淺析煤層開(kāi)采技術(shù)及采煤工藝

張寶忠

(汾西礦業(yè)集團(tuán)正邦煤業(yè)公司，山西孝義032300)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源，而煤炭工業(yè)的發(fā)展是直接制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾生活水平提高的重要因素。加快煤炭工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)步伐，全面推進(jìn)煤炭工業(yè)科技進(jìn)步，不斷滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活需要，是煤炭工業(yè)發(fā)展的緊迫任務(wù)。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，我國(guó)煤層的賦存條件千差萬(wàn)別，礦井的地質(zhì)條件各不相同，從而決定了我國(guó)煤礦建設(shè)、生產(chǎn)和管理具有明顯的地域差異性，不同地區(qū)煤礦的生產(chǎn)規(guī)模、開(kāi)采技術(shù)和裝備設(shè)施也存在一定的差異。在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體制下，安全、高效、綠色是煤層開(kāi)采的必然趨勢(shì)，為此，煤炭企業(yè)則必須實(shí)現(xiàn)煤層開(kāi)采技術(shù)和采煤工藝的進(jìn)一步集約化、機(jī)械化和自動(dòng)化。

1 煤炭開(kāi)采的主要形式

按落煤技術(shù)方法，地下采煤有機(jī)械落煤、爆破落煤和水力落煤三種，前二者稱為旱采，后者稱為水采。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者為主。

1.1 壁式體系采煤法

壁式體系采煤法一般以長(zhǎng)壁工作面采煤為主要特征，是目前我國(guó)應(yīng)用最普遍的一種采煤方法，其主要特點(diǎn)如下:在采煤工作面兩端各布置至少一條巷道，構(gòu)成完整的生產(chǎn)系統(tǒng);采煤工序可分為破、裝、運(yùn)、支、處五個(gè)步驟，其中破煤和裝煤可分別采用爆破、滾筒式采煤機(jī)或刨煤機(jī)，運(yùn)煤采用與工作面煤壁平行鋪設(shè)的可彎曲刮板輸送機(jī)，工作面工作空間的支護(hù)可采用自移式液壓支架或單體液壓支架，采空區(qū)處理則通常采用全部垮落法、全部充填或局部充填法;隨著采煤工作面推進(jìn)，頂板暴露面積增大，礦山壓力顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈。

1.2 柱式體系采煤法

柱式體系采煤法有房式采煤法、房柱式采煤法和巷柱式采煤法三種類型。房式采煤法的特點(diǎn)是只采煤房不回收煤柱，用房間煤柱支撐上覆巖層，根據(jù)煤柱尺寸和形狀可分為長(zhǎng)條式、切塊式等多種形式;房柱式采煤法的特點(diǎn)是房間留設(shè)不同形狀的煤柱，采完煤房后有計(jì)劃地回收這些煤柱;巷柱式采煤法的特點(diǎn)是在采區(qū)范圍內(nèi)，預(yù)先掘進(jìn)大量巷道，將煤層切割成6 ×6～20 ×20 m2的方形煤柱，然后有計(jì)劃地回采這些煤柱，采空地帶頂板任其自由垮落。柱式體系采煤法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資少，采掘?qū)崿F(xiàn)合一，建設(shè)期短，出煤快;設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，搬遷快;巷道壓力小，便于維護(hù)，支護(hù)簡(jiǎn)單，可用錨桿支護(hù)頂板;由于大部分為煤層巷道，故矸石量很少;矸石可在井下處理不外運(yùn)，有利于環(huán)境保護(hù);當(dāng)?shù)孛嬉Ｗo(hù)農(nóng)田水利設(shè)施和建筑物時(shí)，采用房式采煤法有時(shí)可使總的噸煤成本降低。

2 采煤方法與工藝

在發(fā)展現(xiàn)代采煤工藝的同時(shí)，繼續(xù)發(fā)展多層次、多樣化的采煤工藝，建立具有中國(guó)特色的采煤工藝?yán)碚?。我?guó)長(zhǎng)壁采煤方法已趨成熟，放頂煤采煤的應(yīng)用在不斷擴(kuò)展，應(yīng)用水平和理論研究的深度和廣度都在不斷提高，急傾斜、不穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等難采煤層采煤方法和工藝的研究有很大空間，主要方向是改善作業(yè)條件，提高單產(chǎn)和機(jī)械化水平。

2.1 開(kāi)采技術(shù)

開(kāi)發(fā)煤礦高效集約化生產(chǎn)技術(shù)、建設(shè)生產(chǎn)高度集中、高可靠性的高產(chǎn)高效礦井開(kāi)采技術(shù)。以提高工作面單產(chǎn)和生產(chǎn)集中化為核心，以提高效率和經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，研究開(kāi)發(fā)各種條件下的高效能、高可靠性的采煤裝備和工藝，簡(jiǎn)單、高效、可靠的生產(chǎn)系統(tǒng)和開(kāi)采布置，生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控與科學(xué)管理等相互配套的成套開(kāi)采技術(shù)，發(fā)展各種礦井煤層條件下的采煤機(jī)械化，進(jìn)一步改進(jìn)工藝和裝備，提高應(yīng)用水平和擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高采煤機(jī)械化的程度和水平。

2.2 解決難題

開(kāi)發(fā)“淺埋深、硬頂板、硬煤層高產(chǎn)高效現(xiàn)代開(kāi)采成套技術(shù)”，主要解決以下技術(shù)難題:①硬頂板控制技術(shù)。研究埋深淺、地壓小的硬厚頂板控制技術(shù)，主要通過(guò)巖層定向水力 壓裂、傾斜深孔爆破等頂板快速處理技術(shù)，使直接頂能隨采隨冒，提高頂煤回收率，且基本頂能按一定步距垮落，既有利于頂煤破碎，又保證工作面的安全生產(chǎn)。②硬厚頂煤控制技術(shù)。研究開(kāi)發(fā)埋深淺、支承壓力小條件硬厚頂煤的快速處理技術(shù)，包括高壓注水壓裂技術(shù)和頂煤深孔預(yù)爆破處理技術(shù)，使頂煤體能隨采隨冒，提高其回收率。③頂煤冒放性差、塊度大的綜放開(kāi)采成套設(shè)備配套技術(shù)。研制既有利于頂煤破碎和頂板控制，又有利于放頂煤的新型液壓支架，合理確定后部輸送機(jī)能力。

2.3 緩傾斜薄煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采

主要研究開(kāi)發(fā)薄煤層采煤機(jī)、刨煤機(jī);研制適合刨煤機(jī)綜采的液壓支架;研究開(kāi)發(fā)薄煤層工作面的總體配套技術(shù)和高效開(kāi)采技術(shù)。緩傾斜厚煤層一次采全厚大采高長(zhǎng)壁綜采，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)完善支架結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度，加強(qiáng)支架防倒、防滑、防止頂梁焊縫開(kāi)裂和四連桿變形、防止嚴(yán)重?fù)p壞千斤頂措施等的研究，提高支架的可靠性，縮小其與中厚煤層(采高3 m 左右)高產(chǎn)高效指標(biāo)的差距。

2.4 各種綜采高產(chǎn)高效綜采設(shè)備保障系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，就要提高開(kāi)機(jī)率，對(duì)“支架－圍巖”系統(tǒng)、采運(yùn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。今后研究的重點(diǎn)是:通過(guò)電液控制閥組操縱支架和改善“支架－圍巖”系統(tǒng)控制，進(jìn)一步完善液壓信息、支架位態(tài)、頂板狀態(tài)、支護(hù)質(zhì)量信息的自動(dòng)采集系統(tǒng);乳化液泵站及液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)診斷;采煤機(jī)在線與離線相結(jié)合的“油－磨屑”監(jiān)測(cè)和溫度、電信號(hào)的監(jiān)測(cè);帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)全面狀態(tài)監(jiān)控。

3 主要的開(kāi)采技術(shù)

3.1 深礦井開(kāi)采技術(shù)

深礦井開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)是:煤層開(kāi)采的礦壓控制、沖擊地壓防治、瓦斯和熱害治理及深井通風(fēng)、井巷布置等;深井作業(yè)場(chǎng)所工作環(huán)境的變化;深井巷道(特別是軟巖巷道)快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)與裝備;深井沖擊地壓防治技術(shù)與監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù);深礦井高產(chǎn)高效開(kāi)采有關(guān)配套技術(shù);深礦井開(kāi)采熱害治理技術(shù)與裝備。

3.2 “三下”采煤技術(shù)

提高數(shù)值模擬計(jì)算和相似材料模擬等，深入研究開(kāi)采上覆巖層運(yùn)動(dòng)和地表下陷規(guī)律，研究滿足地表、建筑物、地下水資源保護(hù)需要的合理的開(kāi)采系統(tǒng)和優(yōu)化參數(shù)，發(fā)展沉降控制理念和關(guān)鍵技術(shù)，包括用地表廢料向垮落法工作面采空區(qū)充填的系統(tǒng);研究與應(yīng)用各種充填技術(shù)和組合充填技術(shù)，村莊房屋加固改造重建技術(shù)，適于村莊保護(hù)的開(kāi)采技術(shù);研究近水體開(kāi)采的開(kāi)采設(shè)計(jì)，工藝參數(shù)優(yōu)化和裝備，提出煤炭開(kāi)采與煤炭城市和諧統(tǒng)一的開(kāi)采沉陷控制、開(kāi)采村莊下壓煤、土地復(fù)墾和礦井水資源化等關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 優(yōu)化巷道布置，減少矸石排放的開(kāi)采技術(shù)

改進(jìn)、完善現(xiàn)有采煤方法和開(kāi)采布置，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)采效益最大化為目標(biāo)，研究開(kāi)發(fā)煤礦地質(zhì)條件開(kāi)采巷道布置及工藝技術(shù)評(píng)價(jià)體系專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采方法、開(kāi)采布置與煤層地質(zhì)條件的最優(yōu)匹配。

4 結(jié)語(yǔ)

采煤方法和工藝的進(jìn)步和完善始終是采礦學(xué)科發(fā)展的主題。采煤工藝的發(fā)展將帶動(dòng)煤炭開(kāi)采各環(huán)節(jié)的變革，現(xiàn)代采煤工藝的發(fā)展方向是高產(chǎn)、高效、高安全性和高可靠性，基本途徑是使采煤技術(shù)與現(xiàn)代高新技術(shù)相結(jié)合，研究開(kāi)發(fā)強(qiáng)力、高效、安全、可靠、耐用、智能化的采煤設(shè)備和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，改進(jìn)和完善采煤工藝。

［1］李保順，李幸宇. 井下采煤技術(shù)及采煤工藝的選擇探討［J］. 科技風(fēng)，2014(6):48 +53.

［2］王金立. 淺議煤礦開(kāi)采中井下采煤技術(shù)及采煤工藝選擇［J］. 科技創(chuàng)業(yè)家，2013(6):97.