煤礦采煤技術的合理優化探討

楊志

（貴州省水城縣煤炭管理局，貴州 水城 553040）

1 采煤技術優化的定義

煤礦井工開采的重要特點是地下作業。采用井工開采時，要開鑿井筒通至地下，掘進巷道，布置采區(盤區)和采煤工作面，進行采煤，采掘工作面要及時支護，采煤后的采空區應進行處理，采出的煤、矸要運輸并提升到地面。因此，煤礦地下開采的生產環節多，工序復雜，要以開采為中心，搞好掘進、運輸、提升、通風、排水、動力供應、通訊、地面布置及生產系統等的配合，搞好生產方法及組織管理。采煤方法優化的含義就是在所在礦區采用或引進新的采煤方法或裝備，對礦井的相關生產系統進行優化改造，對相關生產組織制度和作業方式進行變革，從而達到提高生產效率、經濟效益和安全水平的目的。

2 采煤技術設計準則

在選擇井工開采方法時，首先應考慮下列技術原則：采動影響的特征與程度。根據采動影響理論的研究成果，采動影響的主要特征是地表移動與變形，設計井下采煤方法時，應考慮地表移動與變形的特征與程度，在采深較小及急傾斜煤層時，還應考慮“上三帶”的特征與程度。資源回收率。為了減少采動有害影響，實現井下安全開采，有時需要采取降低回采率的開采措施。因此，如何處理資源回收率問題，是選擇采煤方法的主要原則。

3 煤礦采煤技術合理優化

目前有不少礦務局正在試驗離層注漿控制或減緩地面沉陷的新方法，只要具有合適的覆巖結構、選準離層帶的位置、掌握好隨工作面推進離層發生、發展及閉合的動態時空規律，也可取得良好的效果，但這種方法充填量大、充填水體進入裂隙帶后可形成事故隱患。協調開采是利用兩個煤層或分層同時開采所產生的地表移動和變形相互抵消的原理來達到減少開采對地表的影響。

3.1 離層注漿

3.1.1 離層帶充填技術：離層帶注漿減緩地表沉降技術是通過地面鉆向采空區上方覆巖中的離層帶高壓注入液體充填材料以達到控制覆巖下沉為途徑，最終實現控制地表沉降的目的。充填漿液在離層空間中的作用主要是，充填離層空間控制覆巖下沉，充填液體脫水后能形成足夠強度的“似巖體”支撐上覆巖體。離層帶注漿與采空區充填方法不同，它不在井下施工，對現有的生產系統無干擾，設備比較簡單投資也少，噸煤成本僅增加不超過2元。充填效果也非常明顯，煤炭的回收率很高。實施離層充填技術的關鍵是創造有離層存在的條件，控制采空區尺寸，使之不能達到充分采動，也即要準確確定可充填離層帶位置。開采尺寸是與離層分布規律密切相關的主要因素，在一定采深條件下開采尺寸直接決定于覆巖中拱梁平衡結構的形成，覆巖中達到極限拱時的最大開采尺寸為形成離層空間的最佳開采尺寸，開采尺寸直接限定離層分布范圍，隨工作面的推進，離層發展高度增加，并趨于定值，當工作面推進距離超過0.85倍的開采尺寸時達到充分采動，這時覆巖中的拱梁平衡結構遭到嚴重破壞，離層消失，此時地表將大幅度下沉。

3.1.2 離層注漿的效果實踐1991年l0月，離層充填技術被引入大屯煤電公司，并于1992年3月在該礦的7215工作面進行試驗，該工作面走向長960m，傾斜長110m，煤厚4.83m，分層開采，煤層傾角為 20°～23°，平均采深529m，采用走向長壁開采，冒落法管理頂板。通過地表觀測結果，采用離層充填技術后，地表最大下沉減少了34%，地表下沉速度也減少了43%，表明對地表建筑設施起到了較好的保護作用。

3.2 條帶開采

條帶開采法是一種特殊的開采方法，將被開采的煤層劃分為比較正規的條帶形狀，采一條(采寬b)，留一條(留寬a)，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的重量，而地表只產生較小的移動和變形。

1）條帶開采設計原則

煤層開采后所留條帶煤柱應有足夠的強度和穩定性，能長期、有效地支撐上覆巖層，從而達到減少地表移動和變形的目的。條帶的開采寬度，其尺寸應限制在不使地表出現明顯的波浪狀下沉盆地，而是僅出現單一平緩的下沉盆地范圍內。

2）采留比的確定方法

采出寬度b的確定。采出寬度一般根據實踐確定，參考國內外開采經驗，采寬b可按(1/4～1/8)選取。

保留條帶寬度a的確定。在一定的采寬條件下，無限制地加大a，也會使地表出現多個下沉盆地，因此a值應通過計算，而不能隨意確定。

煤柱強度不僅與煤柱試塊的單軸強度、煤柱長度、寬度和高度有關，還與煤柱弱面、頂底板巖性和煤柱側應力等圍巖體系有密切關系。在一般條件下，條帶煤柱的強度計算，推薦采用Wilson方法。Wilson通過對煤柱加載試驗，發現在加載過程中煤柱的應力是變化的，從煤柱應力峰值到煤柱邊界這一區段，煤體應力超過屈服點，稱這區域為屈服區。其寬度為Y，邊界峰值內的煤體變形較小，應力沒有超過屈服點，大致符合彈性法則，稱這區域為煤柱核區，寬度用s表示。實驗證明，屈服區寬度與開采深度H和開采厚度M有關。條帶煤柱的留寬。滿足下列關系

a≥2Y+S

Y=0.005MH

式中，s：核區寬度(m)

Y：屈服區寬度(m)

保留的條帶長煤柱是沿走向或傾向所留設的完整煤柱，當保留條帶煤柱寬度a>0.0lMH時，煤柱承受荷載的計算公式：

極限荷載：長煤柱Pl=40RH(a－4.92MH×10－4)實際承受荷載：

長煤柱P2=10R[Ha十b/2(2H-b/0.6)]

式中，P1：保留煤柱能承受的極限荷載(KN/m)

P2：保留煤柱實際承受荷載值(KN/m)

M：煤層采厚(m)

R：上覆巖層平均容重(KN/m)保留煤柱應有足夠的強度，其安全系數K必須滿足K=P1/P2>1。

我們在實例部分設計條帶開采參數時，就是通過對具體的地質、采礦條件分析，按照上述原則進行的，最終得到的是采出率高、煤柱穩定、地表移動變形小的優化方案。

3）條帶開采地表移動和變形預測根據實測資料可得，條帶開采的地表移動和變形規律與正規工作面回采相似，條帶開采的地表移動和變形可用概率積分法求解，但它的下沉系數、主要影響角正切、水平移動系數比正規工作面回采的小。

4 煤礦采煤技術合理優化實踐的評價

條帶開采法是一種局部開采方法，它將開采區段劃分為比較規則的條帶形狀，采一條，留一條，留下的條帶煤柱能夠充分支撐上覆巖層的載荷，在整個開采條帶采完后，地表形成一個單一均勻的下沉盆地，產生微小的移動和變形，該方法與全部開采方法相比，回采率較低，但能有效控制地表的沉陷，實現井下安全開采。條帶開采法不需要額外的設備投資，管理較為簡單，是一種較為理想的煤層下采煤方法。對于井下開采，有時采用一種方法達不到理想效果時，可以輔用其它方法，各種方法相互配合，達到減小地表移動和變形的目的。

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