煤礦井下采煤技術(shù)中存在的問題及應(yīng)對(duì)策略初探

王彥林

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

煤炭是我國的主要能源之一，對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到重要的推動(dòng)作用。現(xiàn)如今隨著開采深度的不斷增加，井下開采技術(shù)在應(yīng)用過程中也面臨著諸多問題，嚴(yán)重影響了煤炭資源的開采效率和開采安全性，例如瓦斯治理問題、巷道支護(hù)問題、長距離掘進(jìn)通風(fēng)問題等，只有從源頭上根除上述問題，才能真正保證煤炭資源的高效安全開采。

1 煤礦井下采煤技術(shù)存在的問題

1.1 瓦斯治理問題

瓦斯是影響我國煤炭安全開采的最主要因素之一，同時(shí)也是在開采過程中不可避免遇到的問題之一。因?yàn)殡S著煤炭資源的日益枯竭，越來越多的礦井不得不加大開采深度，這也會(huì)直接增加瓦斯的涌出量，對(duì)礦井的安全開采帶來嚴(yán)重威脅。現(xiàn)階段煤礦井開采瓦斯治理措施主要包括瓦斯突出防治和瓦斯超限防治兩大內(nèi)容，但是無論哪一項(xiàng)在實(shí)施過程中都具有很大難度[1]。例如，對(duì)于礦井瓦斯超限防治來說，現(xiàn)階段最常使用的手段就是進(jìn)行瓦斯抽采和增加礦井通風(fēng)量，但是由于我國煤層地質(zhì)具有很差的透氣性，所以瓦斯抽采不僅效率低、而且耗時(shí)耗力，會(huì)嚴(yán)重增加煤礦企業(yè)的開采成本。而且瓦斯抽采雖然可以在一定程度上讓煤層中的瓦斯壓力降低，能夠有效避免瓦斯突出，但是并不能從本質(zhì)上消除隱患的存在，因?yàn)楝F(xiàn)如今有很多學(xué)者已經(jīng)證明，瓦斯突出和瓦斯壓力并不存在正比關(guān)系，導(dǎo)致瓦斯突出的機(jī)理尚不明確，所以這也使得瓦斯治理難度一直居高不下。隨著綜采技術(shù)的日漸成熟，我國煤炭資源的開采強(qiáng)度也在持續(xù)增大，煤層在破碎過程中會(huì)釋放出大量的瓦斯氣體，如果不能采取有效措施進(jìn)行處理會(huì)導(dǎo)致瓦斯瞬時(shí)濃度超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致礦井產(chǎn)生瓦斯爆炸，嚴(yán)重威脅工作人員的人身安全。

1.2 巷道支護(hù)問題

對(duì)開采巷道進(jìn)行支護(hù)是確保煤炭資源安全開采的重要手段。如果在井下開采過程中工作人員沒有結(jié)合煤層特征選擇適合的支護(hù)方式，就很容易產(chǎn)生頂板冒落、煤壁片幫等問題?，F(xiàn)如今在井下開采中最常使用的巷道支護(hù)方式為：利用錨桿、錨網(wǎng)和錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，雖然支護(hù)效果顯著，但也絕不是萬無一失，仍舊存在著支護(hù)失效的可能。這是因?yàn)橄锏劳瑫r(shí)受靜壓和動(dòng)壓影響，而且現(xiàn)有技術(shù)很難準(zhǔn)確估計(jì)出動(dòng)壓大小，所以對(duì)于掘進(jìn)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)也就無法做到盡善盡美。除此之外，沖擊地壓也是巷道支護(hù)所面臨的一個(gè)重要問題，如圖1所示。

圖1 巷道沖擊地壓示意圖

根據(jù)查閱大量資料可知，有80%的沖擊地壓能夠作用在巷道中，一旦沖擊地壓發(fā)生將會(huì)嚴(yán)重破壞巷道的穩(wěn)定性，而且開采深度與沖擊地壓成正比關(guān)系。但是現(xiàn)如今對(duì)沖擊地壓的研究尚不成熟，因此也很難對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的防治。雖然液壓支架可以起到很好的支護(hù)效果，但是由于成本過于高昂，因此很難大范圍推廣和使用，特別是對(duì)于一些中小型煤礦來說根本難以承擔(dān)。值得注意的是，隨著煤礦巷道挖掘深度的持續(xù)增加，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)也在不斷發(fā)生變化：在工作面前方的圍巖應(yīng)力正比增加，在工作面后方的圍巖應(yīng)力反比減小，通俗的說就是在掘進(jìn)工作面前方一定位置處圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生顯著變化，并且在工作面處應(yīng)力到達(dá)最大值，在工作面后方一定位置后趨于穩(wěn)定。在掘進(jìn)過程中，挖掘前方兩側(cè)的圍巖應(yīng)力無明顯變化；掘進(jìn)工作面后方應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力升高區(qū)的面積在不斷擴(kuò)大，當(dāng)與工作面遠(yuǎn)離一定距離后，應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，圍巖應(yīng)力的變化也會(huì)對(duì)巷道支護(hù)的穩(wěn)定性帶來一些不利影響。

1.3 長距離掘進(jìn)通風(fēng)問題

在井下掘進(jìn)作業(yè)過程中，局部通風(fēng)機(jī)與巷道全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)是作業(yè)面的主要通風(fēng)動(dòng)力，其中又以局部通風(fēng)機(jī)作用最為廣泛，在我國煤礦企業(yè)中有著重要應(yīng)用。現(xiàn)階段我國的長距離通風(fēng)形式主要分為單巷掘進(jìn)長距離通風(fēng)技術(shù)、雙巷掘進(jìn)長距離通風(fēng)技術(shù)與多巷掘進(jìn)局部通風(fēng)技術(shù)三種，其中單巷長距離通風(fēng)技術(shù)又包括多級(jí)風(fēng)庫接力通風(fēng)、多臺(tái)局部風(fēng)機(jī)配合多條風(fēng)筒、大功率局部通風(fēng)機(jī)與長風(fēng)筒配合、風(fēng)庫中轉(zhuǎn)與通風(fēng)鉆孔聯(lián)合供風(fēng)、間隔串聯(lián)通風(fēng)等五種技術(shù)。隨著采掘工藝愈發(fā)成熟，井下作業(yè)的巷道長度也在不斷延長。延長的巷道雖然在一定程度上為回采作業(yè)提供了便利條件，但是同時(shí)也會(huì)因?yàn)樵黾恿司蜻M(jìn)面通風(fēng)距離，而導(dǎo)致風(fēng)筒漏風(fēng)、降低風(fēng)機(jī)有效性、空氣循環(huán)不徹底等情況的產(chǎn)生。

2 采煤技術(shù)存在問題的對(duì)策分析

2.1 強(qiáng)化瓦斯抽采和利用

因?yàn)槲覈簩拥耐笟庑暂^差，所以瓦斯治理難度很大，常規(guī)的鉆孔抽采并不能達(dá)到預(yù)期效果，因此必須對(duì)現(xiàn)有的瓦斯抽采措施進(jìn)行改進(jìn)和強(qiáng)化。在實(shí)際進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，工作人員一定要充分結(jié)合煤層的實(shí)際厚度、硬度和圍巖特征等因素，制定出更加完善的瓦斯抽采方案。對(duì)于硬質(zhì)煤層來說，因?yàn)榇朔N煤層的滲水率較差，所以可以采用水力壓裂、水力沖孔、深孔爆破等措施來強(qiáng)化進(jìn)行瓦斯抽采；對(duì)于軟質(zhì)煤層來說，可以使用大直徑高位鉆孔或者抽采鉆孔下套管等方式進(jìn)行瓦斯抽采[2]。如果在煤層中瓦斯的解吸速度較慢，那么工作人員還可以采取一些能夠強(qiáng)化瓦斯解吸的措施，例如可以在煤層中注入表面活性劑或者進(jìn)行注氮抽采等，表面活性劑可以增加瓦斯的吸附活性，因此可以在一定程度上提高瓦斯的解吸能力，而注氮抽采主要是利用氮?dú)飧哂谕咚沟奈侥芰Χ诿簩又行纬梢欢ǖ母偁幬?，迫使瓦斯被解吸?/p>

除此之外，煤炭企業(yè)也要強(qiáng)化對(duì)瓦斯資源的利用。瓦斯的主要組成成分為烷烴，以甲烷為主，同時(shí)配有少量乙、丙、丁烷，還有一部分其他氣體，瓦斯的主要成分比例如表1所示。

表1 瓦斯的主要成分表

瓦斯氣體的成分比例決定了瓦斯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此在煤礦的開采環(huán)節(jié)，可以將瓦斯分解成各種清潔能源，并將其轉(zhuǎn)化為電能和熱能，可有效降低煤炭開采的能源消耗[3]。除此之外，對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行抽采利用，還可有效降低因瓦斯氣體擴(kuò)散而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，具有一定環(huán)保意義，真正意義上的實(shí)現(xiàn)變廢為寶，發(fā)揮出能源的最大利用價(jià)值。

2.2 強(qiáng)化掘進(jìn)工作面巷道支護(hù)及加固設(shè)計(jì)

軟巖是一種十分常見的圍巖類型，為了最大程度提高巷道支護(hù)效果，工作人員就可以利用強(qiáng)度較高的錨桿，并對(duì)錨桿施加一定的預(yù)應(yīng)力，以此來提高圍巖的承載性能，降低圍巖的剪切變形。錨桿支護(hù)技術(shù)是現(xiàn)如今最為常見的巷道支護(hù)技術(shù)，不僅成本較低同時(shí)應(yīng)用簡單，能夠結(jié)合圍巖形變量適當(dāng)調(diào)整支護(hù)強(qiáng)度。但是在高應(yīng)力的制約下，并非所有的錨桿支護(hù)都能呈現(xiàn)出主動(dòng)的支護(hù)效果。錨注支護(hù)方式則主要采用灌漿的方法來提高圍巖的荷載力，同時(shí)也可有效提高圍巖抵御地下水侵害的能力，并且具有注得進(jìn)、黏得住等兩個(gè)時(shí)間與空間優(yōu)勢，支護(hù)效果明顯：一是可有效避免煤巖體因滑動(dòng)、離層、裂隙張開等因素而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形，可以最大程度的保證煤巖體的穩(wěn)定性和完整性；二是注漿可妥善改變開挖斷面周圍的采動(dòng)應(yīng)力場，不僅可以減小壓應(yīng)力區(qū)，同時(shí)也可有效抑制拉應(yīng)力區(qū)的產(chǎn)生。

2.3 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某煤礦的實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)改造為例。該煤礦作業(yè)面煤層厚度分布均值為5.5m，而且具有不易自燃的特性，瓦斯含量較低，整個(gè)煤層的傾角均值為3°，頂板巖層由外到內(nèi)分別由粉砂巖、中粒砂巖與細(xì)礫砂巖構(gòu)成，底板巖層均為粉砂巖。巷道的掘進(jìn)采用雙巷掘進(jìn)工藝，并利用錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷的斷面均為矩形，尺寸為4.15m×6.2m。在巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，為確保巷道供風(fēng)安全，決定對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2.3.1 巷道開口設(shè)計(jì)

巷道的施工大多是從輔助運(yùn)輸槽進(jìn)行開口作業(yè)的，然后反向挖掘反風(fēng)通道與機(jī)頭硐室，在進(jìn)行開口施工時(shí)，新鮮風(fēng)流會(huì)經(jīng)由輔助運(yùn)輸巷道流入順槽內(nèi)，并伴隨著挖掘進(jìn)度進(jìn)入機(jī)頭硐室與反風(fēng)通道，在二者未與回風(fēng)大巷貫通前，掘進(jìn)過程中所產(chǎn)生的污風(fēng)將會(huì)原路返回。

2.3.2 掘進(jìn)設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)頭硐室與反風(fēng)通道聯(lián)通于盤區(qū)大巷后，需要布設(shè)一個(gè)風(fēng)門于輔助運(yùn)輸槽內(nèi)。風(fēng)流會(huì)經(jīng)由機(jī)頭硐室、回撤巷道、反風(fēng)通道然后進(jìn)入盤區(qū)回風(fēng)大巷，同時(shí)伴隨順槽掘進(jìn)長度的不斷延長，需要設(shè)置密閉墻于已經(jīng)完成掘進(jìn)的橫貫聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，同時(shí)布設(shè)風(fēng)門于回撤巷道內(nèi)，這可以最大程度地避免風(fēng)流短路。在具體挖掘作業(yè)時(shí)，以1000m 為單位，順槽每前進(jìn)1000m，局部風(fēng)機(jī)就需要挪動(dòng)一次，并安置于橫貫聯(lián)絡(luò)運(yùn)輸槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)掘進(jìn)面的同時(shí)供風(fēng)，對(duì)于作業(yè)產(chǎn)生的污風(fēng)需要經(jīng)由反風(fēng)通道與輔助運(yùn)輸順槽傳輸至盤區(qū)回風(fēng)大巷中。改造后的通風(fēng)系統(tǒng)能夠切實(shí)保障長距離掘進(jìn)巷道中的通風(fēng)負(fù)壓和通風(fēng)量，可以為礦井開采提供安全的開采環(huán)境。

3 結(jié)論

綜上所述，煤炭作為我國重要的能源之一，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用，但是由于煤炭資源的大量消耗，導(dǎo)致煤炭資源的開采深度不斷增大，礦井深度的增加也使得井下煤炭開采技術(shù)在應(yīng)用過程中面臨了很多問題，例如瓦斯問題、巷道支護(hù)問題和通風(fēng)問題等，這些問題都嚴(yán)重制約了我國煤炭資源開采的安全性和開采效率，這也就要求技術(shù)人員必須能夠?qū)ΜF(xiàn)有的井下開采技術(shù)進(jìn)行改革與創(chuàng)新，促使技術(shù)更加完善，并采取有針對(duì)性的措施對(duì)井下開采過程中所遇到的一系列問題進(jìn)行處理，切實(shí)保障我國煤炭資源的高效安全開采。