1煤礦開采技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢

中國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國煤炭明總儲量在9000億t以上，含煤面積55萬多平方千米，而且煤種齊全，我國一次性能量消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭占75%以上，從煤中可以提取二百多種產(chǎn)品，因此煤炭工業(yè)發(fā)展的快慢，將直接關(guān)系到國計(jì)民生和我國的社會主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)。新中國成立后，原煤產(chǎn)量飛速增長，到2003年原煤產(chǎn)量已達(dá)30多億噸，居世界首位，近幾年來，由于對采煤方法進(jìn)行了改革以及更新了一批現(xiàn)代化采煤設(shè)備，已使一批煤礦跨入了現(xiàn)代化高產(chǎn)高效煤礦的行列，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤礦安全條件將進(jìn)一步得到改善，煤礦采煤生產(chǎn)技術(shù)將達(dá)到國際先進(jìn)水平。從1954年英國裝備了世界上第一個綜合機(jī)械化采煤工作面，長壁綜采在世界上采用半個多世紀(jì)，已經(jīng)成為煤礦開采的本質(zhì)安全技術(shù)。發(fā)展長壁開采的早中期，也是煤炭科學(xué)研究異常活躍的時期。長壁工作面支架支護(hù)的目的，就是要把冒頂限制到最低限度，衡量支架效果的尺度是“冒頂”。

我國發(fā)展綜合機(jī)械化采煤的初期實(shí)踐也表明，控制頂板的關(guān)鍵，就是防止工作面端面的破壞，因而選擇支架不僅僅要有足夠的工作阻力，更重要的是對端面無支護(hù)空間頂板的有效支護(hù)。近年來，我國煤礦發(fā)展高產(chǎn)高效的重要經(jīng)驗(yàn)之一，是以高阻力、大功率、數(shù)字化自動控制、高可靠性的裝備支持工作面高速長距離推進(jìn)，高產(chǎn)高效開采必須有可靠的地質(zhì)保障系統(tǒng)，中國礦業(yè)大學(xué)韓德馨院士和彭蘇萍教授提出，“高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)是根據(jù)高產(chǎn)高效礦井機(jī)械化、集中化程度高的特點(diǎn)，以地質(zhì)量化預(yù)測為先導(dǎo)，以物探、鉆探等綜合技術(shù)為手段，并依托先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)地質(zhì)工作的動態(tài)管理。它要求為礦井設(shè)計(jì)、采區(qū)布置、生產(chǎn)準(zhǔn)備、采面布置到回采等各個層次或階段提供可靠的地質(zhì)保障。因此，要實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，除選擇優(yōu)勢資源區(qū)塊為開采場地外，更重要的是對影響煤炭開采的地質(zhì)因素有系統(tǒng)和清楚的掌握”。需要指出，并不是所有的礦區(qū)和礦井都有“得天獨(dú)厚”的條件，都能創(chuàng)造“世界紀(jì)錄”。依賴于一定的煤層賦存條件，一個礦區(qū)必須有一個合理的開發(fā)強(qiáng)度，也決定了工作面應(yīng)有一個合理的生產(chǎn)能力，才能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。從生態(tài)環(huán)境保護(hù)角度探討了礦區(qū)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展問題，認(rèn)為應(yīng)該堅(jiān)持統(tǒng)一規(guī)劃、合理布局、適度規(guī)模、分散開發(fā)、就近轉(zhuǎn)化、保水采煤的開采總方針，堅(jiān)決杜絕小煤窯濫采亂挖，組建大型集團(tuán)公司統(tǒng)一開發(fā)，作好煤炭液化、氣化、水與煤關(guān)系的研究工作，確保礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。煤炭開采也要注意人與自然的和諧共存，夏玉成教授在“構(gòu)造環(huán)境對煤礦區(qū)地表環(huán)境災(zāi)害的控制作用”一文中指出，在不同構(gòu)造環(huán)境下，同樣強(qiáng)度的地下采礦活動在地表所造成的環(huán)境災(zāi)害現(xiàn)象是有明顯差異的。在不同構(gòu)造條件的煤礦區(qū)，地質(zhì)環(huán)境的抗擾動能力不同，因而對地下開采的承載能力也就不同。抗擾動能力強(qiáng)的煤礦區(qū)可以承受較大的開采強(qiáng)度，而抗擾動能力差的煤礦區(qū)，同樣強(qiáng)度的地下開采，就會導(dǎo)致嚴(yán)重的地表損害甚至環(huán)境災(zāi)害。

從這個意義上說，與地下采礦有關(guān)的煤礦區(qū)地表環(huán)境災(zāi)害，源于采動，但其形式與發(fā)展受控于構(gòu)造環(huán)境。而采動損害是指由于地下采動在地表產(chǎn)生的開裂、沉降和塌陷等嚴(yán)重?fù)p害地表生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)災(zāi)害。在構(gòu)造介質(zhì)、構(gòu)造界面特征相似，開采強(qiáng)度也相同的條件下，煤礦區(qū)采動損害與其所處的構(gòu)造應(yīng)力場性質(zhì)有關(guān)。在構(gòu)造擠壓區(qū)，一定的地下開采強(qiáng)度可能不會對地表造成強(qiáng)烈損害；而在構(gòu)造伸展區(qū)同樣強(qiáng)度的地下開采則可能對地表生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。長壁開采應(yīng)該提升到一個新的科學(xué)平臺，進(jìn)行開采環(huán)境評價以保證合理的開采強(qiáng)度，不損害地表環(huán)境。

2規(guī)范小煤礦采煤方法

李毅中局長在最近召開的全國小煤礦安全基礎(chǔ)管理工作現(xiàn)場會上講話指出，20世紀(jì)80年代初國家放寬辦礦政策，提倡“國營、集體和個人一起上”、“大中小煤礦共同發(fā)展”，受“有水快流”的影響，個體煤礦大量出現(xiàn)。原有的集體所有制煤礦通過承包租賃、轉(zhuǎn)讓出售、股份改造等方法途徑，轉(zhuǎn)變?yōu)閭€體或民營煤礦。1995年全國鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦多達(dá)72919處，產(chǎn)煤6.66億t，占當(dāng)年全國煤炭產(chǎn)量的48.9％。2005年8月煤礦整頓關(guān)閉攻堅(jiān)戰(zhàn)開始之際，全國共有小煤礦約2.3萬處。經(jīng)過近兩年的努力，截至2007年6月底，累計(jì)關(guān)閉非法和不具備安全生產(chǎn)條件、破壞資源環(huán)境、不符合國家產(chǎn)業(yè)政策的礦井9075處。據(jù)統(tǒng)計(jì)在建、改擴(kuò)建小礦約為3270處。以上合計(jì)，目前全國共有小煤礦1.7萬處左右。經(jīng)過整頓關(guān)閉之后保留下來的小煤礦，安全生產(chǎn)基礎(chǔ)條件總體上得到改善，安全保障能力有所提高。這是對我國小煤礦發(fā)展現(xiàn)狀的總體認(rèn)識。目前“合法”存在的有以下幾類：長壁留煤柱采煤法：其基本技術(shù)特征是工作面長壁布置、長壁推進(jìn)。一類是每推進(jìn)一段距離，保留一部分煤柱，形成問歇式推進(jìn)；一類是在采空區(qū)保留一部分煤柱，以支撐頂板防止工作面切頂。現(xiàn)代房柱式采煤法：主要是指引進(jìn)國外連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法或短壁采煤法，和在此基礎(chǔ)上發(fā)展的現(xiàn)代房柱式采煤，以連續(xù)采煤機(jī)或掘進(jìn)機(jī)開掘巷房和回采煤柱、機(jī)械裝煤、采用梭車或膠輪車運(yùn)輸、錨桿支護(hù)技術(shù)或?qū)Ｓ米砸浦Ъ転橹饕卣鳌l帶采煤法和條帶放頂煤采煤法：這是國內(nèi)外“三下”采煤，為了控制地表下沉，廣泛采用的一種采煤方法。開采區(qū)域采用類似長壁布置的方式，上、下部邊界分別布置通風(fēng)和運(yùn)輸平巷，垂直于通風(fēng)和運(yùn)輸平巷劃分若干個開采條帶，條帶間保留一定寬度的煤柱支撐頂板。還有在若干個條帶開采后，保留一個寬度更大的隔離煤柱。采用條帶布置，在開采特厚煤層時，沿底板布置開采層，放落其上放的頂煤，稱為條帶放頂煤采煤法。上述三類采煤方法，實(shí)際上也是國內(nèi)外除典型的長壁采煤方法外，廣泛采用的。都已形成自身的關(guān)鍵技術(shù)體系，鑒于文章分量限制，就不再贅述。長壁留煤柱開采，是國外在發(fā)展綜合機(jī)械化采煤前，采用的四類采空區(qū)控制方法之一。主要是單體支柱支護(hù)的條件下，支護(hù)阻力不足以抗御頂板壓力時采用。長壁留煤柱采煤方法長壁工作面不能連續(xù)推進(jìn)，遇煤柱就搬家，一般采用單體支柱，制約生產(chǎn)能力，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3復(fù)雜地質(zhì)條件下工作面高效開采技術(shù)

3.1地質(zhì)條件

煤礦93下07工作面煤層平均厚度2.98m,煤層平均傾角11°,最大傾角15°,工作面整體為單斜構(gòu)造,小構(gòu)造極為發(fā)育,密度大,落差不太大。掘進(jìn)過程中,上、下巷道及切眼共揭露小斷層53條。工作面直接頂為細(xì)砂巖,直接底為粉砂巖。最大涌水量為72m3/h,低瓦斯,有煤塵爆炸危險。

3.2過斷層技術(shù)的論證

根據(jù)斷層密,而落差較小的地質(zhì)狀況,綜合各種過斷層方法的利弊,并通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較、技術(shù)可行性研究以及對設(shè)備性能進(jìn)行充分研究的前提下,決定采用加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)行過斷層的方法開采93下07工作面。工作面強(qiáng)行過斷層,由于斷層帶附近裂隙發(fā)育,煤巖的整體性破壞嚴(yán)重,斷層附近的煤巖破碎嚴(yán)重,綜采面向前推進(jìn)很容易形成端面冒頂,影響工作面的正常生產(chǎn),為了分析綜采面過斷層時產(chǎn)生冒頂?shù)脑?下面以綜采面過下斷層從上盤向下盤推進(jìn)為例來說明，當(dāng)綜采面從上盤接近斷層面時,斷層破碎帶弱變區(qū)A范圍內(nèi)的煤層因破壞嚴(yán)重,其內(nèi)聚力幾乎為零,容易發(fā)生片幫,使端面空項(xiàng)距增大,破碎的頂板巖層很容易造成冒頂。

3.3端面控制

綜采工作面破碎頂板的端面冒頂是影響生產(chǎn)的重要因素,據(jù)調(diào)查,因頂板控制不好造成工作面停產(chǎn)時間占總停產(chǎn)時間的2614%。93上07工作面由于斷層的影響和頂板本身性質(zhì)的原因,頂板管理難度較大,因此端面控制也是實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效的一個重點(diǎn)。(1)端面距是影響生產(chǎn)的主要因素之一,研究表明,隨著端面控頂距離的增加,頂板冒落度也隨著增加。在93上07工作面開采過程中,要密切監(jiān)視和嚴(yán)格管理頂板,在斷層頂板破碎處及巷道三角點(diǎn)處時要用坑代品、工字鋼、板梁及時接頂,防止空頂。頂板出現(xiàn)冒落時,要及時打木垛控頂。此外,端面距增加也是煤壁片幫的一個原因,因此在開采過程中要控制好采高,利用好支架的護(hù)幫作用,盡量減少片幫的面積和數(shù)量。

3.4工作面開采過程中的其他因素

(1)采高。由于開采過程中頂板條件不是很好,采高不宜過大,適當(dāng)?shù)慕档筒筛呖梢杂行У乜刂贫嗣婢?防止頂板的大規(guī)模破碎,產(chǎn)生冒頂。(2)工作面推進(jìn)速度。工作面的地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)特性,工作面推進(jìn)越快,壓力作用越不明顯,掘進(jìn)越慢作用越明顯。(3)移架推溜方式。為了保護(hù)好頂板,應(yīng)該先移架后推溜,這樣及時支護(hù)減小了空頂面積,對維護(hù)頂板的完整性有很好的作用。(4)超前支護(hù)。根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)特性和巖體的連續(xù)性原理,超前支護(hù)可以有效地緩解礦壓在切眼處的作用,從而對地質(zhì)復(fù)雜而引起的頂板破壞有一定的保護(hù)作用。(5)端頭支護(hù)。兩巷道及切眼的連接處的三角煤處,壓力最大最易顯現(xiàn),也最容易出現(xiàn)冒頂事故,在兩頭一定要加大支護(hù)強(qiáng)度,采用密集柱子支護(hù)加邁步抬棚支護(hù)。煤礦93下07工作面小斷層極為發(fā)育且密度大,通過嚴(yán)密的論證和科學(xué)的施工,取得了252m長的工作面月進(jìn)尺180.45m、生產(chǎn)原煤20.6萬t的好成績。

4開采方法選擇

采煤方法的選擇必須堅(jiān)持符合安全、經(jīng)濟(jì)、煤炭采出率高的原則。采煤方法的選擇在基于上述原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)大力提高可采煤炭的回采率，看到具體煤層的優(yōu)點(diǎn)以及它所適應(yīng)的最合理的開采方法，減少資源浪費(fèi)，加強(qiáng)環(huán)保。歸納為以下幾點(diǎn)：(1)在煤層埋藏比較淺，地質(zhì)條件比較好的煤礦中應(yīng)大力提倡綜采，依靠引進(jìn)全套的先進(jìn)設(shè)備，比如神華集團(tuán)神東煤炭公司大柳塔，依靠先進(jìn)的設(shè)備和優(yōu)越的地理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)了單井首次破千萬噸，2002年綜采工作面年產(chǎn)量達(dá)到847萬t，刷新世界紀(jì)錄。(2)對于煤層比較厚，且埋藏不是很淺的情況下，應(yīng)充分利用放頂煤開采技術(shù)。比如兗礦集團(tuán)興降莊礦綜采一隊(duì)產(chǎn)煤超639．92萬t，并創(chuàng)造了綜放工作面最高月產(chǎn)63．2萬t的全國紀(jì)錄。(3)對于急斜煤層則可以采用水平分層放頂煤開采工藝，提高回采率，并且大大提高工作面年產(chǎn)量。