我國煤炭開采技術(shù)現(xiàn)狀與實例分析

王文龍 蘇海健

摘要：煤炭是我國最主要的能源結(jié)構(gòu)成分，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。文章介紹了煤炭開采過程中的兩個重要理論：圍巖破裂的松動圈理論和頂板控制的關(guān)鍵層理論；其次，從巷道支護(hù)和煤層開采兩方面講述了我國煤炭開采技術(shù)現(xiàn)狀和取得的成就；最后，對司馬煤礦1210工作面進(jìn)行實例分析，介紹了該工作面的煤層地質(zhì)情況、采掘方式、技術(shù)改進(jìn)和防水工藝等。

關(guān)鍵詞：煤炭開采技術(shù)；巷道支護(hù)；松動圈；關(guān)鍵層

中圖分類號：TD823文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）03-0155-02

據(jù)統(tǒng)計，我國2010年一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中，煤炭的比重分別為77.4%和68.6%，煤炭在當(dāng)前甚至是將來相當(dāng)長時期內(nèi)仍將是我國的主體能源。隨著煤炭科技的發(fā)展，我國的煤炭開采也將不斷地向著安全、高效、高利用和綠色開采發(fā)展。

一、理論研究

（一）松動圈理論

天然巖體是一種特殊的非均質(zhì)非線性材料，在各向應(yīng)力作用下，巖體處于長期的平衡狀態(tài)。在地質(zhì)巖體內(nèi)開挖巷道，圍巖處于近似的二向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力出現(xiàn)重分布，直至達(dá)到另一個平衡狀態(tài)為止。在此期間巷道圍巖內(nèi)部出現(xiàn)一個破裂區(qū)，通常稱為松動圈。董方庭教授提出的松動圈理論，為我國煤礦巷道的開挖和支護(hù)設(shè)計提供了很好的依據(jù)。

（二）關(guān)鍵層理論

通常采煤工作面頂板分三個巖層：垮落帶、裂隙帶和緩沉帶。錢鳴高院士基于理論分析和眾多的實踐經(jīng)驗，提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論，認(rèn)為：在采場覆巖層中存在著多層巖層時，對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層，關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運動?？妳f(xié)興又對采動覆巖中關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)作了深入的分析，認(rèn)為當(dāng)覆巖中存在兩層以上堅硬巖層時，無論上部或是下部堅硬巖層都將對下部或上部堅硬巖層的采動變形和破斷產(chǎn)生影響，也即對采動覆巖變形、破斷和移動全過程產(chǎn)生影響。兩個硬巖層之間的復(fù)合效應(yīng)主要與其間距有關(guān)，當(dāng)間距與堅硬巖層厚度沒有量級差別時，復(fù)合效應(yīng)最明顯。

二、技術(shù)發(fā)展

（一）支護(hù)技術(shù)

碹體支護(hù)是我國最早的支護(hù)方式之一，在早期地質(zhì)條件較好的巖體中廣泛應(yīng)用。隨著煤炭開采的增加和地質(zhì)條件的復(fù)雜性與差異性，簡單的碹體支護(hù)漸漸不能支撐巖體的高應(yīng)力。錨桿支護(hù)，利用圍巖自身來承載壓力，彌補了被動支護(hù)的諸多不足，開創(chuàng)了圍巖主動支護(hù)的先河。然而在我國山東和安徽等地區(qū)部分巖層，高應(yīng)力、高地溫、巖體破碎較為普遍，地質(zhì)條件更為復(fù)雜，單一的支護(hù)方式無法滿足支護(hù)條件。耦合支護(hù)理論的提出，根據(jù)實際情況，同時采用兩種或多種不同的支護(hù)方式，實現(xiàn)了完美的互補，更好的支護(hù)圍巖。比如李沖等針對深井軟巖巷道地壓大、變形大、難支護(hù)的特點，提出了各種支護(hù)之間以及支護(hù)體與圍巖之間耦合的錨索-網(wǎng)殼襯砌耦合支護(hù)技術(shù)，并在曲江礦運輸大巷進(jìn)行運用，得到了很好的支護(hù)效果。

（二）開采技術(shù)

炮采技術(shù)在我國煤炭開采中最早得到應(yīng)用和普及，其施工方便、成本低，但是開采效率低下、安全系數(shù)差。隨著我國科技實力的漸漸提升，綜合機械化采煤得到了很好的發(fā)展，在大大提高采煤效率的同時，更加保證了工人的人身安全。所謂綜合機械化采煤技術(shù)，即在整個采煤過程中機械化率達(dá)到95%或以上。綜合機械化采煤過程中的機械通常包括液壓支架、采煤機、刮板輸送機和膠帶輸送機等，其中采煤機和液壓支架起著極其重要的作用。

針對許多特殊的煤層地質(zhì)情況，我國的煤炭科研工作者通過不斷的研究和實踐，攻破了一個又一個難題。如孫春東等，針對陽邑煤礦8號煤層（大青煤）和9號煤層（下架煤）層間約1.02m極近距離的特點，采用常規(guī)錯距理論和巖層移動理論進(jìn)行分析，研究了上部工作面采空區(qū)走向形成的穩(wěn)壓區(qū)和減壓區(qū)范圍，并計算得出了上、下煤層工作面聯(lián)合開采最佳走向錯距范圍，使極近距離聯(lián)合開采得以順利實施。任艷芳等通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬的方法，對神東煤田某煤礦綜采工作面淺埋煤層（平均埋藏深度約80m）進(jìn)行分析，得到了長壁工作面圍巖應(yīng)力場特征驗證了上覆巖層中可形成承壓拱結(jié)構(gòu)，為煤層的順利開采提供了保障。專家和技術(shù)人員的科學(xué)研究和不斷努力，使我國的煤炭開采技術(shù)站在了世界的前列。

三、工程實例分析

潞安集團(tuán)司馬煤礦位于我國山西省長治市境內(nèi)，井田面積約29.49平方公里，可采儲量近1億噸。其1210工作面，開采煤層屬下二疊統(tǒng)山西組下部的三號煤層。該煤層賦存穩(wěn)定，煤層較厚且賦存結(jié)構(gòu)簡單。煤體以黑色、塊狀為主，粒狀次之，亮煤為主，夾鏡煤條帶，煤質(zhì)為貧瘦煤。煤層厚度為7m，傾角約平均7°。工作面直接頂為粉砂巖，深灰色，中厚層狀，含大量煤屑，產(chǎn)較多植物化石，局部地段為沙質(zhì)泥巖。直接底為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，致密，局部具滑感，斷口參差狀，含大量植物化石。老底為細(xì)砂巖，白灰色，中厚層狀，礦物成分以石英為主，含白云母碎片、巖屑及鐵錳質(zhì)，分選較好。

1210工作面地質(zhì)情況較好，采用綜合機械化采煤技術(shù)，更加提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。開采過程中根據(jù)實際地質(zhì)傾斜情況，采用仰采的方式，由下往上開采。放頂煤開采技術(shù)，采3m，放頂煤4m。綜采過程中引進(jìn)MXG-300/700A電牽引采煤機，性能優(yōu)越，系統(tǒng)采用PLC控制，更加自動化，易操作，更加適合傾斜煤層開采。針對采煤過程中，經(jīng)常出現(xiàn)機組滾筒離合器雖然掛上但是無法鎖定的情況，該礦技術(shù)人員通過分析原因并進(jìn)行大量觀測，對采煤機離合器進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)之后使用更加方便、安全，同樣也增加了采煤效率。

1210工作面煤層直接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層，該含水層賦水性一般較弱。1210工作面回采范圍內(nèi)地質(zhì)條件較為簡單，在向斜及背斜轉(zhuǎn)折端會造成煤層及頂板列隙發(fā)育，回采至該處時可能會出現(xiàn)涌水增大現(xiàn)象。針對這種情況，該礦采用注漿防水和主動加固圍巖的方法，工作面內(nèi)加強排水設(shè)施管理及工作面排水能力，預(yù)防因頂板突然垮落造成工作面涌水量增大的情況，保證工作面正?；夭?。

四、結(jié)論與展望

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，近年來我國的煤炭開采技術(shù)穩(wěn)步提升，本文從理論與技術(shù)發(fā)展兩個角度分別講述了我國當(dāng)前的煤炭技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，又通過以潞安集團(tuán)司馬煤礦為例進(jìn)行分析，說明了技術(shù)進(jìn)步和科技能力在煤炭開采中的重要性。但是，隨著我國煤炭淺部資源的漸漸枯竭，很快將進(jìn)入一個深部開采時期，深部開采將面臨更多的問題，如高應(yīng)力、高地溫、巖石流變和圍巖大變形等，加大科技投入，提高技術(shù)能力是永恒不變的準(zhǔn)則。同時，近年來地球溫室效應(yīng)日益顯著，地下水資源幾近枯竭，綠色開采、保水開采、提高煤炭使用效率將成為我國煤炭開采和利用的重要方向。

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基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（項目編號：JX111744）。

作者簡介：王文龍（1986-），男，山東濟(jì)寧人，中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：煤炭開采和巷道支護(hù)。

（責(zé)任編輯：文 森）