煤炭開采中的部分技術研究

摘要：隨著煤炭資源的大規模開采，深部采煤和蹬空采煤技術成了新的研究熱點。本文首先闡述了煤礦開采方法，接著針對蹬空煤層的上行開采技術進行了分析，最后基于SQL Server 2008+VB設計了包含數據庫、模型庫和方法庫的采煤決策支持系統，對煤炭開采技術的更深入研究進行了有益探索。

關鍵詞：煤炭開采 開采技術 技術研究

我國煤炭開采技術在經歷了手鎬采煤——風鎬采煤——爆破采煤——普通機械化采煤（普采）——高檔普通機械化采煤（高檔普采）——綜合機械化采煤（綜采）——綜合普通機械化放頂煤采煤（綜放）七個階段后，逐漸形成了綜采、普采、炮采三種工藝方式并存的局面。而隨著煤炭經濟的快速發展，煤炭開采技術獲得了充足的發展動力，眾多學者和技術人員針對煤炭開采中的各種問題進行了不同的研究與實踐，取得了顯著的效果。這些研究工作，為我國煤炭資源開發提供了良好的技術保障。但我們也看到，在經歷了煤炭的高強度開采后，煤炭開采逐漸向深部轉移，開采的難度隨之提升，且有不少的遺棄資源需要蹬空回采，這些技術難題擺在了我們采礦人員的面前，亟待解決。本文從煤礦開采方法出發，主要針對上行開采技術和采煤方法決策支持系統設計進行了研究。

1 煤礦開采方法

我國煤田地質條件的復雜性，決定了煤礦技術裝備是多層次的，在一個相對長的時期內必將是綜采、普采、炮采三種工藝方式并存。炮采工人勞動強度大、支護工作不安全、日產量及勞動生產率低、材料消耗量大，適應性強；普采工藝采煤工作實現了機械化，產量提高，設備投資少。但支架的架設和回撤工作仍為繁重的人工勞動，在頂板管理方面還顯得比較薄弱。就目前煤礦地下開采技術發展趨勢看，綜采是采煤工藝的重點發展方向，它具有高產、高效、安全、低耗以及勞動條件好、勞動強度小的優點。但是綜采設備價格昂貴，綜采生產優勢的發揮有懶于全礦井良好的生產系統、較好的煤層賦存條件以及較高的操作和管理水平。

采煤工作面的工藝過程，包括破煤、裝煤、運煤、支護、和采空區處理等工序?，F對破煤和采空區處理詳述如下：

1.1 破煤

以MG160/390-WD型雙滾筒采煤機為例，使用雙向割煤，滾筒截深0.6m，往返一次進兩刀，采煤機司機應隨時調整滾筒高度，保證采高2.1-2.3m，保證不超高、不割底。采用工作面端部斜切進刀割三角煤雙向割煤方式，根據采煤機機械特征，采煤機進刀段長度應不小于30m。

①當采煤機割至工作面端頭時，其后的輸送機槽已移近煤壁；②調換滾筒位置，前滾筒降下、后滾筒升起并沿輸送機彎曲段返向割入煤壁，直至輸送機直線段為止。然后將輸送機移直；③再調換兩個滾筒上下位置，重新返回割煤至輸送機機頭處；④將三角煤割掉、煤壁割直后，再次調換上下滾筒，返程正常割煤。

1.2 采空區處理

采空區處理方法有全部垮落法、充填法、煤柱支撐法、緩慢下沉法等。其中全部垮落法應用最廣。

全部垮落法是通過回柱放頂、移架使工作面控頂距范圍以外的頂板巖層有計劃地垮落下來，基本上填滿采空區，同時維護好控頂距范圍內的頂板，使其保持完整穩定。

特殊條件下頂板支護，工作面頂板破碎或過地質構造時，采煤機司機必須與拉架工密切配合，減慢截割速度，割煤與拉架間距不得超過5m，拉架時采取帶壓擦頂前移支架的方法。

工作面出現斷層時，若其落差小于1.0m，采取調低支架留設頂底煤的方法通過，工作面支架形式不變。若落差大于1.0m，采取放震動炮配合機組截割的方法通過，并另編制專項安全技術措施。

2 煤礦上行開采技術

礦山煤層開采時，一般開采順序都是沿著自上而下的順序進行，自下而上的開采方式在實際中應用不多。但在生產實踐中由于各種原因造成一些煤礦滯留有處于懸空狀態的煤層，或受當時生產技術條件所限，上部煤層為難采煤層；或因上部煤層煤質、厚度、價格等因素在當時處于不宜開采狀態。但隨著生產技術水平的提高、煤炭價格的上漲、煤礦生產技術體系的完善，這些曾經處于不宜開采狀態的煤層又會具備客觀的開采價值，尤其是對于一些資源臨近枯竭的老礦井，若能將處于懸空狀態的煤層安全、合理地開采，將會在延長礦井的服務年限、提高資源回收率、提高礦井生產系統的利用效率等方面創造出巨大的經濟和社會效益。所以國內外也有一些有益的嘗試與探索，總體來說有以下兩種情況：一是主動上行開采，即礦山開采設計時為消除或改善中組或上組煤層的不利條件而采取的先下后上順序的開采方式，其目的是使上部煤層降低其瓦斯含量或者卸壓或者疏干；另一種是被動上行開采，即礦山開采時由于客觀原因開采已采煤層水平的上覆煤層，其目的是節約資源，提高生產效率和經濟效益。

上行開采首先是開采下部煤層，其上覆巖層穩定后，再開始開采上部煤層，這樣就必須確定上、下煤層之間的距離，只有在層間距適當的時候才能有條件采用上行開采，否則就無法進行上行開采。當下部煤層開采后，采空區上覆巖層必然產生移動變形，從而產生冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶。

不同傾角、不同巖性的巖層及不同組合的覆巖，其移動規律及破壞規律是不同的。對于緩傾斜煤層，當煤層頂板覆巖內為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層時，冒落帶和裂隙帶的高度都是不一樣。當上下兩層煤的最小垂距h大于煤層的冒落帶Hm時，上下煤層的裂隙帶最大高度取標高最高者作為兩層煤的裂隙帶最大高。通常對下部煤層的影響主要是冒落帶，對上部煤層的開采影響主要是裂隙帶，彎曲下沉帶對上部煤層的影響不是太大。

根據煤巖層破壞的特征，從上行開采的需要出發，又關系到裂縫帶的高度，為了保證下部煤層開采以后所形成的裂縫帶不波及到上部開采煤層，必須確定冒落帶和裂縫帶的高度。

2.1 冒落帶

影響冒落帶的因素除采高以外，還與巖石的碎脹系數有關。一般來說，巖石比較軟時，巖石碎脹系數就?。粠r石比較硬時，巖石碎脹系數就大。

2.2 裂縫帶

在上行開采過程中，為了保證上部煤層在整體結構上不至于遭到破壞，通過計算導水裂縫帶的高度，可以確定上行開采時上、下煤層之間的允許距離。影響導水裂縫帶高度的主要因素是采出煤厚、煤層傾角、頂板巖性、采后時間等。圍巖的特性，包括下部已冒落巖石壓實后殘余碎脹系數的大小，以及上覆巖層的硬度和力學性質對導水裂縫帶的高度也起重要作用。

3 采煤決策支持系統設計

決策支持系統是把模型和分析技術與傳統的數據存取技術及檢索技術結合起來，開發出可為決策者提供不同決策時的各項結果，從而輔助決策者得到最優決策，進行決策支持的軟件系統。

采煤決策支持系統應針對不同煤層地質條件，建立相應的模型，提出所需的數據，確定評價的方法，最后設計在相應的子模塊中，集成為總的決策支持系統。

3.1 系統開發平臺選擇

系統建設平臺選擇如下：

操作系統：Windows XP；

數據庫系統：SQL Server 2008；

開發平臺：VB。

3.2 系統結構

系統總體結構設計如圖1所示。

3.3 系統主要模塊功能[1]

3.3.1 數據庫管理系統

數據庫管理系統主要用來存放系統運行時所需要的各類數據，并管理、維護和使用這些數據，它的功能包括：數據存取、修改、查詢、刪除和檢索。具體內容如下：①煤層地質條件數據；②機、炮采技術性決策指標和權重數據；③采煤設備型號參數數據；④模擬模型所需要的各項參數數據；⑤回采巷道圍巖穩定性分類指標數據；⑥回采巷道布置經濟評價所需要的基礎數據；⑦放頂煤開采與分層開采經濟比較數據；⑧綜合性評價各指標的權重。

3.3.2 模型庫管理系統

模型庫管理系統主要是存放各類輔助決策的模型，這些模型包括：①不同采煤機對應的采煤工作面產量模擬模型；②放頂煤工作面產量模擬模型。

3.3.3 方法庫管理系統

方法庫管理系統中主要包括各種預測方法和優化方法，對應于功能不同的優化程序，如：①機采形式與設備的選型；②放頂煤開采與分層開采的比較；③回采巷道圍巖穩定性分類；④回采方向與區段平巷留設方式的確定；⑤回采巷道布置方案的經濟評價。

4 結束語

本文主要針對煤炭開采技術中的部分問題進行了研究，在采煤方法敘述中，主要闡述了采煤工作面的破煤和采空區處理技術。上行開采技術是近年來較為熱門的研究方向，本文對該技術進行了詳細分析，解釋了冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶的由來。近年來，計算機技術在煤炭開采中扮演著越來越重要的角色，使用計算機進行輔助決策在很多大礦井已經不新鮮，本文亦對此問題進行了研究，設計了包含數據庫、模型庫和方法庫的采煤決策支持系統，給出了系統的設計思路、系統結構和各主要模型的功能描述。通過本文的研究工作，對煤炭開采技術研究是一次理論與實踐的探索，對推進煤炭企業更好的生產具有現實意義。

參考文獻：

[1]張幼蒂，王玉浚.采礦系統工程[M].徐州：中國礦業大學出版社.2005.

作者簡介：倪剛（1977-），男，陜西神木人，助理工程師，2011年畢業于中原工學院電氣工程及其自動化專業，現在神東煤炭集團公司總調度室擔任調度主管工作。