大傾角煤層綜采產(chǎn)效要素系統(tǒng)分析與促產(chǎn)提效精準(zhǔn)策略研究

贠東風(fēng) ，李浩男 ，伍永平 ，黃正平 ，楊 磷

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054；3.四川川煤華榮能源有限公司 花山煤礦, 四川 攀枝花 617066）

0 引 言

大傾角煤層是指傾角為35°～55°的煤層，約占我國(guó)已探明煤炭總儲(chǔ)量14%。大傾角煤層受特殊成煤環(huán)境的影響，儲(chǔ)量一半以上為優(yōu)質(zhì)焦煤和無(wú)煙煤，是我國(guó)保護(hù)性開(kāi)采的稀缺煤種，年產(chǎn)量約占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的10%左右[1]。我國(guó)四川、貴州、甘肅、新疆等西部地區(qū)礦井，大傾角煤層產(chǎn)量占比較高，且已成為很多礦井的主采煤層。山東、河北、山西等我國(guó)中東部礦區(qū)，持續(xù)多年的高強(qiáng)度開(kāi)采使賦存條件較為優(yōu)越的緩斜煤層日益減少，許多礦井不得不轉(zhuǎn)向賦存條件復(fù)雜的大傾角煤層開(kāi)采。

前蘇聯(lián)于20 世紀(jì)70 年代開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于大傾角復(fù)雜煤層綜采的配套液壓支架與采煤機(jī)，英國(guó)與80年代開(kāi)始將伽里克支撐式支架應(yīng)用于大傾角煤層的開(kāi)采，印度大傾角煤層應(yīng)用綜合機(jī)械化配套設(shè)備開(kāi)采等[2-3]。

20 世紀(jì)80 年代后期，我國(guó)東北、新疆、河北等地的部分礦區(qū)開(kāi)始采用大傾角煤層綜采技術(shù)，并自主研發(fā)了大傾角煤層綜采設(shè)備。四川煤業(yè)集團(tuán)廣能公司綠水洞煤礦，自1996 年開(kāi)采我國(guó)第1 個(gè)大傾角中厚煤層綜采工作面，已成功回采傾角35°～78°、煤層厚度2.3～2.9 m 的工作面40 余個(gè)，累計(jì)生產(chǎn)商品煤近1 200 萬(wàn)t，示范和帶動(dòng)了大傾角煤層綜采。甘肅靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)王家山煤礦2002 年開(kāi)采我國(guó)第1個(gè)大傾角特厚煤層綜放工作面，已回采煤層厚度8～10 m、傾角35°～38°的綜放工作面13 個(gè)，累計(jì)生產(chǎn)原煤近1 800 萬(wàn)t。新疆焦煤集團(tuán)2 130 煤礦是我國(guó)首個(gè)試驗(yàn)采用大采高技術(shù)開(kāi)采大傾角厚煤層的礦井，自2012 年開(kāi)始，已開(kāi)采煤層傾角38°～46°、采高4.5 m 左右的工作面5 個(gè)，最高月產(chǎn)量達(dá)12 萬(wàn)t。重慶能源投資集團(tuán)松藻公司逢春煤礦自2011 年開(kāi)始試驗(yàn)大傾角薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)，自2017 年，在傾角57°～63°，平均厚度1.1 m 的薄煤層中采用工作面俯偽斜布置[4-5]進(jìn)行回采，最高月推進(jìn)度約66.5 m，產(chǎn)量14 276 t，回采工效由2.2 t/(工·d)提高到12 t/(工·d)，工作面作業(yè)人數(shù)減少50%，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)煤礦科學(xué)產(chǎn)能的推進(jìn)，大多數(shù)開(kāi)采大傾角煤層的礦井正在加快淘汰產(chǎn)量低、安全差的傳統(tǒng)落后的非機(jī)械化采煤方法，積極采用大傾角煤層綜采技術(shù)，以獲得安全高效。

近10 多年來(lái)，我國(guó)煤炭工業(yè)向著“高產(chǎn)、高效、安全、綠色、智能”的方向發(fā)展，煤炭開(kāi)采技術(shù)與裝備水平顯著提高，尤其是近水平煤層工作面設(shè)備在電牽引采煤機(jī)、系列化電液控制液壓支架、大型刮板輸送機(jī)及大運(yùn)量、大運(yùn)距帶式輸送機(jī)等方面取得重要突破，綜采工作面單產(chǎn)高達(dá)上千萬(wàn)噸且記錄不斷刷新，礦井效益良好從業(yè)人員待遇高，吸引許多優(yōu)秀人才到礦建功立業(yè)。大傾角煤層工作面產(chǎn)量卻很低。目前還沒(méi)有年產(chǎn)百萬(wàn)噸的大傾角煤層綜采工作面。有些開(kāi)采大傾角煤層的礦井就是由于產(chǎn)量低成本高，導(dǎo)致礦井經(jīng)濟(jì)效益差，從業(yè)人員工資低，造成礦井人才流失，負(fù)債經(jīng)營(yíng)，舉步維艱，礦井陷入產(chǎn)量越低效益越差人才流失越嚴(yán)重的惡性循環(huán)。最終礦井因無(wú)法償還巨大債務(wù)而不得不依法破產(chǎn)重組。綜采工作面產(chǎn)量是反映綜采安全技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益的綜合指標(biāo)。故分析大傾角煤層綜采工作面產(chǎn)效過(guò)低的原因，以尋求解決對(duì)策是亟需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

近10 多年來(lái)，我國(guó)大傾角煤層長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化受煤層傾角大、頂?shù)装鍡l件復(fù)雜、綜合機(jī)械化程度低、勞動(dòng)組織不盡合理等原因致使產(chǎn)量低下，因此提高大傾角煤層綜采產(chǎn)效是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。開(kāi)機(jī)率是反映綜采工作面生產(chǎn)技術(shù)水平高低的一項(xiàng)綜合指標(biāo)[6]，是地質(zhì)因素、生產(chǎn)設(shè)備因素、勞動(dòng)組織的綜合全面體現(xiàn)。實(shí)踐表明，提高開(kāi)機(jī)率是提高綜采工作面產(chǎn)效的最根本最有效的途徑。

結(jié)合筆者多年從事大傾角煤層綜采的理論研究與工程實(shí)踐，以開(kāi)機(jī)率為核心綜合分析大傾角煤層地質(zhì)、設(shè)備、工藝、人員、管理、其他等6 方面的因素影響，并得出相應(yīng)精準(zhǔn)對(duì)策，旨在提高大傾角煤層綜采開(kāi)機(jī)率，實(shí)現(xiàn)該類煤層綜采的高產(chǎn)高效?，F(xiàn)就這6 方面因素對(duì)綜采開(kāi)機(jī)率的影響進(jìn)行綜合分析，旨在得出以提高開(kāi)機(jī)率為關(guān)鍵的大傾角煤層綜采促產(chǎn)提效的精準(zhǔn)對(duì)策，并關(guān)注采礦自動(dòng)化、智能化的發(fā)展方向，將其作為大傾角煤層綜采減人提效的核心精準(zhǔn)對(duì)策。

1 影響因素及其分析

1.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素主要是指與煤層開(kāi)采相關(guān)的煤層傾角、厚度、夾矸、頂?shù)装鍘r性與厚度、斷層、褶皺、陷落柱、瓦斯含量和涌水量等，層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中斷層和傾角對(duì)走向長(zhǎng)壁綜采影響最大。隨著斷層斷距和煤層傾角的增大走向長(zhǎng)壁綜采適應(yīng)性降低直至不可行。

圖1 地質(zhì)因素層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchy of geological factors

褶皺的向背斜迫使走向長(zhǎng)壁綜采工作面非等長(zhǎng)布置且要仰俯斜推進(jìn)，回采難度加大，回采速度降低，產(chǎn)量銳減。

無(wú)論是工作面穿過(guò)斷層還是越過(guò)斷層回采，產(chǎn)量大幅減少或生產(chǎn)停頓。大傾角煤層走向長(zhǎng)壁綜采面過(guò)斷層比近水平煤層過(guò)斷層難度要大很多，歷時(shí)長(zhǎng)，有時(shí)甚至過(guò)不去。

大傾角煤層由于褶皺和斷層的地質(zhì)構(gòu)造使得綜采工作面非等長(zhǎng)布置常態(tài)化。而斷層褶皺發(fā)育的大傾角煤層則不同，工作面不等長(zhǎng)是避不開(kāi)繞不過(guò)的問(wèn)題，增減支架司空見(jiàn)慣。增減支架期間產(chǎn)量減少甚至為零。

顯然，與緩傾斜煤層相比，堅(jiān)硬頂板、軟煤層軟底板、頂板淋水、高瓦斯等對(duì)大傾角煤層綜采影響更為嚴(yán)重，產(chǎn)量降低毋庸置疑。

總之，斷層、煤層傾角、褶皺、堅(jiān)硬頂板、軟煤層軟底板、頂板淋水、高瓦斯等使得大傾角煤層綜采難度增大，產(chǎn)量降低，這是客觀存在，只能面對(duì)，具體分析如下。

1) 傾角因素。綜采首先在近水平煤層取得成功并逐漸拓展到緩傾斜煤層，經(jīng)過(guò)設(shè)備的改進(jìn)完善和采煤工藝的創(chuàng)新發(fā)展，綜采產(chǎn)量持續(xù)增加效率大幅攀升，達(dá)到高產(chǎn)高效。走向長(zhǎng)壁綜采適應(yīng)煤層傾角突破緩傾斜煤層上限25°并向更大傾角擴(kuò)展，目前可用于最大傾角55°。超過(guò)55°向70°逼近的走向長(zhǎng)壁綜采尚在探索中。當(dāng)煤層傾角在[25°, 35°]區(qū)間時(shí)產(chǎn)量明顯下降；當(dāng)煤層傾角在(35°, 55°]區(qū)間時(shí)產(chǎn)量銳減。目前的智能綜采幾乎全是在條件優(yōu)越且煤層賦存穩(wěn)定無(wú)斷層的近水平中厚煤層取得了高產(chǎn)高效。

煤層傾角增大加劇了走向長(zhǎng)壁綜采工作面液壓支架的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)和刮板輸送機(jī)下滑、采煤機(jī)牽引與制動(dòng)力驟增，導(dǎo)致支架穩(wěn)態(tài)控制和刮板輸送機(jī)防滑控制難度加大[7-11]，采煤機(jī)割煤速度降低，直接造成大傾角煤層綜采工作面產(chǎn)量大幅下降。

2)頂?shù)装?。相較近水平煤層而言，大傾角煤層頂、底板失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)，所以該類煤層的安全高效開(kāi)采與頂、底板之間關(guān)系更加密切[12-15]。由于傾角因素的影響，大傾角煤層基本頂易于形成傾斜砌體結(jié)構(gòu)。在大傾角煤層走向長(zhǎng)壁綜采(放)中，當(dāng)直接頂、底較軟且極易破碎時(shí)(煤矸互層)，如新疆焦煤集團(tuán)2130 煤礦25213 工作面[16]，煤矸互層頂板隨采隨冒難以控制，支架穩(wěn)定性控制難度進(jìn)一步增大。

由此可見(jiàn)，由于頂?shù)装鍡l件的差異，嚴(yán)重制約了大傾角煤層的安全高效開(kāi)采。“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定性是大傾角煤層的開(kāi)采和圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)，從而應(yīng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的圍巖災(zāi)害問(wèn)題。

3) 地質(zhì)構(gòu)造。大傾角煤層的成煤過(guò)程中往往會(huì)伴隨著斷層、褶皺、向(背)斜等復(fù)雜迥異的地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)生。斷層活化受礦壓、圍巖、頂?shù)装宓戎T多因素影響，迄今一直是一個(gè)難以解決的力學(xué)問(wèn)題[17-19]。斷層的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在過(guò)斷層帶時(shí)會(huì)受到諸多因素的影響，開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中還常面臨水害、支護(hù)、防滑、飛矸、擦頂移架等一系列技術(shù)難題，導(dǎo)致過(guò)斷層持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)機(jī)率極低，易造成工作面坍塌甚至發(fā)生人員傷亡。綜上所述，地質(zhì)條件是影響大傾角煤層安全高效開(kāi)采的主控因素，煤層傾角左右了礦壓顯現(xiàn)的非對(duì)稱性，圍巖條件影響了設(shè)備的穩(wěn)定與安全，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜造成支護(hù)效果差、回采速度慢等問(wèn)題。因此，應(yīng)對(duì)礦井地質(zhì)條件進(jìn)行針對(duì)性勘探，保證井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造清晰明了。對(duì)特殊地質(zhì)構(gòu)造如斷層，做好完善的安全技術(shù)措施，達(dá)到提高開(kāi)機(jī)率的目的。

1.2 設(shè)備因素

設(shè)備因素是指液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的個(gè)體故障因素及“三機(jī)”配套因素，如圖2 所示。

圖2 設(shè)備因素層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchy of equipment factors

大傾角煤層綜采設(shè)備除具備一般綜采設(shè)備性能外，還需具備適應(yīng)大傾角條件的特殊性能，即液壓支架能防倒防滑，采煤機(jī)制動(dòng)可靠、牽引力大、潤(rùn)滑效果好，刮板輸送機(jī)與液壓支架聯(lián)動(dòng)防滑。

大傾角厚煤層綜放工作面下段采用圓弧段布置，還需要檢查最小采高最大曲率時(shí)“三機(jī)”配套的適應(yīng)性，主要是采煤機(jī)能否順利通過(guò)圓弧段。

應(yīng)當(dāng)指出，由于“三機(jī)”配套要依據(jù)煤層賦存具體條件(傾角、厚度、頂?shù)装鍘r性、煤的強(qiáng)度等)并考慮“三機(jī)”個(gè)體特點(diǎn)，一般很難做到配套盡善盡美。特別是大傾角煤層綜采迄今還沒(méi)有“三機(jī)”配套試驗(yàn)臺(tái)，無(wú)法在地面正規(guī)進(jìn)行“三機(jī)”配套試驗(yàn)，無(wú)法在投入生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并在地面解決。故而大傾角煤層綜采開(kāi)切眼實(shí)質(zhì)就是“三機(jī)”配套試驗(yàn)臺(tái)。作為生產(chǎn)單位承擔(dān)了不該承擔(dān)的研究試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)[20-22]。

1.2.1 液壓支架

工作面液壓支架在大傾角煤層綜采成套裝備中居核心地位，是人為控制“頂板-支架-底板”穩(wěn)定性的可控要素，也是“采煤機(jī)-運(yùn)輸機(jī)-支架”系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的基點(diǎn)。現(xiàn)今大傾角綜采液壓支架亟待解決的重大問(wèn)題有支架過(guò)重、側(cè)護(hù)板伸縮不靈、底調(diào)千斤頂無(wú)法更換以及不能帶壓移架[23-26]等。針對(duì)以上問(wèn)題應(yīng)以“工作阻力適中化、抗倒滑可靠化、架重輕型化”的理念來(lái)推進(jìn)大傾角液壓支架持續(xù)改進(jìn)。

與近水平煤層工作面液壓支架相比大傾角煤層區(qū)別主要在于支架應(yīng)加裝防倒防滑裝置[26-29]。大傾角煤層開(kāi)采過(guò)程中，支架的滑、倒主要是發(fā)生在“降架-移架-升架”過(guò)程中。底調(diào)機(jī)構(gòu)是大傾角煤層液壓支架實(shí)現(xiàn)架間位置調(diào)節(jié)、防止傾倒下滑的重要機(jī)構(gòu)。而底調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響調(diào)架功能，進(jìn)而影響支架的適用性。除底調(diào)機(jī)構(gòu)外，側(cè)護(hù)板也起到調(diào)架作用。另外合理的架型、較高的初撐力、帶壓移架功能以及安全防護(hù)系統(tǒng)的完善都是影響大傾角液壓支架適用性的因素。

液壓支架通過(guò)與其上鄰支架頂梁和底座相連的防倒防滑千斤頂實(shí)現(xiàn)防倒防滑功能。因其束縛支架造成拉架操作復(fù)雜且難度大，拉架速度慢，現(xiàn)場(chǎng)并不歡迎。通過(guò)增大側(cè)護(hù)板千斤頂和側(cè)護(hù)板強(qiáng)度以及底調(diào)千斤頂和橫梁強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)傾倒下滑支架的上調(diào)復(fù)位。目前側(cè)護(hù)千斤頂和側(cè)護(hù)板以及底調(diào)千斤頂和橫梁變形損壞較多，特別是封裝在頂梁和掩護(hù)梁內(nèi)的側(cè)護(hù)板千斤頂和封裝在底座的底調(diào)千斤頂損壞后在工作面現(xiàn)場(chǎng)不能更換，使支架防倒防滑功能喪失[30]，淪為非大傾角支架。

必須強(qiáng)調(diào)，目前大傾角煤層綜采所用的液壓支架是在適用近水平煤層綜采支架(立柱垂直頂?shù)装?，?dāng)處于較大傾角斜面上的支架就會(huì)產(chǎn)生使支架傾倒的力矩)上修修補(bǔ)補(bǔ)增加防倒防滑裝置所形成的，甚至將近水平煤層的高工作阻力重型支架設(shè)計(jì)理念照搬用于大傾角煤層支架，如某礦大傾角綜采支架質(zhì)量達(dá)45 t，頻發(fā)倒架且很難扶正。并沒(méi)有基于大傾角本身考慮設(shè)計(jì)立柱垂直或近于垂直的自穩(wěn)的支架(如同人站在斜坡上自穩(wěn))，即隨著煤層角度的增大，支架重心線始終在底座下邊沿上側(cè)，亦即無(wú)傾倒力矩，這才是真正意義上的大傾角支架，若支架本身具備重心自調(diào)穩(wěn)那就是“不倒翁支架”。

在實(shí)際生產(chǎn)中，支架倒、滑是降低產(chǎn)量影響開(kāi)機(jī)率的最主要原因。如四川攀煤集團(tuán)6152 工作面，在2016 年發(fā)生倒架情況。其原因有：①將上個(gè)工作面未經(jīng)大修的設(shè)備用于6152 工作面；②支架過(guò)重；③側(cè)調(diào)護(hù)裝置故障；④防倒、防滑裝置缺失。該次倒架造成工作面癱瘓直接經(jīng)濟(jì)損失逾千萬(wàn)。窯街煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司長(zhǎng)山子煤礦1125 工作面由于液壓支架側(cè)護(hù)板故障造成倒架，在3 個(gè)月時(shí)間內(nèi)割煤天數(shù)僅為30 d，每天割煤1 刀或不足1 刀。

綜上所述，大傾角工作面液壓支架故障是造成開(kāi)機(jī)率低的主要原因，應(yīng)充分考慮支架重量、工作阻力和初撐力、側(cè)護(hù)板、底調(diào)、安全防護(hù)裝置等因素[31-32]。

1.2.2 采煤機(jī)

大傾角煤層綜采所用采煤機(jī)依然存在牽引阻力劇增，行走動(dòng)力齒輪斷齒，牽引力不足、搖臂中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑不良、裝煤效果差。不適應(yīng)上行割煤。特別是機(jī)頭處的浮煤量大，無(wú)法推移刮板輸送機(jī)。維護(hù)檢修難度及安全隱患大，耗時(shí)長(zhǎng)。

采煤機(jī)每班開(kāi)機(jī)率K可表示為

式中，T1為每班或每天開(kāi)機(jī)時(shí)間，min；T為每班或每天工作時(shí)間，min。

當(dāng)前影響(制約)大傾角綜采工作面采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率的主要因素為：液壓故障多、滾筒裝煤效果差、制動(dòng)可靠性不足、牽引力不足等。大傾角工作面采煤機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的空缺是除液壓支架適應(yīng)性不足外影響開(kāi)機(jī)率的另一關(guān)鍵原因。

1.2.3 刮板輸送機(jī)

大傾角刮板輸送機(jī)主要是采煤機(jī)的運(yùn)行軌道和制動(dòng)依托，同時(shí)抑制采落的煤炭滑滾，因此必須具有很高的強(qiáng)度和可靠的防滑性能。文獻(xiàn)[33]分析了采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)在大傾角煤層綜采實(shí)踐中的應(yīng)用效果并論述了持續(xù)改進(jìn)情況。推進(jìn)輸送機(jī)持續(xù)改進(jìn)是保證開(kāi)機(jī)率的必要方法。大傾角刮板輸送機(jī)應(yīng)立足于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、防滑可靠和安全防護(hù)優(yōu)良3 個(gè)方面。

1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。大傾角刮板輸送機(jī)不僅承擔(dān)著采煤機(jī)全部重力，還是采煤機(jī)制動(dòng)與防滑的依托，可采用加強(qiáng)型銷排、銷排座及單耳增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2)防滑性能。大傾角刮板輸送機(jī)受自身重力、采煤機(jī)重力、底刮板鏈的運(yùn)行阻力以及運(yùn)煤阻力作用，容易下滑。大傾角刮板輸送機(jī)宜采用全封底整體框架式結(jié)構(gòu)，在減小刮板輸送機(jī)對(duì)煤層比壓的同時(shí)，可降低底刮板鏈上行阻力，改善大傾角刮板輸送機(jī)的下滑狀態(tài)。

3)安全空間防護(hù)。在刮板運(yùn)輸機(jī)沿工作面傾斜方向設(shè)置由液壓系統(tǒng)自動(dòng)控制的可升降擋煤(矸)板，將工作面人員工作空間與機(jī)道隔離，防止煤壁側(cè)的煤(矸)飛躥傷人。

1.3 工藝因素

工藝因素主要包括割煤、拉架、推移刮板輸送機(jī)、頂?shù)装骞芾? 個(gè)子因素，如圖3 所示。

圖3 工藝因素層次結(jié)構(gòu)Fig.3 Hierarchy of technology factors

隨著煤層傾角增大，綜采工作面就有了上下之分，亦有了采煤機(jī)上行和下行之分，并出現(xiàn)飛煤矸或墜物傷及人員和砸壞設(shè)備的安全隱患，架前冒頂及支架傾倒下滑頻發(fā)，工藝難度劇增，產(chǎn)量銳減。

1)割煤。由于煤層傾角增大，采煤機(jī)上行阻力增大，上行割煤所需的牽引力也增大，通常牽引力不足。上行割煤裝煤效果差，特別是上滾筒割落的煤大多被甩到電纜槽和支架中的行人道，威脅采煤機(jī)司機(jī)和支架工的安全，也增大了清浮煤量。

2)拉架。一般支架不能做到帶壓移架(通常所說(shuō)的帶壓移架實(shí)際做不到，只要操作閥置于降架，立柱缸體下腔的乳化液就直通回液管，同時(shí)立柱壓力降為零。于是帶壓移架實(shí)為擦頂移架)，移架時(shí)支架不能自穩(wěn)，無(wú)防倒防滑時(shí)，支架已失穩(wěn)(下滑傾倒)。改用“少降快拉”(移架前將拉架千斤頂控制閥置于拉架位置，謹(jǐn)慎降架)實(shí)現(xiàn)擦頂移架。

大傾角煤層綜采支架前移難度大，操作復(fù)雜，移架并調(diào)架。支架工要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)才可熟練掌握拉架。目前大傾角煤層綜采支架自動(dòng)拉架技術(shù)尚在研究中。

拉架時(shí)要做好防倒防滑，支架拉到位后要調(diào)正支架。這是大傾角煤層綜采工作面拉架與近水平煤層綜采工作面拉架的顯著區(qū)別。拉架時(shí)若忽視防倒防滑并不重視及時(shí)調(diào)架，就會(huì)埋下倒架的隱患。一旦倒架，扶正難度很大，工作面癱瘓，影響1～2 個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

3)推移刮板輸送機(jī)。通常采用隨拉架后自下而上推溜。若工作面采用真傾斜布置，只要支架防倒防滑和刮板輸送機(jī)防滑做好，自下向上或相反推溜應(yīng)該不會(huì)造成刮板輸送機(jī)上竄和下滑。若工作面采用或調(diào)成偽仰斜，若防倒防滑控制的好，只要推溜桿與刮板輸送機(jī)保持垂直，無(wú)論自下而上或相反推溜，每次推溜后，刮板輸送機(jī)機(jī)頭相對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)搭接點(diǎn)向上位移，是刮板輸送機(jī)沿著偽仰斜的法線方向前移所致，而并非刮板輸送機(jī)整體上竄。若工作面采用或調(diào)成偽俯斜，情況則相反，即若防倒防滑控制的好，只要推溜桿與刮板輸送機(jī)保持垂直，無(wú)論自下而上或相反推溜，每次推溜后，刮板輸送機(jī)機(jī)頭相對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)搭接點(diǎn)向下位移，是刮板輸送機(jī)沿著偽俯斜的法線方向前移所致，而并非刮板輸送機(jī)整體下滑。為了抵消刮板輸送機(jī)下滑量，通常采用偽仰斜布置或調(diào)成偽仰斜。但偽仰斜又帶來(lái)煤壁片幫架前漏冒抽頂加劇的嚴(yán)重問(wèn)題。所以改為偽俯斜布置，推溜桿與支架前進(jìn)方向一致，與刮板輸送機(jī)并不垂直，采用整體推溜，取消S 彎。采煤機(jī)隨推溜采用滾筒鉆入與斜切并加快速牽引速度的聯(lián)合進(jìn)刀方式。目前仍在試驗(yàn)中。

4)頂、底板管理。通常多采用采空區(qū)自然垮落法管理頂板，當(dāng)頂板巖性為強(qiáng)度較高的砂巖時(shí)需人工強(qiáng)制放頂。大傾角煤層走向長(zhǎng)壁采空區(qū)冒落矸石沿工作面宏觀上呈下部填實(shí)中部填疏(松)上部未填(頂板懸空，出現(xiàn)空洞)的典型分區(qū)特征。由于采空區(qū)頂板歷經(jīng)懸頂-冒落周而復(fù)始，所以冒落矸石沿走向宏觀上呈谷峰相間或鋸齒狀(目前的相關(guān)研究暫未見(jiàn)涉及)，工作面中上部的頂板呈拉扭復(fù)合作用所致破壞冒落，這在試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)得到印證。沿傾斜冒落矸石呈向背斜狀態(tài)，支架沿傾向傾倒嚴(yán)重程度大致呈正態(tài)分布。

由于煤層傾角增大，底板因采動(dòng)損傷擾動(dòng)易發(fā)生滑移，造成采高超高，誘發(fā)倒架，冒落大塊矸石下沖對(duì)支架造成沖擊。上下端頭支護(hù)難度更大，頂?shù)装迦菂^(qū)，兩巷超前支護(hù)，高幫更難支護(hù)，回風(fēng)巷壓力較大。

1.4 人員因素

人員因素包括文化程度、操作熟練程度、責(zé)任心、吃苦奉獻(xiàn)精神等4 個(gè)子因素，如圖4 所示。

圖4 人員因素層次結(jié)構(gòu)Fig.4 Hierarchy of personnel factors

在大傾角煤層長(zhǎng)壁生產(chǎn)系統(tǒng)中人仍然是決定因素，客觀的難采條件需要靠人的主觀能動(dòng)性適應(yīng)并化難為易。

目前，由于煤層賦存條件差，開(kāi)采成本高，產(chǎn)量低，待遇不高，招不到文化程度較高的從業(yè)人員。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)實(shí)習(xí)成為掌握生產(chǎn)技術(shù)的熟練技能工，因工資待遇低而辭職另謀待遇高的崗位，年輕人離職較多。綜采隊(duì)很難良性維系。尤其缺少能勝任工作的采煤機(jī)司機(jī)、支架工、檢修的電鉗工。

由于產(chǎn)量低、待遇差，辭職換崗頻發(fā)，無(wú)心思留在低收入的綜采隊(duì)干。然而，綠水洞煤礦多年堅(jiān)持大傾角煤層綜采，攻堅(jiān)克難，綜采工作面平均開(kāi)機(jī)率一直處于65%左右，產(chǎn)量在保持60 萬(wàn)t/a。綜采隊(duì)職工熱情高，留得住、用得好。

1.5 管理因素

管理因素包括主要指建立健全相應(yīng)的管理制度、落實(shí)管理制度、人員管理、設(shè)備管理、成本與績(jī)效核算等，如圖5 所示。

圖5 管理因素層次結(jié)構(gòu)Fig.5 Hierarchy of management factors

大傾角煤層長(zhǎng)壁工作面自然條件差，管理難度大，需要?jiǎng)?chuàng)新管理，特別是在煤礦普遍采用剛性考核的同時(shí)應(yīng)彈性地感情扶持。礦方針對(duì)綜采隊(duì)有高產(chǎn)的強(qiáng)烈欲望，追求高待遇、高工資收入的熱情，及時(shí)對(duì)超產(chǎn)進(jìn)行鼓勵(lì)并重獎(jiǎng)，高產(chǎn)高效綜采隊(duì)基礎(chǔ)逐步奠定。

1.6 其他因素

除上述5 類因素外，通風(fēng)、供電、供水、排水、運(yùn)輸、維修、備件、瓦斯、涌水等(圖6)對(duì)大傾角煤層綜采工作面產(chǎn)量也有不同程度的影響，甚至在某一段時(shí)間是主要影響。

圖6 其他因素層次結(jié)構(gòu)Fig.6 Hierarchy of others factors

特別的，當(dāng)頂板存在滲水或淋水現(xiàn)象，如窯街煤電有限責(zé)任公司長(zhǎng)山子煤礦1125 工作面[34-35]，回采期間，工作面頂板泥巖及頂煤被淋水長(zhǎng)時(shí)間沖刷，使液壓支架頂部懸空，導(dǎo)致穩(wěn)定支架作用的摩擦力變小，且支架未到達(dá)額定初撐力，促使支架失穩(wěn)，頂煤與頂板破碎漏冒，造成采煤機(jī)故障，支架傾倒，嚴(yán)重制約了工作面推進(jìn)速度。此外，遇水泥化的煤泥淤積堵塞運(yùn)輸系統(tǒng)，特別是煤泥固結(jié)成團(tuán)堵住煤倉(cāng)放煤口導(dǎo)致不能放煤而被迫爆破疏通。此外，煤層夾矸是造成工作面推進(jìn)緩慢的另一個(gè)重要原因，工作面遇到夾矸初期，采煤機(jī)直接截割?yuàn)A矸，造成滾筒截齒磨損嚴(yán)重，每班必須更換磨鈍的截齒，更為嚴(yán)重的是因截割?yuàn)A矸負(fù)載過(guò)大導(dǎo)致采煤機(jī)搖臂損壞需更換搖臂，工作面煤層夾矸和頂板淋水同時(shí)存在，嚴(yán)重制約了工作面累計(jì)推進(jìn)度。

例如某礦因沒(méi)有備用電機(jī)導(dǎo)致電機(jī)損壞停工待電機(jī)達(dá)一周。雖提前預(yù)計(jì)到缺備用電機(jī)，但并未事先落實(shí)采購(gòu)電機(jī)。

2 精準(zhǔn)對(duì)策

基于上述分析，建立影響因素層次結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示，確定各影響因素的權(quán)重。地質(zhì)、設(shè)備、工藝、管理、人員和其他各影響因素權(quán)重依次為0.252、0.215、0.167、0.125、0.123、0.118。

圖7 影響因素層次結(jié)構(gòu)Fig.7 Hierarchy of influence factors

依據(jù)權(quán)重高低制定提高綜采產(chǎn)效的精準(zhǔn)對(duì)策。

需要采取相應(yīng)的對(duì)策解決制約大傾角煤層長(zhǎng)壁工作面綜采產(chǎn)效低下的問(wèn)題。對(duì)策的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)。精準(zhǔn)體現(xiàn)在精準(zhǔn)探測(cè)、精準(zhǔn)檢修、精準(zhǔn)操作、精準(zhǔn)管理、精準(zhǔn)培訓(xùn)和精準(zhǔn)補(bǔ)充等6 個(gè)精準(zhǔn)對(duì)策。

1)精準(zhǔn)探測(cè)。精準(zhǔn)探測(cè)，旨在針對(duì)大傾角煤層斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，采用地質(zhì)雷達(dá)、曹波等先進(jìn)勘探技術(shù)對(duì)擬采塊段進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，查清斷層產(chǎn)狀和褶皺形態(tài)，為大傾角煤層綜采應(yīng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造決策提前做好進(jìn)準(zhǔn)預(yù)測(cè)。2021 年攀煤花山煤礦針對(duì)6143 大傾角煤層大采高綜采工作面可能遇到斷層影響回采，委托某研究院進(jìn)行槽波勘探，查清了斷層賦存狀態(tài)，為過(guò)斷層回采決策提供精準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)。

2)精準(zhǔn)檢修。精準(zhǔn)確定設(shè)備故障是精準(zhǔn)檢修的基礎(chǔ)。開(kāi)機(jī)率精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是精準(zhǔn)確定設(shè)備故障的前提。精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)反映在從時(shí)空四維度上精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)工作面故障，即何時(shí)(t)何處(x,y、z)出現(xiàn)的何種故障(X)。t可以精準(zhǔn)至分鐘，x,y、z可以精準(zhǔn)至具體的設(shè)備部件位置。通過(guò)具體的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)機(jī)率監(jiān)測(cè)，及時(shí)完整地記錄采煤機(jī)開(kāi)停時(shí)間(精確至分鐘)，停機(jī)位置(一般為以所在支架的編號(hào)準(zhǔn)確定位)和停機(jī)(故障)原因并填入開(kāi)機(jī)率監(jiān)測(cè)表中(表1)。

表1 開(kāi)機(jī)率監(jiān)測(cè)原始記錄Table 1 Monitoring original record of operation rate of coal mining machine

某種原因造成停機(jī)的持續(xù)時(shí)間(故障時(shí)間)Δt由式(1)計(jì)算。

若采煤裝有開(kāi)停機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)停機(jī)記錄與監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)比對(duì)并修正以提高監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性。

每日對(duì)開(kāi)機(jī)率監(jiān)測(cè)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)處理形成開(kāi)機(jī)率監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)，日?qǐng)?bào)內(nèi)容包括每班開(kāi)機(jī)率、日平均開(kāi)機(jī)率、各類故障持續(xù)時(shí)間與故障總累積時(shí)間以及按持續(xù)時(shí)間或累積時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行排隊(duì)以得出最大故障并對(duì)影響開(kāi)機(jī)率進(jìn)行綜合分析提出提高開(kāi)機(jī)率建議，為提高開(kāi)機(jī)率決策提供科學(xué)的定量依據(jù)。綠水洞煤礦試采工作面就采用開(kāi)機(jī)率精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)找出故障及持續(xù)時(shí)間并排序，分類排除故障提高開(kāi)機(jī)率，提高工作面產(chǎn)量，獲得良好效果。

綜采工作面產(chǎn)量由式(3)計(jì)算：

式中，QS為實(shí)際日產(chǎn)量，t；K為采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率，%；Q為日生產(chǎn)能力，t。其中日生產(chǎn)能力計(jì)算公式為

式中，N為每日割煤刀數(shù)；L為工作面長(zhǎng)度，m；M為采高，m；C為采出率，%；B為采煤機(jī)截深，m；p為煤的體積質(zhì)量，t/m3。

由式 (3)和式(4)得：

以花山礦6152 工作面為例。該工作面平均斜長(zhǎng)140 m，工作面平均采高為4.91 m，每刀循環(huán)進(jìn)度0.8 m，每天按2 刀，容重為1.4 t/m3，采出率 95%，該工作面設(shè)計(jì)月產(chǎn)量由式(4)得：

但在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，由于過(guò)斷層、支架傾倒等原因影響下，月實(shí)際產(chǎn)量為5 000 t/月，由式(5)求得開(kāi)機(jī)率為25%，在其余條件不變的前提下，提高開(kāi)機(jī)率是提升產(chǎn)量的惟一途徑。

目前，大傾角煤層長(zhǎng)壁綜采月產(chǎn)基本徘徊在3萬(wàn)～6 萬(wàn)t，且隨著煤層傾角的增大故障率躍升、開(kāi)機(jī)率驟降，產(chǎn)量銳減。大傾角煤層長(zhǎng)壁綜采低產(chǎn)低效之所以還可維持簡(jiǎn)單再生產(chǎn)要得以于煤質(zhì)優(yōu)良、價(jià)格較高、運(yùn)距較短、用戶急需、供不應(yīng)求。在供不應(yīng)求，價(jià)格不變前提下，唯有提高產(chǎn)量(高出盈虧平衡點(diǎn)產(chǎn)量)才能增加收入，否則就虧損。

某大傾角煤層綜采工作面單位固定成本118 元，單位變動(dòng)成本約316 元，售價(jià)400 元/t，盈虧平衡點(diǎn)為1.4 萬(wàn)t/月(圖8)。

圖8 盈虧平衡圖Fig.8 Break even

加強(qiáng)設(shè)備的精準(zhǔn)檢修是可修復(fù)故障類型設(shè)備恢復(fù)功能的最有效舉措。精準(zhǔn)檢修需要精準(zhǔn)定位故障、精準(zhǔn)備件、精準(zhǔn)修理。特別是要配備足夠的熟練修理技能工和配件，盡可能快地修好，為提高開(kāi)機(jī)率贏得時(shí)間。當(dāng)然日常精準(zhǔn)維護(hù)保養(yǎng)更為重要，以保障設(shè)備盡可能不出或少出故障。高質(zhì)量的設(shè)備可靠性高(亦即故障率低)，價(jià)格昂貴。經(jīng)濟(jì)實(shí)力強(qiáng)的煤礦都首選高可靠性的設(shè)備，以確保高開(kāi)機(jī)率。目前煤礦所用的大傾角綜采設(shè)備可靠性較近水平和緩傾斜綜采設(shè)備要低甚至低的多。

3）精準(zhǔn)操作。精準(zhǔn)操作是用好設(shè)備發(fā)揮設(shè)備性能的前提和基礎(chǔ)，需要能勝任精準(zhǔn)操作的熟練技能工承擔(dān)。目前大傾角煤層長(zhǎng)壁綜采工作面急需采煤機(jī)司機(jī)和支架工。只有這兩者的緊密配合精準(zhǔn)操作才能保證工作面“三直兩平”的工程質(zhì)量，才能為提高開(kāi)機(jī)率創(chuàng)造條件。

4)精準(zhǔn)管理。精準(zhǔn)管理是依據(jù)開(kāi)機(jī)率監(jiān)測(cè)的按照故障影響時(shí)間從大到小對(duì)故障排隊(duì)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)故障進(jìn)行有的放矢地進(jìn)行精準(zhǔn)管理。如果一段時(shí)間工作面內(nèi)部故障多，就加強(qiáng)工作面內(nèi)部的精準(zhǔn)檢修管理；如果另一段時(shí)間工作面外部故障多就請(qǐng)求礦方協(xié)調(diào)從外部系統(tǒng)上排除故障的精準(zhǔn)管理。特別是遇到工作面過(guò)斷層、支架傾倒導(dǎo)致開(kāi)機(jī)率極低，產(chǎn)量幾乎為零的被動(dòng)局面，礦方應(yīng)結(jié)合工作面及員工實(shí)際精準(zhǔn)管理，及時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)，確保出勤，盡快扭轉(zhuǎn)被動(dòng)局面，恢復(fù)工作面生產(chǎn)以提高開(kāi)機(jī)率，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

5)精準(zhǔn)培訓(xùn)。精準(zhǔn)培訓(xùn)是精準(zhǔn)操作的基礎(chǔ)和前提，尤其針對(duì)大傾角煤層綜采隊(duì)職工整體文化程度和技術(shù)水平偏低應(yīng)進(jìn)行精準(zhǔn)培訓(xùn)，特別是采煤機(jī)司機(jī)和支架工的培訓(xùn)，也應(yīng)重視電鉗工的培訓(xùn)，確保操作人員能適應(yīng)大傾角煤層綜采的操作技術(shù)需要。

6）精準(zhǔn)補(bǔ)充。精準(zhǔn)補(bǔ)充是針對(duì)具體的大傾角煤層綜采工作面實(shí)際，除上述5 種精準(zhǔn)對(duì)策未涉及的方面應(yīng)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充完善，如遇到工作面頂板淋水時(shí)，應(yīng)精準(zhǔn)探測(cè)水源做好精準(zhǔn)防治水，確保工作面正常推進(jìn)。

應(yīng)當(dāng)指出，目前煤礦自動(dòng)化、智能化發(fā)展迅速，近水平緩傾斜中厚煤層自動(dòng)化智能化綜采工作面技術(shù)不斷完善并趨于成熟，實(shí)現(xiàn)了有人值守?zé)o人操作的工作面是煤礦減人提效的核心技術(shù)和根本途徑。煤礦的智能化是煤礦安全高效最終無(wú)人化的必由之路[36～38]。

大傾角煤層綜采目前仍處于多人操作的勞動(dòng)密集型，用人多效率低。當(dāng)務(wù)之急是在現(xiàn)有條件下盡可能提高工作面產(chǎn)量和效率。隨著煤礦自動(dòng)化智能化綜采技術(shù)的日趨完善，同時(shí)也應(yīng)更加關(guān)注并為大傾角煤層綜采實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化奠定基礎(chǔ)。目前攀煤集團(tuán)小寶鼎煤礦已在攀枝花礦區(qū)率先進(jìn)行較大傾角煤層的綜采智能化試驗(yàn)，為攀煤集團(tuán)大傾角煤層綜采智能化積累經(jīng)驗(yàn)，以從根本上實(shí)現(xiàn)大傾角煤層綜采工作面減人提效之目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)綜合分析了影響大傾角煤層長(zhǎng)壁工作面開(kāi)機(jī)率低、產(chǎn)效差的地質(zhì)、設(shè)備、工藝、人員、管理、其他等六方面的制約因素。

2)煤層傾角、斷層等地質(zhì)因素是客觀存在，雖無(wú)法改變但可采取精準(zhǔn)措施應(yīng)對(duì)。

3)設(shè)備、工藝、人員、管理、其他等5 方面的因素可通過(guò)人的主觀能動(dòng)性改變以適應(yīng)大傾角和斷層的困難的客觀條件。

4)提出以提高大傾角煤層綜采面開(kāi)機(jī)率為核心的精準(zhǔn)探測(cè)、精準(zhǔn)檢修、精準(zhǔn)操作、精準(zhǔn)管理、精準(zhǔn)培訓(xùn)和精準(zhǔn)補(bǔ)充等6 個(gè)精準(zhǔn)對(duì)策。進(jìn)而提高大傾角煤層綜采面產(chǎn)量和效率，以充分發(fā)揮投資效益并提高職工待遇。

5)更應(yīng)關(guān)注自動(dòng)化智能化綜采技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)大傾角煤層綜采自動(dòng)化智能化奠定基礎(chǔ)，從根本上實(shí)現(xiàn)大傾角煤層綜采工作面減人提效之目標(biāo)。