王家臣，楊勝利，劉淑琴，劉金昌，張錦旺

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.放頂煤開采煤炭行業(yè)工程研究中心，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

急傾斜煤層是開采難度最大的煤層，盡管其儲量只占全國煤炭儲量的5%左右，但是急傾斜煤層的煤種通常都是焦煤等稀缺煤種[1-2]，因此研究急傾斜煤層安全高效綠色開采具有重要意義。傳統(tǒng)的急傾斜煤層開采方法比較落后，機(jī)械化程度低、安全性差。常用的方法有倒臺階法、偽傾斜柔性金屬掩護(hù)支架采煤法、水平分層采煤法和倉儲采煤法等[3]。倒臺階采煤法實(shí)質(zhì)上是在急傾斜煤層中布置一個(gè)走向長壁工作面，而將本應(yīng)保持直線的工作面分成多段小工作面，且下部小工作面超前上部小工作面，整個(gè)工作面行成折線形的倒臺階狀。該方法主要用于薄煤層開采，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，效率低、安全性差，目前幾乎不再使用。偽傾斜柔性金屬掩護(hù)支架采煤法適用于煤層厚度1.8～4.0 m的傾角較大的急傾斜煤層。這種方法一般將急傾斜煤層在豎直方向上分為15～40 m斜長的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段沿煤層走向分別布置區(qū)段回風(fēng)平巷(上部)和區(qū)段運(yùn)輸平巷(下部)，通常在區(qū)段運(yùn)輸平巷上方3～5 m掘進(jìn)超前運(yùn)輸巷，在超前運(yùn)輸巷與區(qū)段回風(fēng)平巷之間偽傾斜布置工作面。雖然這種方法的安全性較好，但是勞動強(qiáng)度大、作業(yè)條件差，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，目前仍有極少數(shù)礦井在使用。水平分層采煤法主要用于煤層厚度較大的急傾斜煤層，將急傾斜厚煤層自上而下劃分若干個(gè)高2～3 m的水平(傾斜)分層，自上而下逐層開采。目前該方法不再使用，已經(jīng)被水平分段(層)放頂煤開采方法所取代。倉儲采煤法是在區(qū)段范圍內(nèi)沿走向以一定寬度劃分若干個(gè)倉房，每個(gè)倉房內(nèi)有一個(gè)沿走向布置的仰斜推進(jìn)工作面，采落的煤暫時(shí)儲存在工作面下面的采空區(qū)內(nèi)，臨時(shí)支撐頂?shù)装?，待這個(gè)倉房采完后再把儲存的煤全部放出，這一方法通常用于煤層厚度小于3 m的急傾斜煤層，目前這一方法已經(jīng)不再使用。

除了水平分層采煤方法外，其他方法的共同缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、效率低、安全性差、作業(yè)條件不好、勞動強(qiáng)度大，因此研發(fā)新的急傾斜煤層安全、高效、綠色開采方法十分迫切。根據(jù)煤層厚度和傾角不同，目前開采急傾斜厚煤層常用3種技術(shù)是水平分段綜放開采、走向長壁綜采和走向長壁綜放開采。

1 水平分段綜放開采技術(shù)

水平分段綜放開采是指將急傾斜厚煤層自上而下分為若干個(gè)水平采煤分段(圖1)，在每個(gè)分段內(nèi)進(jìn)行綜放開采。工作面兩巷布置在分段下部靠近頂?shù)装宓拿簩觾?nèi)。分段高度H一般為20～40 m，工作面機(jī)采高度h一般為2.5～4.0 m。這一開采方法通常適用于煤層厚度B大于20～25 m、傾角大于50°的條件[4]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是工作面可以水平布置，作業(yè)條件好，工作面產(chǎn)量較大。缺點(diǎn)是工作面短，長度通常是煤層的水平厚度L。當(dāng)煤體堅(jiān)硬、裂隙不發(fā)育時(shí)，由于工作面短，頂煤厚度大，且頂板或上階段冒落矸石壓力小，頂煤的冒放性較差，會有成拱現(xiàn)象，工作面兩端的頂煤放出率較低，由此導(dǎo)致工作面的整體采出率較低。

圖1 水平分段放頂煤開采技術(shù)示意

我國在20世紀(jì)80年代中期就開始了水平分段放頂煤試驗(yàn)與應(yīng)用[5]，如甘肅窯街礦務(wù)局、吉林遼源礦區(qū)局、新疆烏魯木齊礦務(wù)局、內(nèi)蒙古平莊礦務(wù)局、包頭礦務(wù)局、開灤礦務(wù)局等都進(jìn)行了水平分段綜采放頂煤的研究與應(yīng)用，取得了成功。目前應(yīng)用較好的是國能集團(tuán)新疆公司的烏東礦。烏東礦開采的煤層平均厚度48.8 m，煤層傾角88°，煤層普氏系數(shù)2.5。水平分段高度22 m，其中割煤高度3.5 m，為了提高頂煤冒放性，在頂煤中采用了超前注水弱化頂煤技術(shù)[6]，工作面年產(chǎn)可以達(dá)到300萬t以上。為了進(jìn)一步提高頂煤采出率和開采效率，水平分段放頂煤開采還需要進(jìn)一步研究如下4個(gè)問題。

1.1 采放工藝

由于水平分段放頂煤開采的工作面長度小、頂煤厚，采放工藝及參數(shù)對其頂煤采出率的影響要比對走向長壁放頂煤開采的影響更大，因此通過合理的采放工藝來提高頂煤采出率就更加重要。以內(nèi)蒙古阿刀亥煤礦急傾斜煤層水平分段工作面煤層為例，該煤層厚度23～39 m，平均厚度25 m；煤層傾角76°～84°，平均80°?；谠摴こ瘫尘斑M(jìn)行不同放煤順序時(shí)殘余頂煤數(shù)量的數(shù)值和物理模擬試驗(yàn)的結(jié)果如圖2所示，可以看出自底板向頂板順序放煤，采空區(qū)殘留的頂煤更少，頂煤采出率可達(dá)92.85%，而自頂板向底板順序放煤的頂煤采出率為87.31%(物理模擬)[7]，因此對于水平分段放頂煤采用自底板向頂板的放煤順序是科學(xué)合理的。

圖2 不同放煤順序的殘余頂煤對比[7]

放煤輪數(shù)也是采放工藝中的重要參數(shù)。圖3為單輪放煤與多輪放煤的采空區(qū)殘煤情況對比，多輪放煤的頂煤采出率會高于單輪放煤，如圖4所示。

圖3 單輪與多輪放煤的采空區(qū)殘煤對比

圖4 不同段高和放煤輪次對工作面中部頂煤采出率的影響

此外，由于水平分段放頂煤開采頂煤厚度一般比較大，放煤步距的合理選取對頂煤采出率有較大影響，圖5是分段高度在20～40 m，不同放煤步距時(shí)頂煤采出率與分段高度的關(guān)系曲線，模擬的基本條件是采高3 m，采煤機(jī)截深0.8 m?？梢钥闯霎?dāng)采用小步距(1刀1放)時(shí)，頂煤采出率最大值對應(yīng)的分段高度為25 m；當(dāng)采用大步距(3刀1放)時(shí)，頂煤采出率最大值對應(yīng)的分段高度為35 m；采用中等步距(2刀1放)時(shí)，頂煤采出率隨著分段高度的增大基本呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(分段高度在20～40 m)。

圖5 不同放煤步距時(shí)頂煤采出率與分段高度的關(guān)系曲線

1.2 分段高度

工作面常見的參數(shù)有分段高度H、機(jī)采高度h和工作面長度L。機(jī)采高度h一般以工作面作業(yè)條件舒適和投資經(jīng)濟(jì)為主要考慮因素，條件允許時(shí)盡可能增大工作面機(jī)采高度。工作面長度一般是煤層的水平厚度，個(gè)別工作面可適當(dāng)抬高工作面底板巷道作為回風(fēng)巷，有利于瓦斯排放，工作面的長度會有所增加，但總體來講，機(jī)采高度和工作面長度的調(diào)整余地不大，可調(diào)整的參數(shù)主要為分段高度H。煤礦安全規(guī)程規(guī)定急傾斜厚煤層水平分段放頂煤的采放比不能大于1∶8[8]，這一規(guī)定又限制了分段高度，即分段高度H≤9h。

分段高度過大會影響頂煤的冒放性和采出率，分段高度過小會影響開采效益和增加巷道掘進(jìn)量，事實(shí)上分段高度是急傾斜厚煤層水平分段放頂煤開采的重要參數(shù)。圖6是不同分段高度時(shí)頂煤采出率的數(shù)值模擬結(jié)果[7]，模擬的基本條件是機(jī)采高度為2.2 m，采用單輪放煤方式?？梢钥闯?，當(dāng)分段高度為16 m時(shí)，頂煤的采出率較高，過大和過小的分段高度頂煤采出率都會有所降低，尤其是當(dāng)分段高度過大時(shí)，頂煤采出率下降較快。

圖6 不同分段高度頂煤采出率模擬結(jié)果(單輪放煤)[7]

采用不同的放煤工藝，合理的分段高度也會有所變化。圖7為多輪放煤時(shí)不同分段高度條件下頂煤采出率的數(shù)值模擬結(jié)果，模擬的基本條件是機(jī)采高度為3 m，采用自底板向頂板順序放煤方式?？梢钥闯?，采用多輪放煤時(shí)，合理分段高度會有所增加，可達(dá)27 m，如圖7所示。

圖7 不同分段高度頂煤采出率模擬結(jié)果(多輪放煤)

1.3 頂煤冒放性與端頭放煤

提高放頂煤工作面端頭頂煤采出率一直是一個(gè)難題，盡管一些工作面的過渡支架設(shè)計(jì)有放煤功能，但是真正實(shí)現(xiàn)過渡支架，甚至端頭支架放煤的難度很大。這一方面是由于支架與刮板輸送機(jī)的設(shè)備配套帶來的難題，另一方面也與工作面兩端的頂煤冒放性差、不易放出有關(guān)。由于水平分段放頂煤工作面的長度小，提高其端頭頂煤采出率的意義更大，因此研發(fā)水平分段放頂煤工作面的端頭放煤技術(shù)更為迫切。如圖2和圖3所示，無論單輪還是多輪放煤，遺留在采空區(qū)的殘煤主要是集中在工作面兩端和巷道上方，數(shù)值模擬時(shí)是2個(gè)巷道內(nèi)側(cè)各有一架沒有放煤，實(shí)際的放頂煤工作面由于設(shè)備配套等原因，兩端不放煤的支架要多于2個(gè)。此外，水平分段放頂煤開采方法對煤層厚度的適應(yīng)性較差，當(dāng)煤層厚度發(fā)生變化時(shí)，在工作面端頭處存在加架減架問題。

提高工作面端頭頂煤的冒放性是實(shí)現(xiàn)端頭放煤的前提條件，在工作面巷道或者掘進(jìn)專用巷道對頂煤進(jìn)行水力壓裂是提高端頭頂煤冒放性的有效措施之一，如圖8所示。設(shè)計(jì)專用的工作面過渡支架和端頭支架，并與刮板機(jī)或者轉(zhuǎn)載機(jī)合理配套是真正實(shí)現(xiàn)端頭放煤的保障。

圖8 爆破+注水提高頂煤冒放性

1.4 智能開采

水平分段放頂煤開采的工作面短、推進(jìn)速度快、作業(yè)條件好，易于實(shí)現(xiàn)智能化開采，也有利于提高開采效率。進(jìn)行智能開采時(shí)，割底煤不必進(jìn)行煤巖識別，采煤機(jī)可采用記憶割煤，這可以繞開目前智能開采中采煤機(jī)煤巖識別精度不高、可靠性不夠的難題。但是由于工作面短，采煤機(jī)在工作面兩端需要反復(fù)斜切進(jìn)刀、割三角煤，以及大量放出頂煤，因此在進(jìn)行智能開采時(shí)，主要是研發(fā)端部快速進(jìn)刀智能控制和智能放煤技術(shù)。目前端部智能進(jìn)刀技術(shù)基本可以滿足生產(chǎn)需要，但是在可靠性、精度控制、設(shè)備之間防碰撞、人員接近預(yù)警技術(shù)等方面還有很大提升空間。

由于頂煤厚度大，提高放煤效率和頂煤采出率是重要工藝內(nèi)容。采用自煤層底板向頂板多口多輪放煤，以便保持煤巖分界面均勻下沉，減少頂煤放出體與煤巖分界面的接觸次數(shù)，是提高放煤效率和采出率、降低含矸率的有效放煤工藝[7]。通過自主研發(fā)的第3代頂煤跟蹤儀可以精確地記錄不同層位的頂煤采出率和放出時(shí)間，以此作為確定多輪放煤參數(shù)的依據(jù)[9]，如圖9所示。在放煤即將結(jié)束之前采用圖像識別的智能放煤技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)放煤的精準(zhǔn)智能控制[10]。

圖9 第三代頂煤跟蹤儀

2 走向長壁綜采技術(shù)

對于煤層厚度小于5 m、煤層傾角小于65°的急傾斜煤層，可以采用走向長壁綜采技術(shù)，目前已有一些成功案例，如四川廣能集團(tuán)綠水洞煤礦[11]、李子埡煤礦、黑龍江雙鴨山東保衛(wèi)煤礦等，目前該類煤層開采的主要問題是設(shè)備防倒防滑和工作面產(chǎn)量較低，尚需繼續(xù)研究以下幾個(gè)問題。

2.1 工作面布置

對于煤層傾角較大的急傾斜煤層，采用走向長壁開采時(shí)，首先是設(shè)法減小工作面傾角和避免支架等設(shè)備下滑與傾倒，通過工作面合理布置可以起到重要作用。

2.1.1 偽仰斜布置

工作面運(yùn)輸巷超前工作面回風(fēng)巷一定距離，工作面形成一定的偽斜角度(3°～10°)，支架垂直工作面煤壁排列，與區(qū)段平巷保持一個(gè)偽斜角。推移刮板輸送機(jī)、拉架時(shí)可始終保持向工作面上端的方向運(yùn)動，以此來阻止或者平衡支架和刮板輸送機(jī)的下滑(圖10a)。工作面這種布置方式簡單，可起到一定作用。主要問題是偽斜角度的合理確定需要在實(shí)踐中摸索[12]，支架容易向下擺尾，刮板輸送機(jī)容易上竄或下竄，煤壁易片幫。

圖10 走向長壁綜采工作面布置

2.1.2 偽俯斜布置

如圖10b所示，工作面回風(fēng)巷超前運(yùn)輸巷布置，超前量為工作面真傾斜長度的25%～30%。支架平行于區(qū)段平巷布置。為了避免架前漏冒，支架前梁采用三角形設(shè)計(jì)，確保支架前端與煤壁平行，起到封閉頂板作用。完成一輪割煤后，自下往上順序拉移支架，其中排頭架推移桿保持微小的向上角度(2°～3°)，最后通過電液控制技術(shù)整體推移刮板輸送機(jī)[13]。這一布置有利于防治煤壁片幫和架前漏冒，可避免刮板機(jī)的上下竄，以及支架擺尾，四川廣能集團(tuán)采用這種布置方式。

2.1.3 雙俯斜布置

為了減小工作面角度，可將工作面按照圖11所示進(jìn)行雙向傾斜布置[14]，工作面巷道適當(dāng)傾斜，工作面也布置成偽俯斜，工作面形成了俯采+偽俯斜的布置方式。該布置方式中工作面傾角β、巷道傾角δ與煤層傾角α和工作面?zhèn)涡苯铅氐年P(guān)系為

圖11 雙俯斜布置示意

sinβ=sinαcosω

(1)

sinδ=sinαsinγ

(2)

式中：γ為巷道與煤層走向的夾角；ω為工作面與煤層傾向的夾角(即工作面?zhèn)涡苯?，當(dāng)巷道與工作面保持垂直布置時(shí)，γ=ω。

工作面雙俯斜布置的優(yōu)點(diǎn)是可以減緩工作面傾角，有利于設(shè)備防倒防滑，缺點(diǎn)是要求在采區(qū)布置時(shí)就要考慮工作面的布置，二者要協(xié)調(diào)一致。工作面俯采過程中對采煤機(jī)滑靴、潤滑和推移刮板輸送機(jī)等要有相應(yīng)的技術(shù)措施。

2.2 設(shè)備的防倒防滑與開采工藝

當(dāng)工作面傾角較大時(shí)，支架等設(shè)備的防倒防滑尤其重要，除了設(shè)計(jì)合理的工作阻力，盡可能降低支架重心外，常用的方法是在支架頂梁、底座均安裝有防倒防滑千斤頂，底座設(shè)計(jì)有調(diào)底梁。在工作面下部的端頭支架和過渡支架之間，形成相互連接的組架。支架設(shè)計(jì)中另一個(gè)關(guān)鍵部件就是支架的側(cè)護(hù)板。設(shè)計(jì)具有大阻力、可自動閉鎖的全長寬側(cè)護(hù)板是防止支架倒架、咬架的有效途徑。頂梁要盡可能對頂板全封閉，具有較大的前端支撐力，這有利于支架穩(wěn)定，也可有效防止頂板漏冒與片幫。支架與刮板輸送機(jī)要相互錨固，盡可能減小支架推移千斤頂兩側(cè)間隙，可防止刮板輸送機(jī)下滑。

合理的開采工藝和工作面嚴(yán)格的科學(xué)化管理有利于提高工作面產(chǎn)量和效率，控制工作面采高，保持工作面平直，穩(wěn)固好工作面下端支架，自下向上移架，盡可能整體推移刮板輸送機(jī)。

大傾角工作面防止矸石滾動與沖擊傷人是一項(xiàng)重要工作，常用的方法是在工作面內(nèi)設(shè)置多個(gè)高度隨液壓支架的頂梁高度升降而變化的組合結(jié)構(gòu)擋矸板(簾)[13]。工作面采煤機(jī)運(yùn)行采用遙控技術(shù)，或者自動割煤技術(shù)，盡可能減少工作面作業(yè)人員。

3 走向長壁綜放技術(shù)

當(dāng)煤層厚度介于5～20 m，煤層傾角小于60°時(shí)，可采用走向長壁放頂煤開采。其所遇到的難題除了走向長壁綜采所遇到的難題外，放煤工序還會影響支架的穩(wěn)定性，需要制定更加科學(xué)的采放工藝。巷道布置上可以采用錯層位布置[15]，有利于工作面下部設(shè)備穩(wěn)定。此外也可采用偽俯斜、雙俯斜等方式布置工作面，盡可能減小工作面實(shí)際角度。支架除具有綜采支架的防倒防滑功能以外，還需要考慮放煤時(shí)對支架尾部穩(wěn)定的不利影響，避免支架擺尾問題，以及后部刮板輸送機(jī)的下滑問題。采放工藝實(shí)施上要充分考慮放煤過程中頂煤的大范圍流動和放出對頂板的擾動，對支架等設(shè)備穩(wěn)定的不利影響。

3.1 放煤規(guī)律

對于急傾斜走向長壁綜放開采，研究工作面方向的放煤規(guī)律更加重要?？茖W(xué)合理地利用放煤規(guī)律有利于提高頂煤采出率和支架穩(wěn)定性。工作面自上而下分段，段內(nèi)自下而上放煤是一種有效的放煤方式[16-17]。工作面上段內(nèi)最下一個(gè)支架放煤時(shí)，放出體發(fā)育完全，會放出該分段內(nèi)的大部分頂煤(約占該分段頂煤總量的80%)，段內(nèi)其余支架僅起到補(bǔ)充放煤作用，如圖12所示。下一分段放煤時(shí)要使頂煤放出體邊界與上分段放煤后的煤巖分界面盡可能多地重合(圖13)，有利于提高頂煤采出率。

圖12 第1分段放煤[16]

圖13 第2分段放煤[16]

3.2 采放工藝

采放工藝確定對于急傾斜厚煤層走向長壁放頂煤開采極其重要，合理的采放工藝有利于工作面支架與設(shè)備穩(wěn)定和提高采出率。工作面下部放煤時(shí)，會引起上部支架頂煤向下流動，減小上部支架與頂煤及頂板的作用力，減弱支架的穩(wěn)定性。因此基于急傾斜厚煤層的頂煤運(yùn)動與放出規(guī)律，開發(fā)了急傾斜厚煤層走向長壁綜放開采的“下行動態(tài)分段、段內(nèi)上行放煤”的采放工藝，如圖14所示，即采煤機(jī)自上而下割煤；自上而下將工作面分成5到10架不等的分段，在每個(gè)分段內(nèi)自下而上放煤，自下而上推移支架；自下而上整體推移前刮板輸送機(jī)和拉移后刮板輸送機(jī)，取得了良好的開采效果[16-17]。

圖14 “下行動態(tài)分段、段內(nèi)上行放煤”采放工藝[16]

4 急傾斜煤層的氣化開采

除水平分段放頂煤開采外，其他方法開采急傾斜煤層的作業(yè)條件差，效率低，而適用于水平分段放頂煤開采的急傾斜煤層又極其有限，因此研發(fā)急傾斜煤層的安全高效開采方法勢在必行，其中原位氣化開采是具有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ弧?/p>

4.1 急傾斜煤層氣化開采的可行性

煤炭的原位氣化(或煤炭地下氣化)開采是將地面煤氣化概念應(yīng)用于地下煤層的一種氣化方法，其集建井、開采和轉(zhuǎn)化于一體，利用化學(xué)方法將賦存于地下的煤炭直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)含能組分后輸送到地表[18-20]，是一種基于化學(xué)反應(yīng)的煤炭原位綠色開采方法。具體地講，是將煤與含氧氣化劑進(jìn)行有控制的氧化還原反應(yīng)，將煤轉(zhuǎn)化為一氧化碳、氫氣和甲烷等可燃?xì)怏w。原位氣化開采能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭地下無人開采，從根本上避免礦難事故的發(fā)生。此外，氣化開采后的灰渣留在地下空腔，避免了傳統(tǒng)煤炭開采運(yùn)輸造成的地面粉塵污染，消除了地面矸石堆放帶來的環(huán)境影響。

急傾斜煤層地下氣化，隨著煤的消耗，新鮮煤在自重和干餾煤氣突出壓力的作用下落入氣化區(qū)，形成具有較大孔隙率的滲濾反應(yīng)通道；垮落的煤與氣化劑逆向接觸反應(yīng)，形成類填充床反應(yīng)條件，有利于氣化反應(yīng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性；氣化反應(yīng)后的灰渣落在最底層，只有反應(yīng)區(qū)域的上層有物質(zhì)流動，氣固相分離較為清晰。此外，急傾斜煤層氣化由于氣固反應(yīng)條件良好，可以采用低壓氣化，在顯著降低運(yùn)行成本的同時(shí)，減少了氣體在地層中的逸散。

煤炭地下氣化技術(shù)經(jīng)過一百多年的理論研究和實(shí)踐探索，其技術(shù)可行性已經(jīng)被驗(yàn)證[21-22]。前蘇聯(lián)和美國在上世紀(jì)均進(jìn)行了不同程度的急傾斜煤層氣化開采工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)急傾斜煤層更容易實(shí)現(xiàn)理想的氣化過程[18-19]。國內(nèi)最早的急傾斜煤層氣化試驗(yàn)是于20世紀(jì)80年代初在徐州馬莊礦進(jìn)行的[23]，主要實(shí)施了急傾斜煤層短距離鉆孔的火力貫通試驗(yàn)，氣化煤層平均厚度為1.15 m，傾角65°。之后中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研究團(tuán)隊(duì)于1996—1998年，在河北唐山劉莊礦進(jìn)行了急傾斜煤層礦井式氣化工藝的半工業(yè)性試驗(yàn)，提出了“長通道、大斷面、兩階段”煤炭地下氣化新工藝[24-25]。氣化煤層厚度6 m，傾角68°，在點(diǎn)火初期獲得的煤氣組分及熱值較為理想，主要用作工業(yè)燃?xì)?，但由于氣化過程控制手段缺乏，后期運(yùn)行效果不理想。

21世紀(jì)以來，隨著煤層長距離定向鉆井技術(shù)及可移動注氣裝備的開發(fā)，煤炭原位氣化控制方法顯著提升，工業(yè)化爐型日臻完善，現(xiàn)代煤炭地下氣化開采技術(shù)逐漸形成?，F(xiàn)代煤炭地下開采技術(shù)與傳統(tǒng)地下氣化開采技術(shù)的區(qū)別在于，傳統(tǒng)煤炭地下氣化技術(shù)缺乏控制手段，而現(xiàn)代煤炭地下氣化技術(shù)具有先進(jìn)氣化爐結(jié)構(gòu)及操控裝備[18-19]?，F(xiàn)代煤炭地下開采技術(shù)首先在近水平煤層中進(jìn)行試驗(yàn)與示范，取得了良好的試驗(yàn)效果[26-27]。在此形勢下，急傾斜煤層的現(xiàn)代化規(guī)模氣化開采也急待實(shí)踐。

4.2 急傾斜煤層氣化開采關(guān)鍵技術(shù)

煤層原位氣化的核心是選擇正確的進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)，根據(jù)煤層條件、煤層地質(zhì)條件選擇合理的氣化工作面及推進(jìn)方式，創(chuàng)造有效的氣流運(yùn)動和反應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)最大的能量利用效率。

4.2.1 氣化爐的構(gòu)建

制定并構(gòu)建合理的氣化爐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是煤層氣化的首要任務(wù)。依據(jù)現(xiàn)代煤炭地下氣化技術(shù)路線，本文提出針對急傾斜煤層的兩種氣化爐型。第1種為單氣化面線性開采氣化爐，如圖15所示。第2種為雙氣化面U型地下氣化爐，如圖16所示。

圖15 單氣化面線性開采氣化爐

圖16 雙氣化面U型地下氣化爐

線性開采氣化爐由注氣井和生產(chǎn)井構(gòu)成，注氣井為一條長距離直斜井，生產(chǎn)井由一系列垂直鉆孔構(gòu)成，沿煤層傾斜布置。將注氣井與最低水平的生產(chǎn)井對接并連通。在生產(chǎn)井底部煤層點(diǎn)火，之后注入含氧氣化劑將注氣井兩側(cè)的煤進(jìn)行氣化開采，實(shí)現(xiàn)氣化開采面沿煤層傾斜方向自下而上推進(jìn)開采。所有備用生產(chǎn)井可以同時(shí)用作監(jiān)測井，采用直接測量和間接測量的方法，獲取氣化面的信息。線性開采氣化爐主要沿注氣井方向?qū)γ簩舆M(jìn)行開采，類似傾斜長壁采煤法。開采長度依據(jù)煤層傾斜長度及煤層水文地質(zhì)條件確定，長度可達(dá)500 m及以上。該氣化爐建爐成本低，有望用于近距離煤層群的開采。

雙氣化面U型地下氣化爐，注氣井為兩條長距離直斜井，生產(chǎn)井為一條長距離直斜井。注氣井和生產(chǎn)井在末端對接。將煤層在對接井附近引燃后，通過注氣點(diǎn)后退實(shí)現(xiàn)煤層反向燃燒，通過主動控制煤層的氣化開采層位，將注氣井和產(chǎn)氣井之間的煤炭進(jìn)行氣化開采，氣化開采面沿煤層傾斜自下而上移動。該爐型雙氣化開采面寬度可達(dá)60 m，有望支持規(guī)?；瘹饣_采。

4.2.2 氣化過程的控制與強(qiáng)化

煤層高效氣化的關(guān)鍵是在煤層中建立理想的高溫溫度場條件，并能精確控制氣體的注入與煤氣流的排出，使得含氧氣化劑與煤的表面進(jìn)行足夠時(shí)間的強(qiáng)烈接觸與反應(yīng)。向煤層中注入氣化劑，氣流的運(yùn)動及火焰工作面的移動將引起一系列的復(fù)雜現(xiàn)象，氧化帶、還原帶、干餾干燥帶的長度及其加熱情況也都在時(shí)刻變化著，同時(shí)要受到燃空區(qū)狀態(tài)變化和煤層頂板垮落的影響，使得煤層氣化的技術(shù)管理與控制變得復(fù)雜。

氧氣的精準(zhǔn)注入和合適的注氧量，是控制煤層氣化反應(yīng)溫度和反應(yīng)條件的核心操作參數(shù)。在現(xiàn)代煤炭地下氣化方法中，采用移動控制裝備可以在目標(biāo)煤層內(nèi)實(shí)現(xiàn)氧氣的精準(zhǔn)可控注入，并根據(jù)氣化面的擴(kuò)展動態(tài)調(diào)整注入?yún)?shù)，維持產(chǎn)品氣的品質(zhì)與產(chǎn)量。此外，注入水蒸汽或水，可以控制氣化爐內(nèi)的水煤氣反應(yīng)，提高煤氣中H2和CO的含量。提高氣化壓力，可以增加氣化強(qiáng)度，同時(shí)控制煤層氣化區(qū)的干燥程度，調(diào)節(jié)地下氣化工作面的涌水量，但氣化壓力的調(diào)節(jié)受限于煤層靜水壓的限制。

4.2.3 氣化反應(yīng)空間管理

在U形氣化生產(chǎn)盤區(qū)，隨著氣化過程進(jìn)行，火焰工作面沿煤層傾斜向上推進(jìn)，氣化空間只留下殘余的灰分及熔渣，這時(shí)會有部分氧氣或空氣沿空腔留向排氣鉆孔附近引起煤氣燃燒，在降低煤氣發(fā)熱量的同時(shí)，提高了煤氣出口的溫度。與此同時(shí)，產(chǎn)生的燃空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，煤層頂板在熱作用下發(fā)生移動并冒落，適當(dāng)?shù)拿奥鋾箍迓涞膸r石充填燃空區(qū)，壓實(shí)松散的灰分，促使氧氣與煤體保持接觸。不穩(wěn)定的頂板巖石層冒落(如泥巖)能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)氣化過程并進(jìn)行有效地氣化。而當(dāng)頂板巖層裂隙充分發(fā)育時(shí)，氣化反應(yīng)空間增大，會破壞氣化工作面的密閉性，造成氣體的漏失以及在圍巖中的熱損，大面積的垮落會發(fā)生局部通道堵塞。如果產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，導(dǎo)通鄰近含水層，會造成氣化爐涌水，對氣化爐溫度及煤氣組成造成影響，甚至中斷氣化過程。

控制煤層頂板垮落是煤層氣化開采的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。需要研究高溫氣化條件下煤巖受熱破碎特征，巖層在氣化區(qū)高溫作用下的力學(xué)性質(zhì)變化，建立氣化煤層頂板巖層運(yùn)移模型，獲得煤炭地下氣化過程氣化區(qū)頂板垮落規(guī)律，形成氣化區(qū)頂板管理技術(shù)，保障煤炭地下氣化的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.4 氣化工作面探測技術(shù)

氣化工作面探測可以為工藝控制和氣化爐布置提供決策依據(jù)。三維地震、微地震、井間電阻等物探方法，可以用于氣化工作面的四維綜合探測，形成氣化工作面多維度探測方法。以探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可以對氣化腔進(jìn)行綜合解譯及形態(tài)重構(gòu)，從而為煤層氣化過程的有效管理與調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

4.2.5 地下水污染防治與控制

污染控制與防治是煤炭地下氣化全流程的保障技術(shù)。由于煤的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程在地下進(jìn)行，而該過程不可避免地要產(chǎn)生有機(jī)及無機(jī)污染物，包括苯、酚、多環(huán)芳烴、重金屬等。如果這些污染物通過熱作用下形成的裂隙通道遷移并擴(kuò)散至鄰近含水層，將會對地下水造成污染和破壞。煤炭地下氣化對地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)，一方面取決于污染物從反應(yīng)區(qū)向含水層遷移的通道賦存與發(fā)育程度，如高溫作用下圍巖裂隙發(fā)育的變化和導(dǎo)通性、圍巖的滲透性、氣化盤區(qū)的水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造等，另一方面，則取決于污染物的析出特性、污染物和圍巖的物理化學(xué)反應(yīng)以及污染物在煤層及圍巖裂隙中的遷移擴(kuò)散特性。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研究團(tuán)隊(duì)跟蹤現(xiàn)場試驗(yàn)全流程，在查明污染物的產(chǎn)生與遷移規(guī)律基礎(chǔ)上，針對污染源及污染途徑，初步建立了貫穿于氣化全流程(包括選址、建爐、運(yùn)行、閉爐)的地下水污染防治技術(shù)流程，形成了地下水污染預(yù)測方法。將污染源控制及消除在源頭，保障煤炭地下氣化的環(huán)境友好與可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)急傾斜煤層氣化爐跨越的含水層較多時(shí)，如何保障氣化爐的閉密性，控制污染物的逸散是地下水污染防治與控制的難點(diǎn)。

5 急傾斜煤層水力機(jī)械化采煤法

5.1 水力采煤常用方式

對于不能進(jìn)行水平分段開采的急傾斜煤層，除了原位氣化開采以外，也可以嘗試水力開采。水力采煤是利用水力來完成采煤、運(yùn)輸、提升等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全部或者部分工作的開采技術(shù)，該技術(shù)是19世紀(jì)30年代由前蘇聯(lián)創(chuàng)立的。水力采煤的特點(diǎn)是利用高壓水射流直接破碎煤體，并借助水力介質(zhì)來完成運(yùn)輸、分級、提升等工序的水力機(jī)械化開采工藝。

水力采煤技術(shù)自1956年引入我國并在萍鄉(xiāng)高坑和開灤林西礦首次試驗(yàn)成功以來，先后經(jīng)歷了探索與初步發(fā)展階段(1956—1978年)、正軌化與緩慢發(fā)展階段(1979—2004年)、快速發(fā)展與逐步萎縮階段(2005—2016年)[28]。水力采煤技術(shù)的逐步萎縮主要與我國煤礦機(jī)械制造水平和開采技術(shù)進(jìn)步有很大關(guān)系，但是該技術(shù)在急傾斜煤層、復(fù)雜難采煤層開采中仍然是可以進(jìn)行探索和實(shí)踐的，只是需要在開采的自動化、智能化方面進(jìn)行升級改造，發(fā)揮該方法的技術(shù)優(yōu)勢。

急傾斜煤層水力采煤的核心是巷道布置，形成既滿足水力切割落煤，又可以實(shí)現(xiàn)水力運(yùn)輸和提升，并且能夠確保安全開采的系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國已經(jīng)形成了多種水力采煤巷道布置形式。圖17和圖18分別是急傾斜煤層水力采煤工作面巷道布置的2種方式，其中圖17是邊界上山回風(fēng)巷道布置方式，圖18是3個(gè)工作面呈正臺階布置，共用階段上部回風(fēng)巷的布置方式。新疆蘇杭河煤礦井在煤層傾角平均61°、厚1.5～2.5 m、頂?shù)装遢^穩(wěn)定的煤層中，采用邊界上山回風(fēng)巷道布置形式，實(shí)現(xiàn)單槍年產(chǎn)30～60萬t/a[29]。

圖17 邊界上山回風(fēng)巷道布置示意[29]

圖18 正臺階巷道布置示意[29]

5.2 新式水力采煤方法構(gòu)想

目前，厚度較小的急傾斜煤層仍然可以采用上述方法進(jìn)行回采，然而未來急傾斜煤層水力開采的方向應(yīng)該是機(jī)械化、自動化，甚至智能化，就是通過布置更合理的開采系統(tǒng)，研發(fā)遠(yuǎn)程可控或智能的高壓落煤水槍，然后輔助可移動的支護(hù)裝置、安全設(shè)施、監(jiān)控監(jiān)測手段等，實(shí)現(xiàn)安全高效的開采。

設(shè)計(jì)的一種急傾斜厚煤層水力開采巷道布置如圖19所示，可以適應(yīng)煤層厚度較大，但又不能進(jìn)行水平分段開采的煤層，或者適用于厚度變化較大的煤層。該方法將急傾斜煤層按照不同標(biāo)高傾斜劃分成段，分段底面與水平面夾角15°～18°，每個(gè)分段高度15～20 m，確保高壓水槍設(shè)備范圍內(nèi)可以有效落煤。在每個(gè)分段底板或者煤層中開挖回采巷道，回采巷道內(nèi)布置高壓水槍和巷道移動支護(hù)裝備，采用后退式高壓水槍落煤?；夭善鸱锏罉?biāo)高的高點(diǎn)在兩個(gè)溜煤眼中部，斜巷留設(shè)2個(gè)方向5°～8°的坡度，確保煤泥水流順利流進(jìn)溜煤眼，2個(gè)溜煤眼相距50～80 m。溜煤眼與回采起伏巷道相連，巖石斜巷與煤層底板運(yùn)輸大巷相連。經(jīng)水力破碎煤泥水混合體經(jīng)回采巷道、溜煤眼、底板巖石斜巷流進(jìn)水煤倉和煤泥脫水裝置，然后將脫水后的煤泥經(jīng)過運(yùn)輸大巷、斜井或者立井提升至地表。分離的水經(jīng)過凈化以后重新作為高壓水槍的介質(zhì)進(jìn)行水力落煤。隨著煤體采出，矸石冒落并沿著煤層底板向下移動對采空區(qū)進(jìn)行充填。本分段采完后回采下一分段，或者可以錯開一定距離多分段同時(shí)開采。這種巷道布置可以實(shí)現(xiàn)急傾斜厚煤層的水力開采，具有系統(tǒng)裝備簡單、易于操作、機(jī)動靈活、生產(chǎn)連續(xù)性好和對地質(zhì)條件的適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在急傾斜難采煤層中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖19 急傾斜厚煤層水力開采巷道布置示意

在厚度較小的急傾斜煤層中，可以探索類似于煤炭地下氣化的流態(tài)化開采技術(shù)，通過地面大孔徑定向鉆和遠(yuǎn)程遙控高壓水落煤裝置，實(shí)現(xiàn)不掘進(jìn)巷道和井下無人的遠(yuǎn)程水力采煤技術(shù)，是未來難采急傾斜煤層流態(tài)化開采的重要研究方向[30]。

6 結(jié) 論

1)急傾斜煤層開采難度大，經(jīng)過多年的科技攻關(guān)，已經(jīng)形成了水平分段綜放開采、走向長壁綜采和走向長壁綜放3種開采技術(shù)，針對不同開采技術(shù)，除了水平分段綜放開采以外，其他方法機(jī)械化、自動化開采難度大，效率低，安全性差。水平分段放頂煤開采還需要在采放工藝、合理分段高度、頂煤冒放性與端頭放煤、智能開采等幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)深入研究，以進(jìn)一步提高頂煤采出率和開采效率。

2)急傾斜煤層氣化可以創(chuàng)造良好的填充床氣化反應(yīng)條件，特別適合采用氣化的方式進(jìn)行原位開采。筆者以創(chuàng)造有效氣流運(yùn)動、理想反應(yīng)強(qiáng)度及最高能量利用效率為思想，提出了急傾斜煤層現(xiàn)代氣化開采技術(shù)構(gòu)想。急傾斜煤層氣化開采的關(guān)鍵技術(shù)包括氣化過程的控制與強(qiáng)化、氣化反應(yīng)空間管理、氣化工作面探測技術(shù)、地下水污染防治與控制等仍需深入研究。

3)針對煤層厚度較大但不能進(jìn)行水平分段開采的急傾斜煤層，可嘗試水力開采，作者提出了該種條件下的新式水力機(jī)械化開采的巷道布置構(gòu)想。在厚度較小的急傾斜煤層中，探索類似于煤炭地下氣化的流態(tài)化開采技術(shù)以實(shí)現(xiàn)不掘進(jìn)巷道和井下無人的遠(yuǎn)程水力采煤，是未來難采急傾斜煤層流態(tài)化開采的重要研究方向。