煤礦采礦工程中的采煤工藝與技術分析

＊吳志濤

（高平市應急管理局 山西 048400）

引言

經過多年的發展，中國的采煤工藝技術得到了飛速發展，煤礦開采的安全性和效率得到了顯著提升。隨著中國經濟的發展，煤礦開采的技術標準也相應地提高，但是現有的采煤工藝技術在應用過程中還存在著一些問題。這些問題主要集中在安全性和環境污染方面，急需解決，例如煤礦開采引起的開采沉陷問題、矸石山問題以及資源開采率較低的問題。本文圍繞采煤工藝技術存在的問題展開，重點探討了采煤工藝技術優化的措施。

分析從大量的現場實踐統計可以發現，現有的采煤工藝技術存在的問題主要有開采沉陷嚴重、矸石山污染、端頭支護困難以及煤炭資源回采率較低。下面將對這些問題進行具體的分析。

1.煤礦開采所面臨的問題

(1)開采沉陷嚴重

煤礦井下開采會破壞巖層的原始平衡狀態，在巖層重新實現平衡的過程中，會發生運動，導致在礦區周圍形成開采沉陷區。隨著礦區逐漸靠近居民區，開采沉陷引起的問題變得嚴重。開采沉陷多屬于地表不均勻沉降，會使得地表的建筑物承受較大的拉伸變形，出現裂縫。當出現的裂縫比較多時，便會影響到地面房屋的正常使用。此外，當地表產生貫穿性裂縫時，會導致地表水斷流，很容易導致地面出現干旱，進而導致地面農作物出現減產和蟲害問題。

(2)矸石山污染

目前，煤礦開采面臨著嚴重的問題是煤礦開采會產生大量的矸石。隨著開采時間的增加，矸石山的體積不斷增大。矸石山的堆積不僅占用大量的土地資源，還容易引發嚴重的環境污染。矸石是一種有毒的、有害的物質，它會隨雨滲入到地下水，從而對地下水造成一定的影響。同時，由于風蝕，矸石也形成了許多顆粒，長期滯留在大氣中，對大氣造成了很大的影響。同時，由于空氣中的懸浮體會被吹走，對周邊的空氣造成了很大的影響。另外，由于矸石中有一些易燃性物質，在高溫下很可能發生自燃，從而引起火災。因此，要時常對矸石山進行治理，以避免其自燃引起的火災，而矸石山的治理則耗費巨大的財力和人力。

(3)端頭支護困難

工作面的末端與回采巷通道相鄰，因而在工作面末端會受到很大的支撐。為防止受支撐壓力的作用，必須對其進行加固，一般采取暫時性的方法。在進行臨時支撐時，既要確保其強度，又要確保其有效的支撐。如果支撐力不足，在開采中極易出現冒頂事故，從而影響開采的效果。當前，采用單一的水力撐桿進行末端支護（參見附圖1），全靠人力來進行，總體的工作效率很差。

(4)煤炭資源回采率較低

據中國煤礦開采量的計算，其回采率為60%～80%。即在回采結束后，采空區仍然殘留20%～40%的煤種，這些煤種已無法再利用。因此，目前的煤礦開采技術依然存在著大量煤炭資源的損失，給煤礦企業帶來了巨大的困難。產生這一問題的根本原因在于目前采用的開采技術還停留在人工操作階段，難以精確地進行煤層整體厚度的切割。舉例：在對3.2m厚的煤層進行切割時，往往會留下0.3m厚的煤層，以防止在采掘過程中產生截齒磨損加重的情況，即，在工作面上留下0.3m厚的煤層，實際的工作面厚度僅2.9m。

2.采煤工藝技術優化措施探討

針對煤礦開采技術中的一些問題進行了剖析，指出要通過對目前煤炭開采技術進行改進，才能有效地克服這些問題。本文通過對煤礦生產工藝技術的分析，對采煤工藝技術進行了優化，包括采用采煤工藝、采用液壓支架進行末端支護和智能采煤工藝。

(1)采用充填采煤工藝

對于煤礦采掘中出現的地表塌陷，采取充填采礦技術是目前較為行之有效的方法。利用其它物質填充煤后的采空帶，以減少地面沉降。由于“三下”（建筑物下、水體下、道路下）的壓煤量不斷增多，因此，采用充填法進行煤炭開采是一種既經濟又可行的方法。同時，由于環境保護的需求越來越大，有時候必須進行表面的保水性開采，目前最佳的方法是采用充填法。與常規開采方法比較，其特點在于：在綜放裝置上增設了一套填充裝置。根據填充材料的差異，采用的填充方式也不盡相同，可用的填料有河砂、煤矸石、高水物料等，河砂的填充效率最佳，最為昂貴。在充填過程中，需要大量的填充物料，并需要一定的機械特性。利用矸石作填筑原料，可以很好地克服礦井采掘中矸石山的積聚問題。與其它的處理方式比較，填料是最節約、最快捷的一種，并且對周圍的環境造成的污染較少。礦井中分選矸石可以有效地抑制矸石山的增大。在煤礦開采過程中，采用的設備越來越多，既要進行地上的矸石輸送，又要進行地下的輸送。一個高效的采礦作業計劃體系，如果不建立合理的采礦計劃，就會對采礦作業造成一定的不利影響。

(2)采用液壓支架進行端頭支護

在開采時，由于煤層頂部的支撐壓力較大，在開采時，煤層頂部往往會發生冒頂事故。針對這種情況，過去煤礦也使用了一些設備，但是存在多方面的問題，具體如下。

①支護工藝復雜

在端頭支護時多采用的是柱式支護，需要大量的手工作業，勞動強度大，而且效率低。

②很難確保支撐的有效性

在支撐過程中，大多數采取的是臨時支撐方法，如果支撐的強度不夠，極易發生冒頂，地應力波動大。這給決定支撐強度帶來了困難。必須重復進行拆卸和安裝。在回采率較高的情況下，端頭支撐的速度很難得到保障。

針對端頭支護效率低且效果難以保證的問題，采用液壓支架來實現端頭支護。在綜采工作面端頭設置了一個液壓支架，液壓支架可以隨著工作面一起移動。該方法既能增加支架的強度，能減少支護時間，大大減輕了生產人員的負擔。在實際應用中，應按不同的工作面條件選用適當的支架。

③采用智能化采煤工藝

在綜采工作中，由于開采高度不受精確限制，造成了回采率偏低，因此必須采取智能開采技術。利用智能采煤技術，可以自動地控制采煤機截割的大小，利用地質雷達進行煤體的動態監測。從而實現精確的開采高度。同時，采用更多的探測器，可以更好地防護截齒，不必再因切到矸石而導致采煤機截齒磨損。智能化采煤技術是伴隨著智能化技術的發展而產生的一種新型采煤技術，它對煤炭生產的變革起到了積極的推動作用，使煤礦開采變得更安全、更有效。然而，要做到智能開采并非簡單之事。智能化采煤工藝是建立在信息化技術上的一項開采工藝，要求實現信號的實時傳輸和處理。由于煤礦井下具有較強的電磁干擾，一些常規的信息化設備在井下應用過程中存在失效的風險。此外，為了實現對井下復雜環境下采煤機的準確控制，在復雜礦井條件下，對采煤機開采進行精確的監控，還需要開發適用于采煤機采高控制的智能化算法。

3.采煤工藝的選擇分析

對煤礦開采技術的發展進行總結。要使煤礦安全、有效地開發，就必須針對礦井的具體條件，合理地選用相應的開采技術。煤礦開采技術的選取要綜合考慮煤層賦存條件、瓦斯含量、開采規模、員工配備等因素。

(1)煤層賦存條件

煤層的賦存狀況是煤礦開采技術的首要問題。在這些因素中，煤層的傾斜角度和厚度是影響煤礦開采技術的重要因素。在傾斜度較低（30°以下）的煤層，一般采用綜采技術。由于經濟效益原因，中國大部分的煤礦都是厚煤層和特厚煤層。在特厚煤層中，要采取大采高技術、綜采放頂技術，以提高特厚煤層的開采效率。目前，在大傾角煤層中，一般采用常規開采方法。這是由于在大傾角煤層中，由于綜采工作面上的各種儀器難以達到平衡，極易造成設備在大傾角作用下發生故障。

(2)瓦斯含量

煤層中的瓦斯含量對礦井的安全和開采技術的選擇有很大的關系。煤礦的采掘程度愈高，所放出的氣體愈多，對煤礦的安全也愈有危害。在進行大面積煤體的開發時，應依據煤層中的瓦斯含量，選用合適的采礦技術。在煤礦開采中，經常采用“綜放”采礦法，礦井的采掘強度普遍較高，因而在采掘中會產生大量的瓦斯。在進行深層煤層的時候，由于煤中殘余的瓦斯含量較高，必須保證采礦速率和強化礦井的通風。所以，在瓦斯濃度高的情況下，宜采用較為安全的綜合采掘技術，而不采用綜放技術。

(3)開采規模

根據煤炭資源的特點，提出了相應的礦井設計方案。采礦技術要與礦井產量水平協調，以確保所選采礦技術的經濟效益。如果煤礦開采技術的產能遠遠超過了煤礦的設計年產量，就會造成礦山使用壽命短，使機器裝備無法充分使用。舉例來說，如果礦山的年生產能力是3.0×105t，那么在開采過程中，可以采用一般開采或綜合開采。

(4)人員配置情況

先進的煤炭開采技術對員工的配備有很高的要求。由于煤炭工業是一種高風險的產業，它的特點決定了其在采掘過程中難以找到高素質的人員。在煤炭開采過程中，必須有大批熟練掌握信息技術的人員，而這些人員又不具備條件，這對煤炭開采技術的發展造成了極大的制約。綜上所述，礦井開采技術的選取受多種因素的影響，必須結合礦井實際情況進行科學的選擇。

4.結語

隨著煤礦開采相關技術的發展和應用，采煤工藝技術存在的問題也逐漸暴露出來，常見的問題主要有開采沉陷嚴重、矸石山污染、端頭支護困難以及煤礦開采效率低下等問題。要從采用采煤工藝、采用液壓支架進行末端支護和智能采煤等多個角度，對目前采煤工藝進行全面的優化。系統地分析了采煤工藝技術存在的問題及解決問題的方案，可以為煤礦采煤工藝技術的優化和發展提供一些新思路。