大倾角煤层一般指埋藏倾角为35°～55°的煤层，是国内外采矿界公认的复杂难采煤层[1]，广泛分布于我国各大矿区，已探明储量约为1 800亿～3 600亿t，产量约为1.5亿～3.0亿t，分别占全国储量和产量的10%～20%和5%～8%。在西部的四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等省区，煤炭资源开发已成为区域经济发展的重要支柱，大倾角煤层是许多矿井的主采煤层[2]。在山东、河北、安徽、江苏、山西等中东部省区，持续多年的高强度开采已经使赋存条件“优越”的煤层储量越来越少，大部分矿区浅部开采条件好的储量在较短的服务年限内接近枯竭，要保持这些矿区高产高效和可持续发展就必须开采大倾角等复杂埋藏条件煤层。由此可见，大倾角煤层开采在我国煤炭开发中具有重要地位，是亟需解决的重大工程问题。
大倾角煤层成煤环境复杂，安全高效开采难度极大，截至2018年10月，除中厚煤层采用综采和部分特厚煤层综放开采以及个别大倾角厚煤层煤层采用大采高综采外，大多数开采大倾角煤层的矿井仍然在使用不同类型的非机械化开采方法，产量与效率低、安全与作业环境差，人员伤亡事故频发，成为了许多矿井(区)经营困难、安全生产形势严峻的重要影响因素。
我国大倾角煤层赋存点多面广，是目前国际上开采该类煤层最多的国家。20世纪50年代初期，发明了大倾角煤层倒台阶采煤方法;60年代，在淮南、开滦等矿区出现了大倾角煤层伪斜柔性掩护支架采煤方法;80年代，在四川形成了伪斜短壁采煤法、伪俯斜走向长壁分段密集支柱采煤法、伪斜小巷多短壁采煤法等系列方法。与此同时，甘肃华亭、窑街、江苏徐州、新疆生产建设兵团、河南义马等矿区也进行了大倾角煤层“高档普采”、“双大开采”以及非机械化放顶煤开采方法的研究与试验。80年代后期，我国沈阳红菱、新疆艾维尔沟、唐山开滦、鹤岗竣德等矿区开始采用大倾角综采技术，在自主研制大倾角综采设备的同时，四川南桐、攀枝花等矿区也引进国外设备和技术，但均未取得较好的效果。
1996—1998年，四川绿水洞煤矿进行了大倾角煤层综合机械化开采，研制了成套综采设备，解决了设备防倒滑、工作面“飞矸”防护等技术难题，成功开采厚度2.27 m、平均倾角48°的煤层。工作面采出率97.2%，月产量2.1万t，实现了大倾角煤层综合机械化安全开采，技术水平达到国际先进。
2000年以后，在绿水洞煤矿大倾角中厚煤层综采成功示范的带动下，四川、重庆、贵州、甘肃、新疆、河北、黑龙江、北京、山东、安徽、内蒙古、宁夏等省市(区)的许多矿区先后进行了不同条件下大倾角煤层长壁综采、综放以及大采高开采技术创新与试验，不同程度地解决了矿井难采煤层开采难题，取得了显著的技术与经济社会效益。
国外关于大倾角煤层开采方法的研究始于20世纪中后期，70年代，前苏联就发展了大倾角厚及中厚煤层综采技术，研制了适用于大倾角煤层开采的综采设备和回采工艺，并出版了相关专著，为大倾角煤层开采奠定了基础。20世纪80至90年代，美国、德国、法国、英国、印度、西班牙、捷克等国家也对大倾角或急倾斜煤层机械化开采方法和岩层控制技术进行了研究，并在一些矿区进行了试验开采，取得了一定的效果[3-6]，但研究涉及范围较小、深度亦停留在探讨层面。进入21世纪，美国等西方主要产煤国家受市场经济控制，不再开采该类煤层，俄罗斯等国则将其作为技术储备开展了少量的研究与实验。总体来看，国外对大倾角煤层开采理论与技术的研究进展相对缓慢，可供参考的文献资料极少。
我国关于大倾角煤层开采的基础研究始于20世纪80年代，成都煤炭干部管理学院平寿康教授及其团队通过对四川多个矿区大倾角薄及中厚煤层开采工作面矿压显现规律研究，揭示了大倾角煤层开采工作面顶板结构力学行为及破坏特征[7-10]。
1986年，西安矿业学院(现西安科技大学)吴绍倩、石平五教授及其团队通过急斜煤层工作面矿压显现特征研究，揭示了急斜煤层开采顶板岩体结构形成机理[11]。1996年3月，在昆明召开的“全国煤矿顶板事故分析与防治大会”会议上，西安矿业学院(现西安科技大学)“复杂煤层开采理论与技术”研究团队首次明确了“大倾角煤层”的概念并给出了工程解释。此后，该团队一直致力于大倾角煤层开采理论与技术研究工作，取得了较为突出的学术贡献。与此同时，一大批矿业高等院校和科研院所的学者从不同侧面对大倾角中厚煤层长壁开采、厚煤层长壁综放、煤层群联合开采等不同方式下围岩破坏与移动特征、矿山压力显现规律及工作面灾害形成机制进行探讨，除此之外，相关煤炭生产及装备制造企业的工程技术人员也对大倾角煤层长壁工作面岩层控制技术[12-15]、采场围岩灾害防治技术[16-21]、提高工作面产效的技术与措施[22-24]等进行了大量的研究和探索，并付诸实践，推动了大倾角煤层长壁开采技术的不断进步。
1 大倾角煤层长壁综采理论技术进展
大倾角煤层长壁综采(综放)技术的成功应用变革了我国该类煤层非机械化开采历史，解决了大倾角煤层开采的基本安全问题。经过20多年的研究与发展，对特定条件下该类煤层开采科学问题的研究取得了一定的进展，促使开采技术与装备水平均有了大幅度地提高，为该类煤层安全高效开采奠定了一定的理论与技术基础。
1.1 大倾角煤层长壁综采理论研究进展
(1)定义了大倾角煤层的概念并给出了工程解释，开拓了难采煤层理论与技术研究新领域。
通过大量现场观测资料分析与实验室研究发现，在现有走向长壁开采方法条件下，当煤层倾角大于35°时，长壁工作面开采具有以下基本特征[1]:
① 工作面开采过程中，顶板的破断岩石(冒落矸石)不能在原地停留(煤层倾角大于矸石堆积自然安息角)，而是沿工作面向下滚(滑)，在工作面沿倾斜方向的采空区内形成不均匀充填带(工作面下部填实，中部填满，上部悬空)，工作面沿倾斜方向的围岩移动(顶板下沉和底板臌起)和支承压力分布以工作面走向推进中轴线为界呈现出典型的非对称特征;
② 工作面底板围岩向已成空间的移动加剧，变形和破坏的可能性增大。在非控制状态下，一旦底板出现破坏，就会产生(向下)滑移，而且破坏滑移区还会向上蔓延，造成底板的大范围失稳并引发工作面“顶板(R)-支架(S)-底板(F)”系统失稳，导致围岩灾变;
③ 由于上覆岩层和自身重力的作用，工作面支架和设备下滑、倾倒的可能性急剧增加，目前我国的非专门开采设备(工作面液压支架、采煤机、刮板输送机等)在增加防倒防滑装备后的最大适用倾角小于35°;
④ 当倾角小于55°时，对于厚度较大(厚及特厚)煤层，可以根据条件选择开采方法(倾斜分层开采或水平分段开采)，但当倾角大于55°时，由于设备能力和工人作业环境等因素的制约，已经无法使用工作面倾斜布置走向推进的传统开采方法。
据此，1996年3月，在昆明召开的“全国煤矿顶板事故分析与防治大会”会议上，西安矿业学院(现西安科技大学)“复杂煤层开采理论与技术”研究团队首次明确了“大倾角煤层”的概念，认为大倾角煤层是指埋藏倾角为35°～55°的煤层，包括了我国煤层类型按倾角划分中的部分倾斜煤层和急倾斜煤层，覆盖的倾角范围为20°，在顶底板条件特殊时，倾角可下延至32°，上扩至60°，覆盖范围为28°。
(2)现阶段大倾角煤层工程解释的外延。
特别需要指出的是，当时关于大倾角煤层的定义具有历史局限性。煤层倾角下限为35°是由矸石的自然安息角所确定的，不存在争议;但煤层倾角的上限55°则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。可以说，大倾角煤层的倾角上限是受人为技术因素所影响的。近年来，随着采煤装备、技术、方法的不断革新，长壁综合机械化开采所能适应的煤层倾角不断拓展，在个别矿井已达到70°。按照之前关于大倾角煤层的定义方法，当前大倾角煤层的倾角划定范围应处于35°～70°。因此，对大倾角煤层倾角范围的确定原则可暂定为:倾角下限为垮落矸石的自然安息角35°，倾角上限为目前长壁开采装备、技术、方法所能适应的最大煤层倾角，此上限角度是随着时代所发展变化的。
特别需要强调的是，有一种观点认为:根据以往对大倾角煤层的定义，大倾角煤层既有一部分属于倾斜煤层范畴、又有一部分属于急倾斜煤层范畴。有学者认为这背离了对传统煤层倾角划分的基本认识。就这一问题作出以下解释，仅供探讨:大倾角煤层与传统意义上的倾斜煤层、急倾斜煤层在倾角划分上有部分重叠，但由于其定义方式的不同，倾角重叠部分的煤层并没有本质上、概念上的相悖，2者不是非此即彼的关系，可以共存。例如，倾角为55°的煤层，我们既可以称之为急倾斜煤层，亦可以称之为大倾角煤层，并无二致。
(3)建立了覆岩“关键层”岩体结构空间模型及“R-S-F”动力学控制模型，揭示了大倾角煤层长壁综采覆岩“关键层”区域转换及岩体结构变异致灾机理，发展了岩层控制“关键层”理论。
① 提出了大倾角煤层长壁采场“非对称不完整空间壳体”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(图1)和“关键层”沿倾向渐变迁移与转换现象，揭示了“关键层”多级梯阶结构形成与变异机制(图2)以及稳定-失稳对采场灾变的控制效应，建立了稳定性判定准则，阐明了工作面“支架-围岩”系统高位冲击和低位推垮失稳致灾机理[25-26]。
图1 覆岩“应力-冒落”拱壳形态
Fig.1 Space form of “stress-caving”arch shell in overlying strata
图2 关键层多级梯阶结构
Fig.2 Multi-level stepstructure of main roof
② 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[27]，给出了支架工作阻力的确定方法[28];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[29]，如图3所示;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[30]。
(4)构建了大倾角煤层长壁采场飞矸运动非概率区间分析模型，揭示了“飞矸”动力灾害形成机理，为工作面安全防护体系建设奠定了理论基础。
研发了大倾角煤层长壁采场飞矸灾害监测实验系统，根据实验结果基于非概率区间分析法与蒙特卡洛方法分析不同初始状态飞矸运动特征，构建了飞矸运动非概率区间分析模型，研究随机异常分离体以及工作空间异物掉落过程、异常分离体产生的概率和基本规律、飞矸运行轨迹、速度、随机碰撞、2次启动、速率改变等运动及演化中能量积累、转换、释放特征;揭示了飞矸形成机理、演化过程及飞矸运动过程与损(伤)害机制，实现了对飞矸的危害程度的定量评价[31](图4)，初步奠定了工作面安全防护体系建设理论基础。
1.2 大倾角煤层长壁综采技术研究进展
(1)研发了大倾角综采(放)工作面岩层控制系列关键技术，解决了“支架-围岩”系统动态稳定性控制难题。
着眼于降低工作面倾角，提高采煤及支护装备的稳定性，发明了工作面调伪斜(运输巷超前回风巷为伪仰斜，回风巷超前运输巷为伪俯斜)方法[32-33];着眼于消除或降低单一大倾角工作面的采空区非均匀充填效应，发明了基于多区段煤柱隔离效应的大范围岩层控制方法[34];着眼于保障工作面倾斜下部支架稳定，在实践中探索出了“倾斜直线-圆弧段-水平段”[35]以及“倾斜直线-楔形段”的工作面非线性布置方式，应用效果良好;针对大倾角厚煤层综放开采过程中顶煤漏冒与支架承载的区化特征，对应提出了支架工作阻力分区域控制技术和顶煤放出量分区域控制方法[36];针对大倾角厚煤层开采过程中煤壁片帮加剧的现象，提出了“坚硬顶板耦合弱化、煤壁超前加固”的松软煤层高煤壁稳定性控制方法[37-38]。以上关键技术与方法，在工程实践中得到了广泛应用，逐步形成了完备的技术体系(图5)有效保证了“顶板-支架与装备-底板”系统完整性，提高了复杂条件下“支架-围岩”系统动态稳定性，有效控制了不同开采条件下工作面装备在大倾角状态下向下滑移、倾倒，消除了大空间范围顶板的冲击性灾害事故隐患。
图3 “R-S-F”系统失稳机理
Fig.3 Instability mechanism of “R-S-F” system
图4 飞矸危害程度评价
Fig.4 Hazard degree a modes for flying gangue
图5 大倾角煤层长壁工作面岩层控制关键技术体系
Fig.5 Key technique system of longwall face strata control in steeply dipping seam
(2)研发了多介质结构耦合支护技术，解决了非对称载荷场内异形断面巷道支护难题。
基于大倾角煤层采场非均匀充填和围岩移动及支承压力分布非对称特征，揭示了大倾角煤层工作面回风巷(倾斜上部巷到)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，发明了大倾角煤层长壁采场区段巷道整体高强度柔性支护方法[39]，如图6所示。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。
图6 异形巷道多介质耦合支护
Fig.6 Multi-medium coupling support of profiled roadway
图7 大倾角特厚煤层长短壁融合采煤法
Fig.7 Mining method combined with longwall and shortwall dipping seam
(3)研发了新型开采方法，拓展了大倾角煤层综采应用范围。
融合厚煤层走向长壁和水平分段短壁开采技术，发明了大倾角特厚煤层高段走向壁式综放采煤法，消除了大段高开采跨层拱效应，避免了采空区顶板冒落和动压威胁，在保证工作面支护系统稳定性的前提下大幅度提高了工作面顶煤回收率，扩大了大倾角特厚煤层综采放顶煤技术的适用范围，如图7所示;基于工作面异形液压支架、特种采煤机和相应的配套技术与工艺，发明了大倾角煤层斜向长壁开采方法，可有效解决“支架-围岩”系统动态稳定性控制、煤壁片帮与飞矸频发难题，并实现落煤自溜运输，为长壁综采技术在大倾角(煤层倾角在55°～70°)特厚及中厚煤层中的拓展应用提供了新的途径，如图8所示。
(4)建立了大倾角工作面倾斜全长与区域分隔相结合的全方位立体防护体系，解决了飞矸伤人损物难题。
基于飞矸形成机理、运动特征和伤损机制，提出了全方位立体防护的大倾角煤层长壁综采工作面安全防护新思想，设立了全封闭下端头支护系统、倾向刚性防护工作面支护系统，倾向柔性防护系统倾斜全长、自动封闭、区域分隔、刚-柔结合的防护区域，构成了以工作面下端头为核心、下中部区域为重点的“飞矸”伤人损物保护体系和以工作面上部为主体的“飞矸”初始运动的阻挡体系，如图9所示。建立了“责任到岗、人机联动”的安全管理体系，有效提高了工作面安全保障度。
2 大倾角煤层长壁综采装备研发进展
图8 大倾角煤层斜向长壁开采方法
Fig.8 Oblique longwall mining method in steeply in steeply dipping seam
我国20世纪80年代在四川进行大倾角煤层长壁综合机械化开采试验研究时，曾先后从波兰、西班牙等国家进口过数套适应倾角较大的工作面液压支架，同时在沈阳矿务局红菱煤矿研制试验国产大倾角液压支架，但因各种原因没有获得预期效果。1997年四川华蓥山矿务局绿水洞进行我国首个大倾角中厚煤层长壁综合机械化工作面开采试验所采用的“三机”(液压支架、采煤机、输送机)是在现场实测基础上，由项目组从技术层面提出基本要求与主要参数，分别由平顶山煤机厂、上海煤机厂和张家口煤机厂设计制造，尽管在技术层面(包括支架工作阻力、侧推阻力、采煤机牵引力、润滑能力、输送机防滑装置等)提出了许多要求，但由于设计和制造手段限制，液压支架主要是在减轻重量和增加防倒防滑方面进行了改进、采煤机在适应煤层倾角方面进行了调整、输送机在销排与中部槽强度等方面进行了修正，可以称为第1代大倾角煤层长壁综采“三机”装备。
1998年以后，在绿水洞大倾角中厚煤层长壁综采成功示范的影响下，我国甘肃、新疆、黑龙江、河北、贵州等省区的许多矿井开始进行不同类型的大倾角煤层综采(放)试验。相应地，国内许多煤矿装备制造企业也开展了针对性地专用装备研发制造，随着对大倾角煤层长壁综采科学技术规律认知的不断加深，工作面基本支架从第1代发展为以“主动防倒防滑、自动扶正、稳定状态三维可调、防陷底防片帮、工作阻力分区域控制”为特征的第3代，以适应工作面伪俯斜布置的第4代异形液压支架也开始进入工业性试验阶段，如图10所示。
图9 工作面“飞矸”安全防护体系
Fig.9 Protective system of flying gangue hazard in working face
图10 大倾角煤层液压支架发展历程
Fig.10 Development histories of hydraulic support in steeply dipping seam
工作面端头支架从无到有，发展为以“横向布置、行人与运煤分隔、与转载机互不干扰、整体移动、全封闭”为特征的端头安全核心装备;工作面采煤机由改造型的第1代发展为以“大牵引力、变频控制、牵截合一、强制润滑、无极绳拖缆防滑、过失强制制动”为特征的第3代，工作面输送机也发展到具有“高强度关键部件、对底板比压小、强制限位、主动防滑”的功能特性，截至目前，大倾角煤层长壁综采装备体系逐渐成形，如图11所示。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;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的伪俯斜综采工作面开始试用。
3 大倾角煤层长壁综采(放)工程实践
我国首个大倾角煤层走向长壁综采工作面于1996—1998年在四川华蓥山矿务局(现四川煤业集团广能公司)绿水洞煤矿成功开采，随后在甘肃、新疆、重庆、黑龙江、贵州、河北等省区的多个矿井分别开展了大倾角厚煤层、特厚煤层、薄煤层、煤层群的综采(放)开采试验，均取得了比较明显的技术经济和社会效益，如图12所示。
图11 大倾角煤层长壁综采成套装备
Fig.11 Complete equipment of longwall mining in steeply dipping seam
图12 大倾角煤层综采(放)开采实践历程
Fig.12 Practice course of fully-mechanized minging (caving) in steeply dipping seam
大倾角中厚煤层长壁综采技术工程实践的典范为四川煤业集团广能公司绿水洞煤矿，自1996年第1个大倾角中厚煤层综采工作面开始，已开采倾角35°～78°、煤层厚度2.3～2.9 m的工作面40余个，累计生产商品煤近1 200万t。
大倾角特厚煤层长壁综采放顶煤技术工程实践的典范为甘肃靖远煤业集团王家山煤矿。自2002年第1个大倾角特厚煤层综放工作面开始，已开采倾角35°～38°、煤层厚度8～10 m的综放工作面13个，累计生产原煤近1 800万t。
新疆焦煤集团2130煤矿是我国首个试验采用大采高技术开采大倾角厚煤层的矿井，自2012年开始，已开采煤层倾角38°～46°、采高4.5 m的工作面5个，累计生产原煤近300万t，最高月产量达12万t。
重庆能源投资集团松藻公司逢春煤矿自2011年开始试验大倾角薄煤层综合机械化开采技术，2017年，在倾角57°～63°，平均厚度1.1 m(最小厚度0.5 m)的薄煤层中采用俯伪斜工作面进行开采，最高月推进度约66.5 m，产量14 276 t，回采工效由2.2 t/工提高到12 t/工，工作面作业人数减少50%，取得较好的技术经济效益。
4 大倾角煤层长壁开采科学问题
大倾角煤层长壁综采经过20多年的发展，在理论、技术和工程实践方面均取得了较大进展，其技术和工程实践的发展速度已经超前于基础理论，开采煤层(工作面)倾角上限已从基本定义的55°～60°提升到了近70°，个别矿井工作面倾角局部达到了78°，相应地，采用常规开采方法和装备也带来了安全与产效方面的诸多问题，大倾角煤层长壁综采必须在科学层面上有所突破，才能在方法、技术和装备领域出现质的飞跃，最终实现该类煤层的安全、高效、绿色开采。在今后的一个时期内，大倾角煤层长壁综采科学问题的研究应集中于以下几个领域:
(1)复杂采动煤岩体力学性状与量化表征。
针对大倾角煤层成煤环境中复杂地质构造与采动作用，研究自重(垂向)应力场中采动作用下，层状煤岩体原位物理力学环境与性状，包括应力状态、介质状态、相变状态、环境状态和非典型及材料属性的物理与力学性质等，并进行数学-力学量化表征。
(2)复杂采动煤岩体力学行为及其对工作面灾变的控制作用。
研究大倾角煤层随原位力场变化(倾角效应)的层状煤岩体采动力学行为，包括采动煤岩体损伤与破裂(坏)方式、采动煤岩体结构形成与演进过程，揭示煤岩体结构对采场矿山压力及其多元(水、火、瓦斯、高应力等)灾害形成作用机制等。
(3)大倾角长壁采场“支架-围岩”系统多维交互动力学与多目标非稳态控制方法。
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)动力学机制以及在时间维度上对来压期间采场岩体灾变控制机理，提出多“支架-围岩”系统多目标非稳态控制方法。
(4)非规则回采空间随机分离体形成-运动-损害过程及防护机制。
研究大倾角煤层长壁开采工作面随机异常分离体产生过程与概率、非规则空间随机分离体运行轨迹、随机碰撞等运动及演化过程中能量积累、转换、释放特征，揭示“飞矸”动力灾害形成机制，提出大倾角煤层长壁开采工作面三维安全防护体系构建原则、方法和评判标准。
(5)大倾角、急倾斜煤层颠覆性开采方法、技术与装备。
研究长-短壁融合开采方法、斜向长壁开采方法、异形结构液压支架与采煤机和工作面输送机、“采-护-运”一体化成套装备，工作面灾害自动防控关键技术与装备，架构大倾角煤层智能开采基本体系，为该类煤层安全高效绿色开采提供理论与技术保障。
5 结 语
大倾角煤层开采是我国采矿界现在和今后相当长一个阶段内必须面对和解决的工程技术难题，虽然近年来大倾角煤层长壁综采(放)领域内的科学研究与工程实践取得了长足进展，但由于其理论研究、关键技术突破和装备研发是以缓倾斜煤层为基础发展而来，随着现场应用范围的不断拓宽，除倾角32°～55°的薄及中厚煤层长壁综采外，其他煤层开采的安全与产效问题逐步凸显，正在成为大倾角煤层综合机械化开采的“技术瓶颈”。因此，必须针对大倾角煤层埋藏条件的特殊性与复杂性，研究开采过程中最基本的科学问题并获得突破，提出“颠覆性”关键技术，研发新方法和新装备，才能实现安全高效与绿色开采。
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