煤礦開采中常見采煤工藝適用條件分析

◎李治衛(wèi)

引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦行業(yè)逐漸向機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)化方向轉(zhuǎn)型升級，進(jìn)而衍生出了多樣化多類型的采礦工藝。如何根據(jù)煤礦實際條件選擇適宜的采礦工藝，是礦區(qū)開采作業(yè)中需要重點關(guān)注的問題。采礦企業(yè)應(yīng)該對礦區(qū)進(jìn)行科學(xué)調(diào)查，建立采礦工藝選擇標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實際情況選擇采煤工藝，使其能夠適合復(fù)雜的煤層開采環(huán)境，以提高礦區(qū)的實際開采效率和開采質(zhì)量，降低煤層開采難度，促進(jìn)煤礦行業(yè)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

一、中國煤炭行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

中國制定了許多人性化的政策推動煤礦企業(yè)的發(fā)展，無論是為采礦設(shè)備的研發(fā)改進(jìn)還是為新技術(shù)的探索都提供了很好的條件，因此中國煤炭行業(yè)處在世界領(lǐng)先地位。隨著近幾年科技的迅猛發(fā)展，中國的煤礦機(jī)械化生產(chǎn)設(shè)備更新?lián)Q代，具有更加高效安全的功能。20 世紀(jì)70 年代之前，中國煤礦開采主要依靠的還是人力勞動，使用的生產(chǎn)工具都較為簡陋，并不具備機(jī)械化生產(chǎn)的條件。直到20 世紀(jì)80 年代，中國引進(jìn)了煤礦綜合機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)，使得采礦過程實現(xiàn)了初始機(jī)械化的生產(chǎn)。隨著中國對采煤生產(chǎn)的持續(xù)自主研發(fā)，無論是采煤設(shè)備還是煤礦開采技術(shù)都有了很大的提升，為中國煤炭行業(yè)實現(xiàn)綜合開采奠定了優(yōu)良基礎(chǔ)。近年來，已有52 處千萬噸級煤礦，核定生產(chǎn)能力約占全國生產(chǎn)煤礦總產(chǎn)能的1/5。由此可判斷出中國綜合機(jī)械化采煤已大幅度實現(xiàn)應(yīng)用。

二、煤礦開采技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著中國經(jīng)濟(jì)和科技的進(jìn)步許多煤炭工業(yè)發(fā)展迅速。中國的煤炭工業(yè)有一定的發(fā)展，因為中國煤炭資源豐富，種類繁多。但是隨著社會對煤炭資源的需求不斷增長，煤炭開采技術(shù)的弊端逐漸顯現(xiàn)出來。在早期的國家發(fā)展中，煤炭行業(yè)的關(guān)注度沒有其他行業(yè)那么高，設(shè)備和技術(shù)都相對落后，建筑人員的安全保障不到保障，而且礦山經(jīng)營效率也相對較低。在發(fā)展過程中，國家逐漸認(rèn)識到煤炭工業(yè)的重要性，開始不斷地探索和開發(fā)創(chuàng)新的煤炭技術(shù)，部署先進(jìn)的設(shè)備，極大地促進(jìn)了煤炭工業(yè)的發(fā)展，提高了中國煤炭工業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)中的競爭力。

三、煤礦采煤工藝的基本原則

1.安全原則。

煤礦企業(yè)選擇采煤工藝時首先考慮的是安全原則，要有效保障采礦工人的人身安全。若一味考慮經(jīng)濟(jì)利益，則會在施工過程中發(fā)生意外事故造成人員傷亡。這不僅對煤礦企業(yè)的開采效率和經(jīng)濟(jì)效益有不利影響，還會影響整個行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，采煤企業(yè)應(yīng)高度重視安全問題，采取安全措施，加強安全監(jiān)控，規(guī)避危險隱患。

2.成本原則。

煤礦企業(yè)在開發(fā)過程中人力、物力等成本消耗巨大，而且受工期任務(wù)限制。因此，在實際工作中，也應(yīng)當(dāng)充分考慮成本原則，選擇適宜的采煤工藝進(jìn)行開采作業(yè)，使其能夠在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)回報。

3.煤炭采出率原則。

煤礦采煤工藝需要遵循煤炭采出率原則，此要素代表采煤的產(chǎn)量與效果，是煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益的體現(xiàn)。因此，煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷升級采煤工藝，規(guī)范采煤技術(shù)行為，加強安全管理行為，進(jìn)而提高煤炭采出率。

四、采煤工藝選擇

1.煤層賦存條件。

在選擇采煤技術(shù)時，首先要考慮煤層賦存狀態(tài)。所謂的“煤縫”是指煤縫的厚度、傾角和地質(zhì)構(gòu)造。通常，當(dāng)煤層傾角超過25 度時，建議采用一般開采技術(shù)。這是因為當(dāng)碳焊縫的傾角較大時，某些重型設(shè)備很難保持平衡，容易出現(xiàn)滑動或跌落的危險。當(dāng)煤層傾角小于25，地質(zhì)構(gòu)造相對較小時，如煤層厚度相對較小，地質(zhì)構(gòu)造較大時，建議采用全機(jī)械化開采技術(shù)。例如，在相對先進(jìn)的地質(zhì)構(gòu)造中，當(dāng)煤層厚度變化較大且地質(zhì)構(gòu)造眾多時，應(yīng)選擇一般的采礦技術(shù)。這是因為當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)相對先進(jìn)時，需要經(jīng)常轉(zhuǎn)移工作面。如果使用重型完全機(jī)械化的采礦設(shè)備，則需要很長的時間來搬運，這不利于高效開采煤炭資源。

2.礦井儲量情況。

在選擇煤炭開采技術(shù)時，我們還需要考慮儲量。因為籌建一個礦井需要較大資金投入，必須計算開采經(jīng)濟(jì)效益。所以礦井的使用壽命不能太短。正常情況下，礦井的使用壽命不得低于40 年。在一定的礦山儲量中，應(yīng)根據(jù)礦山的使用年限確定礦山的年生產(chǎn)量，并根據(jù)礦山年生產(chǎn)情況選擇合適的開采技術(shù)。一旦礦產(chǎn)儲量豐富，礦井年產(chǎn)量就能相應(yīng)增加。在礦產(chǎn)資源緊張的情況下，有必要適當(dāng)減少礦山的年產(chǎn)量。確定礦井年產(chǎn)量后，可以確定工作面長度，然后確定采礦技術(shù)。根據(jù)充分的經(jīng)濟(jì)評價，在厚煤層開采中應(yīng)選擇大采高技術(shù)；但是，如果經(jīng)濟(jì)評估不充分，則應(yīng)選擇高邊坡開挖技術(shù)或一般的全機(jī)械化開采技術(shù)。

五、煤礦開采中常見的采煤工藝類型

1.爆破采煤工藝。

采取爆破采煤工藝需要爆破、裝煤、運煤、支護(hù)以及采空區(qū)域處理等系統(tǒng)性作業(yè)內(nèi)容，每個環(huán)節(jié)需要相互配合才能實現(xiàn)良好的爆破效果。爆破采煤工藝的重點包括兩方面，一方面是合理選擇鉆孔爆破位置，規(guī)避對頂板、支架和運輸設(shè)備的損壞；另外一方面則是有效控制炸藥用量，根據(jù)礦區(qū)實際和煤層頂板的穩(wěn)定度、煤層厚度、地質(zhì)條件和環(huán)境結(jié)構(gòu)做出分析，在完善的參數(shù)調(diào)查基礎(chǔ)上明確炸彈用量，保證爆破效果，使煤塊相對均勻的同時也能減少炸藥和雷管的使用量。目前來講，爆破采煤工藝在出塊率和開采效率上有了較大提升，爆破采煤工藝技術(shù)應(yīng)用也逐漸趨于成熟，但仍然存在爆破之后煤塊處理問題。輸送機(jī)可以將工作面落下的煤塊運輸?shù)教囟ㄎ恢茫溆嗝簤K還需要借助人工完成裝載，工作量較大。

2.充填采煤工藝。

為了減少煤層開采對地表的傷害，科學(xué)家和專家們發(fā)明了充填采礦技術(shù)。這種技術(shù)會根據(jù)傳統(tǒng)的完全機(jī)械化開采技術(shù)來增加充填技術(shù)，也就是說，開采石煤后形成的采空區(qū)充滿了其他材料。充填采礦區(qū)后，采礦區(qū)上方的地層移動范圍較小，不會發(fā)生塌陷。此過程適用于煤礦上面有重要建筑物和設(shè)施（如鐵路、高速公路和蓄水池）的情況。此過程也用于水利開采，因為煤礦開采引起的地表塌陷越來越明顯。隨著國家對煤礦環(huán)境保護(hù)的要求的提高，這一過程具有很高的適用性。

3.連續(xù)采煤技術(shù)。

連續(xù)采煤技術(shù)主要利用連續(xù)采煤機(jī)的成套設(shè)備進(jìn)行井下采煤工作，具有非常高的效率，因此為了促進(jìn)我國煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，該技術(shù)成為煤炭企業(yè)的重點研發(fā)對象。在井下煤礦開采的過程中，主要在破煤和裝煤環(huán)節(jié)應(yīng)用該技術(shù)，通過利用連續(xù)采煤機(jī)充分結(jié)合掘進(jìn)和開采工作，有利于提高工作效率，在很大程度上降低煤礦采集環(huán)節(jié)對勞動力的需求。該技術(shù)的應(yīng)用，不僅更好的保障煤炭開采質(zhì)量，還有利于提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。另外，在連續(xù)施工的過程中，便于回收相應(yīng)煤柱，進(jìn)而避免浪費煤炭資源。

4.常規(guī)綜采工藝。

中國在八十年代開始采用全機(jī)械化開采技術(shù)，并進(jìn)行了廣泛的工業(yè)試驗，積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗。在中國早期廣泛采用了傳統(tǒng)的全機(jī)械化開采技術(shù)。切割設(shè)備的最大采高在傳統(tǒng)的全機(jī)械開采技術(shù)下低于3.5m，頂板由液壓支架控制。采用全機(jī)械化開采技術(shù)極大地釋放了煤炭資源的開采效率，工作面單位產(chǎn)量已從數(shù)十萬噸增加到數(shù)百萬噸。與傳統(tǒng)的采礦技術(shù)相比，全機(jī)械化開采技術(shù)大大降低了工人的勞動強度，減少了工作面中的工人數(shù)量，極大地提高了安全性。全機(jī)械化開采技術(shù)主要適用于厚煤層開采，煤層傾角相對較小，最大傾角不超過煤層傾角標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的全機(jī)械化開采技術(shù)適用于煤的硬度不太高，幫派長度也較低的情況。目前，一般的全機(jī)械化開采技術(shù)主要應(yīng)用于中小型礦山，也就是說，煤礦生產(chǎn)要求較低的礦區(qū)。

5.綜合機(jī)械化采煤技術(shù)。

綜合機(jī)械化采煤工藝有別于傳統(tǒng)的采煤工藝，這種新型的采煤工藝實現(xiàn)了機(jī)械化的自動生產(chǎn)，解放了大量的人力，可以為煤礦企業(yè)節(jié)約大量成本，同時創(chuàng)造更大的價值，是一種現(xiàn)代化的采煤方式。通過綜合機(jī)械化采煤工藝，可以實現(xiàn)破煤、運煤、支護(hù)等采煤各個環(huán)節(jié)工作的機(jī)械化，進(jìn)而保證采煤工作各個環(huán)節(jié)的工作效率，讓煤礦企業(yè)的采煤工作既能夠擁有更高效率的同時，還能夠有效保障相關(guān)工作人員的人身安全。綜合機(jī)械化采煤工藝的發(fā)展，既促進(jìn)了采煤工作效率的提高，同時還有效保障了采煤工作人員的人身安全，對于煤礦企業(yè)來說，綜合機(jī)械化采煤工藝是一種非常重要的采煤方式，也是目前煤礦企業(yè)普遍采用的一種采煤方式。在傳統(tǒng)的采煤工作中，受到條件的限制，采煤工作受到煤礦環(huán)境的影響較大，這些環(huán)境因素大大制約了采煤的速度，同時還會對采煤工作人員的人身安全造成一定的威脅，限制了煤礦企業(yè)的發(fā)展，能源日趨緊張，社會對煤等礦產(chǎn)資源的需求也越來越大，傳統(tǒng)的采煤工藝已經(jīng)不適應(yīng)社會的發(fā)展所需，因為通過傳統(tǒng)方式開采出來的煤炭已經(jīng)供應(yīng)不足，在社會龐大的需求量下，亟需一種擁有更高工作效率的采煤工藝，綜合機(jī)械化采煤工藝正好可以讓采煤工作擁有更為高效的工作效率。

6.大采高采煤工藝。

中國許多礦區(qū)都有超過10 米厚的煤層。為了提高這種特厚煤層的開采效率，開發(fā)了一種高采高的開采技術(shù)。與傳統(tǒng)的全機(jī)械化開采技術(shù)相比，高采高開采技術(shù)的切割效率更高，水力高度和體積也更大。通過在一些礦山的應(yīng)用，我們可以發(fā)現(xiàn)，這一過程帶來的煤炭產(chǎn)量增長是驚人的。目前，擁有大型礦山企業(yè)的最大工作面年產(chǎn)量可提高約2×107t，是傳統(tǒng)綜采工作面的10 倍以上。高采高開采技術(shù)主要適用于煤層厚度大、賦存條件好的礦井。傾角相對較大時，由于采高的支架質(zhì)量較高，因此很容易降低。因此，具有較高采礦高度的工作面傾角通常較小，通常低于5。與此同時，高采高技術(shù)對車道和其他配套設(shè)施有更高的要求。為便于安裝大型礦山環(huán)境的工作面，車道橫斷面的大小也相對較大。此外，由于采礦技術(shù)設(shè)備的生產(chǎn)成本相對較高，一套設(shè)備可能要花費數(shù)億元，這就要求煤礦得到大量的資金支持。目前，該技術(shù)僅應(yīng)用于少數(shù)條件良好的礦區(qū)，如山西、內(nèi)蒙古和陜西。

7.放頂煤采煤工藝。

為了進(jìn)一步提高采礦效率并降低超厚煤層開采成本，目前正通過改進(jìn)傳統(tǒng)的全機(jī)械化開采技術(shù)來指導(dǎo)高瓦斯開采技術(shù)。石煤回采技術(shù)與傳統(tǒng)全機(jī)械化回采技術(shù)的主要區(qū)別在于采用了頂煤液壓支架。由于礦井的壓力，液壓支架上方的頂煤會破裂，并通過液壓支架后面的孔破裂。合理控制采礦作業(yè)與采礦作業(yè)的比例，厚度超過10 米的煤層可一次開采，從而顯著提高采煤效率。頂煤開采技術(shù)主要適用于厚煤層開采，一般適用于厚達(dá)8-10 m 的特厚煤層開采。此外，該工藝對煤焦油中的氣體也有較高的要求。由于上開采量是普通綜采工作面的好幾倍，因此不僅釋放了大量的煤塵，而且釋放了大量的瓦斯，增加了煤礦瓦斯爆炸的可能性。因此，本技術(shù)主要適用于煤礦井下瓦斯治理。為了進(jìn)行比較，證明高礦藏的生產(chǎn)成本相對較低，目前已在中國許多礦區(qū)得到應(yīng)用。

六、采煤工藝適用條件

1.綜采工藝適用條件。

綜采工藝雖具有開采效率高、安全系數(shù)高、采礦工人作業(yè)壓力小、投入成本低等優(yōu)勢，但其實際應(yīng)用的范圍較小。這主要是因為機(jī)電設(shè)備成本偏高，環(huán)境結(jié)構(gòu)不符合要求，技術(shù)工人操作不規(guī)范等。例如：綜采工作面使用的一臺順槽運輸機(jī)購入價格7×104～10×105 元，這對于采礦企業(yè)的資金支持與運轉(zhuǎn)要求極高，部分小型采礦企業(yè)根本不具備購入條件。根據(jù)綜采工藝的應(yīng)用情況，分析得出綜采工藝的適用條件，主要有以下3點：a）采用綜采工藝要求煤層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為簡單、規(guī)整，煤層賦存的穩(wěn)定性較高；b）礦區(qū)的頂板和底板防護(hù)要到位，充分考慮綜采作業(yè)頂板與頂板的尺寸、方位、距離等具體指標(biāo)；c）開采煤層的傾斜角度55°以下效果更好。

2.連采技術(shù)的適用條件。

連采技術(shù)在煤礦開采過程中的應(yīng)用，同樣具有重要意義。在煤礦開采的過程中，應(yīng)用該技術(shù)可以改善出煤速度，對機(jī)械化的應(yīng)用程度較高，能夠降低施工成本，并且充分保障井下作業(yè)的安全性和可靠性。但該技術(shù)也存在一定的不足，比如通風(fēng)條件較差，該技術(shù)在煤礦開采過程中的應(yīng)用需要確保開采煤層的傾角小于等于15°，同時煤炭埋藏的深度比較淺，相應(yīng)煤層的構(gòu)造也不能過于復(fù)雜。在大規(guī)模的煤礦開采過程中，該技術(shù)還只是一種輔助方式。當(dāng)前對于連采技術(shù)存在的不足，還需要不斷進(jìn)行探索分析，提高該技術(shù)的應(yīng)用水平，以保障煤礦開采作業(yè)的效率。

3.爆破采煤工藝適用條件。

爆破采煤工藝是目前較為成熟的一種采煤工藝。要想深入應(yīng)用爆破采煤工藝，發(fā)揮爆破優(yōu)勢，就應(yīng)該準(zhǔn)確分析爆破采煤工藝的特點及其適用條件。其具體特點包括：機(jī)械化程度較低，技術(shù)要求不高，嚴(yán)格規(guī)定與限制炸藥和雷管的使用量，精確分析、合理選擇鉆孔爆破地點，廣泛適用于無法采取機(jī)采措施的煤層等。這些特點可體現(xiàn)出爆破采煤工藝的優(yōu)勢以及重要性。鑒于此，采礦企業(yè)應(yīng)該重視對爆破采煤工藝的研究，不斷改進(jìn)爆破工藝中存在的不足，使其能夠更加完善，從而滿足傾斜角度較大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的煤層工藝使用需求，進(jìn)一步提升煤礦開采量與開采效益。

結(jié)束語

總而言之，在我國煤礦事業(yè)發(fā)展的過程中，對相關(guān)采煤技術(shù)不斷進(jìn)行創(chuàng)新，雖然已經(jīng)取得一定的成效，但還存在一定的缺陷，需要進(jìn)一步完善各項技術(shù)。同時，煤炭企業(yè)在實際開展采煤作用時，需要結(jié)合企業(yè)實際情況，合理選擇采煤技術(shù)和采煤工藝，充分發(fā)揮各項技術(shù)的優(yōu)勢，保障采煤作業(yè)的安全性，降低工作人員的勞動強度，促進(jìn)煤礦企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。