我國(guó)厚煤層開采的技術(shù)研究

閆春雷

摘要：厚煤層礦井的開采體系極大地影響著煤礦生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。只有建立起完整的現(xiàn)代開采體系，才能最大限度地發(fā)揮礦井的能力和潛力。在當(dāng)今先進(jìn)的科技經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新形勢(shì)下厚煤層開采主要用放頂煤和大采高較多，這也使得煤礦企業(yè)解決了各種復(fù)雜條件下厚煤層開采的一系列技術(shù)難題，并且取得了極其顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。本文探討厚煤層的開采現(xiàn)狀與技術(shù)重點(diǎn)，掌握煤火的防治和提高采出率等技術(shù)手段，進(jìn)而提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：厚煤層 ?開采技術(shù) ?分層開采 ?放頂煤

0 引言

井工開采厚度3.5m以上的煤層、露天開采厚度10m以上的煤層為厚煤層。豐富的厚煤層儲(chǔ)量構(gòu)成了我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)的一個(gè)特色，也是煤礦生產(chǎn)行業(yè)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。但是由于目前我國(guó)在厚煤層開采方面的工藝流程和技術(shù)措施相對(duì)落后，傳統(tǒng)回采工藝巷道掘進(jìn)率高、工序復(fù)雜、效率低、成本高，使得儲(chǔ)量豐富的優(yōu)勢(shì)難以轉(zhuǎn)化成巨大的效益。所以，在如今煤炭行業(yè)集約化經(jīng)營(yíng)的改革要求下，如何選擇科學(xué)的回采工藝和技術(shù)措施，已成為煤礦企業(yè)亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

1 厚煤層現(xiàn)代開采技術(shù)工藝的選擇

結(jié)合目前煤礦產(chǎn)業(yè)厚煤層開采情況來(lái)看，分層開采、放頂煤開采和大采高綜采是主流的開采技術(shù)。本文將重點(diǎn)介紹分層開采技術(shù)和放頂煤開采技術(shù)。

1.1 分層開采

1.1.1 優(yōu)越性?，F(xiàn)階段，分層開采的綜合機(jī)械化采煤工藝是應(yīng)用較為普遍的采煤工藝。分層開采法不但可防止綜放開采時(shí)煤矸混雜影響煤質(zhì)，而且采放比適中，可提高頂煤回收率，同時(shí)頂分層還能起到保護(hù)層和卸壓作用。

1.1.2 缺點(diǎn)。①采準(zhǔn)巷道構(gòu)造復(fù)雜，巷道掘進(jìn)率高，不易于維護(hù)，工程費(fèi)用高;②必須借助人工假頂才能回采上分層，工作量大，無(wú)形中增加了人工費(fèi)用;③地質(zhì)構(gòu)造對(duì)回采工藝的影響較大;④煤層厚度發(fā)生變化時(shí)丟煤?jiǎn)栴}比較嚴(yán)重;⑤單產(chǎn)低，效益差。

1.2 放頂煤開采

1.2.1 放頂煤開采的優(yōu)越性及適應(yīng)

①優(yōu)越性。a回采工藝的機(jī)械化水平高，技術(shù)先進(jìn);b噸煤工效高，可集中生產(chǎn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的共效率高;c減少了礦井開拓和準(zhǔn)備的作業(yè)量，有助于新礦及新區(qū)改進(jìn)巷道布置;d基于礦壓理論、放礦理論，實(shí)現(xiàn)不利因素向有利因素的轉(zhuǎn)化。

②適應(yīng)性。a放頂煤回采的煤層厚度應(yīng)該大于6m且不超過(guò)10m。厚度超過(guò)10m的煤層，考慮到回采的安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)要求，建議分段回采。b煤層走向應(yīng)大于500～600m，在煤層傾角較緩的條件下應(yīng)用效果明顯。有些傾斜或急傾斜煤層，如果頂板條件和管理水平符合放頂開采要求，也能使用這種開采方式。c普放模式的頂板管理水平不及綜放模式，因此建議多使用綜放開采方式。d放頂煤開采，一般適應(yīng)煤的硬度系數(shù)f為0.5～0.6。當(dāng)f>2時(shí)，要使用放頂煤開采技術(shù)，必須采取一定的技術(shù)措施，前期準(zhǔn)備要充分。

1.2.2 缺點(diǎn)。①煤塵量明顯高于分層開采的煤塵量;②通常只能達(dá)到80%的回采率，不經(jīng)濟(jì);③不能“根治”自然發(fā)火問(wèn)題;④高瓦斯礦井若采用放頂煤開采方式，會(huì)造成瓦斯積聚。

2 厚煤層開采現(xiàn)狀

自上世紀(jì)七八十年代以來(lái)，厚煤層綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁放頂煤開采方式一直是世界各國(guó)廣泛關(guān)注的研究課題，也是我國(guó)5～20m厚的煤層一次全高開采率先推廣應(yīng)用的新型采煤模式。厚煤層綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁放頂煤開采方法要求將回采作業(yè)面布置在下部煤層，通過(guò)上部支架的窗口放出煤炭。若按傳統(tǒng)方法，必須經(jīng)過(guò)多次分層才能采出煤炭，而這種新型采煤方法無(wú)需多次分層就能將煤炭一次性采出，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

另外，放頂煤開采技術(shù)也是比較經(jīng)濟(jì)的開采方式。但是也應(yīng)該看到，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)大面積破壞作業(yè)面采場(chǎng)圍巖，對(duì)提高煤炭回采率的貢獻(xiàn)不大，而且回采中可能會(huì)增加瓦斯涌出量和煤塵量，增加煤層自然發(fā)火安全風(fēng)險(xiǎn)。由于我國(guó)厚煤層資源豐富，占總儲(chǔ)量的44.8%，因此放頂煤技術(shù)的研究和推廣對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展具有特別重要的意義[5]。

3 厚煤層現(xiàn)代開采的技術(shù)重點(diǎn)

3.1 綜放工作面放頂煤能力提高問(wèn)題。要提高綜放出煤率，首先要保證盡量同步采放。具體來(lái)講，就是放頂煤平均循環(huán)時(shí)間要小于采煤機(jī)平均割煤循環(huán)時(shí)間，盡量不讓采煤機(jī)停機(jī)等待放頂煤工序。綜放面采煤機(jī)割煤時(shí)，煤層高度基本一致。在煤層厚度變化大的時(shí)候，就要重點(diǎn)監(jiān)控后部刮板輸送機(jī)能力，控制好放煤速度，協(xié)調(diào)好前后部刮板輸送機(jī)的作業(yè)能力，適當(dāng)擴(kuò)大液壓支架后部放煤空間，提高放煤口啟停速度，以確保各部分協(xié)調(diào)工作。

3.2 加大工作面長(zhǎng)度。作業(yè)面煤炭掘進(jìn)速度提高后，為了節(jié)省采煤機(jī)斜切進(jìn)刀時(shí)間和綜采面端口作業(yè)影響時(shí)間，提高有效開機(jī)率，采掘面的長(zhǎng)度應(yīng)該適當(dāng)延長(zhǎng)，以增大可采儲(chǔ)量，延長(zhǎng)作業(yè)面連續(xù)推進(jìn)時(shí)間，控制上、下端頭頂煤丟煤現(xiàn)象，從而提高煤炭回采率。

3.3 大功率裝備的國(guó)產(chǎn)化配套。我國(guó)大型采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等國(guó)產(chǎn)設(shè)備，通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收，已有望趕超國(guó)外的設(shè)備水平。但有一部分重要元件的制造仍有賴于國(guó)外的生產(chǎn)工藝，尤其是電液控制設(shè)備和控制設(shè)備，應(yīng)該盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

3.4 煤層自然發(fā)火的防治。煤層自燃發(fā)火及其產(chǎn)生的安全隱患是厚煤層開采過(guò)程中必須面對(duì)的問(wèn)題。雖然目前煤炭防滅火技術(shù)的研究和開發(fā)已達(dá)到一定的水平，煤層自然發(fā)火現(xiàn)象也得到一定程度的控制，但是隱患尚在，如何徹底解決這個(gè)問(wèn)題，還有待深入研究。

3.5 提高煤炭回采率。在采煤過(guò)程中，必須重視資源回采率的高低。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)綜放回采率提高煤炭資源回采率是比較可行的方法。這就需要研究人員熟悉頂煤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和冒放規(guī)律，確定一套科學(xué)的放煤工藝，在回采中不斷優(yōu)化調(diào)整支架結(jié)構(gòu)，使回采參數(shù)更加合理，這都是提高煤炭回采率的可行辦法。

3.6 地面環(huán)境保護(hù)。與中厚煤層回采所造成的地表及環(huán)境的破壞情況相比，厚煤層只能說(shuō)有過(guò)之而無(wú)不及。在厚煤層回采階段，建議采用覆巖離層帶注漿、厚煤層地表保護(hù)性開采、矸石回填塌陷區(qū)等方法，來(lái)控制對(duì)地表的破壞作用。但是即便如此，厚煤層回采還是會(huì)造成地面塌陷。endprint

4 厚煤層提高采出率

煤炭采出率低，而且在放頂開采過(guò)程中還有幾個(gè)技術(shù)性的問(wèn)題亟待解決，比如作業(yè)面端頭過(guò)渡支架不能放煤，區(qū)段平巷頂煤損失，區(qū)段煤柱損失等等。為了徹底解決這些技術(shù)問(wèn)題，提高煤炭回采率，遇到傾角為0～25°、煤質(zhì)不是過(guò)硬、自然發(fā)火期在3～6個(gè)月左右的厚煤層時(shí)，筆者建議采用厚煤層無(wú)煤柱開采中一種錯(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法。

4.1 巷道布置。有的厚煤層具備分層回采的條件，同時(shí)也能滿足一次采全高的開采要求，建議采用錯(cuò)層位巷道布置系統(tǒng)，在不同的層位合理布置區(qū)段進(jìn)、回風(fēng)平巷。對(duì)于傾角小的煤層，可以考慮在厚煤層的下部層位沿底板布置區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷，在上部層位沿頂板布置回風(fēng)巷。對(duì)于傾角大的煤層，則將上述結(jié)構(gòu)顛倒過(guò)來(lái)，即在上部層位沿頂板布置進(jìn)風(fēng)巷，在厚煤層的下部層位沿底板布置回風(fēng)巷。

4.2 巷道布置的優(yōu)點(diǎn)。厚煤層錯(cuò)層位巷道布置全高開采模式是基于實(shí)際生產(chǎn)條件，將各類技術(shù)元素有機(jī)整合，形成了一套科學(xué)的回采工藝。該回采方式在原有分層開采工藝的基礎(chǔ)上，在回采工藝和巷道布置方面有一定程度的創(chuàng)新，提高了煤炭產(chǎn)量，并且實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱開采，巷道掘進(jìn)和后期維護(hù)的效率大大提高，開采成本大幅縮減，資源采出率達(dá)到了預(yù)期要求。另外，安全生產(chǎn)系數(shù)大大提高。端頭丟煤現(xiàn)象和煤層自燃發(fā)火問(wèn)題得到有效控制，不再使用兩巷在頂煤下掘進(jìn)的生產(chǎn)方式，以規(guī)避巷道高冒區(qū)發(fā)火安全風(fēng)險(xiǎn)。在煤層上部沿頂板布置回風(fēng)巷，用來(lái)疏散積聚在上隅角的瓦斯，確保井下安全作業(yè)。煤柱被取消后，在本層以下煤層回采過(guò)程中就不必從煤柱應(yīng)力集中區(qū)通過(guò)，降低了作業(yè)難度，同時(shí)也有效控制了地面下沉以及由此引發(fā)的各種風(fēng)險(xiǎn)。

5 厚煤層自然發(fā)火綜合防治措施

5.1 防止下巷道噴漿自然發(fā)火。利用3cm厚的噴漿對(duì)井下所有巷道進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)噴漿處理后，粗料石砌碹的巷道空隙大大減少，進(jìn)而減少了漏風(fēng)，進(jìn)一步降低了向煤層供氧的數(shù)量，這時(shí)煤層的氧化速度大大降低。同時(shí)，巷道經(jīng)過(guò)噴漿處理后，可以有效地抑制跑漏漿現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)巷道進(jìn)行噴漿處理，為預(yù)防巷道壁后厚煤層自然發(fā)火奠定基礎(chǔ)。對(duì)于井下密閉墻來(lái)說(shuō)，通過(guò)進(jìn)行噴漿處理，一方面可以防止采空區(qū)發(fā)生漏風(fēng)，另一方面可以避免采空區(qū)煤層自然發(fā)火。

5.2 改變采煤方法防止自然發(fā)火。在井下作業(yè)的過(guò)程中，通過(guò)采用分層的方式進(jìn)行開采，火區(qū)始終與回采工作面保持同步，可以說(shuō)滅火與采煤互相影響。在回采工作面采用全高放頂煤采煤方法進(jìn)行采煤作業(yè)，可以有效地減少采空區(qū)自然垮落快和漏風(fēng)，并且可以及時(shí)封閉采過(guò)聯(lián)絡(luò)巷道，在這種情況下，可以明顯減少采煤工作面高溫點(diǎn)及煤層自然發(fā)火。

5.3 改造礦井通風(fēng)方式，預(yù)防煤層自然發(fā)火。通過(guò)混合中央并列式、中央分列式對(duì)礦井進(jìn)行通風(fēng)，同時(shí)對(duì)軌道運(yùn)輸巷、膠帶運(yùn)輸巷進(jìn)行入風(fēng)處理，風(fēng)經(jīng)過(guò)工作面前順槽直接進(jìn)入工作面，然后經(jīng)過(guò)采煤工作面、后順槽、集中回風(fēng)材料巷，最后到達(dá)風(fēng)井。通過(guò)這種方式進(jìn)行通風(fēng)，在一定程度上可以減少了交叉巷道漏風(fēng)，巷道壁后煤層自然發(fā)火得到有效的控制。

5.4 地面用鉆機(jī)向火區(qū)打鉆孔滅火。確定井下自燃發(fā)火點(diǎn)后，在井上下對(duì)照?qǐng)D上填寫火區(qū)坐標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)在地面上根據(jù)井上下對(duì)照?qǐng)D進(jìn)行選點(diǎn)打孔，通過(guò)采用鉆孔灌黃泥漿的方式控制火區(qū)范圍，進(jìn)一步避免火區(qū)蔓延，然后在火區(qū)中心進(jìn)行打孔，通過(guò)灌黃泥漿的方式進(jìn)行滅火。如果火區(qū)范圍較大，在這種情況下，可以利用多個(gè)鉆機(jī)同時(shí)打孔;通過(guò)鉆孔灌漿的方式可以有效地控制火區(qū)范圍，為滅火創(chuàng)造有利條件。

6 厚煤層礦井高效輔助運(yùn)輸系統(tǒng)

從全球范圍來(lái)看，單軌吊、卡軌車、齒軌車和無(wú)軌膠輪車是當(dāng)前輔助運(yùn)輸設(shè)備的四大類，其驅(qū)動(dòng)方式主要包括鋼絲繩牽引、柴油機(jī)牽引和蓄電池機(jī)車牽引。在發(fā)展趨勢(shì)上，無(wú)軌膠輪運(yùn)輸成為主流。根據(jù)厚煤層現(xiàn)代開采技術(shù)的要求，大型、高效的機(jī)械化運(yùn)輸技術(shù)成為今后輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

7 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高產(chǎn)、高效、高安全性和高可靠性成為現(xiàn)代采煤工藝的發(fā)展方向。通過(guò)將采煤技術(shù)與現(xiàn)代高新技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)一步對(duì)采煤設(shè)備、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，進(jìn)而在一定程度上改進(jìn)、完善采煤工藝。近年來(lái)，隨著不斷引進(jìn)、消化和吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出一些大型設(shè)備，但是與國(guó)外相同設(shè)備相比，我們的設(shè)備在體積、重量、性能等方面有待進(jìn)一步完善。研究開發(fā)煤炭開采技術(shù)，尤其是煤礦開采技術(shù)及配套裝備，這是實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)、高效的重要途徑，同時(shí)這些裝備和技術(shù)可以提高采煤的安全性。實(shí)踐證明，在其他條件一定的情況下，通過(guò)增加開采強(qiáng)度，在一定程度上可以提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于任何礦區(qū)來(lái)說(shuō)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要結(jié)合自身的實(shí)際情況，選擇科學(xué)合理的開采工藝，不斷擴(kuò)大開采規(guī)模，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研之間的相互結(jié)合，不斷縮小我國(guó)煤炭開采設(shè)備與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。在研發(fā)任何新產(chǎn)品的過(guò)程中，都要以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益為目的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，綜放開采設(shè)備的研究開發(fā)空間將會(huì)逐漸增大，對(duì)此，國(guó)內(nèi)需要充分抓住這一發(fā)展機(jī)遇，加快綜放設(shè)備的研發(fā)進(jìn)程。

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