0 引 言
急倾斜煤层指倾角大于45°的煤层，在中国新疆、内蒙古、山西、陕西等多个矿区均有分布，急倾斜煤层约占中国煤炭总储量的25%，而产量却不足10%[1-3]。因为煤层角度大，很难布置高产高效推进的工作面[4-6]。国内外很多学者较早便开展了急倾斜煤层采煤方法、回采工艺、开采设备、岩层控制等方面的研究。早在20世纪70年代，苏联便研制了应用于急倾斜煤层的综采支架和采煤机，并对开采工艺进行了较系统的研究[7]。20世纪80年代，乌克兰顿涅茨煤矿机械设计院设计了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[8]。英国学者Brown和Wilson通过研究得出了急倾斜工作面确保顶底板不出现滑移的合理支架工作阻力，指导了液压支架选型[9]。法国学者通过实测，揭示急倾斜放顶煤工作面顶煤的运移与煤壁的水平断裂有关，认识到放顶煤面是一动态应力分布场[8]。俄罗斯联邦的Kulakov系统研究并完善了急倾斜煤层工作面矿压显现的一般规律[8,10]。俄、英、法等国由于其急倾斜煤层的赋存条件好、构造相对简单，煤矿机械化程度高、煤炭采出率高、人工工效高、经济效益好，其采煤方法种类比我国少。
我国急倾斜煤层开采技术到目前大致经历了如下5个发展阶段[10]：①20世纪50年代—60年代初，主要推行倒台阶工作面、水平分层、巷道长壁和俯斜推进的掩护支架等采煤方法改革；②20世纪60年代—70年代中期，主要表现为掩护支架结构的研究与巷道布置的改革，如成功应用了“八”字形掩护支架；③20世纪70年代后期—80年代末，进行了滚筒采煤机、冲击式刨煤机、地沟机等有关采煤工艺的试验；④20世纪80年代末—21世纪初，采煤方法得到了进一步改进，工作面长度加大、单产和机械化水平提高以及安全生产条件得到提高和改善；⑤21世纪初至今，淮南矿区急倾斜煤层应用了伪俯斜柔性掩护支架架后侧向放煤采煤法，最大开采角度逐年增大，产量不断提高。尤其在近5年，在急倾斜开采装备、基础理论、管理措施方面取得了突破性进展，建成了超过60°倾角的急倾斜厚煤层综放开采工作面，工作面年产量达到百万吨级。川煤绿水洞煤矿，研制的菱形液压支架改变了支架与围岩关系，液压支架工况得到很大改善；布置的俯伪斜走向长壁综采工作面，解决了工作面飞矸伤人问题，同时提高了煤壁和顶板的稳定性，提升了设备稳定性，工作面最大开采角度超过了70°。甘肃靖远宝积山煤矿急倾斜煤层，开展了走向长壁综采放顶煤技术科技公关，实现了主采煤层平均倾角53°，高瓦斯、特厚煤层条件安全高效开采。山西大远煤业在三软条件下急倾斜厚煤层实施了走向长壁综放开采，研制了急倾斜综放开采专用装备，创新了高效回采工艺与设备防倒防滑等成套技术，建成了倾角60
三软厚煤层年产80万t高效综放工作面。
综上所述，我国现有的急倾斜煤层采煤方法、回采装备等均较为成熟。厚度大于20 m厚急倾斜煤层，可以进行水平分段综放开采，目前水平分段高度已经超过20 m[13-15]；厚度大于5 m且小于20 m的急倾斜厚煤层，可以布置走向工作面进行放顶煤回采，目前最大开采角已经超过60°[16-18]；厚度小于3 m的急倾斜煤层，可以布置走向综采工作面[19]，配合菱形液压支架，回采煤层角度已经超过70°；厚度3～5 m的急倾斜煤层，由于厚度较小，既不能布置水平或倾斜分层工作面、也不能布置水平分段综放工作面，也不能布置走向长壁综采工作面，因此，通常布置伪俯斜柔性掩护支架采煤方法，但是存在劳动强度大、回采效率低、安全性差等问题，难以实现高效回采，是世界性的技术难题。
基于以上问题，以弘利煤矿A6急倾斜煤层为工程背景，研制急倾斜煤层机械化回采专业设备—XC90型铣采机，配合柔性掩护支架，提出了走向长壁伪俯斜柔性掩护支架后退式铣采机械化采煤法。该铣采机械采煤法大幅提高了厚度在5 m以下的急倾斜煤层工作面的机械化程度，真正意义上实现了该类型煤层条件下落煤方式的机械化，为全国类似煤层安全、高效、机械化开采积累了宝贵经验。
1 工程概况与巷道布置
1.1 工程概况
弘利煤矿隶属于拜城县峰峰煤焦化有限公司，井田位于新疆阿克苏地区拜城县东部梅斯布拉克矿区，煤矿井田呈东西长2.558 km，南北宽约0.240 km，面积0.614 km2，开采深度为标高+2 164 m～+1 700 m。A6急倾斜煤层厚度1.74～6.81 m，平均厚度为4.01 m，自东向西逐渐变厚，平均倾角78°～83°，煤层煤体单轴抗压强度7.8 MPa，软化系数为0.64，沿走向无褶曲现象，无较大断层，回采区内地质构造形态比较简单，结构稳定，且无明显冲击地压，煤层地质柱状如图1所示。
图1 煤层柱状
Fig.1 Histogram of coal seam
1.2 回采巷道布置
弘利煤矿A6煤层所采用的伪俯斜走向长壁柔性掩护支架后退式铣采采煤法，在国内外尚属首次出现，其在回采设备、支护形式、回采工艺等方面都有别于现有采煤方法，因此现有采煤方法的巷道布置也不再适用，需要对工作面的巷道布置进行重新设计，以更好地适应铣采采煤法的特点。如图2所示，铣采工作面主要巷道包括回风巷、开切眼、溜煤眼和运输巷等。
在巷道掘进过程中，首先完成长度240 m的A6煤层1915水平运输巷的掘进，再沿煤层以22°～30°开掘伪俯斜上山巷道，以固定角度开掘120 m之后与长度231 m水平标高+1 960 m的A6煤层1960水平回风巷道相交汇，使通风运输系统初步成型。在回采过程中，超前布置溜煤眼，溜煤眼规格为1.2 m×1.2 m裱褙木板支护，长度(或高度)由所留设护巷煤柱高度决定，一般为4～8 m；相邻溜煤眼中心距4～6 m；工作面下端部保留3个溜煤眼，1个溜煤眼用于溜煤，1个用于运料、拆回架以及通风，1个用于行人。
1—1960水平回风巷；2—1915水平运输巷；3—煤层；
4—柔性掩护支架；5—工作面；6—溜煤眼；7—行人眼；
8—通风眼；9—下端头联络平台；10—回风巷超前支护；
11—运输巷超前支护；12—搪瓷溜槽；13—铣采机
图2 工作面布置平剖面
Fig.2 Plane and cross-section of working face
2 铣采机特点与工作原理
2.1 铣采机主要特点
为了实现机械化落煤，弘利煤矿采用新型急倾斜煤层机械化开采铣采机(XC90)进行该煤层的开采作业。XC90型铣采机适用于A6煤层这种煤质普氏系数小于4，煤层厚度在4～6 m的煤层。其机身紧凑且重心较低、配合22 kW双速绞车后满足工作面最大倾角30°的爬坡能力，能够满足A6煤层22°～30°的作业倾角范围，若遇特殊情况可对绞车功率进行适当调整，无需更换采掘设备即可满足矿井安全生产要求。其设备强度较好、卧底深、截割断面范围较广并能自行清理履带前侧浮煤，大幅降低了人工清煤给井下施工带来的负担，装备有液压镐备用接口，同时也方便了工人处理井下各种边角煤岩问题。XC90铣采机操作方便简单，可选择远程遥控操作亦可手动人工操作，自备外喷雾降尘系统可大幅优化工作面的作业环境。
2.2 铣采机主要结构与工作原理
如图3所示，XC90铣采机由截割部、推运部、架体部(含行走)、后支承、液压系统、水系统、电气系统等部件组成。
图3 XC90铣采机整机结构示意
Fig.3 Schematic diagram of XC90 rotary drum cutter
2.2.1 截割部
XC90的截割部由大臂、截割回转部、液压马达、截割减速器、左右截割滚筒、护板、喷雾系统等几大部分组成，如图4所示。
图4 XC90铣采机截割部
Fig.4 Cutting unit of XC90 rotary drum cutter
其中护板和喷雾系统为辅助装置不做详细介绍。截割部大臂通过一个可伸缩液压缸与回转台联动，通过工作台控制液压缸和回转台转动以实现大臂的伸缩和摆动以及大角度回转。大臂外端通过销轴与截割回转部联接，截割回转部通过高强度螺栓与截割减速器联接，截割回转部可通过液压缸和销轴实现90°以内的回转，截割减速器将液压马达输出的动力4级减速后传递至左、右截割滚筒来破碎煤岩。
2.2.2 推运部
推运部主要组成部分为推斗和推斗油缸，推斗油缸可控制推斗的升降作业，正常铣煤作业时，推斗通过铣煤机行进时提供的动力及时推运铣煤机剥落的煤岩，配合预先铺设的搪瓷溜槽以达到最佳的运煤效果。XC90铣采机的推运部，如图5所示。
图5 XC90铣采机推运部
Fig.5 Pushing unit of XC90 rotary drum cutter
2.2.3 架体部
XC90铣采机的架体部主要由回转台、油箱架体、行走张紧机构、行走驱动机构、履带板等部分组成，如图6所示。其中回转台承担与截割部相配合，为截割部提供大臂的回转动力，与截割滚筒联动以达到最大截割范围的作用。油箱架体为整个液压系统提供辅助作用。行走驱动机构、履带板和张紧机构三大组成部分相互作用为铣采机在较大倾角下工作行走提供了动力支持。
图6 XC90铣采机的架体部
Fig.6 Frame unit of XC90 rotary drum cutter
2.2.4 液压系统与水系统
XC90铣采机的液压系统是整个铣采机动力系统中比较重要的一部分，其详细功能可细分为：恒功率、压力切断、负载敏感控制、系统压力保护功能、机器行走、制动、履带张紧、驱动截割头转动、大臂升降、大臂左右摆动、小臂伸缩、推斗升降、铣头回转、支承器升降等功能。采用420 L封闭式油箱，回油过滤精度较高，可有效避免油液污染，稳定提供动力。一部XC90铣采机总共配备10个油缸，分别供应大臂回转、升降，小臂伸缩，支承油缸，履带张紧以及平衡阀等各部分使用。水系统主要承担冷却和降尘的作用，其主要由泵站、冷却器、阀、过滤器、安全阀、喷雾组件等组成。外来水源通过减压阀减压后便可以供冷却设备和降尘设备使用。
3 柔性掩护支架结构及布置
针对A6煤层倾角81°左右，以及工作面俯斜倾角25°～30°的实际情况，为支承高14～6 m的工作面，选用ZRY36/45L型柔性掩护支架(柔掩支架)密排支护，支柱中心距1.15 m，对端头顶板以及工作面顶板进行支护。
3.1 柔性支架结构
ZRY36/45L型柔性掩护支架的组成分别为：导向梁、顶梁、掩护梁和尾梁，如图7所示。其中导向梁与顶梁相连接且有1个可左右活动的柱顶座以便布设立柱起一定支撑作用，其长度为1 000 mm，与其相连的顶梁长为1 940 mm也有1个柱顶座供球型柱头供立柱使用，起辅助支承作用。掩护梁(950 mm)与尾梁(1 200 mm)相连，之间安设1根液压千斤顶，以调整尾梁角度来放煤，亦可用于调整支架弦长，适应煤厚的不同变化，调整支架的状态。
图7 ZRY36/45L型柔性掩护支架示意
Fig.7 Schematic diagram of ZRY36/45L flexible shield
3.2 支架布置
沿伪斜22°～30°工作面密集布置支架，如图8所示，每1.15 m布设1个柔性掩护支架对工作面进行支承，工作面支架沿顶底板法线安装，工作面上端头回风巷布设50 m以上的掩护支架与超前支护相配合，下端头溜煤眼处布置12～15 m掩护支架。
图8 支架布置示意
Fig.8 Schematic diagram of layout of shield
利用ZRY36/45L型柔性掩护支架的导向梁支撑工作面顶板，以导向梁和顶梁上的2个支柱进行辅助支撑，尾梁对底板端进行支撑，如图9所示。柔性掩护支架导向梁前端至尾梁末端方向与工作面顶底板法线方向近似相同，另外在柔性掩护支架下方用DZ28-280/100型单体液压支柱呈“八”字形打在顶底板侧进行支撑，在提供足够支护强度的情况下，保证铣采机顺利通过。
图9 支架支设状态示意
Fig.9 Schematic diagram of layout of flexible shield
4 回采工艺及现场工业性试验
A6煤层采用走向长壁伪俯斜柔性掩护支架后退式铣采采煤法，工作面平均煤厚为6.4 m，其中割煤厚度为4.5 m，放煤厚度为1.9 m，采放比为1:0.422，放煤步距为一个循环一放，见矸即停，采用风镐或液压镐进行人工放煤。
首先对顶板、煤壁、支架、机电设备等安全状况进行检查，在确认工作面安全之后，进行两巷超前支护工作，超前支护距离不少于20 m，之后铣采机沿工作面下行至溜煤眼处，如图10a所示。铣采机沿工作面上行采出650 mm(宽)×800 mm(深)的地凹，在地凹中铺设600 mm宽的搪瓷溜槽，直至工作面上端头，如图10b所示。在铺设好搪瓷溜槽的同时，铣采机运行至工作面上端头，如图10c所示，此时铣采机下行沿工作面方向割煤，每7 m长度作为1段，用铣采机切割头切割搪瓷溜槽两帮的煤，用铲煤板装煤，直至工作面下端头，如图10d所示。进而形成了“上行开槽，下行铣煤”的工艺特点。此外对于工作面铣采机无法转运的边角，通过人工利用液压镐或风镐进行清理，在铣煤机割煤的同时，通过摆动支架尾梁进行放煤作业。
图10 铣采采煤示意
Fig.10 Schematic diagram of rotary drum mining
工作面按220°～300°伪斜布置。推采时，提前在工作面下端运输巷预掘3个眼，分别负责溜煤、运料和拆回架以及用于行人。工作面边回采边落架，直至铣采机运行至溜煤眼处，1个采煤循环结束，循环进尺为0.8 m，采用自然垮落法管理顶底板及采空区，工作面下端拆除的支架及时补充至工作面上端头，并且伸入回风巷从过渡段弧顶起不少于8 m。1个循环结束后拆除搪瓷溜槽，5节搪瓷溜槽分为1组，堆放并固定在支架尾梁处，以便下一循环铺设使用。剥落的煤经地凹内的搪瓷溜槽，在自重作用下自行下滑至溜煤眼，流放至停在工作面运输巷的矿车内，之后运至混合提升斜井，用混合提升绞车运至地面。形成了集“铣”、“放”、“运”、“支”、“控”为一体的急倾斜煤层机械化回采工艺。
走向长壁伪俯斜柔性掩护支架后退式铣采采煤法已在弘利煤矿A6急倾斜煤层成功应用，回采过程中铣采机运行稳定，掩护支架工作状态良好，铣采工艺接替紧凑，机械化程度高，劳动强度低，工作面推进顺利。每日2班完成1个工作循环，日产煤炭150 t，煤炭采出率83%，实现了机械化开采，创造了良好的经济效益和社会效益。
5 结 论
1)对于煤层厚度介于3～5 m的急倾斜煤层，由于煤层倾角大难以布置走向长壁综采工作面，又因煤层厚度较小不能布置水平或倾斜分层工作面，也不能布置水平分段综放工作面，因此对于该类煤层的开采目前还是一个技术禁区，按照现有的技术手段很难形成高产高效的机械化开采，但此类急倾斜煤层在我国西部地区占着很大的比例，采用走向长壁伪俯斜柔性掩护支架后退式铣采采煤法可有效解决此类问题。
2)选用铣采机作为开槽、采煤设备，伪俯斜布置工作面，将工作面倾角控制在22°～30°，双绞车为铣采机提供动力，保证铣采机在工作面正常运行，不致下滑。铣采机自行推煤，配合搪瓷溜槽自行溜煤。利用柔性掩护支架对工作面进行密排支护，并用导向梁和顶梁上的2个呈“八”字形布置的单体支柱在提供足够支护强度的情况下，保证铣采机顺利通过。
3)走向长壁伪俯斜柔性掩护支架后退式铣采采煤法是集“铣”、“放”、“运”、“支”、“控”为一体的急倾斜煤层机械化回采方法，在现场工业性试验中，工作面推进顺利，铣采机配合柔性掩护支架，工艺接替紧凑，运转协调，机械化程度高，大幅改善了工作面的工作环境，减轻了工人的作业强度，真正意义上克服了煤层倾角大、厚度较小而无法实现机械化开采的技术瓶颈，为新疆及全国类似煤层的安全、高效、机械化开采积累了宝贵经验。
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