薄煤层智能化开采影响因素分析

金志远，王 沉

（1.贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550003；2.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025）

我国的煤炭资源丰富，但禀赋特殊，厚度1.3m以下的薄煤层约占全国煤炭保有储量的20%左右，薄煤层储量占保有储量的50%以上。但由于薄煤层受到环境和空间的制约，工作条件恶劣，开采难度大，掘进率、工作面生产效率和产量低，普遍导致了各类矿区“采厚弃薄”的现象，据不完全统计，2019年在达标的1148个工作面中，薄煤层工作面占比为5.92%，但产量只有1.1%[1]。因此，薄煤层开采问题越来越突出，已是无法回避的问题，而智能化开采是解决这些问题最有效的途径。薄煤层智能化开采影响因素有很多，从客观因素和主观因素两个主要方面展开分析。

1.客观因素

1.1 煤层厚度

《煤矿安全规程》地下开采时厚度1.3m以下的煤层为薄煤层。从煤层开采角度来说，薄煤层开采高度与煤层厚度相一致，可以保证煤炭资源的有效开采，含矸率很低；而针对回采巷道来说，为了使回采巷道与薄煤层开采高度相一致，巷道的设计净断面高度控制在1.3m以下最为合理。但在巷道高度1.3m以下的作业环境下，工作人员需要弯腰或趴着工作，劳动强度大，且狭小空间安全隐患有很多。薄煤层回采巷道一般多是半煤岩巷道，据统计半煤岩巷道的最低掘进高度通常在2.2～2.6m之间，而且这样的比例占到了79.6%左右。薄煤层厚度在1.3m以下，而实际薄煤层巷道高度在2.2～2.6m之间，巷道掘进过程中的破岩率和含矸率都很高，达到了50%左右。从薄煤层采煤工作面开采方面考虑，薄煤层厚度在1.3m以下，而薄煤层采煤机最小开采高度一般在1.1m以上，但是如果薄煤层厚度小于1.1m，采煤机开采高度大于煤层厚度，就会出现薄煤层煤炭开采过程中的含矸率问题，煤层高度越小，含矸率越高，也会造成设备损耗问题。

1.2 煤层倾角

煤层倾角是影响煤层开采方法和采煤设备选择的重要因素。近水平、缓倾斜煤层和倾斜煤层倾角相对小，采用传统薄煤层开采方法，基本不存在设备稳定性问题；但是倾角大于45°，就要考虑采煤机、液压支架等设备的防倒防滑稳定性问题。例如李文树等人发表的《急倾斜薄煤层智能化开采技术研究及发展》文章中指出，倾角大于45°薄煤层开采存在采场空间受限，设备性稳定性等问题，如果考虑急倾斜薄煤层智能化开采，涉及的问题就会更多，他们提出了急倾斜薄煤层智能化开采技术，并研发了配套设备，在煤矿现场应用效果较好[2]。

1.3 构造

构造是地壳运动的产物。在煤矿遇到断层、褶皱等构造是常有的事情。构造对薄煤层智能化开采影响较大，如果沿工作面走向方向存在向背斜构造，而翼角角度不大的情况下，薄煤层智能化开采影响不是很大，如果翼角角度较大，薄煤层智能化工作面开采就存在仰俯采问题，对设备的稳定性控制就要求较高。断层是煤矿常见的构造，落差小的断层直接推过，落差大的断层通常采用工作面搬家或在断层影响范围内采用预掘巷道掏矸助采过断层技术。

1.4 夹矸

煤层中存在夹矸对煤质影响较大，必须增加洗选环节，增加了成本。相关资料显示，对于类似兖州矿区煤厚1 m左右含硫化铁硬结核体薄煤层开采，硫化铁结核普氏系数高达11，给破煤（岩）机械设备的制造加工带来很大难度，常用的切削破煤岩设备如刨煤机和滚筒式采煤机都无法用于上述煤层的开采。我国企业技术人员和科研工作者开展一系列研究取得了一定的成果，能够得到有效解决[3]。

煤层厚度、煤层倾角、构造、夹矸等影响薄煤层智能化开采，但是薄煤层开采涉及的是一个复杂空间地质问题。煤层厚度、煤层倾角、构造、夹矸都是复杂空间地质的元素，如果能够采用一定的手段和技术将整个开采区域的地质条件透明重构，就能够为薄煤层智能化开采奠定着实的基础。杨真等开展了煤矿工作面先验约束加奇点模型CT 重构方法研究，提出了基于时频分析和CT层析成像技术[4]。袁亮，张平松在《煤炭精准开采透明地质条件的重构与思考》一文中，提出从静态与动态地质模型角度提出实现煤炭精准生产全过程地质条件透明化的思路，并正在全面开展推进工作[5]。

2.主观因素

除了煤层倾角、煤层厚度、夹矸和构造等影响薄煤层智能化开采的客观因素以外，还存在半煤岩巷道、开采设计和薄煤层智能化工作面成套装备、智能监测监控等主观因素。

2.1 半煤岩巷道

据统计80%薄煤层回采巷道都涉及半煤岩巷问题，半煤岩巷的设计、支护、施工等问题与岩层巷道与煤层巷道存在差异。半煤岩巷巷道两帮涉及煤岩两种岩性，从掘进运输角度考虑，如果煤质较好，煤炭出售价格较高，采用分采分运是比较有利的，但是涉及运输问题，可能要设计两套运输系统，施工管理都相对复杂。如果煤质不太好，综合考虑，采用煤矸混运，就会增加洗选环节成本。从支护角度考虑，由于煤岩岩性不同，支护设计时要对煤层和岩层分开独立设计，而且煤岩接触面附近要加强支护。从掘进方式考虑，如果采用炮掘掘进方式，考虑现代爆破技术，实现煤岩分层爆破，煤岩分采分运是没有问题的，但效率较低；如果想提高半煤岩巷道掘进效率，就要采用综合机械化掘进方式，而采用综合机械化掘进方式在半煤岩巷道施工，就只能将煤岩切割后混在一起运输，依然会增加洗选成本。

2.2 开采设计

从矿井设计角度考虑，通常是根据矿井储量，考虑服务年限，确定矿井生产能力，然后推算出采煤工作面尺寸和数目。采煤工作面尺寸确定一般从经济、常规装备水平角度考虑，如果一个工作面不能达产，就设计两个，甚至三个工作面来达产，或者一矿多井来达产。为了提高薄煤层工作面设计水平，以智能开采装备水平为基础，设计薄煤层工作面尺寸，尽可能扩大薄煤层采煤工作面尺寸，减少工作面数目，降低巷道掘进率，减少工作面搬家次数，缓解采掘接替紧张局面。另一方面，降低半煤岩巷道高度是解决半煤岩巷和薄煤层采煤工作面混矸率的一个有效途径[6-7]。

2.3 薄煤层智能化开采成套设备

目前，薄煤层开采主要采用刨煤机和采煤机，而采煤机对复杂地质条件适应性更强。以下内容针对采煤机开采薄煤层展开分析，薄煤层智能化开采成套设备是一个系统性问题。采煤工作面通常由运输平巷、回风平巷和开切眼组成。运输平巷布置有设备列车、乳化液泵站等，回风平巷布置有胶带运输机、转载机等；开切眼布置有采煤机、液压支架和刮板输送机等。除此以外，为了克服采煤工作面超前支承压力对运输平巷和回风平巷的影响，在超前支承压力影响范围内要进行加强支护。薄煤层智能化开采的初衷是减少井下作业人员，甚至机器代替人，井下不用人。要想实现这个目标，就要进行薄煤层采煤工作面开采成套设备控制系统研究，研制一套系统稳定，兼容不同设备的智能化控制系统，自动监控采煤工作面井下实际工程地质条件变化，能够根据地质条件变化智慧控制薄煤层开采成套设备动作。

如果整个开采区域的地质条件透明重构能够完全实现，而且设备稳定性、设备兼容、数据实时监测及传输方面都没有问题，按照预设的开采层位进行开采，实现薄煤层智能化开采是基本没有问题。但是现阶段整个开采区域的地质条件透明重构还属于起步阶段，预设开采层位不能达到很好的开采效果，还不成熟，那么既然煤矿井下地质条件都在发生变化，要想薄煤层智能化开采成套设备在预想的开采层位上进行开采，就要考虑煤岩识别问题。在煤岩识别问题方面，一些专家学者作出了巨大贡献。

回采巷道超前支护段的巷道断面能否达到实际生产要求，既然井下基本没有人，这些工作谁来做，巡检机器人就显得格外重要，如果巡检机器人能够实现实时扫描，数据实时传输，达到报警值及时报警，就能够达到提醒作用；但是有一个问题需要考虑，如果薄煤层回采巷道超前支护段巷道变形严重，不能满足实际生产要求，巷道维修工作谁来做，既然是智能化开采，就需要研制专门的装备来完成这项工作，或者巷道支护技术发展到一定程度，能够有效控制巷道变形，使巷道断面满足实际生产要求。

3.结语

薄煤层智能化开采是一个复杂的系统性问题，其影响因素有很多。从客观角度分析，主要包括煤层厚度、煤层倾角、构造和夹矸等因素。煤层厚度与巷道最低掘进高度和采煤机最小开采高度关系密切，涉及含矸率问题；煤层厚度与巷道最低掘进高度或采煤机最小开采高度相差越大，含矸率越高。煤层倾角涉及设备防倒防滑等稳定性问题，智能化开采对设备稳定性控制要求更高。构造主要包括断层和褶皱等，对薄煤层智能化开采和巷道掘进影响很大。夹矸涉及含矸率问题，硬夹矸对设备损害较大。影响薄煤层智能化开采的客观因素有很多，而这些因素在整个开采区域的复杂多变性影响最大，因此将整个开采区域的地质条件透明重构，就能够为薄煤层智能化开采奠定坚实的基础。从主观角度分析，从半煤岩巷道、开采设计和煤层智能化开采成套设备三个方面展开了分析。半煤岩巷道的相关问题直接影响薄煤层智能化工作面的开采计划，而研制矮型大功率掘进机是提高半煤岩巷道掘进效率的有效途径；从开采设计角度考虑，以现代智能开采装备水平为基础，合计设计采煤工作面尺寸，可提高开采效率，此外降低巷道设计掘进高度是降低含矸率的有效途径；从薄煤层智能化开采成套设备方面考虑，对要想保障薄煤层工作面智能化正常开采，需要考虑设备配套及兼容，设备稳定性问题，设备性能监测监控，数据传输时效性及其稳定性，以及煤岩识别问题等；除此以外，薄煤层回采巷道超前支护段一旦出现问题，对巷道智能化维修装备及技术提出了更高的要求。