煤礦井下采煤技術中存在的問題及應對策略初探

王彥林

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 晉中 045400）

煤炭是我國的主要能源之一，對我國的經濟建設起到重要的推動作用。現如今隨著開采深度的不斷增加，井下開采技術在應用過程中也面臨著諸多問題，嚴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、巷道支護問題、長距離掘進通風問題等，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，同時也是在開采過程中不可避免遇到的問題之一。因為隨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，這也會直接增加瓦斯的涌出量，對礦井的安全開采帶來嚴重威脅。現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容，但是無論哪一項在實施過程中都具有很大難度[1]。例如，對于礦井瓦斯超限防治來說，現階段最常使用的手段就是進行瓦斯抽采和增加礦井通風量，但是由于我國煤層地質具有很差的透氣性，所以瓦斯抽采不僅效率低、而且耗時耗力，會嚴重增加煤礦企業的開采成本。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，但是并不能從本質上消除隱患的存在，因為現如今有很多學者已經證明，瓦斯突出和瓦斯壓力并不存在正比關系，導致瓦斯突出的機理尚不明確，所以這也使得瓦斯治理難度一直居高不下。隨著綜采技術的日漸成熟，我國煤炭資源的開采強度也在持續增大，煤層在破碎過程中會釋放出大量的瓦斯氣體，如果不能采取有效措施進行處理會導致瓦斯瞬時濃度超標，嚴重時將會導致礦井產生瓦斯爆炸，嚴重威脅工作人員的人身安全。

1.2 巷道支護問題

對開采巷道進行支護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合煤層特征選擇適合的支護方式，就很容易產生頂板冒落、煤壁片幫等問題。現如今在井下開采中最常使用的巷道支護方式為：利用錨桿、錨網和錨索進行聯合支護，雖然支護效果顯著，但也絕不是萬無一失，仍舊存在著支護失效的可能。這是因為巷道同時受靜壓和動壓影響，而且現有技術很難準確估計出動壓大小，所以對于掘進巷道的支護設計也就無法做到盡善盡美。除此之外，沖擊地壓也是巷道支護所面臨的一個重要問題，如圖1所示。

圖1 巷道沖擊地壓示意圖

根據查閱大量資料可知，有80%的沖擊地壓能夠作用在巷道中，一旦沖擊地壓發生將會嚴重破壞巷道的穩定性，而且開采深度與沖擊地壓成正比關系。但是現如今對沖擊地壓的研究尚不成熟，因此也很難對其進行有針對性的防治。雖然液壓支架可以起到很好的支護效果，但是由于成本過于高昂，因此很難大范圍推廣和使用，特別是對于一些中小型煤礦來說根本難以承擔。值得注意的是，隨著煤礦巷道挖掘深度的持續增加，圍巖的應力狀態也在不斷發生變化：在工作面前方的圍巖應力正比增加，在工作面后方的圍巖應力反比減小，通俗的說就是在掘進工作面前方一定位置處圍巖應力會發生顯著變化，并且在工作面處應力到達最大值，在工作面后方一定位置后趨于穩定。在掘進過程中，挖掘前方兩側的圍巖應力無明顯變化；掘進工作面后方應力降低區和應力升高區的面積在不斷擴大，當與工作面遠離一定距離后，應力變化趨于穩定，圍巖應力的變化也會對巷道支護的穩定性帶來一些不利影響。

1.3 長距離掘進通風問題

在井下掘進作業過程中，局部通風機與巷道全負壓通風系統是作業面的主要通風動力，其中又以局部通風機作用最為廣泛，在我國煤礦企業中有著重要應用。現階段我國的長距離通風形式主要分為單巷掘進長距離通風技術、雙巷掘進長距離通風技術與多巷掘進局部通風技術三種，其中單巷長距離通風技術又包括多級風庫接力通風、多臺局部風機配合多條風筒、大功率局部通風機與長風筒配合、風庫中轉與通風鉆孔聯合供風、間隔串聯通風等五種技術。隨著采掘工藝愈發成熟，井下作業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提供了便利條件，但是同時也會因為增加了掘進面通風距離，而導致風筒漏風、降低風機有效性、空氣循環不徹底等情況的產生。

2 采煤技術存在問題的對策分析

2.1 強化瓦斯抽采和利用

因為我國煤層的透氣性較差，所以瓦斯治理難度很大，常規的鉆孔抽采并不能達到預期效果，因此必須對現有的瓦斯抽采措施進行改進和強化。在實際進行瓦斯抽采時，工作人員一定要充分結合煤層的實際厚度、硬度和圍巖特征等因素，制定出更加完善的瓦斯抽采方案。對于硬質煤層來說，因為此種煤層的滲水率較差，所以可以采用水力壓裂、水力沖孔、深孔爆破等措施來強化進行瓦斯抽采；對于軟質煤層來說，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氣高于瓦斯的吸附能力而在煤層中形成一定的競爭吸附，迫使瓦斯被解吸。

除此之外，煤炭企業也要強化對瓦斯資源的利用。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濟價值，因此在煤礦的開采環節，可以將瓦斯分解成各種清潔能源，并將其轉化為電能和熱能，可有效降低煤炭開采的能源消耗[3]。除此之外，對瓦斯氣體進行抽采利用，還可有效降低因瓦斯氣體擴散而產生的溫室效應，具有一定環保意義，真正意義上的實現變廢為寶，發揮出能源的最大利用價值。

2.2 強化掘進工作面巷道支護及加固設計

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效果，工作人員就可以利用強度較高的錨桿，并對錨桿施加一定的預應力，以此來提高圍巖的承載性能，降低圍巖的剪切變形。錨桿支護技術是現如今最為常見的巷道支護技術，不僅成本較低同時應用簡單，能夠結合圍巖形變量適當調整支護強度。但是在高應力的制約下，并非所有的錨桿支護都能呈現出主動的支護效果。錨注支護方式則主要采用灌漿的方法來提高圍巖的荷載力，同時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、黏得住等兩個時間與空間優勢，支護效果明顯：一是可有效避免煤巖體因滑動、離層、裂隙張開等因素而導致的結構變形，可以最大程度的保證煤巖體的穩定性和完整性；二是注漿可妥善改變開挖斷面周圍的采動應力場，不僅可以減小壓應力區，同時也可有效抑制拉應力區的產生。

2.3 優化通風系統設計

以某煤礦的實際通風系統改造為例。該煤礦作業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，整個煤層的傾角均值為3°，頂板巖層由外到內分別由粉砂巖、中粒砂巖與細礫砂巖構成，底板巖層均為粉砂巖。巷道的掘進采用雙巷掘進工藝，并利用錨網進行支護，回風巷與運輸巷的斷面均為矩形，尺寸為4.15m×6.2m。在巷道掘進作業時，為確保巷道供風安全，決定對通風系統進行重新設計。

2.3.1 巷道開口設計

巷道的施工大多是從輔助運輸槽進行開口作業的，然后反向挖掘反風通道與機頭硐室，在進行開口施工時，新鮮風流會經由輔助運輸巷道流入順槽內，并伴隨著挖掘進度進入機頭硐室與反風通道，在二者未與回風大巷貫通前，掘進過程中所產生的污風將會原路返回。

2.3.2 掘進設計

當機頭硐室與反風通道聯通于盤區大巷后，需要布設一個風門于輔助運輸槽內。風流會經由機頭硐室、回撤巷道、反風通道然后進入盤區回風大巷，同時伴隨順槽掘進長度的不斷延長，需要設置密閉墻于已經完成掘進的橫貫聯絡巷內，同時布設風門于回撤巷道內，這可以最大程度地避免風流短路。在具體挖掘作業時，以1000m 為單位，順槽每前進1000m，局部風機就需要挪動一次，并安置于橫貫聯絡運輸槽內，實現對2個掘進面的同時供風，對于作業產生的污風需要經由反風通道與輔助運輸順槽傳輸至盤區回風大巷中。改造后的通風系統能夠切實保障長距離掘進巷道中的通風負壓和通風量，可以為礦井開采提供安全的開采環境。

3 結論

綜上所述，煤炭作為我國重要的能源之一，對經濟建設發展起到重要的促進作用，但是由于煤炭資源的大量消耗，導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在應用過程中面臨了很多問題，例如瓦斯問題、巷道支護問題和通風問題等，這些問題都嚴重制約了我國煤炭資源開采的安全性和開采效率，這也就要求技術人員必須能夠對現有的井下開采技術進行改革與創新，促使技術更加完善，并采取有針對性的措施對井下開采過程中所遇到的一系列問題進行處理，切實保障我國煤炭資源的高效安全開采。