煤礦井下采煤技術中的問題及解決方法分析

左春杰

（山西榆次北山煤業有限公司，山西 晉中 030600）

1 概述

經濟社會的發展，對能源需求量越來越大，雖然我國煤炭資源豐富，但煤礦資源不可再生，對社會經濟命脈有著重要作用。目前的煤炭開采量已無法滿足社會發展的需求，煤炭企業也在爭相創新井下采煤技術，優化采礦方法。煤炭開采技術的運用也要結合具體的情況，否則很容易在后續作業過程中埋下安全隱患。當下，如何提高煤礦企業安全生產和持續性效益，成為煤礦企業首要思考的問題。只有詳細分析井下復雜情況，并結合實際，運用科學的采煤技術和方法，才能更大程度上實現經濟和社會效益。

2 井下采煤技術

2.1 深井開采

不同于普通的煤礦開采技術，深井開采對采礦的技術水平要求更高，并且運用廣泛，例如，有的煤礦的開采深度可以達到1000m。但是深井開采面臨著情況復雜的地下環境，需要提前制定詳細完備的采礦方案，特別是針對煤礦的地層結構方面的問題。在開采之前，需要將礦山壓力和地層影響考慮在內。通過創新礦井的通風系統的技術，提高內部通風量，從而降低礦井里的內部溫度，提高深井開采的安全性[1]。

2.1 機械化采煤技術

2.1.1 綜合機械化

我們常用的綜采技術對機械化提出了很高的要求，幾乎割煤、采煤、運輸的每個環節都需要運用機械設備[2]。割煤過程包括割煤機器破煤和裝煤，破煤過程中需要運用到滾筒采煤機和刨煤機等設備。綜采在整個施工過程中都是通過人員才做到機械設備完成的，安全性較高，但是在運輸過程中必然會造成煤炭損失，這就要求操作人員嚴格遵守設備使用規范，提高生產效率，降低誤差，保障煤炭開采質量[3]。

2.1.2 普通機械化

普通機械化主要依賴人工，采煤過程中對機械設備的依賴程度不高（圖1），在割煤過程中尤其注意工作面不同，割煤方向的差異。在井下開采煤過程中，對滾筒采煤機和刨煤機的使用率不高，這對煤礦企業來說，能夠有效降低機械化的成本投入，提高收益。但是，大量的人工開采必然在開采過程中埋下安全隱患，導致人力資源的浪費。

圖1 割煤方向

2.2 連續采煤技術

目前，很多發達國家普遍運用連續采煤技術，并研發了成套的采煤工具，技術水平較為完備。雖然，我國還沒有完全掌握該項技術，但是為我國煤礦企業的開采指明了技術研究方向。類似的，破煤和裝煤仍然是開采過程的主要環節，連續采煤機將掘進和開采結合起來，在一定程度上可以解決勞動力問題，減少成本，有效降低施工過程中的風險[4]。另外，在采煤過程中回收再利用煤柱的方式能夠有效保護環境，為資源和環境的可持續發展提供支持。

2.3 爆破采煤技術

這項技術需要借助爆破方式完成采煤。主要的操作流程包括：打眼—裝藥—充填炮泥—安裝引線—進行爆破。破煤工作結束后，采煤人員將煤炭運輸上來，由于技術含量不高，在我國早期的采煤中就得到了廣泛運用。但是隨著長期的使用，其弊端也逐漸暴露出來，首要問題就是安全系數較低。爆破過程不僅需要技術水平較高的人員操作，還需要精準的計算，人工成本投入高。爆破后，人工裝煤、運輸，需要良好的井下通風條件，對開采的井下環境要求較高，隨著科技的發展，爆破技術也日趨成熟，提高了采煤效率[5]。

3 煤礦井下采煤技術中存在的問題

3.1 瓦斯治理

在煤礦井下采煤技術過程中，常遇到的問題就是瓦斯涌出、瓦斯爆炸，這類危險嚴重影響著采煤行業的可持續性發展。因此，瓦斯治理工作一直是制約采煤工作安全開展的因素之一，主要包括瓦斯超限防治和煤與瓦斯突出防治。首先，由于現煤層的透氣性比較差，不利于瓦斯超限防治，在抽采方面需要花費較多的時間，效果不好。其次，煤與瓦斯超限工作受到對其機理研究的限制，防治難度較高。最后，由于逐漸增加開采深度，隨之，難度加大，隨時都會出現瓦斯突然加大濃度，發生爆炸，可控性比較差。

3.1 巷道支護

特別是在綜采技術運用的過程中，由于不合理的巷道支護而導致的安全問題很多。由于采煤巷道需要同時承受靜壓和動壓的雙重作用，但是難點在于如何評估動壓。礦井的地質條件有較大差異，因此，支護方式也不同，要選擇能夠盡可能減小沖擊地壓對巷道的損害，提高采煤巷道的持續安全性[6]。如圖2中所示，沖擊地壓很容易對巷道造成破壞，同時，其機理研究起來有一定困難，導致相應的支護方式很難提前設計，成本增加。

圖2 沖擊地壓對巷道的影響

3.2 巷道快速掘進

采煤過程在巷道掘進中會出現兩個主要問題：首先，畢竟是井下采煤，巷道狹窄，掘進的速度必然受到限制，工作面準備無法跟上采煤機的前進速度，接替過程時間緊張。其次，采掘的工藝技術與破巖、支護等工作協同不到位，操作起來銜接困難。再加上地質條件復雜多變，很難確保井下巷道掘進的速度，進展緩慢?？傊?，煤礦井下采煤技術總體的機械化作業水平不高，安全隱患重重，只有通過技術優化和創新，建立完備的安全事故處理機制，將問題解決的重點放在支護、防治水和通風等方面，才能站在采煤市場的制高點，實現采煤行業的安全有序發展。

4 采煤技術問題解決方法

4.1 強化瓦斯抽采工作

瓦斯問題的解決能夠提高井下的透氣性，提高采煤工作效率，對瓦斯及時抽采也是對采煤工人的安全負責，實現采煤企業的轉型發展。在瓦斯抽采過程中要考慮到煤層實際情況，根據煤層的硬度、瓦斯的解吸等條件，不斷配套相應的瓦斯抽采工作。例如，針對煤層硬度比較高的情況，可以使用水力壓裂、深孔爆破、超臨界CO2壓裂、液氮壓裂及水力沖孔等方式來提高瓦斯的滲透率，針對煤層硬度較低的軟煤層，可以運用下套管和高位鉆孔的手段提高瓦斯抽采率。假設在瓦斯抽采過程中遇到解吸速度慢的情況，可以適當使用表面活性劑，提高瓦斯的活性和吸附性，還可以利用N2和CO2氣體，作用于瓦斯，提高瓦斯吸附速度。

4.2 創新巷道掘進技術

加快巷道的掘進速度，能夠提高井下采煤的工作效率，主要的技術手段是提高破巖速度，巷道的支護緊跟其后，另外，也要考慮到所作業的煤層條件、地質條件差異影響支護和掘進速度，盡可能避免煤礦開采過程中發生地質災害，對瓦斯爆炸和地壓沖擊情況提前做好預案?？梢酝ㄟ^以下三個方面開展工作：首先，在開采前期對地質情況詳細勘察研究，特別是考察斷層、褶皺等存在較大安全隱患的地質情況要重點關注，運用現代化技術手段獲取地質構造全面信息。其次，最大限度降低井下煤層中的瓦斯濃度。再次，創新煤炭挖掘工藝，使用先進的開采設備和技術手段武裝開采過程，提高各個工序的銜接度?？梢酝ㄟ^使用連續采煤機和錨桿機的方式提高煤巷掘進速度和掘進量。

4.3 設計地表移動觀測站

在地表設計移動觀測站主要分為兩種：網狀和剖面線狀的觀測站。觀測站形狀的選擇需要根據地質條件和開采工作情況。剖面線狀的觀測站應用比較多，一般有兩條觀測線，其中一條是半走向，另外一條是全傾向，具體的布置觀測線走向要根據開切眼情況。設計觀測站主要工作是進行日常觀測，對實測數據進行分析處理，找到移動規律，將移動參數確定下來，從而計算出邊界角、下沉參數、移動角、偏移距離等參數，進一步繪制井下開采的下沉曲線、曲率曲線等設計圖。具體的測量方法包括導線測量和三角高程測量。通過在傾斜和走向線建立控制點，運用GPS 連接控制點進行測量，或者運用全站儀進行三角高程測量。設計觀測站進行全面和日常觀測，具體的觀測次數和精度要嚴格按照《煤礦測量規程》開展工作。主要記錄和觀測的內容包括：采出厚度、工作面位置、地質構造、開采推進速度及水文條件等。

4.4 建筑物地上保護

在煤炭開采過程中往往會出現塌陷的隱患，因此地上保護是至關重要的一環，對于城鎮和村莊可以進行采前加固、采后維修及抗擊建筑物變形的方式。首先，可以設置變形縫加強對建筑物的保護，并且也是使用較為廣泛的加固措施；其次，可以使用鋼拉桿加固，一般設置在樓板和檐口位置保持水平，在面對地表正曲率的時候，可以提高拉應力，鋼拉桿加固方式也可以發揮鋼材的可回收特性。再次，利用鋼筋混凝土圈梁可以提高建筑物抵抗地表垂直和水平的變形，這種方式特別適用與較高的建筑物。最后，如果遇到在地表壓縮變形區域時，可以在其周圍開挖一定深度的槽溝，能夠有效抵抗地表壓縮，降低側壓力，有效保護地表建筑物，降低變形程度。

4.5 運用三維成像技術

可以運用三維成像的技術手段對瞬變電磁探測的結果進行成像，主要的過程分為：獲取二位數據—建立三維坐標—數據處理—三維成像出圖。使用瞬變電磁儀采集井下工作面數據信息，經過預處理和加工后獲取相應的二維數據信息，包括測線點號、探測距離和視電阻率值，為建立坐標系統提供數據支持。在建立坐標系統的時候，y 軸線上的數據代表直線探測距離，在井下開采過程中，探測線圈和底板之間有夾角，因此需要將數據分析中的y軸線的數據進行拆分，分別為yi和zi，然后對整理x 軸和視電阻率建立三維坐標。使用Load Data 將數據導入Net work 工作區，最后將數據保存在Gridder 模型中，借助surfer 軟件進行成像制圖。三維成像技術提高了精確度，能夠更加直觀觀察空間位置，提高立體感，為井下采煤提供精確的地質資料。

5 結語

通過對井下采煤技術的優化和改進，能夠提高采煤效率和安全性，保障我國采煤企業的長遠發展，提高我國煤礦企業在世界的競爭優勢。煤礦井下環境復雜，煤層結構多變，只有選擇合適的開采技術手段，創新開采方式才能提高開采率，獲取長遠的經濟效益。