薄煤層智能開采技術(shù)研究現(xiàn)狀與進展

李 軍

(山西汾西瑞泰正中煤業(yè)，山西 靈石 031300)

引 言

知識型礦業(yè)是我國煤炭工業(yè)發(fā)展的一個新階段和新趨勢，這也是我國煤炭工業(yè)現(xiàn)代化和轉(zhuǎn)型的必由之路。當前，我國的煤礦仍處于智能采礦的早期階段。薄煤層的智能開采是基于綠色開采的概念，它使用一整套智能采礦設(shè)備和人工智能技術(shù)來實現(xiàn)工作面的大規(guī)模、安全、高效和環(huán)保開采。由于我國薄煤層的多樣性，難以實現(xiàn)智能開采。同時，由于地質(zhì)條件的不同，開采薄煤層的技術(shù)也有所不同。因此，需要用于各種類型的薄煤層的采礦技術(shù)。對我國薄煤層技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析和綜合分析，是基于薄煤層開采的高效率，安全性和環(huán)境目標，從提高井底采收率。

1 薄煤層開采技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 礦井開采設(shè)計

薄煤層(工作面)的開發(fā)斷面小，工作面生產(chǎn)率低(不到50萬t/a)，并且難以大規(guī)模開采。

在我國，薄煤層的長度通常為1 000 m～300 m(約占70%)，而這種趨勢大多為400 m～800 m(約占71%)。該地區(qū)的生產(chǎn)儲備通常在1萬t～150萬t。通常，在5個以上工作面的區(qū)域中，單面庫存量小于20萬t，回收率大于100 m/10 000 t/10 000 t，某些煤礦、薄煤的大小和頻率分布圖，如圖1所示。薄煤層工作面的長度通常小于150 m(76%)。年產(chǎn)量大多不到50萬t，局部薄煤煤層工作面長度及生產(chǎn)率分布，如圖2所示。

圖1 某些煤礦薄煤層的大小和頻率分布

圖2 局部薄煤層工作面長度及生產(chǎn)率分布

“煤層薄，設(shè)備厚”的現(xiàn)象很普遍，導致大量的浪費，造成高比例的煤炭浪費和嚴重的設(shè)備損失。通過對內(nèi)部薄煤層的采礦業(yè)的實際情況研究，如圖3所示。①半碳巖車道的最小車道開挖高度很高。與薄煤層的厚度(小于1.3 m)相比，散布在2.2 m～2.6 m(75%)之內(nèi)，存在超高開挖問題，導致巷道破壞率幾乎達到50%；②處理薄煤層多數(shù)情況下，井底高度超過1.1 m，有的甚至超過1.5 m，碎石超過0.2 m，廢石含量超過20%。在一次薄煤層的開采中，有必要綜合考慮薄煤層切割的影響。長壁綜采設(shè)備的采礦作業(yè)設(shè)計和技術(shù)，增加了采煤區(qū)的面積(面)，并開發(fā)出一套完整的薄煤層智能開采技術(shù)與裝備。

圖3 部分薄煤層采掘工作面實際高度統(tǒng)計

1.2 薄煤層智能化開采

自動稀薄煤礦開采技術(shù)的研究始于1890年代的美國、英國、德國、澳大利亞和其他國家，并取得了顯著成果。其中，德國DBT公司已成功開發(fā)了基于全自動，機械化PM3系統(tǒng)的電動液壓控制系統(tǒng)，用于開發(fā)薄煤層。美國JOY公司開發(fā)了用于薄煤層的計算機輔助綜合切割系統(tǒng)。

1.3 極薄煤層螺旋鉆采煤機開采

螺旋采煤機是一種煤礦采煤機，可以解決開采厚度小于0.8 m的極薄煤層的問題，提高煤炭資源的采收率。這也是緩解區(qū)域壓力和采礦安全的重要手段。例如：破碎煤在工作臺上安裝并運送煤炭。道路設(shè)備的維護是在工作臺外部進行的。無需人工干預(yù)即可完成煤礦開采，這使工人免于繁重的勞動。惡劣的工作條件和較高的生產(chǎn)率以及更少的員工，提高了礦井中煤炭資源的開采系數(shù)，該方法通常用于結(jié)實的石頭塊和細薄的木炭接縫，傾斜角度在重采礦的情況小于15°。用于角煤開采。三層采煤和軟頂煤層津貼及各種煤柱。

2 薄煤層保護層智能化開采進展

2.1 卸壓開采應(yīng)力-損傷-滲流耦合機制

開采完薄煤層后。上升的巖石結(jié)構(gòu)形成典型的“三帶”結(jié)構(gòu)，即山體的崩落帶，斷層帶和彎曲沉降帶層。卸壓開采工作面圍巖結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分，如圖4所示。

圖4 卸壓開采工作面圍巖結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分

了解薄煤層工作面上圍巖的應(yīng)力-損傷-滲流內(nèi)聚機理，是準確評估采礦作業(yè)緩解壓力有效性的基礎(chǔ)。通常認為位于沉降曲線以上區(qū)域的煤層和焊錫裂縫區(qū)域以下的煤層相對完整，沒有明顯的大裂縫，并且煤層處于彈性階段。油基滲透率和產(chǎn)氣模型普遍適用；煤層位于上覆斷裂帶中，而下覆下部斷裂帶中的煤層通常經(jīng)歷剪切或拉伸斷裂，從而導致較大的斷裂。由于裂縫對滲流的影響更大，國內(nèi)外科學家對裂隙巖體的應(yīng)力滲流進行了更多的實驗室測試，尤其是滲透到大裂縫中時，提出了一種通過裂縫的滲流組合模型。

2.2 長壁開采極限卸壓采厚

在某些地質(zhì)條件下，例如煤層之間的間隔，采礦過程中覆蓋層厚度的選擇直接影響采礦過程中壓力降低的效果。采礦期間覆蓋層厚度的確定通常與煤層的傾斜角度，煤層的深度，層之間的間隔，層之間的巖性以及層之間是否存在關(guān)鍵層等因素相關(guān)。由于許多原因，使用理論公式或基于經(jīng)驗公式的估計進行直接計算的準確性較低。因此，通常使用數(shù)值模型或類似模型基于應(yīng)力，應(yīng)變和裂紋擴展進行判斷和選擇。作為覆蓋層的煤層通常是厚度較小的薄煤層。在許多情況下，煤層的厚度大于煤層的厚度以滿足采礦要求。為減少數(shù)量，必須指定采礦作業(yè)的最低臨界覆蓋率。屠世浩等基于應(yīng)力-裂紋-滲流黏附模型，提出了一種通過合理確定不同工作厚度下蓋層滲透率的演變規(guī)律，確定合理的工作厚度并限制工作厚度的方法。保護層的磁導率的變化，如第40頁圖5所示。使用該方法得出的結(jié)論是，隨著保護層生產(chǎn)厚度的增加，保護層的磁導率呈S形變化，并且受保護層的磁導率相對于材料的對數(shù)函數(shù)的公式如下：生產(chǎn)厚度。提出了該方法，當計算出保護層的厚度時，其厚度從2.2 m減小至1.9 m，廢石的生產(chǎn)率降低了9.6%，并且在長孔全機械化下安全地進行了壓力釋放底部。同時實施。

圖5 卸壓開采參數(shù)與滲透率演化

2.3 鉆采卸壓增透合理參數(shù)

在某些極薄的煤層中，使用螺旋鉆開采極薄的覆蓋層不僅具有簡單的工作面布局，更少的設(shè)備和簡單的自動化，而且還可以有效地減少因頂板和重疊而切割的巖石量。降低采礦成本并避免長期使用。墻軸的高度過高會損壞要保護的煤層。在常規(guī)鉆井中，由于支撐頂板的間隔較大的煤柱，保護層主要形成層間拉伸裂縫，難以達到卸壓增滲的效果。從采礦設(shè)計的角度來看，袁永等[1]提出了一種新的隨鉆卸壓方法以增加滲透率，即通過改變放置煤柱的方法，增加一個鉆頭的寬度，減小位置的寬度鉆機之間的煤柱。井和鉆井坡度采礦作業(yè)對巖石擾動的影響。中間碳柱的尺寸必須滿足臨時支撐要求，以防止粘連和延遲的壓縮失效，從而避免應(yīng)力集中。當工作面移動一定距離以防止屋頂積聚并引起鉆桿事故時，將臨時的寬煤柱彼此間隔一定距離以支撐屋頂，并且將臨時的寬煤柱間隔一定距離。在下一個臨時寬煤柱被擱置之前回收；迫使覆蓋層完全移動并最大程度降低降壓和滲透率的影響，如圖6所示。在鉆井和生產(chǎn)過程中采用新的卸壓參數(shù)的情況下，該間隔的煤柱在生產(chǎn)過程中會滯后一定距離進行破壞，如圖7所示，這可能有助于覆蓋層中更完整的運動和應(yīng)力釋放。展開范圍保護層的裂縫更寬，滲透率顯著提高，如圖8所示。

圖6 鉆采過程示意

圖7 間隔煤柱的垂直應(yīng)力分布

圖8 不同鉆采方式被保護層滲透率分布特征

2.4 高瓦斯薄煤層綜采工作面割煤速度調(diào)控

薄煤層主要用作煤層中的泄壓層。工作面的氣體含量很高，尤其是工作面的上角很容易超過極限。在一個煤層薄保護層的一個機械化的井眼的角落，提出了一種工作方法：一種基于對地表瓦斯?jié)舛鹊姆答佔詣涌刂魄懈钏俣鹊牟呗浴，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，頂角處的氣體濃度始終高于采煤機切割位置處的氣體濃度。因此，必須在上拐角處的氣體濃度的控制下對工作面中的氣體濃度進行控制和監(jiān)視[2-4]。

3 結(jié)語

我國的薄煤層儲量大，煤質(zhì)好，但儲量與產(chǎn)量之比不協(xié)調(diào)。由于薄煤層的大規(guī)模開采，高效開采和稀有煤礦的開采等技術(shù)要求，煤礦的開采空間狹窄，地質(zhì)環(huán)境困難，采礦替換困難。由于工作環(huán)境惡劣等客觀因素，必須開發(fā)智能煤礦設(shè)備和人工智能技術(shù)，以實現(xiàn)大規(guī)模，安全，高效，綠色的井底開采。

未來，薄煤層智能開采應(yīng)充分考慮薄煤層地質(zhì)條件的多樣性，著力提高薄煤層開采設(shè)備的適應(yīng)性和控制精度，探索使用“智能開采”的可能性。薄煤層”“作為與氣體兼容的技術(shù)手段。結(jié)合爆炸，巖壓等自然災(zāi)害的防治，構(gòu)建智能采礦，自然災(zāi)害的防治綜合理論與技術(shù)，為高品質(zhì)煤炭產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)支持。