Reform and prospects of mining technology for large inclined coal seam in China
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摘要:
大倾角煤层是我国煤炭资源的主要赋存样式之一。在地域分布上呈现出广泛性与区域性，据不完全统计，全国25个省、自治区、直辖市均涉及该类煤层开采，在中西部地区储量丰富、产量大、生产集中程度高。在赋存条件上呈现出多样性与复杂性，不同区域成煤时期不一，构造控煤过程迥异，形成了多样且复杂的开采条件，催生了不同的开采技术要求。大倾角煤层开采的技术难度大。煤层倾角导致采场围岩运动破坏呈现非对称性显现特征，支护系统稳定性控制与“三机”配套与协同、采准巷道布置与支护、工作面“人−机”环境安全保障等工作的难度显著加剧，严重制约了矿井安全高效开采。大倾角煤层开采的区域经济需求强，该类煤层赋存与生产较集中的区域多见以煤炭工业为主的资源型城市，经济结构相对单一，煤炭资源安全高效开发利用对区域能源保供、民生保障、经济保稳具有兜底作用。长期以来，大倾角煤层开采技术变革聚焦于解决“难”与“需”的矛盾，在采煤方法与工艺、岩层控制理论与技术、成套装备研制与应用3个方面不断完善、创新、发展，实现了由非机械化向机械化开采的转变，安全产效水平大幅提升，人员劳动强度大幅下降，作业环境显著改善。20世纪90年代中期，川煤集团绿水洞煤矿首次成功实现了大倾角中厚煤层长壁综采，冲破了大倾角煤层机械化开采技术“禁区”。在此示范作用下，大倾角厚煤层长壁综放开采、大采高综采、薄煤层伪俯斜长壁综采三项首创性工程实践先后取得成功。这一过程中创新了工作面非线性限位布置与调斜方式，确立了“支架−围岩”系统稳定性多维交互控制模式，研发了工作面成套装备，取得良好收效，综合机械化开采技术适用范围进一步拓宽。与此同时，大倾角煤层开采仍存在许多亟待突破的关键科学问题与技术瓶颈，导致自动化、智能化水平提升与近水平/缓倾斜煤层相较仍存在较大差距。需进一步强化倾斜层状煤系地层煤岩体采动力学行为研究，揭示其对采场围岩灾变的控制机制，并实现量化表征；需进一步阐明岩体承载结构−采场装备群组系统间的多维动态作用过程与规律，完善装备与围岩多维动态多目标协同控制理论与技术基础，实现技术转化应用。在科学问题取得突破的基础上进行采煤方法、回采工艺、岩层控制、成套装备的系统性技术创新与研发，破解大倾角煤层开采安全−产效双提升的制约技术瓶颈，使大倾角煤层综合机械化开采倾角上限在有可靠技术保障的前提下向上延伸（扩展），为实现自动化、智能化开采奠定基础。
Abstract:The steeply dipping coal seam is one of the main forms of coal storage in China. It is widely and regionally distributed. According to incomplete statistics, twenty-six provinces, autonomous regions and municipalities directly under the central government are involved in the mining of such coal seams, with abundant reserves, large production and high production concentration in the central and western regions. It shows diversity and complexity in terms of the conditions of existence, with different regions having different coal formation periods and different tectonic control processes, forming diverse and complex mining conditions and giving rise to different mining technology requirements. The mining of steeply dipping coal seam is technically difficult. The asymmetry of the movement and damage of the peripheral rock in the mining area affected by the inclination angle of the coal seam is obvious, and the difficulty of the stability control of the support system and equipment, the matching and coordination of the “three machines”, the layout and support of the mining roadway, and the safety guarantee of the “human-machine” environment at the working face has increased significantly, which seriously restricts the safe and efficient mining of the mine. This has seriously restricted the improvement of safe and efficient mining. The regional economic demand for the mining of steeply dipping coal seam is strong. This kind of coal seams and the production of more concentrated areas are mostly seen in the coal industry-based resource cities, the economic structure is relatively single, the safe and efficient development and utilization of coal resources for the regional energy supply, people’s livelihood, economic stability has the role of the bottom of the pocket, the demand is urgent. For a long time, mining technologies for the steeply dipping coal seam changes focus on solving the “difficult” and “need” contradiction. In the coal mining methods and techniques, strata control theory and technology, complete sets of equipment development and application of the three aspects of continuous improvement, innovation, development, to achieve the transformation from non-mechanized to fully-mechanized mining, the level of safety and production efficiency has increased dramatically, the personnel labor intensity has decreased dramatically, and the operating environment has improved significantly. In the mid-1990s, Lvshuidong Coal Mine of Sichuan Coal Industry Group Limited Liability Company successfully realized longwall fully-mechanized mining in steeply dipping coal seam with medium mining height for the first time, breaking through the "forbidden zone" in this filed. Under this demonstration, the three pioneering engineering practices of longwall fully-mechanical mining of steeply dipping coal seam with thick mining height, steeply dipping coal seam with large mining height, and longwall fully-mechanical mining of steeply dipping coal seam with thin mining height in pseudo-inclination have been successful successively, which innovated the non-linear limiting arrangement of the working face and the way of adjusting the slanting, established a multi-dimensional interactive control mode of the system stability of the “bracket-surrounding rock”, and researched and developed the “support and stability and heavy weight, high-strength and light-weight, safe and reliable, and matching synergistic” complete set of equipment of the working face, which has achieved good results, and the scope of application of the comprehensive mechanized mining technology has further been widened. At the same time, there are still many key scientific problems and technical bottlenecks that need to be broken through in the mining of steeply dipping coal seams, resulting in a large gap between the intelligence level and that of the flat/gently inclined coal seams. Research on the mining dynamics of coal and rock bodies in inclined bedded coal beds, revealing their control mechanisms on the disaster of the surrounding rocks in the mining field, and realizing quantitative characterization need to be further strengthened. It is necessary to further clarify the multi-dimensional dynamic process and law between the system of “rock-bearing structure - mining equipment group”, improve the theoretical and technological basis of “multi-dimensional dynamic multi-objective synergistic control of equipment and surrounding rock”, and realize the transformation and application of the technology. On the basis of breakthroughs in scientific issues, we will carry out systematic technological innovation and research and development of coal mining methods, mining techniques, rock formation control, and complete sets of equipment, so as to crack the bottleneck of the constraints on the double enhancement of “safety and efficiency” in the mining of steeply dipping coal seams, and make the upper limit of the inclination of the steeply dipping coal seams for comprehensive mechanized mining extend upward under the prerequisite of reliable technological safeguards, so as to lay the foundation for the realization of automated and intelligent mining.
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0. 引 言
大倾角煤层指煤层倾角介于35°～55°的煤层[1]，此概念于1996年昆明召开的“全国煤矿顶板事故分析与防治大会”上由笔者团队首次提出。由此回溯至20世纪 50 年代，我国大倾角煤层开采历史迄今已 70 余年。期间，采煤方法经历了由非机械化（倒台阶采煤法、俯伪斜走向长壁分段水平密集采煤法、伪倾斜柔性掩护支架采煤法、仓储式采煤法等）向机械化的转变（走向长壁综采、走向长壁综放、水平分段综放）。30年来，大倾角煤层开采技术的机械化变革极大改善了该类煤层开采工艺复杂、劳动强度大、作业环境差、安全隐患多、产能产效低的不利局面。目前，大倾角煤层综合机械化开采已成熟应用于中厚煤层。近年来，适用范围不断拓展，在特厚、极薄、三软、坚硬顶底板、易自燃、近距离煤层群等特殊赋存条件下均取得了较为成功的应用。30年来，大倾角煤层开采技术创新以岩层控制理论的完善发展为基础，以采煤工艺优化与岩层控制技术研发为核心，以特种装备研制配套为保障，推动了我国大倾角煤层开采化难为简，转危为安，减人增效的发展变革，并正在逐步向智能化转型探索。30年来，广大生产工作者与科学研究人员聚焦我国不同区域，不同赋存条件下的大倾角煤层开采问题进行了大量艰苦卓绝的实践与科学探索，取得了显著成就，为我国煤炭科技进步与区域社会经济发展作出了应有贡献。鉴于此，笔者团队认为有必要对我国大倾角煤层总体赋存条件、技术变革历程进行全面梳理，进一步凝练当前大倾角煤层开采实践中面临的技术瓶颈与科学问题，为明确未来技术发展方向提供参考。
1. 大倾角煤层开采技术创新需求
1.1 煤层赋存特点
1.1.1 广泛性与区域性
大倾角煤层在我国华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北7大区域均有赋存。据不完全统计，全国共计有25个省、自治区、直辖市、近370对矿井曾经或正在开采大倾角煤层（仅限于35°～55°的煤层），见表1。与此同时，赋存的区域性也较为显著，在中西部主要产煤省份大倾角煤层储量大、产能高、生产较为集中。呈以下特点：
表 1 我国各省大倾角煤层矿井分布Table 1. Distribution of steeply dipping seam mines in China区域 省份
（自治区、
直辖市）域内煤炭
资源储
量/亿t涉及
矿井
数/对矿井主要分布地区 西南 四川 26.66 24 广元、广安、攀枝花、达州、宜宾、成都 贵州 91.35 15 六盘水、毕节、遵义 云南 44.54 3 昭通、红河、曲靖 重庆 1.87 9 合川、綦江、北碚 西北 新疆 190.14 43 乌鲁木齐、昌吉、阿克苏、吐鲁番、喀什、伊犁、哈密 甘肃 15.31 16 兰州、武威、平凉、
白银、张掖宁夏 35.01 8 银川、吴忠、固原、石嘴山 青海 2.26 7 海北、海西 陕西 293.90 3 宝鸡、咸阳 华北 北京 0.97 5 房山、门头沟 内蒙古 194.47 13 鄂尔多斯、呼伦贝尔、
赤峰、锡林郭勒山西 507.25 45 沂州、临汾、霍州、长治、太原、晋中、晋城、阳泉、大同、运城、吕梁、朔州 河北 26.05 15 邯郸、唐山、邢台、张家口 东北 黑龙江 25.81 26 鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河 辽宁 12.57 8 沈阳、葫芦岛、辽源、辽阳、朝阳、抚顺、阜新 吉林 7.03 5 白山、通化、桦甸 华东 山东 41.32 17 济宁、泰安、枣庄、临沂 江苏 3.74 10 徐州 安徽 58.27 29 淮南、淮北、宿州 福建 2.50 10 龙岩、三明 华中 江西 2.10 6 景德镇、萍乡、新余、宜春 湖南 4.86 17 郴州、娄底、衡阳 湖北 0.10 1 荆门 河南 33.65 29 郑州、平顶山、洛阳、商丘、许昌、鹤壁 华南 广西 0.88 5 来宾、河池 合计 1622.88 369 1）西南地区薄及中厚煤层多，工作面循环产量受到限制，循环速度难以提升，矿井产能低下，以小型矿井为主。
2）西北地区厚煤层赋存较多，但受煤层开采技术影响，综放及综采大采高开采应用受限，部分矿井仍以分层开采为主，产能较低，煤层虽厚但仍存在大量小型矿井。
3）华北、华中地区与西北地区类似，厚煤层占比虽高，但矿井产能仍然受到很大限制，中小型矿井占到多数（注：华北、华中部分统计矿井不以大倾角煤层作为主采煤层，井型不代表大倾角工作面的产能）。
全国各区域的大倾角煤层厚度及所在矿井生产能力如图1、2所示（不完全统计）。总体上，储量优势无法有效转化为产能优势是大倾角煤层开采面临的普遍问题。
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图 1 我国各区域有大倾角煤层的矿井产能统计Figure 1. Mine productivity statistics of coal seams with steeply dipping seam in various regions of China![]()
图 2 我国各区域矿井大倾角煤层的平均煤厚统计Figure 2. Statistics of average coal thickness of steeply dipping seam in mines in various regions of China1.1.2 多样性与复杂性
不同地理区域大倾角煤层的成煤时期与后期构造控煤作用迥异。造成煤层产状、变质程度、上覆下伏岩层性质与组构、应力环境等特征的区域性差异。我国各区域大倾角煤层（图3）主要赋存特点与煤质统计见表2。按区域分述如下[2]：
表 2 各区域大倾角煤层主要赋存特点与煤质统计Table 2. Main occurrence characteristics and coal quality statistics of steeply dipping seam in various regions地区 省/市 含煤区 主要聚煤期 主要构造带 主要煤质 西南 四川 四川含煤区 晚二叠世 川滇径向构造带、四川盆地坳陷 焦煤、肥煤 贵州 滇黔含煤区 晚二叠世 黔西构造带（褶皱、断裂） 气煤、焦煤 云南 滇黔含煤区 晚二叠世 扬子地台、川滇径向构造带、南岭褶皱带 褐煤 重庆 四川含煤区 晚二叠世 川黔经向构造带（褶皱、断裂） 焦煤、肥煤 西北 新疆 天山含煤区
祁连含煤区早−中侏罗世 天山−阴山纬向构造带 长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤 甘肃 祁连含煤区 早−中侏罗世 祁连褶皱带、贺兰山径向构造带 弱黏煤、不黏煤 宁夏 祁连含煤区 石炭二叠纪
早−中侏罗世西秦岭褶皱带、贺兰山径向构造带 气煤、不黏煤 青海 祁连含煤区 石炭二叠纪
早−中侏罗世祁连褶皱带 焦煤、无烟煤和褐煤 陕西 鄂尔多斯含煤区 石炭二叠纪 西秦岭褶皱带、贺兰山径向构造带 长焰、不黏煤 华北 北京 燕山南麓含煤区 石炭二叠纪 太行山褶皱带 无烟煤 内蒙古 鄂尔多斯含煤区 石炭二叠纪
晚侏罗世天山−阴山纬向构造带
贺兰山径向构造带褐煤、长焰煤 山西 山西含煤区 石炭二叠纪 山西径向构造带（褶皱、断裂、隆起） 气煤、无烟煤、瘦煤 河北 河北平原含煤区 石炭二叠纪 太行山褶皱带 肥煤、无烟煤 东北 黑龙江 三江−穆棱河含煤区 石炭二叠纪、晚侏罗世 大兴安岭隆起带 气煤、焦煤 辽宁 赤峰−铁岭含煤区
蛟河−辽源含煤区晚侏罗世 松辽盆地沉降带、太行山褶皱带 长焰煤、气煤 吉林 蛟河−辽源含煤区 晚侏罗世 松辽盆地沉降带 气煤、焦煤 华东 山东 鲁西含煤区 石炭二叠纪 大别山构造带（隆升） 气煤、肥煤、焦煤 江苏 苏北含煤区 石炭二叠纪 大别山构造带（隆升） 气煤、肥煤 安徽 扬子含煤区
两淮含煤区晚二叠世
石炭二叠纪大别山构造带（隆升） 气煤、无烟煤 福建 华南含煤区 晚二叠世 南岭构造带 无烟煤 华中 江西 华南含煤区 晚二叠世 南岭褶皱带 无烟煤、肥煤 湖南 华南含煤区 晚二叠世 湘桂经向构造带（褶皱、断裂）、南岭构造带 无烟煤 湖北 扬子含煤区 晚二叠世 大别山构造带（隆升） 无烟煤 河南 太行山东麓含煤区、
豫西含煤区石炭二叠纪 昆仑−秦岭纬向构造带、大别山构造带（隆升） 焦煤、气煤、肥煤 华南 广西 华南含煤区 晚二叠世 湘桂经向构造带（褶皱、断裂）
右江构造带（褶皱、断裂）褐煤 1）西北早−中侏罗世聚煤区内天山南北、河西走廊沿线均广泛赋存有大倾角煤层，分属天山含煤区与祁连含煤区。区内富集有丰富的肥煤、焦煤和瘦煤。
天山含煤区内准噶尔盆地南缘煤田聚煤作用强，可采厚度大，受邻近的天山隆起带燕山期活动影响，后期变形剧烈，煤层褶皱断裂兼有，局部倾斜陡峭。祁连含煤区北带靖远煤田、中带窑街煤田在区域构造上属西域系与祁吕系西翼复合部位，煤层可采厚度较大，多数较稳定，煤田沉积后受祁吕系活动影响，造成许多西北向褶皱与平行断裂，使煤田发生变形，受祁吕系控制，构造线西北赋煤向斜不完整，常出现一翼倒转或直立。
2）西南晚二叠世聚煤区内四川盆地以南，哀牢山以东赋存有大倾角煤层，分属于四川含煤区与滇黔含煤区。区内富集有丰富的焦煤、气煤、肥煤。
四川含煤区内盆地是燕山运动以来形成的构造盆地，属新华夏系第三沉降带组成部分，四川盆地因受多种构造体系控制，其不同构造部位，煤田分布和赋存特点各不相同。盆地西北缘广元煤田受华夏系龙门山褶皱带控制，呈北东向展布，盆地北缘旺苍煤田、东北缘万源煤田则受秦岭纬向构造带和大巴山弧形褶皱带制约，分别呈近东西向和向盆地方向凸出的弧形展布。滇黔含煤区内六盘水、遵义煤田聚煤作用强，可采厚度大，受新华夏系与区域东西向构造联合控制，煤田展布呈联合弧形向南凸出，构造线主要为北东至北东东向，这是该区域内大倾角煤层厚煤层的主要成因。
3）华北石炭二叠纪聚煤区内贺兰山、吕梁山以东，太行山以西，黄淮平原以北赋存有大倾角煤层，分属于鄂尔多斯含煤区与山西含煤区。区内富集气煤、长焰煤、褐煤、无烟煤。
鄂尔多斯含煤区内准格尔等煤田聚煤作用强，东侧为吕梁山南北向构造带，西侧为贺兰山南北向构造带，鄂尔多斯盆地保持了新华夏系向斜西陡东缓的特点，煤田除受南北向构造控制外，盆地南缘的渭北煤田各矿区还受到秦岭纬向构造带和祁吕山字型前弧影响。山西含煤区内大同、太原、阳泉等煤田聚煤作用强，煤层可采厚度较大，煤层稳定，煤质优良，受新华夏系第三隆起带和山西经向带联合控制，同时有华夏系、祁吕系构造穿插其间，区域内煤田自北向南呈雁行式斜列，总体呈南北展布，单体走向为北北东，反映出经向构造和新华夏系构造联合控制的特点。
4）华东石炭二叠纪聚煤区内泰山以南，戴云山以北赋存有大倾角煤层，分属鲁西含煤区与扬子含煤区。区内富集气煤、无烟煤、肥煤。
鲁西含煤区内枣庄、济宁等煤田聚煤作用强，是我国重要煤炭基地之一。鲁南枣庄一带受秦岭纬向带北亚带控制，济宁、兖州一带煤田连续分布，受新华夏系及南北向构造控制，以正断层切割为主，具典型的断块构造特征。扬子含煤区内淮南淮北煤田聚煤作用强，这些煤田在区域构造上位于江南复背斜北东端接近倾没处的北西翼，总体受华夏系构造控制。后期又受到新华夏系强烈改造，构造线方向以北东和北北东为主，复式向斜赋煤。
5）华中石炭二叠纪聚煤区内秦岭、伏牛山以北，罗霄山以西赋存有大倾角煤层，分属太行山东麓含煤区、豫西含煤区、华南含煤区。区内富集气煤、肥煤、无烟煤。
太行山东麓含煤区内鹤壁、安阳等煤田聚煤作用强，煤层可采厚度较大，各煤田多为东倾的单斜构造，密集的压性正断层将煤田切割成阶梯状。由于差异运动，通常表现为地堑与地垒相间出现，在剖面上参差不齐，煤田完整性遭到破坏。豫西含煤区内平顶山、洛阳煤田聚煤作用强，该区域内煤田主要赋存于东西展布的嵩山复背斜两翼的坳陷地带，平顶山、洛阳等煤田均为向斜构造赋煤。华南含煤区内湘中、湘南煤田聚煤作用强，湘中和湘南地区属于新华夏系第二沉降带的南段，同时又位于江南复背斜和南岭纬向带附近的相对隆起部位。湘中煤田主要受华夏方向构造、经向构造、区域东西向构造及弧形构造联合控制，湘南彬耒煤田受经向构造控制，同时还受到新华夏系活动影响。
6）东北晚侏罗世聚煤区内松辽盆地以西，阴山以南赋存有大倾角煤层，分属于赤峰−铁岭含煤区、三江−穆棱河含煤区、蛟河−辽源含煤区。区内富集气煤、焦煤、长焰煤。
赤峰−铁岭含煤区内阴山纬向地带煤田聚煤作用强，可采厚度大，受新华夏系继承性控制，表现为北北东向至北东向宽缓褶皱和断裂，以及与之配套的交叉断裂。三江−穆棱河含煤区内鸡西、双鸭山、鹤岗煤田聚煤作用强，可采厚度大，鹤岗煤田因受牡丹江南北向构造带阻隔为孤立煤盆外，其余煤田均受新华夏系三江−穆棱河波状坳陷控制，后期受新华夏系晚期断裂和鸡西弧及区域东西向构造强烈改造。蛟河−辽源含煤区内蛟河、双阳、辽源等煤田聚煤作用强，可采厚度大，其中蛟河煤田受新华夏系坳陷控制，呈北北东向展布，双阳和辽源煤田受北西向构造控制，属坳陷型盆地。
1.2 大倾角煤层开采的技术制约
自20世纪50年代至90年代初，我国大倾角煤层主要采用仓储式、倒台阶、俯伪斜柔性掩护支架、俯伪斜走向分段密集支柱等非机械化的采煤方法进行开采，存在工艺复杂、安全保障度差、人员劳动强度大、作业环境差、产能产效低等突出问题[3-6]。20世纪80年代中期到90年代中期，我国开始对长壁综合机械化开采方法进行研究和试验，自主研制和引进大倾角煤层综采装备[7]。在“七五”期间于沈阳矿务局红菱煤矿、四川攀枝花矿务局进行了试验，但均未获得成功。机械化开采的主要的技术制约集中反映在以下方面：
1）装备稳定性控制难度大。受煤层倾角影响，重量较大的综采液压支架的自稳性能弱化。主要表现在移架过程中下滑、倾倒、挤咬频发，难以做到带压移架，支架侧护板伸缩不灵敏、底调千斤顶无法现场更换，刮板输送机易下窜、断销，采煤机行走牵引力不足，导向不畅，易倾倒掉道。上述采煤支护设备姿态的非受控变化过程严重影响回采速度，威胁人员安全。
2）工作面及回采巷道布置难度大。传统的工作面沿真倾斜布置方式不仅无法降低工作面倾角，还会造成工作面倾斜下部过渡支架移架过程中的倾倒失稳，弱化整个工作面的下部稳定性控制基础。同时，上下端头与回采巷道连接处出现折角、台阶，对支架的有效接顶与刮板输送机推移造成困难。同时矩形回采巷道存在锚杆难以锚固到稳定岩层、巷道破顶/底界面煤岩体易滑移等问题，异形回采巷道存在高帮角支护困难、三角煤留设困难、破碎区金属支架支护困难等问题。
3）工作面“人−机”环境安全保障难度大。工作面采煤活动空间实质上创设于一个倾斜的“坡道”之上。除设备的下滑倾倒之外，端面与架间顶板漏煤（矸）、高煤壁片帮、各类异常随机分离体均会沿倾斜方向向下滑滚冲击，造成广义的“飞矸”动力灾害，伤人损物。同时，人员在架间行走、架前清理浮煤、空顶区处理、工作面回撤等环节中均受到狭小倾斜空间的影响，安全事故频发。总体上，大倾角长壁工作面“人−机”环境安全保障难度极大。
4）大范围岩层运动机理复杂，控制难度较大。受较大的煤层倾角影响，采动过程中围岩应力演化分布的非对称性加剧，采空区冒落矸石非均匀充填。首采工作面的下邻区段开采时处于广域上的非对称应力分布空间，区段煤柱应力集中程度高，受侧向剪切作用强，易发生破坏失稳并诱发更大范围的广域覆岩结构断链失效。因此，采区的区段倾斜长度设置、回采巷道的留设形式（留煤柱护巷、沿空留巷、沿空掘巷）的形式选择、断面支护、防风堵漏等通常成为困扰矿井采掘设计的与提产增效的主要问题。
1.3 开采技术创新的社会经济意义
1.3.1 对部分区域经济发展的支柱作用强
大倾角煤层在我国分布较为广泛，在局部地区该类煤层生产较为集中。其中涉及到一些以煤炭为主的资源型城市，工业产业结构相对单一，煤炭占工业GDP比例较高，域内广泛赋存的大倾角煤层安全高效开采对区域社会经济发展具有重要的保障作用。如贵州六盘水、四川达州、甘肃张掖、山西阳泉、吕梁，黑龙江鸡西等地。这些地区2020年煤炭工业产值占当地工业总产值的比例如图4所示 [8-13]。域内广泛赋存的大倾角煤层安全高效开采对区域社会经济发展具有重要的保障作用。
1.3.2 缓解落后产能退出造成的供需紧张
随着“双碳”目标的稳步实现与落后产能的退出，大倾角煤层这一类产能产效低、机械化水平提升困难的资源开发受到较大冲击。但与此同时，部分地区旺盛煤炭产能需求又与区内复杂赋存煤层条件（大倾角煤层是其中之一）形成了鲜明矛盾。
如四川省，1/3以上的煤层倾角都大于45°，矿井产能普遍底下，“十三五”期间关闭矿井339处，退出产能近4 400万t/a，目前省内煤炭产量仅能满足本省近半数的用煤需求，需从外省调煤弥补缺口[14]。
再如贵州省，煤炭资源储量虽大，但赋存条件极其复杂[15]。随着周边五省煤炭产业逐步收缩或退出，西南地区煤炭需求缺口不断扩大，作为域内唯一的亿吨级煤炭基地，在保障本地区煤炭安全稳定供应中的地位将更加突出，能源安全保障能力迎来新挑战。
落后产能的退出是大势所趋，“限小扶大，增优减劣”是产业政策的必然选择，但由此加剧的区域性、时段性煤炭供需紧张又必须破解。因此，对大倾角煤层开采而言，只有加强开采技术创新，实现落后产能矿井升级改造，才能够有效化解落后产能退出与区域性供需紧张的突出矛盾。
1.3.3 为西部煤炭开发做好技术储备
随着中东部地区浅部易采好采煤炭资源的枯竭，西部已成为我国煤炭资源开发的重点区域。特别是在甘肃河西走廊沿线，新疆天山南北的准噶尔聚煤盆地南缘与塔里木盆地北缘赋存有大量的大倾角煤层，厚度大、煤质优的同时机械化开采难度大。根据甘、疆、川、黔等地的《煤炭工业“十四五”发展规划》[14-17]，大倾角煤层机械化升级、自动化智能化建设均是未来重点推进解决的问题。
同时，甘肃、新疆两省区均是“一带一路”的重要节点，是能源生产、运输、储备的战略通道。沿线的许多中亚国家、东欧国家均面临着该类煤层的开采问题。做好大倾角煤层机械化开采的技术研发储备对支持“一带一路”能源领域合作具有重要意义。如，由我国承担的乌兹别克斯坦沙尔贡煤矿现代化改造项目，就曾因45°以上的大倾角煤层开采而引起了两国政府的高度关注与重视，经过国内的多方调研与技术公关，最终得以顺利实施，极大缓解了乌国煤炭供需紧张，形成了示范效应，为中资企业与院校在中亚能源市场现代化建设中开辟了新的发展机遇。
2. 大倾角煤层开采方法变革历程
2.1 非机械化开采阶段
我国大倾角煤层开采始于20世纪50年代，此后30多年间，在安徽淮南、河北开滦、四川华蓥山、天府、新疆乌鲁木齐、黑龙江鹤岗等矿区发展衍生出了多种非机械化开采方法，见表3。
表 3 大倾角、急倾斜煤层非机械化采煤方法Table 3. Mechanical parameters of collision model序号 采煤方法 年代 推进方向 落煤工艺 1 台阶式采煤法 50年代 走向 风镐炮采 2 仓储采煤法 50年代 走向、倾向 炮采 3 俯伪斜分段密集支柱采煤法 50年代 走向 机采炮采 4 斜台阶式采煤法 50年代 走向 风镐炮采 5 柔性掩护支架采煤法 60年代 走向 机采炮采 6 水平分层采煤法 60—70年代 走向 机采炮采 50年代初期，大倾角煤层主要采用人工风镐落煤，为提升工作面产效暨实现多台风镐同时作业，将工作面由线型转变为台阶型布置，形成了倒台阶采煤法。其巷道布置简单，对地质变化适应性强，相较于该阶段其他采煤方法（仓储式采煤法、密集支柱短壁采煤法等）采出率较高；但回采工序多，劳动条件差，顶板管理困难，若下部台阶支护失效导致顶板冒落，极易造成台阶向上破坏蔓延，引发工作面顶板大面积垮落，形成采场灾害性事故[3]。
60—70年代，安徽淮南矿区在部分赋存条件较好的大倾角（急倾斜）煤层中研究和试验了柔性掩护支架采煤法。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，有效支撑了工作面顶板，避免了工作面大面积悬空。但同时该方法回采过程中表现出矿山压力较大，支架无初撑力，不能合理调整支架位态，易出现窜矸、堵工作面、渗水，易发火等问题[4]。
80年代，四川省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（当时属四川）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[5-6]。
同期，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，煤层数量多、煤层较坚硬的特点，采用了非机械化高档普采（大采高、大推进度）开采方法，取得了良好的技术与经济效益[18]；窑街矿务局三矿在大倾角（倾角37°～47°）坚硬特厚煤层中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[19]；江苏天能集团公司试验采用了大倾角“三软”煤层走向长壁工作面下行收作法[20]；新疆生产建设兵团、河南义马矿务局针对大倾角（急倾斜）煤层巷道放顶煤进行了可行性研究与一定规模的工业性试验[21-22]。
非机械化采煤方法的革新促进了大倾角煤层开采技术的发展，一定程度上提高了限定条件下顶板稳定性控制、“支架−围岩”关系控制水平，促进了工作面产量提升，但仍未能从根本上解决制约大倾角煤层安全高效开采的瓶颈问题。表现在以下方面：①工作面安全缺乏保障，开采该类煤层的矿井频繁发生人员伤亡事故；②工作面作业环境恶劣，工人劳动强度大；③生产效率低，矿井产量小，经济效益差。
可见，由非机械化向机械化的转变是实现大倾角煤层安全高效开采的必由之路。
2.2 机械化开采阶段
2.2.1 国外大倾角煤层机械化开采探索
国外大倾角煤层矿区主要存在于前苏联、法国、印度等国家。20世纪70年代，前苏联系统研究了大倾角煤层综合机械化开采工艺，并成功设计和制造了应用于大倾角煤层的综采支架和采煤机[23-25]。
20世纪80年代，法国洛林矿区西蒙矿使用综合机械化开采方法开采了倾角35°以上煤层，采用了双滚简采煤机，最大采高3.22 m；刮板输送机刮板安装了扇形加高板以提高运输能力；工作面液压支架为支撑掩护式自移支架，最大高度3.48 m，最低高度1.5 m，装备有刮板输送机防滑千斤顶，并具有完善的洒水系统，保证在降柱移架过程中的防尘，且在工作面上平巷内设防滑绞车作为采煤机防滑的辅助手段。同时，洛林矿区还研究试验了工作面伪斜布置方法，利用TSA型迈步支架配合工作面防倒防滑装置及措施开采了倾角30°～60°的煤层[26]。
乌克兰自1986年开始，顿涅茨煤矿机械设计院研制了适用于大倾角和急倾斜煤层开采的专用设备，在龙恩一亚卡矿进行了大倾角煤层综合机械化开采的工业性试验，最高月产量1.7万t，平均月产量为1.2万t[27]，据统计，1993年乌克兰大倾角煤层总产量为849.9万t，其中综合机械化约占总产量的26.4%。
1992年，德国鲁尔矿区的威斯特豪尔特矿，将用于缓倾斜煤层的液压支架进行改装并与曼斯菲尔德支架或威斯特伐里亚支架结合，增设了辅助防倒、防滑技术用来开采大倾角煤层，采用G9-38Ve4.6加高型滑行式刨煤机配合WS1.7型宽体双伸缩二柱掩护液压支架开采了鲁尔矿区局部达到45°的大倾角煤层，工作面平均日推进4.5 m，平均日产量3万t[28]。
90年代中期，英国使用多布逊支架和伽里克支撑式支架对35°～43°的大倾角煤层进行了开采。该液压支架的特点是相邻支架底座装有互相铰接的弹性伸缩连接件，用于支架的防倒、防滑。同时，为减轻支架重量，增强支架稳定性，支架顶梁采用优质钢材制作，底座采用较矮的伸缩式方式。
除此之外，印度、美国、西班牙等国家针对诸如大倾角、急倾斜等特殊地质赋存条件的采煤工作面设计了采煤设备和配套的支护设备，并在此基础之上提出相应的采煤方法。在应用上述采煤设备和采煤方法之后极大提高了工作面煤炭产量，促进了当地经济发展[29-32]。
遗憾的是，国外受能源结构及产业政策影响，相继关停了相关矿井。导致近年来国外大倾角煤层机械化领域开采研究进展缓慢，现已鲜见关于大倾角煤层研究领域成果的发表和研究文献的出版。
2.2.2 我国大倾角煤层机械化开采实践
1）机械化初探
自20世纪80年代开始，煤炭科学研究院北京开采所、唐山分院、原成都煤干院、西安矿业学院(现西安科技大学)、中国矿业大学以及东北大学等科研院所开始研究大倾角煤层的综合机械化配套装备的开采，并从德国、波兰、西班牙、前苏联等国家引进先进的设备，在北京矿务局、安徽准南矿务局、辽宁沈阳矿务局、鹤岗矿务局、新疆艾维尔沟煤矿、四川攀枝花、华蓥山矿务局等矿区进行了试验与生产。
如四川华签山绿水洞煤矿采用单体液压支柱配合DY-100型采煤机，辅以防滑绞车，开采了倾角为35°的煤层。
河北开滦唐山矿采用DY-150型采煤机，辅以YAJ-13液压防滑绞车，SGW-150型可弯曲刮板输送机开采了倾角为15°～45°的煤层。
湖南资兴宇字矿采用MLQ-80型采煤机，SGW-40T型可弯曲刮板输送机，配合HZWA-
2300 型摩擦金属支柱，辅以防滑绞车，成功开采了35°～50°的煤层。“七五”间，我国自主研制的综采装备在辽宁沈阳矿务局红菱煤矿进行过国家重点科技攻关项目试验。后引进装备在四川攀枝花矿务局进行了试验，但遗憾的是均未取得满意效果。
2）大倾角煤层长壁综采肇始
1995年，四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿大倾角工作面发生人员伤亡事故，面临矿井关闭，数千职工下岗流转的困境，企业急迫要开展综合机械化采煤方法变革。
1996年，四川华签山矿务局联合西安矿业学院（现西安科技大学）、煤炭科学研究总院北京开采所等单位在四川华鉴山绿水洞煤矿研制和试验成功了大倾角煤层综采成套设备，发展了大倾角煤层长壁综采岩层控制理论技术体系（以“顶板−支架−底板”系统中诸因素动态耦合为支架设计与岩层控制基础）。成功开采了倾角为35°～43°的煤层，单一工作面产量达到了50万～60万t/a，打破了国内外大倾角煤层长壁综采技术“禁区”（1999年获四川省科技进步一等奖），填补了相关岩层控制理论空白。迄今，绿水洞煤矿利用大倾角煤层综采装备已经开采了数十个倾角为37°～53°的工作面，产量稳定在60万t/a左右，效率大幅度提高，为开采这类煤层矿井的“高产高效”建设提供了一条新的技术途径。现已成为了国内外大倾角煤层长壁综采技术示范基地[7]。
3）大倾角煤层长壁综采技术推广与发展
在绿水洞煤矿成功示范作用下，自21世纪初，国内很多埋藏有大倾角煤层的矿区或矿井如王家山煤矿、艾维尔沟煤矿、东峡煤矿等开始在不同的开采条件下研究和试验大倾角煤层综合机械化技术。
2003年，甘肃靖远煤业集团王家山煤矿首次开展了大倾角厚煤层长壁综放开采技术探索。采用“长短壁融合、圆弧段过渡”的工作面布置与工艺配合形式，投入我国自主研制的大牵引力采煤机，成功开采了倾角38°～49°，平均厚度15.5 m的大倾角厚煤层[33]。开创了我国大倾角厚煤层长壁综放开采的首次工程实践。
2004年起，甘肃华亭煤业股份有限公司东峡煤矿进行了大倾角（32°～47°）特厚易燃煤层群走向长壁综放开采的技术研究与实践探索。先后针对“6-2煤上分层”和“6-2煤中分层”进行了中厚煤层“小放高”和厚煤层“大放高”工业性试验。成功开采了倾角为32°～47°的厚及中厚煤层群，取得了明显的经济效益[34-35]。
2011—2014年，新疆焦煤集团联合西安科技大学、郑州煤矿机械集团进行了大倾角煤层走向长壁大采高综采技术研究，研制和试验成功了以可调宽、抗倒滑液压支架（ZZ6500/22/48）为核心的工作面“三机”特种成套装备，在工作面煤层倾角36°～46°，厚度5.0～6.0 m条件下，通过坚硬顶板弱化、高煤壁片帮防控、非线性工作面布置等技术创新，成功开采工作面5个，工作面月产量达到了12万t，为大倾角煤层综采工作面产量达百万提供了一条可行的技术途径[36]。
自2013年开始，重庆能源投资集团逢春煤矿试验了大倾角薄煤层综合机械化开采技术，通过工作面伪俯斜布置及配套工艺研发、电液控制异形顶梁支架研发、变“三机”为“两机一装置”等关键技术创新，实现了工作面月推进66.5 m，最高月产量1.4万t的成绩。工效较原采用的俯伪斜柔性掩护支架采煤法提升2倍，大幅度减少了工作面作业人员，为大倾角煤层自动化、智能化开采进行了有益探索[37]。
在上述开创性成功案例的引领下，我国还在安徽、黑龙江、河北、宁夏、内蒙古、贵州等省区的相关矿区进行了“分层假顶下大采高综采、变角度与厚度大倾角综采、大倾角松软煤层放顶煤开采、大倾角旋转综采、大倾角极薄煤层钢丝绳锯开采”等工程实践[38-42]，极大丰富了大倾角煤层开采技术的适用条件。
2.3 大倾角长壁综采适用倾角范围探讨
大倾角煤层的定义与传统的“近水平/缓倾斜/倾斜/急倾斜”煤层倾角划分存在差异。既包含了35°～45°的倾斜煤层，又包含了45°～55°的急倾斜煤层。差异的原因在于：大倾角煤层的定义是随该类煤层机械化开采变革实践中而衍生的。倾角范围的划分既考虑到了岩层运动模式的异化又考虑到了采煤工艺装备的适用极限。结合大量的现场监测数据与实验室研究结果作如下解释。
2.3.1 大倾角煤层倾角下限35°的由来
1）当煤层倾角大于35°时，超过了煤岩类材料的自然安息角，采空区顶板冒落后无法在原地静置，向倾斜下部滑滚充填，造成了采空区充填程度的区化，进一步影响到了上覆岩层的变形破坏程度与运动模式，表现出显著的非对称性，诱发了岩层运动与控制的新问题。
2）当煤层倾角大于35°时，工作面底板向已成空间的移动加剧,变形和破坏的可能性增大。在非受控状态下,一旦底板出现破坏,就可能产生向下的滑移,且破坏滑移区还会向上蔓延,造成底板的大范围失稳并导致围岩灾变。
3）当煤层倾角大于35°时，一般的近水平或缓倾斜煤层成套长壁综采设备即便是在加装常规防到滑设备后仍难以正常工作，支架下滑、倾倒、挤咬、刮板输送机下窜等问题频发。
2.3.2 大倾角煤层倾角上限55°的由来
1）当煤层倾角大于55°时，走向长壁工作面底板发生破坏并滑移的可能性骤增，通过支护体对底板进行控制的难度进一步加大，一旦对底板破坏控制不当，将大概率造成整个工作面的系统性围岩灾变。同时，采空区的非均匀充填与工作面“飞矸”灾害的形成风险进一步加剧。
2）当煤层倾角大于55°时，即便是采用了当时（90年代中后期）技术水平条件下的专用大倾角长壁综采设备（增设专门的防倒滑、底调机构、侧护机构、斜拉千斤），也难以顺畅完成长壁综采工艺，设备故障率高、可靠性降低、频繁更换配件，严重影响生产安全与工效。可以说在当时的技术条件下，55°是大倾角煤层长壁综采的适用极限。
2.3.3 大倾角煤层倾角上限的工程解释外延
1）45°～55°范围内的大倾角煤层与急倾斜煤层存在重叠。在机械化开采的前提下，重叠范围内的煤层可视煤层厚度及顶底板条件择优选择水平分段放顶煤开采或长壁综采。
2）当煤层倾角大于55°时，若按照20世纪90年代给出的大倾角煤层定义，应已不属于大倾角煤层范畴。但随着近年来综采设备设计制造水平与自动化控制水平的显著提升，部分矿井沿用大倾角煤层长壁综采关键技术较为成功地开采了55°～70°范围内的薄及中厚煤层，长壁综采的适用倾角范围不断向上突破。但相较55°以下的煤层，产效显著下滑，是否有必要进一步突破，有待更多实践检验。
3）大倾角煤层倾角上限为 55°是根据当时技术装备条件下布置长壁工作面所能达到的极限角度而确定的，更多地考虑到了工程实践层面的可行性，定义的给出具有历史局限性。如今55°～70°煤层的长壁综采，我们既可以按照传统划分称之为急倾斜煤层长壁综采，也可以将其看作大倾角煤层长壁综采的拓展与外延，并无二致。
4）煤层倾角在55°以上的厚及特厚急倾斜煤层目前暂不宜采用长壁综采技术。水平分段放顶煤开采方法的应用效果及安全保障程度更佳。该类煤层开采不在本文的讨论范围之内。
2.4 面向智能化的探索
相较于近水平煤层而言，大倾角煤层智能化开采进展较为缓慢，可查阅到的文献较少。主要原因在于煤层倾角影响下“三机”协同干涉严重，作业环境复杂，作业空间受限，支架围岩系统控制目标多，维度交互。由机械化向自动化的转变尚存在一定困难，距离以“感知、学习、记忆、决策”为主要特征的智能化开采尚有一定距离。即便如此，也有部分矿井进行了大倾角煤层长壁综采的自动化技术升级实践。为该类煤层未来的智能化开采进行了有益探索与经验积累。
如前文所述的逢春煤矿于2014年研发了急倾斜煤层俯伪斜综合机械化采煤工作面电液自动控制系统，实现了综采工作面生产过程的自动化控制与数字化监测；应用模糊控制理论，建立了急倾斜综采控制数学模型；利用电液控制技术、红外定位技术，实现了采煤机、导向连接装置和支架联动，并具有容错功能[33]。
山东能源新汶矿业集团福城煤矿和华丰煤矿于2013年形成了一整套集工作面成套设备三维动态设计、优化配套技术和先进制造于一体的复杂煤层综采综放工作面成套装备关键技术，创新研制了适用于大倾角和急倾斜复杂煤层的电牵引采煤机、刮板输送机、液压支架电液控制系统；提出了复杂煤层高效综采综放工作面设备配套模式，建立了工作面设备选型配套优化的方法体系，解决了复杂煤层综采综放工作面设备优化配套问题[43]。
3. 大倾角煤层长壁综采技术创新
3.1 岩层控制理论的完善发展
岩层控制理论的发展是采煤方法技术得以创新的科学保障。自20世纪80年代起，国内学者便开始关注急倾斜煤层（与大倾角煤层部分范围重合）的矿山压力显现与岩层控制问题。原成都煤炭干部管理学院平寿康教授及其团队率先开始大倾角煤层开采岩层控制理论与技术研究，揭示了大倾角薄及中厚煤层开采工作面矿压显现规律[44-45]、大倾角煤层伪斜开采工作面顶板结构力学行为及破坏特征[46-47]，其团队成员黄建功、楼建国等建立了基本顶岩层“倾斜砌体结构板”大结构、直接顶中下段“砌体梁”小结构力学模型，分析了煤层倾角、矸石充填等因素作用下支架与围岩相互作用关系与岩体结构失稳形式以及软岩底板破坏滑移机理[48-52]。
80年代后期，西安矿业学院吴绍倩教授、石平伍教授及其团队，在急斜煤层开采领域首个煤炭科学基金项目“急倾斜煤层矿压显现规律的研究”支持下，对开滦矿务局马家沟矿8391长壁工作面和达竹矿务局铁山南矿2111长壁工作面进行了矿压监测，发现了急倾斜长壁工作面顶板来压的非均匀性与时序性，提出了急倾斜煤层倾斜薄板破断和空间岩块平衡假说与弹性基础墙假说[3,53]。彼时，由全国采矿界14位专家组成的课题评定委员会作出如下评价：“在应用弹性基础理论、薄板分析理论和相似材料模型验证的基础上，所提出的急倾斜煤层顶板断裂沿倾斜可能形成非对称的三铰拱平衡结构的观点，具有创造性，是对急倾斜煤层矿压理论研究方面的一个发展”。
上述研究，为后来大倾角煤层长壁开采岩层控制理论研究奠定基础。自90年代起，随着大倾角长壁综采的推广，其岩层控制理论得到了空前发展。30余年来，主要研究内容聚焦于：采场顶板结构与多维交互“支架−围岩”系统稳定性控制；采场围岩岩体结构变异与“泛化”机制；大倾角采场飞矸动力灾害形成机制与损害评价；大比例相似模拟试验研究平台建设4个大的方面。大倾角长壁采场岩层控制理论研究以工程需求为导向，从局部到宏观，从现象到本质，准确揭示了工程实践难题背后蕴藏的科学机制，持续指导岩层控制与采煤工艺方法创新。现总结分述如下。
3.1.1 工作面顶板结构与“支架−围岩”关系
采场顶板的破断与形成的结构形式直接影响到“支架−围岩”关系。我国众多院所、企业的学者针对不同条件下大倾角煤层长壁采场顶板结构演化与支架优化设计进行了大量研究[54-63]。历经近30年发展，总体上形成了以下共识：
1）在倾角效应及采空区冒落矸石非均匀充填作用下，顶板的破断时序、下沉回转空间，铰接堆砌与运动模式均沿倾斜方向呈现出显著的非对称区化特性，这是采场矿压非对称显现的根本原因[64-66]。
2）随着煤层倾角的增大，底板破断岩块除了向已成空间运动外（底鼓），亦会沿工作面倾向下滑。当底板破断岩块原位移动后，减小了上方相邻岩块的约束，并为其运移下滑提供了有利空间，导致底板滑移区向上蔓延和扩展，形成大范围失稳[67-68]。
3）随着煤层倾角的增大，采场“支架−围岩”系统稳定性控制关键应由近水平/缓倾斜煤层的“顶板−支架−底板”单维度控制转向“顶板−支架−底板”（法向）、“煤壁−支架−矸石”（走向）、“支架−支架”（倾向）的多维度相互的多目标控制[69-71]。
4）在采场“支架−围岩”系统稳定性的重多影响因素中，支架结构性能对围岩运动变形的适应性是核心。实现液压支架的结构设计优化与运行中的姿态稳定可调是确保“支架−围岩”系统稳定的关键[72-74]。
3.1.2 采场岩体结构变异与泛化机制
采动卸荷发生后覆岩岩体自组织再次趋向稳定。在三维空间内形成非对称的强度包络壳体承担采动卸荷区以外的上覆岩层载荷。笔者团队首次发现并提出了这种大倾角煤层长壁采场“非对称空间壳体”模型，发现了大倾角长壁开采覆岩“应力−冒落”双拱作用下非对称“拱壳”形态。通过三维物理相似模拟试验与数值计算验证了该形态的存在，并揭示了其随采动的演化过程，如图5a所示[75-77]。
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图 5 覆岩“壳体”内外岩体结构形态Figure 5. Structural form of rock mass inside and outside the overburden “shell”从岩体结构上来看，在包络线外部，覆岩易形成跨层位、非对称的空间梯阶状岩层结构。在破坏包络线内部，破断岩块呈跨层非对称“堆砌−反向堆砌”形态，在深部采空区形成下部填实、中部填满和上部悬空的非均匀充填带，并在支架后方倾向中上部区域的采空区底板上形成倒三角临空面。如图5b、6所示[78]。
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图 6 非均匀充填特征及关键层跨层迁移转化Figure 6. Non-uniform filling characteristics and cross-layer migration and transformation of key stratum同时，沿工作面倾斜方向，受采空区垮落矸石对顶板的非均衡约束作用影响，一般意义上对采场上覆岩层载荷起控制作用的亚关键层可能出现从低位的直接顶通过基本顶向高位岩层迁移转换。造成工作面矿压显现具有不同于近水平/缓倾斜煤层的特征，来压步距较大、持续时间较长，但强度相对较小；工作面中上部矿压显现明显大于下部，且上部来压具有部分冲击特征，如图6所示[79]。
大倾角长壁采场岩体结构的另一显著特点是“泛化”：即除上覆岩层内形成岩体结构外，在底板下伏岩层内也存在岩体结构。单一煤层多区段开采时，区段煤柱及其邻近垮落矸石间也会形成结构，组成围绕工作面、区段间围岩链式（环形）结构。近距煤层开采中，间隔岩层经历重复扰动失稳，上下两采空区上部易联通。无论是单一煤层区段煤柱还是近距离煤层群的间隔岩层，其破坏都会致使围岩链式结构中的强弱链发生转化，改变了区段间或煤层间开采后岩层自组织稳定过程，扩大了整个回采空间围岩承载区域范围，实质上就是采动后围岩链式承载结构的泛化（扩大），如图7所示[80]。
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图 7 大倾角采场围岩链式承载结构Figure 7. Chain bearing structure of surrounding rock in steeply dipping seam3.1.3 飞矸动力灾害形成机制与损害评价
“飞矸”灾害是大倾角煤层长壁开采的特有灾害形式。具体可定义为：在长壁开采工作面落煤、煤壁片帮、顶板漏冒或底板滑移等形式产生的并在回采空间内滑滚、飞溅的煤岩块对作业人员和设备形成伤（损）害的动力现象。近年来这一方面的研究主要集中在3个方面。①聚焦揭示大倾角采场“飞矸”动力灾害孕育形成机制，为“飞矸”灾害的溯源控制提供依据；②聚焦阐明了飞矸沿程能量累积−耗散−异常释放过程特征，便于区划损伤模式；③聚焦建立“飞矸”灾害判定准则，构建“飞矸”累积损伤效应的风险评价模型，如图8所示[81-83]。以上工作初步奠定了工作面安全防护体系建设理论基础，可为工作面安全防控设计提供指导。
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图 8 大倾角采场“飞矸”灾害风险评价模型$L=\displaystyle\sum_{ i=1}^{\mathrm{n}} L_i, \quad h=\displaystyle\sum_{ i=1}^{\mathrm{n}} h_i $；E0—飞矸初始动能，kJ；m—质量，kg；g—重力常数，N·kg；α—倾角，(°)；h—弹起下落高度，m；hi—第i次碰撞后弹起下落高度，m；μ—摩擦因数，无量纲；Li为第i次碰撞底板后滑移距离，m；n—碰撞底板次数；E*—第i次碰撞底板时飞矸耗损的冲击能，kJ；Edj，Eej，Erj和Ecj分别为第j次碰撞设备时飞矸冲击能耗损为耗散能、声，光， 电能、辐射能及设备变形能等的数值，kJ；E—第k次碰撞设备后冲击能，kJ；ξ—飞矸能量恢复系数；K—接触区刚度；C—黏性阻尼系数；t0—接触时间, 一般取10−2~10−4 s；ΔE—碰撞过程飞矸耗散能量；$\bar{E} $—飞矸能量；${{\bar{E}}_{\text{COR,BE}}} $—能量恢复系数；Ed—设备破坏临界值；Ⅰ～Ⅴ—飞矸损害风险等级Figure 8. Risk assessment model of “flying gangue” disaster in steeply dipping stope3.1.4 大比例相似模拟试验研究平台建设
大倾角煤层开采岩层控制理论的发展同样离不开高水平实验平台系统的建设。早期，支架围岩关系研究中支架的稳定性分析多停留在假定力学边界条件的静力学分析，或是简化支架结构与围岩环境的二维物理相似模拟试验这2种手段。对回采过程中支架的动态动作分析缺位，较小的比例限制制约了试验中对支架结构的精准模拟，导致传统研究结果只能用于“支架−围岩”关系的定性分析与描述，对动载、动态作用下大倾角工作面支架稳定性的定量化分析评价指导作用有限。亟需构建专门用于研究大倾角煤层长壁开采“支架−围岩”关系的大比例物理模拟与仿真试验平台来解决这一由试验研究手段限制而形成的顽瘴痼疾。
基于这一现实需求，笔者团队在国家自然科学基金重点项目“大倾角煤层长壁工作面安全高效开采基础研究”、国家自然面上项目“基于倾角效应的支架（群）与围岩多维载荷传递及耦合控制机理”及其他相关配套经费的支持下，自主研发制造了大比例可变角加载三维物理模拟实验平台。平台由外框架（长×宽×高=8.5 m×11 m×8 m）与内框架（长×宽×高=4.28 m×2 m×1.35 m）组成，内框架倾角0°～67°无极可调，有级锁定，布置了4组可实现上述倾角范围内的铅垂方向同步或异步加载液压系统，如图9所示。该平台适用于不同埋藏条件，能够模拟0°～67°倾角的工作面物理环境，动态监测液压支架的姿态和状态，实现采场采煤工艺试验、顶底板施载与受载控制，可以开展大比例支架模型（1∶5）的支架与围岩空间相互作用动态模拟，如图9所示。进一步，利用数字孪生技术实现了液压支架模拟采动加载过程中的姿态与载荷实施感知，为掌握不同倾角与不同开采工序影响下支架（群）与围岩多维动−静载荷传递规律，确定支架（群）多维运动的时空位态，揭示多因素交互作用下支架（群）失稳机理，验证支架稳定性控制技术，提供了一种新的有效的研究平台与途径，如图10所示。
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图 9 大比例可变角加载三维物理模拟试验平台Figure 9. Large-scale variable-angle loading three-dimensional physical simulation experimental platform3.2 岩层控制技术创新
3.2.1 工作面调斜与非线性限位布置
国内众多学者与企业技术人员，在科研与现场实践中创造性地提出了适应工作面装备水平发展的工作面布置方式，架构了大倾角煤层长壁工作面布置技术体系，解决了不同开采方法（放顶煤、薄煤层、大采高）工作面成套装备稳定性控制难题。
工作面调伪斜布置是降低工作面倾角的有效措施之一。主要的方法有2种：①调伪仰斜布置，即运输巷超前超前于回风巷一定距离，有利于推移刮板输送机扇形弧段造成的输送机上移与下滑量相抵消，但该布置方法加剧了煤壁片帮与“飞矸”灾害；②调伪俯斜布置，即回风巷超前超前于运输巷一定距离，该方式可有效抑制煤壁片帮，但同时加剧了推移刮板输送机和移架的难度[84]。如图11所示。
创新了工作面的非线性限位布置方式，利用空间限位作用提高支架围岩系统稳定性。具体有2种方式：①采用“直线段−降坡段−楔形段”布置方式，如图12所示，其优点在于弱化空区非均匀充填程度；强化工作面倾斜下部支架稳定性；采空区充填均衡性提升，有效抑制大采高倾斜上部区域的强矿压显现。②采用“直线段−圆弧段−水平段”布置方式，如图13所示。其优点在于改善下部过渡支架与顶板的不良接触状态、抑制刮板输送机下滑、优化下端头支护空间环境[85]。
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图 12 “直线段−降坡段−楔形段”布置方式Figure 12. Layout of “straight line segment-descending slope segment-wedge segment”![]()
图 13 “直线段−圆弧段−水平段”布置方式Figure 13. Layout of “straight line segment-arc segment-horizontal segment”3.2.2 “支架−围岩”系统多维交互控制
早期，笔者团队结合绿水洞煤矿大倾角煤层长壁综采工程实践研究，建立了不同失稳条件下大倾角长壁开采工作面“R−S−F”（顶板−支架−底板）系统动力学模型，给出了支架工作阻力的确定方法；构建了大倾角长壁采场倾斜砌体结构与支架三维作用模型，揭示了不同作用方式下“支架−围岩”系统失稳模式及其机理。并在此基础上提出了“减少底板破坏滑移可能性，使其处于受控状态；优化支架结构提高自身稳定性，实现对顶板和底板的主动控制；改进回采工艺与支护装备使顶板处于受控状态”的“稳固基础、控制关键、实现目标”大倾角长壁采场岩层控制基本模式。在厚煤层综放工作面，特别要注意顶煤放出量的分区控制，做到“上少，中足，下尽”，采取间隔多轮放煤，防止单架顶煤过量放出导致的顶煤大范围抽冒，诱发围岩灾变。
后来，更加清晰地认识到大倾角采场“支架−围岩”控制是三个维度系统的交互作用问题，除法向上的“R−S−F”系统外，同样需要关注走向的“煤壁−支架−矸石”与倾向的“支架−支架”系统。
针对厚煤层高煤壁片帮诱发的“支架−围岩”系统失稳问题。主要采取提高支架初撑力+强化端面空间封闭+优化护帮结构设计的控制手段，遇坚硬顶板时采用基本顶深孔预裂+两巷中深孔切顶+采空区悬顶压裂+超前注浆加固煤壁综合技术手段[86]，消除坚硬顶板顶板冲击隐患，改善非均衡受载，抑制煤壁片帮。
针对倾向维度邻架间的相互干涉问题。采用软硬连接结合的的架间连接方式，减少了侧护千斤顶与侧护板的干涉；增设底调装置或机构，通过加高底调梁，将底调梁由单一平行伸缩改进为平行与非平行伸缩相结合，增强底调机构的适应性；尾梁加装防漏煤并起调架作用的可伸缩侧护板；底座前端设置抵抗下滑并上调刮板输送机的千斤顶；加焊了拉架环和戗柱柱窝，以便扶架。
3.2.3 “飞矸”动力灾害防控技术
提出以上部飞矸着重轨迹阻拦、中部飞矸强调源头治理、下部飞矸预防二次衍生为目标的分区控制原则；以运动阶段多次碰撞梯阶耗能、碰撞前阶段飞矸与设备柔性隔断阻滞、碰撞时高强材料抑损抗变为手段的分阶段控制对策；以诱导运动模式，限制回弹高度，调控耗能比例为核心的全过程控制技术[87]，如图14所示。
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图 14 “飞矸”灾害防治技术体系Figure 14. “flying gangue” disaster prevention and control technology system在初始破坏阶段，可从飞矸物源着手，减少煤壁片帮范围与程度，从源头上减少飞矸块体数量。采用超前注浆加固，棕绳柔性加固，超前注水黏结等煤岩物性改良方法，提高煤壁强度；采用增加支架初撑力、加设二级护帮辅助措施降低煤壁应力集中，增强侧向约束，缓解片帮；通过适度加快工作面推进速度、适度减小伪仰采角或增大俯斜角来抑制片帮。
在破坏后阶段，可从飞矸运动过程着手，降低飞矸动能。小仰伪斜角度方式布置工作面可增加飞矸块体与煤壁的碰撞次数，飞矸沿工作面倾斜方向向下部运动与煤壁反复碰撞过程中，动能梯阶式耗散，达到降低飞矸动能和损伤风险等级的目的。同时，可在运动轨迹涉及范围内铺设防护装置（如柔性挡矸网和刚性挡矸门作为吸能防护元件），阻绝飞矸与工作面综采设备和人员的直接接触，最大程度上降低飞矸灾害危害程度及风险。
飞矸一次碰撞和一次碰撞—滑移运动危害风险小，多次回弹和多次间歇回弹—滑移运动模式的危害风险相对较大。实践中应注意将后2种危害较大运动模式的飞矸转化为第一种运动模式。为此，在工作面底板铺设高强度网限制块体的法向回弹，强行降低块体的回弹高度，增加块体与坡面的碰撞次数，将块体动能更多地耗散于与坡面的碰撞或与坡面的切向摩擦，迫使飞矸块体动能相应地降低，从而降低飞矸的损伤风险。
3.2.4 异形回采巷道多介质耦合支护技术
在生产实践中摸索出了以类似“屋顶形”、“斜梯形”为代表的巷道异形断面设计，旨在解决顶板锚杆锚固失效、三角煤易冒落的问题。基于大倾角煤层采场非均匀充填和围岩移动及支承压力非对称分布特征，揭示了大倾角煤层工作面回风巷（倾斜上部巷道）应变型、运输巷（倾斜下部巷道）应力型变形破坏机理，提出了以不同介质组成的支护结构性能耦合作用和高强度柔性支护为目标，以锚杆为核心、锚索与棚架为主体并辅以注浆和表面封闭的多介质结构耦合支护理论与技术，如图15所示。
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图 15 异形巷道多介质耦合支护技术Figure 15. Multi-medium coupling support technology for special-shaped roadway在强动压扰动区采用高强度锚杆、托盘+锚索、大尺寸十字托盘+W钢带+钢筋网+注浆锚杆+喷砼的非对称多介质耦合支护方式[88-89]。有效遏止了工作面上部区域支架空顶、倒滑、冲击，解决了大倾角煤层长壁采场非对称载荷场内的异形断面巷道支护难题，为工作面安全高效回采创造了条件。
3.3 成套专用装备的迭代发展
长期的实践表明，大倾角煤层长壁综采设备创新，必须改变源于近水平煤层开采的设计理念，在注重装备能力的同时更要兼顾考虑设备的稳定性以及由重力−倾角效应引起的各装备单元多向、多维、动态干涉。
在90年代后期的综采实践探索中，国内企业、院校、设备生产制造单位开始了对大倾角长壁综采“三机”进行了设计研究，受制于当时的设计制造水平限制，主要在支架的减重与防倒滑设计、采煤机的爬坡能力、刮板输送机销排与中部槽强度进行了改进，形成了第一代大倾角煤层长壁综采“三机”装备。此后30年间，在不同煤层赋存及生产技术条件下。先后迭代研制了以主动防倒滑、稳态可调、俯伪斜工作面异形顶梁结构、电液控制为主要特征的四代综采液压支架，如图16所示。
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图 16 大倾角煤层长壁综采液压支架发展Figure 16. Development course of hydraulic support for longwall fully−mechanized mining in steeply dipping seam针对端头支护问题，研制了以横向布置、行人运煤分隔、与转载机互不干扰、整体推移、全空间封闭防飞矸、顶板倾角自适应为主要技术特征的端头支架以及倾角自适应超前巷道支架系统，实现了各个系统自动管理与遥控操作，如图17所示。
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图 17 大倾角长壁工作面端头及超前支护系统Figure 17. End support and advanced support system in longwall face with steeply dipping seam针对采煤机上行割煤爬坡角度大，滑靴易掉道、下行制动难度大等问题。先后研制了以大牵引功率、无极绳拖缆防滑、过失强制制动、强制润滑为特征的采煤机。在薄煤层工作面，采煤机“滚筒”的内嵌设计也解决了空间狭小，空顶区支护不及时的问题，目前适应大角度伪俯斜工作面的采煤机已经在大倾角薄煤层工作面投入应用，适应倾角不断扩大。刮板输送机也衍生出了液压支架防滑导向复位、大节距销排、机尾液压紧链装置、主动导向等特殊功能，更好地适应大倾角煤层长壁综采“三机”配合。此外，以主动导向为主、无中部槽的输送机也在大倾角薄煤层综采工作面开始试用，如图18所示。
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图 18 大倾角长壁综采采煤机和输送机Figure 18. Fully−mechanized longwall shearer and conveyor with steeply dipping seam3.4 技术集成与工程示范
3.4.1 大倾角中厚煤层长壁综采
四川煤业集团绿水洞煤矿是我国第一个实现大倾角煤层长壁综采的矿井。自1996年第一个大倾角中厚煤层综采工作面取得成功后，迄今已累计开采大倾角长壁工作面数十个，单一工作面年产量稳定在60万t左右。为该技术在其他矿区的推广应用起到了良好示范带动作用。
以该矿5645工作面为例，该工作面走向长度1 200 m，斜长130（开切眼）～110 m（收尾），采用长壁综合机械化采煤工艺，平均煤厚2.7 m，工作面煤层倾角45°～65°（局部）平均倾角48°，超过40°倾角占工作面长度的80%以上。该工作面进行长壁综合机械化的主要难度在于“支架−围岩”系统动态稳定性控制及开采扰动下衍生的“飞矸”灾害。聚焦“顶板−支架−底板”动态稳定性控制与“三机”防倒滑设计的岩层控制需求。该矿联合国内院校与设备生产厂家进行了以下技术创新：
1）针对支架防倒滑问题，研发了适用倾角在60°以内的综采液压支架。防倒主要采取在顶梁下设防倒千斤顶的解决方案；防滑主要采取在底座上设活动双侧调架梁和调架千斤顶，在顶梁和掩护梁上设双侧活动侧护板的解决方案；上述双侧调架梁的设计使底座宽度增加，受力更为均匀，防滑性能显著提升。同时，遇软弱底板时，设计了抬底装置，使得底座钻底时能够将底座前端提起，保障顺畅、快速移架。以上支架设计创新均属国内首创，也是首次在大倾角综采工作面使用。
2）针对刮板输送机防滑问题，采取将原支架与刮板输送机连接十字头由圆形改为方形，在支架底座前端增设调推千斤顶，通过推杆控制输送机下滑。同时，在输送机中部槽挡煤板设计加装了内夹板与防尘板，防止中部槽落煤进入采空区侧，确保支架正常推移。
3）针对下端头顶板支护和安全防护问题。采用千斤顶交互布置方式解决了重型端头架横向移动难题，保证了工作面排头支架与端头支架正交接触，充分发挥端头支架的支撑能力。在端头架面向工作面的开放区域设置刚性挡矸板，将作业与行人空间分离，该设计有效保障了下端头暴露位置的设备与人员安全。
4）针对“飞矸”防护问题。在液压支架架前设置可升降挡矸板，在邻架之间设置与推进方向的柔性挡矸帘。实现了“刚柔相济，纵横联合”的工作面“飞矸”防护系统，实现了人员作业空间与机道分离，有效防止了“飞矸”伤人损物。
以上技术的成功应用，取得了显著经济效益。5664工作面除试运转外，月最低产量4万t，最高产量约5.60万t，单一工作面较原采用的柔性掩护支架采煤法年产量增加30万t以上，工作面加长后节约保护煤柱约5万t，掘进率显著降低。按当时的市场价格计算，采用综合机械化开采技术后，年增加的直接及间接经济效益约3 500万元。
3.4.2 大倾角特厚煤层综放开采
靖远煤业有限责任公司王家山煤矿主采2号、4号2层煤。煤层倾角25°～72°。原设计采用倾斜煤层分层炮采（25°～44°）和水平分段综采放顶煤（45°～72°）的采煤方法。其中分层炮采月产量约为1.20万t，水平分段综采放顶煤约为2万t，单产低、效益差，制约了矿井现代化建设发展。自2002年起，该矿联合国内高校、院所开始了大倾角特厚煤层长壁综放开采技术探索与实践。
以该矿4号煤层44407工作面为例。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法，走向长度605 m，倾斜长度115 m，煤层平均厚度15.5 m，煤层倾角38°～49°，平均43.5°。除“支架−围岩”系统动态稳定性控制“飞矸”灾害外，厚煤层工作面布置形式优化及放顶煤工序优化成为了新的问题，衍生了新的岩层控制需求。采取的主要技术创新如下：
1）提出了工作面圆弧−水平过渡方式。回风巷底部1/2长度破底板三角岩布置，消除了上端头底板三角煤，使端头支架得以水平放置，提高稳定性。运输巷沿煤层顶板掘进，为工作面圆弧过渡段布置创造有利条件。该工作面布置方式显著改善了工作面支架整体稳定性，有效遏制了支架下滑、倾倒，简化了下端头支护与前后刮板输送机的配合搭接。
2）研制了大倾角综放工作面成套开采装备。包括ZT9600/20/31端尾支架和侧翼三角煤支护装置、设有机尾锚固装置和防滑“燕尾槽”装置的SGN730/160双边链条刮板输送机、过渡支架窄顶梁大行程双侧双活侧护板，提出了一主两副，三架一组的端头支架布置方式。以上技术与设备创新满足了“采”“装”“运”“支”“放”的工艺要求，解决了大倾角煤层长壁综放开采设备及其配套关键技术问题。
3）提出了适合在大倾角特厚煤层条件下的综放回采工艺。即“分段间隔（折返式）多轮顺序放煤”。在保证工作面正常推进的前提下使“支架−围岩”系统尽可能处于最佳控制状态，实现了高采出率和低含矸率。同时，配套研发了采煤机圆弧段“提底调顶”技术与自动控制装置，保证了圆弧段割煤的正常曲率。
以上技术的成功应用，取得了显著经济效益。44407试验工作面月最高单产达9.71万t，工作面回采工效达45 t/（工·日），采出率82.27%，吨煤成本降低46元，矿井年生产能力由此前的100万t提高到300万t。该项工程技术实践的成功，为解决类似大倾角特厚煤层长壁综放开采的安全、高产、高效技术难题作出了成功示范，是我国煤炭科技进步历程中的标志性成果之一。
3.4.3 大倾角近距离煤层群综放开采
甘肃华亭煤业集团东峡煤矿6号煤层属典型的大倾角近距离特厚煤层群。该矿自2004年起开始尝试大倾角特厚煤层群综放开采技术与实践探索。
矿井主采煤层煤6-1下平均厚度为5.71 m，煤6-2上3.4 m，煤6-2中9.98 m，上、中、下3层煤的煤层间距分别为12 m和4 m。一般倾角为35°～36°，煤层坚固性系数f=2～3。上层煤（煤6-1下）先期已通过炮采回采完毕。中层煤（煤6-2上）37215-2工作面平均倾斜长度为106 m，倾角范围32°～47°，走向长度为1 000 m，综放开采。工作面煤层厚度为3.40 m，采高2.30 m，放顶煤高度为1.10 m，采放比为1∶0.48。下层煤（煤6-2中）工作面倾斜平均长度为105 m，倾角范围32°～47°，走向长度为1 118 m，综放开采。工作面煤层厚度为9.98 m，采高2.30 m，放顶煤高度为7.70 m，采放比为1∶3.3。回采过程中上下煤层扰动干涉、邻近区段扰动干涉，导致其矿压显现规律与单一煤层大倾角长壁工作面出现显著差异。回采过程中面临范围更广的“区域岩层控制问题”。采取得的主要技术创新如下：
1）提出了区域（大范围）岩层控制理论与技术[90]。即从开采顺序、工作面和巷道布置着手，使回采工作面尽可能处于上煤层采空且本煤层上邻区段采空的状态。在下煤层下区段(工作面)回采过程中，在保证巷道满足生产基本要求的前提下，适当回收部分区段煤柱（由宽收窄），剩余煤柱仅起到隔离煤层机采厚度范围内的矸石作用，工作面推过后有利于形成区段空区贯通。这一布置前提下要特别注意提升支护系统抗冲与防倒滑能力，注意卸压区回风巷的局部稳定性控制。如此一来，可促使工作面上覆及邻近广域岩层在受控条件下参与本工作面回采时的岩层“整体活动”。事实上间接延长了“大工作面”的长度，弱化了顶板运动的非对称性，使得工作面倾斜上部区域的“R−S−F”系统稳定性得到了保证，也间接延长了工作面顶煤的可放范围，提升了顶煤采出率。
2）在“区域岩层控制”的前提下，针对各工作面长度变化大、巷道有效断面小、支架增设与撤离难度大的特点。在工作面与回风巷连接处（5～7 m）采用单体液压支护配合十字铰接顶梁形成“柔性”支护调节段，随工作面推进快速增撤，极大简化了增、减架工序，加快了推进速率，且在客观上为易自燃煤层的防火起到了正面作用。
以上技术的成功应用，填补了大倾角易自燃特厚煤层群综放开采的技术空白，取得了显著经济效益。37215-2工作面正常生产期间平均月产量达7.62万t，最高月产量达12.55万t，顶煤放出率达60%，同时实现了部分区段煤柱回收，工作面回采率稳定在85%左右。与分层炮采相较，平均年产量提高72.72万t，年产量提升将近4倍。按当时煤炭市场价格，该工作面实现了年产值12 107.88万元。
3.4.4 大倾角煤层长壁大采高综采
新疆焦煤集团自2010年起，在新疆煤炭工业管理局的主持下，编制了《新疆焦煤集团2130煤矿大倾角煤层走向长壁大采高综采技术项目可行性研究报告》，自此开启了大倾角煤层长壁大采高综采探索与实践。
以2130煤矿25221工作面为例。工作面采用走向长壁综合机械化煤采煤法，一次采全高，走向长度2 098 m，倾斜长度105 m，煤层平均厚度5.77 m，煤层倾角36°～46°，平均44°，普氏系数f＝0.30～0.50。工作面基本顶以石英为主，厚度16.59 m，岩石单向抗压强度为79.90～100.20 MPa；直接顶灰白色中砂岩，厚度2.32 m；属典型的“硬顶软煤”组合。由于采高较大且顶板坚硬，“三机”防倒滑、工作面防片帮防治、大断面巷道支护成为了岩层控制的主要问题。采取的主要技术创新如下：
1）研制了以“可调宽、大阻力”液压支架为核心的大倾角煤层走向长壁大采高工作面“三机”配套设备。有效解决了工作面“高”“重”设备的防倒防滑与运行干涉问题。创新了工作面“楔形”布置与小角度调伪斜相结合的布置方式，确保了工作面下端支架与顶板的良好接触关系，为全工作面的“支架−围岩”系统稳定奠定了基础。
2）采用大倾角工作面基本顶深孔预裂+两巷中深孔切顶+采空区悬顶压裂技术弱化坚硬顶板，减小了垮落步距，降低了顶板来压对工作面支护系统的冲击，有效防止了大面积悬顶造成的冲击性来压，减小了煤壁应力集中程度有效遏制了煤壁片帮。
3）针对大断面煤巷的支护问题，创新了“异形”断面设计，即工作面沿顶掘进，留底煤，巷道顶板与岩层倾向平行，区段煤柱帮低，工作面帮高的断面形式。解决了传统巷道断面布置形式造成的“三角煤”留不住，锚不好的问题。优化了锚−网−梁联合支护参数，有效抑制了巷道围岩大变形，保障了安全高效回采。
自2012年5月至2012年11月，25221试验工作面推进446 m，平均月产量达5.53万t，最高月产量8.70万t，正规循环率达85%以上，工效达16.34 t/（工·日），工作面采出率达94.86%。试采结束后，工作面年产量达66.36万t，与同等条件下的综放工作面相较年平均产量提升18.36万t，采出率提高14.10%，按当时煤炭市场价格计，实现年新增利润6 000余万元，经济效益显著。
3.4.5 大倾角薄煤层俯伪斜长壁综采
重庆能源投资集团松藻公司逢春煤矿以急倾斜薄及中厚煤层为主，主采6M-3煤层，煤层平均倾角55°，平均厚度为0.91 m，属于典型的急倾斜薄煤层，2013年以前主要采用俯斜柔性掩护支架采煤法，工效低，安全保障度差，工人作业环境差，劳动强度大。自2013年后开始了大倾角（急倾斜）薄煤层俯伪斜长综采探索与实践。
以S2611工作面为例，走向长度为381.49 m，倾斜长度为84.36 m，煤层平均厚度0.93 m，平均倾角54.60°，采用俯伪斜走向长壁综合机械化采煤法。由于采高受限，工作面人员与设备作业空间狭小，除一般大倾角煤层面临的“三机”稳定性控制及“飞矸”防护等共性问题外，特别需要研发适用于大倾角（急倾斜）薄煤层狭小受限空间内综合机械化开采的成套专门设备。针对上述问题，逢春煤矿采取的主要技术措施如下：
1）工作面俯伪斜布置，降低煤层倾角，抑制煤壁片帮，降低落煤落矸自溜速度。优化设计了端头斜切进刀、双向割煤、自溜运煤、整体推移刮板输送机、跟机护顶、自下而上顺序移架的回采工艺。
2）采用异形顶梁配合可调角伸缩梁，解决了伪俯斜工作面端面三角区护顶的难题；安装了专用的斜拉千斤顶及“纵横联合”的新型飞矸防护装置，解决溜子下窜与飞矸冲击问题。
3）研发了以大功率大牵引力、截割部滚筒内嵌、牵引齿轮复合曲线行走、过失强制润滑制动为特点的采煤机，满足了急倾斜薄煤层开采采煤机爬坡有力、行走有序、空顶距小，容错性强的实践需求。
4）研制了高强度、导向、无动力自溜煤运输一体化装置，该装置主要由端部装置、中部槽、齿轨、导链套、高、低挡板和连接底座等组成，实现了采煤机在刮板输送机上导向行走，实现了落煤自溜运输。
S2611工作面于2013年11月份进行试验准备，并于2014年1月2日进行正式生产，截至2014年6月，平均月产量
8000 t，最高日进度2.40 m，最高旬进度19 m，最高月进度55 m，回采工效达到8 t/（工·日）。较之前的俯伪斜柔性演化支架采煤法工效提升近2倍。自2014年起该技术在逢春煤矿的其他工作面得到推广应用，自2014—2018年矿井通过该技术变革，实现新增销售额59 292万元，新增利润17 788万元，技术经济效益显著。4. 问题与展望
4.1 存在问题
经过近30年的探索实践，我国大倾角煤层长壁综采已经形成了相对完整的理论−技术−装备体系，解决了该类煤层开采安全与产效的基本问题。总体技术水平呈“一成熟、三突破 ”，即：大倾角中厚煤层长壁综采技术基本成熟，厚煤层大采高综采、综放开采、薄−极薄煤层综采技术取得了一定突破，但仍存在不少技术瓶颈亟待解决。
1）工作面超高、超重“三机”姿态的即时感知与调整仍未很好实现。装备的大型、重型化是综采工作面的主要特征之一，厚煤层更甚。当煤层倾角较大时，装备自稳性能急剧下降，回采过程中多维度“围岩−装备”交互作用会使得下滑、倾倒更加难以控制，诱发围岩灾变的风险加大。现有“三机”稳定性控制水平受生产技术条件的客观制约多，受技术队伍水平的主观影响大，难以形成普适的、可靠的、可复制的技术推广。因亟待开展大倾角采场井下复杂环境的“三机”装备姿态的即时感知与自主调整的研究与实践工作，以自动化、智能化技术平替人的经验行为与决策，实现大倾角厚煤层大采高综采“支架−围岩”稳定性控制水平的进一步提升。
2）跨尺度、多区域、多目标岩层控制技术尚未系统集成。大倾角煤层长壁开采岩层控制实质上是一个跨越了多个尺度、覆盖了多个区域、涉及了多个目标的控制技术集成问题。尺度上从局部支架围岩控制到多区段多煤层的大范围围岩控制，岩层控制贯穿具体生产环节到总体生产布局的全时空域；区域上从工作面到端头到两巷再到采空区，不同区域有不同的岩层控制重点；目标上从保障安全到提升产效到改善环境再到自动智能，有效的岩层控制是一切采煤方法、工艺、装备创新的基本要求。目前，大倾角长壁采场跨尺度、多区域、多目标岩层控制技术体系已具备基本的雏形，但不同尺度如何衔接、不同区域如何联动、不同目标如何融汇，还存在许多具体的理论技术瓶颈，应用场景相对局限割裂。将目前的大倾角煤层岩层控制技术作一隐喻：“技似西医，能克急症；难入化境，不治未病”。
3）采煤方法沿用近水平缓倾斜煤层，创新空间受限。大倾角煤层长壁综采从采煤系统巷道布置到采煤工艺，基本上沿袭了近水平/缓倾斜煤层，实质上仅在工作面布置方式、设备防倒滑、“三机”协同工序、回采巷道支护断面设计等进行了有限创新。随着煤层倾角的加大，现有采煤方法的适应能力必然受到限制，难以在根本上扭转大倾角煤层“安全−产效”水平偏低的局面。近年来，个别矿井长壁综采工作面的煤层倾角已突破70°，对这种以传统的开采方法和工作面布置方式、现行的装备研发思路与制造水平去不断突破煤层倾角上限的做法我们持谨慎态度。据调研，配备同样的技术装备水平和生产与管理队伍的综采工作面，当煤层倾角从60°增大到63°～70°后，产量从60万t/a急剧降低至20万t/a，且工作面作业环境急剧恶化，安全隐患上升。
4.2 研究展望
4.2.1 加强基础研究，争取原创性突破
加强和深化大倾角采动煤岩体力学行为研究，揭示复杂应力环境中，煤岩体采动力学行为对采场围岩灾变的控制机制，并采用大数据方法进行量化表征，阐明岩体承载结构−采场装备群组系统间的多维动态作用过程与规律，强化支架与围岩多维动态多目标协同控制、飞矸灾害智能防控理论与技术基础。笔者认为具体方向应涵盖：
1）复杂应力场内大倾角采动煤岩体本构关系量化表征。在考虑大倾角煤层成煤过程中的复杂地质构造控制作用的基础上，研究自重（垂向）应力场中采动作用下，层状煤岩体从原位到采动的应力状态、介质状态、相变状态、环境状态等物理力学性质及约束条件的演化，并进行不同尺度的数学−力学量化表征，为该类倾斜沉积层状煤岩体的力学行为描述提供依据。进一步更清晰揭示复杂采动煤岩体力学行为及其对工作面灾变的控制作用。
2）岩体结构−支架群组三维交互作用的矢量表达与工程实施理论。研制大比例、可变角、多维度模拟实验平台，研究大倾角、急倾斜长壁开采过程中非典型采场“支架−围岩”系统多维交互作用，揭示在垂直维度（顶、底板）、走向维度（煤壁、冒落矸石）、倾向维度（相邻支护体）动力学机制，并结合数字孪生技术实现对“支架−围岩”系统的位态与动静载荷的即时感知。在此基础上建立专门适用于大倾角煤层长壁综采的“动态多目标控制模型算法”，为采动尺度条件下的“支架−围岩”系统多目标非稳态控制工程实践提供更为定量的指导。
4.2.2 进行颠覆性技术创新
进行采煤方法、回采工艺、成套装备突破性创新，从矿井开拓部署、生产系统原始创新入手，紧密结合成套装备研发，突破传统认知，提出新的（颠覆性的）采煤方法和回采工艺，探索突破大倾角煤层长壁综采“安全−产效”技术瓶颈，使大倾角煤层综合机械化开采倾角上限在有可靠技术保障的前提下向上延伸（扩展）。笔者团队就此问题亦进行了一些初步的设想与构思。如：临界伪俯斜工作面开采、区域和区段斜向工作面开采、可自动撤装支架柔掩机器人无人化开采等。虽然，目前在技术上、装备上、实践场所上仍存在大量问题与制约，但仍不失为一种有益的科学尝试与探索，具体内容拟另撰文交流分享。此外，还有学者提出了急倾斜煤层原位流态化开采的技术构想[91]。笔者团队亦认为原位流态化开采是一个创新大倾角煤层开采方法的可能途径，在基础理论支撑，关键技术与成套装备研制等方面值得持续关注并深入研究。
总而言之，在开采技术创新方面要注意借助近水平、缓倾斜煤层智能化开采技术装备快速发展和国家政策支持有利形势，借鉴有益的技术经验，在条件较好的矿井进行自动化开采试点，为智能化开采探索技术方案、奠定基础。
5. 结 语
大倾角煤层是世所公认的难采煤层，在世界范围内，我国对该类煤层的开采需求最为迫切，实践最为广泛，技术创新走在世界前列。历经30年发展，实现了由非机械化开采向机械化开采的系统性技术变革。涵盖了岩层控制理论、岩层控制技术、采煤方法工艺改良、成套设备研发等方面，凝聚了广大科研人员、生产一线工作者的智慧、汗水与迎难而上求真力行的意志品格。与此同时，我们必须正视大倾角煤层开采的技术创新难度远高于近水平/缓倾斜煤层，二者的机械化、自动化、智能化水平仍有不小差距，产能产效鸿沟在进一步拉大。这种差距要一朝赶齐，既不科学，也不现实。因此，在战略层面要做好大倾角煤层“安全高效”开采内涵的专门科学界定，不能盲目与赋存条件优越的“好采”煤层对标，做到实事求是。在研究与实践层面要进一步凝练聚焦工程现象背后蕴含的关键科学问题，实现关键技术突破，构架关键技术集成，打破认识局限，开展颠覆性的采煤方法技术创新探索，力争早日实现由机械化向自动化、智能化的技术转型，达成符合客观实际的“安全高效”目标。
致谢：论文中涉及的一应实践素材，源自于全国各地几代煤炭人在大倾角煤层开采领域的艰辛工作。在此，向所有正在或曾经奋战在矿井一线的生产技术人员表示感谢！
论文中涉及的一应理论技术创新，凝聚着全国各相关高校、院所科技工作者的智慧结晶。在此，向所有奋战在科学研究一线的科技工作者表示感谢！
论文中涉及笔者团队开展的一点工作，得到了相关矿山企业的鼎力支持与各级领导的关心关怀，得到了同行学者的宝贵指导与学术思想启迪。在此，一并表示最衷心的感谢！
最后，在论文撰写过程中，笔者团队的博硕士研究生开展了丰富、详实的资料查阅与整理归类，为论文成稿奠定了基础。在此，也对你们的辛苦工作表示感谢，并希望各位同学日后能够学有所成，更好服务祖国煤炭科技进步，实现个人理想抱负！
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图 1 我国各区域有大倾角煤层的矿井产能统计
Figure 1. Mine productivity statistics of coal seams with steeply dipping seam in various regions of China
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图 2 我国各区域矿井大倾角煤层的平均煤厚统计
Figure 2. Statistics of average coal thickness of steeply dipping seam in mines in various regions of China
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图 5 覆岩“壳体”内外岩体结构形态
Figure 5. Structural form of rock mass inside and outside the overburden “shell”
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图 6 非均匀充填特征及关键层跨层迁移转化
Figure 6. Non-uniform filling characteristics and cross-layer migration and transformation of key stratum
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图 7 大倾角采场围岩链式承载结构
Figure 7. Chain bearing structure of surrounding rock in steeply dipping seam
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图 8 大倾角采场“飞矸”灾害风险评价模型
$L=\displaystyle\sum_{ i=1}^{\mathrm{n}} L_i, \quad h=\displaystyle\sum_{ i=1}^{\mathrm{n}} h_i $；E0—飞矸初始动能，kJ；m—质量，kg；g—重力常数，N·kg；α—倾角，(°)；h—弹起下落高度，m；hi—第i次碰撞后弹起下落高度，m；μ—摩擦因数，无量纲；Li为第i次碰撞底板后滑移距离，m；n—碰撞底板次数；E*—第i次碰撞底板时飞矸耗损的冲击能，kJ；Edj，Eej，Erj和Ecj分别为第j次碰撞设备时飞矸冲击能耗损为耗散能、声，光， 电能、辐射能及设备变形能等的数值，kJ；E—第k次碰撞设备后冲击能，kJ；ξ—飞矸能量恢复系数；K—接触区刚度；C—黏性阻尼系数；t0—接触时间, 一般取10−2~10−4 s；ΔE—碰撞过程飞矸耗散能量；$\bar{E} $—飞矸能量；${{\bar{E}}_{\text{COR,BE}}} $—能量恢复系数；Ed—设备破坏临界值；Ⅰ～Ⅴ—飞矸损害风险等级
Figure 8. Risk assessment model of “flying gangue” disaster in steeply dipping stope
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图 9 大比例可变角加载三维物理模拟试验平台
Figure 9. Large-scale variable-angle loading three-dimensional physical simulation experimental platform
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图 12 “直线段−降坡段−楔形段”布置方式
Figure 12. Layout of “straight line segment-descending slope segment-wedge segment”
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图 13 “直线段−圆弧段−水平段”布置方式
Figure 13. Layout of “straight line segment-arc segment-horizontal segment”
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图 14 “飞矸”灾害防治技术体系
Figure 14. “flying gangue” disaster prevention and control technology system
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图 15 异形巷道多介质耦合支护技术
Figure 15. Multi-medium coupling support technology for special-shaped roadway
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图 16 大倾角煤层长壁综采液压支架发展
Figure 16. Development course of hydraulic support for longwall fully−mechanized mining in steeply dipping seam
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图 17 大倾角长壁工作面端头及超前支护系统
Figure 17. End support and advanced support system in longwall face with steeply dipping seam
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图 18 大倾角长壁综采采煤机和输送机
Figure 18. Fully−mechanized longwall shearer and conveyor with steeply dipping seam
表 1 我国各省大倾角煤层矿井分布
Table 1 Distribution of steeply dipping seam mines in China
区域 省份
（自治区、
直辖市）域内煤炭
资源储
量/亿t涉及
矿井
数/对矿井主要分布地区 西南 四川 26.66 24 广元、广安、攀枝花、达州、宜宾、成都 贵州 91.35 15 六盘水、毕节、遵义 云南 44.54 3 昭通、红河、曲靖 重庆 1.87 9 合川、綦江、北碚 西北 新疆 190.14 43 乌鲁木齐、昌吉、阿克苏、吐鲁番、喀什、伊犁、哈密 甘肃 15.31 16 兰州、武威、平凉、
白银、张掖宁夏 35.01 8 银川、吴忠、固原、石嘴山 青海 2.26 7 海北、海西 陕西 293.90 3 宝鸡、咸阳 华北 北京 0.97 5 房山、门头沟 内蒙古 194.47 13 鄂尔多斯、呼伦贝尔、
赤峰、锡林郭勒山西 507.25 45 沂州、临汾、霍州、长治、太原、晋中、晋城、阳泉、大同、运城、吕梁、朔州 河北 26.05 15 邯郸、唐山、邢台、张家口 东北 黑龙江 25.81 26 鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河 辽宁 12.57 8 沈阳、葫芦岛、辽源、辽阳、朝阳、抚顺、阜新 吉林 7.03 5 白山、通化、桦甸 华东 山东 41.32 17 济宁、泰安、枣庄、临沂 江苏 3.74 10 徐州 安徽 58.27 29 淮南、淮北、宿州 福建 2.50 10 龙岩、三明 华中 江西 2.10 6 景德镇、萍乡、新余、宜春 湖南 4.86 17 郴州、娄底、衡阳 湖北 0.10 1 荆门 河南 33.65 29 郑州、平顶山、洛阳、商丘、许昌、鹤壁 华南 广西 0.88 5 来宾、河池 合计 1622.88 369 
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表 2 各区域大倾角煤层主要赋存特点与煤质统计
Table 2 Main occurrence characteristics and coal quality statistics of steeply dipping seam in various regions
地区 省/市 含煤区 主要聚煤期 主要构造带 主要煤质 西南 四川 四川含煤区 晚二叠世 川滇径向构造带、四川盆地坳陷 焦煤、肥煤 贵州 滇黔含煤区 晚二叠世 黔西构造带（褶皱、断裂） 气煤、焦煤 云南 滇黔含煤区 晚二叠世 扬子地台、川滇径向构造带、南岭褶皱带 褐煤 重庆 四川含煤区 晚二叠世 川黔经向构造带（褶皱、断裂） 焦煤、肥煤 西北 新疆 天山含煤区
祁连含煤区早−中侏罗世 天山−阴山纬向构造带 长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤 甘肃 祁连含煤区 早−中侏罗世 祁连褶皱带、贺兰山径向构造带 弱黏煤、不黏煤 宁夏 祁连含煤区 石炭二叠纪
早−中侏罗世西秦岭褶皱带、贺兰山径向构造带 气煤、不黏煤 青海 祁连含煤区 石炭二叠纪
早−中侏罗世祁连褶皱带 焦煤、无烟煤和褐煤 陕西 鄂尔多斯含煤区 石炭二叠纪 西秦岭褶皱带、贺兰山径向构造带 长焰、不黏煤 华北 北京 燕山南麓含煤区 石炭二叠纪 太行山褶皱带 无烟煤 内蒙古 鄂尔多斯含煤区 石炭二叠纪
晚侏罗世天山−阴山纬向构造带
贺兰山径向构造带褐煤、长焰煤 山西 山西含煤区 石炭二叠纪 山西径向构造带（褶皱、断裂、隆起） 气煤、无烟煤、瘦煤 河北 河北平原含煤区 石炭二叠纪 太行山褶皱带 肥煤、无烟煤 东北 黑龙江 三江−穆棱河含煤区 石炭二叠纪、晚侏罗世 大兴安岭隆起带 气煤、焦煤 辽宁 赤峰−铁岭含煤区
蛟河−辽源含煤区晚侏罗世 松辽盆地沉降带、太行山褶皱带 长焰煤、气煤 吉林 蛟河−辽源含煤区 晚侏罗世 松辽盆地沉降带 气煤、焦煤 华东 山东 鲁西含煤区 石炭二叠纪 大别山构造带（隆升） 气煤、肥煤、焦煤 江苏 苏北含煤区 石炭二叠纪 大别山构造带（隆升） 气煤、肥煤 安徽 扬子含煤区
两淮含煤区晚二叠世
石炭二叠纪大别山构造带（隆升） 气煤、无烟煤 福建 华南含煤区 晚二叠世 南岭构造带 无烟煤 华中 江西 华南含煤区 晚二叠世 南岭褶皱带 无烟煤、肥煤 湖南 华南含煤区 晚二叠世 湘桂经向构造带（褶皱、断裂）、南岭构造带 无烟煤 湖北 扬子含煤区 晚二叠世 大别山构造带（隆升） 无烟煤 河南 太行山东麓含煤区、
豫西含煤区石炭二叠纪 昆仑−秦岭纬向构造带、大别山构造带（隆升） 焦煤、气煤、肥煤 华南 广西 华南含煤区 晚二叠世 湘桂经向构造带（褶皱、断裂）
右江构造带（褶皱、断裂）褐煤
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表 3 大倾角、急倾斜煤层非机械化采煤方法
Table 3 Mechanical parameters of collision model
序号 采煤方法 年代 推进方向 落煤工艺 1 台阶式采煤法 50年代 走向 风镐炮采 2 仓储采煤法 50年代 走向、倾向 炮采 3 俯伪斜分段密集支柱采煤法 50年代 走向 机采炮采 4 斜台阶式采煤法 50年代 走向 风镐炮采 5 柔性掩护支架采煤法 60年代 走向 机采炮采 6 水平分层采煤法 60—70年代 走向 机采炮采
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