隨著近水平厚煤層綜采放頂煤技術的發展，綜采支架放頂煤技術已被成功引入急傾斜煤層的開采。在遼原梅河礦、窯街礦務局二礦、烏魯木齊六道彎礦先後進行了急傾斜煤層水平分段綜采放頂煤采煤法試驗，均取得了良好的開采效果。急傾斜煤層水平分段放頂煤采煤法的試驗成功，是急傾斜煤層采煤法及其回采工藝的重大改革。
急傾斜煤層水平分段綜采放頂煤具有以下優點：
⑴產量大副度提高。有的礦井比巷道長壁、柔性掩護支架等采煤法產量提高了2～6倍。礦井生產集中，機械化程度高。
⑵與一般的急傾斜煤層開采方法相比，煤巷掘進率大幅度降低。
⑶提高了勞動生產率，降低了成本。與傾斜分層相比，梅河礦工作麵效率提高了2.4～7.9倍，窯街礦務局提高了2.9倍，開采成本降低10～15%。
主要缺點是：
⑴適應性不強。對於煤層厚度沿走向變化較大，斷層較多，厚度小於20m的急傾斜煤層均不適用。
⑵綜采機械設備初期投資大，初期投資遠大於其他任何急傾斜煤層開采方法。
⑶設備搬運和安裝比較困難，工作麵長度必須保持不變，因此而造成的煤損大。
⑷煤塵大，危害工人健康和安全生產。
適應條件：
⑴煤層傾角大於45°；
⑵煤層厚度大於20m；
⑶用於中硬（f<2.0）和中軟（f≥0.8）的煤層，f≥2.0時要使用放炮強製落煤措施。
⑷在采區走向長度範圍內厚度基本無變化，無落差較大的斷層，煤層穩定。
3.7巷道放頂煤采煤法[4]
二十多年來，湖南科技大學采礦工程學科根據自身的區位優勢和我國煤炭工業發展的需要，一直致力於急傾斜煤層開采方法的研究。在前人研究的基礎上於上世紀九十年代初提出了“急傾斜煤層巷道放頂煤采煤法”，在廣東梅田礦務局六礦工業性試驗取得成功後[5]，先後在廣西合山、河北開灤、安徽淮南、湖南資興、湖南漣邵、四川攀枝花等礦區推廣應用，初步形成了該采煤法的開采理論與技術體係。
急傾斜煤層巷道放頂煤是在一個采區內沿傾斜方向按照一定的標高（15—30m）劃分若幹個區段，在每個區段的下部布置放煤巷道，放煤巷道的兩端分別與采區內的進回風係統相聯，構成全風壓通風係統。所有的工藝和工序都在放煤巷道內進行，頂煤開采在巷道內側幫全長內以一定間距布置放煤小眼，利用礦山壓力作用或輔以人工鬆動的方法，使巷道上方頂煤破碎，堆於采場，臨時支撐頂、底板。以一定的放煤管理製度打開放煤小眼的閘門，破碎煤體及其上覆頂板垮落矸石利用自重近似水平狀態下移，並且沿放煤巷道走向全長通過放煤小眼將鬆散的煤體均勻放出，放煤巷道實際上是在鬆散煤體的保護下的一種沿空留巷方式。因此，巷道放頂煤采煤法綜合應用了綜采放頂煤開采理論和急傾斜煤層沿空留巷理論，是放頂煤技術和沿空留巷技術的綜合運用。
急傾斜煤層巷道放頂煤回采過程是一個較為複雜的生產過程，它包括生產工藝、工序以及生產的管理製度等。根據急傾斜煤層的礦山壓力與放頂煤的特點，巷道放頂煤的回采工藝實際隻有破煤、放煤、運煤三道工序，不用支護采空區和進行頂板管理，相當於少了兩道工序，使得工藝非常簡單。工人隻在放煤巷內作業，勞動強度輕。
而頂煤的破碎和下放是放頂煤采煤工藝的關鍵技術之一。為此，在整個回采工藝過程中，重點是破煤和放煤兩道工藝。根據回采工藝的特點以及生產的順序，將這種采煤工藝分為三個階段：即初采、正常回采和終采。
（1）初采階段
利用礦山壓力、煤體自重以及適當的爆破等動力作用，沿放煤巷道全長各放煤小眼逐個放出少量的頂煤，以達到整個區段內的頂煤全部破碎、垮落，為正常回采作好準備。
回采方式視煤體的軟硬程度而定，當煤質鬆軟時，用手鎬掏煤；當煤質較堅硬時，用淺孔少量炸藥進行鬆動爆破，使得頂煤鬆動、垮落。
放煤在爆破後視具體情況進行，如果頂煤較穩定，則先放一定時間的鬆散煤後再安裝放煤口的閘門；如果頂煤鬆散不穩定，則先安裝放煤口閘門後再進行放煤作業。放煤的順序是在放煤巷道內逆著風流方向後退式依次放落頂煤。為了保證每次頂煤冒落的高度在整個頂煤的卸壓帶內，同時也使頂煤能充分放出，提高頂煤的回收率，降低含矸率，各放煤口應嚴格控製放出的煤量，並且使放出的煤量基本相等，作到均勻放煤。
放出的頂煤通過放煤巷道內的運輸機進行外運。在運輸過程中，除大部分的頂煤通過放煤口的槽板直接裝入到運輸機外，其餘用人工進行裝載。
初采階段應加強支架受力和變形的監測和加固工作，確保放煤巷道的正常運行。
（2）正常回采階段
在保證有效支護的前提下，采取分段全線均衡多輪放煤，以使頂煤與采空區上方矸石的接觸麵近似水平下降（即水平放煤）。正常回采期間隻有兩道工序：放煤和運輸。且都是在放煤巷道內完成，在此生產過程中，放出的鬆散頂煤直接進入放煤巷道內的運輸機上，外運到采區（上山）煤倉。采場依靠冒落的鬆散煤體臨時支撐頂、底板。隨著冒落頂煤的逐漸下放，頂煤上部邊界空間逐漸往下擴大，其上部懸露的頂、底板自上而下逐漸自然垮落，垮落矸石落在冒落的頂煤上，通過多口均衡放煤，使煤矸接觸麵近近似水平下降，並充填采空區。
當放煤量占應放煤量的60%～65%左右時，即正常放煤階段結束，進入終采階段。
（3）終采階段
全麵檢查各個放煤口，將剩餘的頂煤放到見矸為止，並立即封閉放煤口，回撤運輸機和巷道支架，且回收部分支架脊背煤體，整個這一階段的放煤量占應放煤量的10%～15%。
一種新的采煤方法的形成，必須由一種高效、有力的勞動組織相匹配。巷道放頂煤采煤法工序簡單，宜采用三班作業出煤，無需準備班。采用“三八”製作業。根據本采煤方法的作業特點，生產中的作業隊可采用采、掘、運綜合的作業隊。
由此表明，巷道放頂煤采煤法具有工藝簡單、勞動組織高效、全班均能采煤等特點，具備了高產、高效采煤方法的基本特征。
（1）煤層賦存狀態與構造。由於巷道放頂煤采煤法不需要大型機械設備，且對巷道的斷麵麵積、坡度沒有嚴格的要求，具有較高的靈活性，因此可適用埋藏不穩定、厚度變化大、地質構造較複雜的急傾斜煤層。
（2）煤層厚度。巷道放頂煤適用厚度在2～ 10m 左右的急傾斜煤層。
（3）煤層傾角。根據現場試驗及理論03manbetx
，巷道放頂煤采煤法適用的煤層傾角為50～900。
（4）煤層物理力學性質。與綜采放頂煤不同，煤的強度對巷道放頂煤有較大影響。如強度太大，在礦山壓力作用下，頂煤是難以冒落的。一般地當煤層的普氏係數在1.5以下時，頂煤能順利冒落。此外，煤層的節理越發育，對放頂煤越有利。
（5）瓦斯、自然發火等對放頂煤采煤法的影響。瓦斯對巷道放頂煤有重要的影響。一般地，高瓦斯煤層頂煤可放性較好，低瓦斯煤層可放性較差[6]。而對於高瓦斯煤層，在采空區有冒落空洞時，空洞裏容易造成瓦斯積聚。有自然發火傾向的煤層，不宜采用巷道放頂煤。
4急傾斜煤層開采的發展趨勢[7]
回顧幾十年來急傾斜煤層采煤方法的改革進程，我國急傾斜煤層開采方法大致向兩個方向發展。一是視急傾斜煤層傾角大為不利因素，按緩傾斜煤層工作麵布置及回采工藝模式設計急傾斜煤層開采方法。例如俯偽斜走向長壁分段密集采煤法。這些開采方法在工作麵通風及回采工藝上取得了較大的進步，然而，在回采過程中，盡管工作麵的坡度減小了，煤層及其頂底板的傾角卻是始終無法改變的，采場頂底板仍按其某些固有的規律運動，工作麵礦壓顯現也不同於緩傾斜煤層。因此，這些開采方法的頂板管理工作比緩傾斜煤層複雜得多，也是其效益難以發揮的主要原因之一。二是充分利用急傾斜煤層傾角大、煤層易沿傾斜方向垮落的特點設計的開采方法，如從倉儲、高落式采煤法到長孔爆破采煤法，在通風安全條件、工人勞動強度等方麵得到了一些改善，但采出率低、單產低、煤質差等問題仍然存在。
盡管如此，從我國采礦工業的發展來看，工藝改革仍是采礦技術展的核心。緩傾斜煤層開采效果的不斷改善是回采工藝不斷進步的結果，從房柱式到短壁，從短壁到長壁一直到綜采放頂煤，使緩傾斜煤層的開采效果一步步大幅度提升。急傾斜煤層也不例外，隨著工藝的改革開采效果也在不斷改善之中。但工藝改革的成功離不開采礦基本理論尤其是采場圍岩運動規律及其控製的研究。多年來，與緩傾斜煤層開采方法相比，急傾斜煤層采煤方法的改革是非常活躍的，到目前為止，急傾斜煤層采煤方法已達幾十種之多。然而，在急傾斜煤層采煤方法改革的過程中，人們往往隻注重工藝的創新，而忽視了采場圍岩運動規律的研究，因而難以從根本上改善急傾斜煤層的開采效果。
急傾斜特厚煤層水平分段綜采放頂煤是急傾斜煤層開采方法改革的重要成果之一。它充分利用了急傾斜煤層傾角大、煤層易垮落、頂板穩固性相對較好的特點，利用了綜采放頂煤的優勢，形成了自己較為完整的礦壓控製及回采工藝的理論體係，真正實現了急傾斜煤層開采的高產高效，是急傾斜煤層采煤方法改革的一個裏程碑。然而，水平分段綜采放頂煤采煤法隻能用於厚度在20m以上的急傾斜煤層。而我國特別是南方礦區，急傾斜煤層的厚度大部分在10m以下，以中厚煤層居多，並且賦存條件複雜。這些煤層的開采方法種類繁多，但大部分還不成熟，存在許多問題。巷道放頂煤采煤法為該類煤層的開采找到了一條有效的途徑，並在采取一定手段後可以用於急傾斜硬煤層放頂煤開采[8]。
為此，我國急傾斜煤層開采的總體趨勢將朝著兩個主要的方向發展。第一個方向是實現機械化開采，把緩傾斜煤層的回采工藝引入急傾斜煤層是一種途徑，研製新的急傾斜煤層的輕型機械更為迫切。第二個方向則是向放頂煤發展，放頂煤仍是急傾斜煤層采煤方法改革的一個很有潛力的發展方向。對於急傾斜厚煤層可以采用水平分段綜采放頂煤采煤法，對於中厚—厚煤層可以采用巷道放頂煤采煤法。
