煤矿采矿工程中的采煤工艺与技术分析

＊吴志涛

（高平市应急管理局 山西 048400）

引言

经过多年的发展，中国的采煤工艺技术得到了飞速发展，煤矿开采的安全性和效率得到了显著提升。随着中国经济的发展，煤矿开采的技术标准也相应地提高，但是现有的采煤工艺技术在应用过程中还存在着一些问题。这些问题主要集中在安全性和环境污染方面，急需解决，例如煤矿开采引起的开采沉陷问题、矸石山问题以及资源开采率较低的问题。本文围绕采煤工艺技术存在的问题展开，重点探讨了采煤工艺技术优化的措施。

分析从大量的现场实践统计可以发现，现有的采煤工艺技术存在的问题主要有开采沉陷严重、矸石山污染、端头支护困难以及煤炭资源回采率较低。下面将对这些问题进行具体的分析。

1.煤矿开采所面临的问题

(1)开采沉陷严重

煤矿井下开采会破坏岩层的原始平衡状态，在岩层重新实现平衡的过程中，会发生运动，导致在矿区周围形成开采沉陷区。随着矿区逐渐靠近居民区，开采沉陷引起的问题变得严重。开采沉陷多属于地表不均匀沉降，会使得地表的建筑物承受较大的拉伸变形，出现裂缝。当出现的裂缝比较多时，便会影响到地面房屋的正常使用。此外，当地表产生贯穿性裂缝时，会导致地表水断流，很容易导致地面出现干旱，进而导致地面农作物出现减产和虫害问题。

(2)矸石山污染

目前，煤矿开采面临着严重的问题是煤矿开采会产生大量的矸石。随着开采时间的增加，矸石山的体积不断增大。矸石山的堆积不仅占用大量的土地资源，还容易引发严重的环境污染。矸石是一种有毒的、有害的物质，它会随雨渗入到地下水，从而对地下水造成一定的影响。同时，由于风蚀，矸石也形成了许多颗粒，长期滞留在大气中，对大气造成了很大的影响。同时，由于空气中的悬浮体会被吹走，对周边的空气造成了很大的影响。另外，由于矸石中有一些易燃性物质，在高温下很可能发生自燃，从而引起火灾。因此，要时常对矸石山进行治理，以避免其自燃引起的火灾，而矸石山的治理则耗费巨大的财力和人力。

(3)端头支护困难

工作面的末端与回采巷通道相邻，因而在工作面末端会受到很大的支撑。为防止受支撑压力的作用，必须对其进行加固，一般采取暂时性的方法。在进行临时支撑时，既要确保其强度，又要确保其有效的支撑。如果支撑力不足，在开采中极易出现冒顶事故，从而影响开采的效果。当前，采用单一的水力撑杆进行末端支护（参见附图1），全靠人力来进行，总体的工作效率很差。

(4)煤炭资源回采率较低

据中国煤矿开采量的计算，其回采率为60%～80%。即在回采结束后，采空区仍然残留20%～40%的煤种，这些煤种已无法再利用。因此，目前的煤矿开采技术依然存在着大量煤炭资源的损失，给煤矿企业带来了巨大的困难。产生这一问题的根本原因在于目前采用的开采技术还停留在人工操作阶段，难以精确地进行煤层整体厚度的切割。举例：在对3.2m厚的煤层进行切割时，往往会留下0.3m厚的煤层，以防止在采掘过程中产生截齿磨损加重的情况，即，在工作面上留下0.3m厚的煤层，实际的工作面厚度仅2.9m。

2.采煤工艺技术优化措施探讨

针对煤矿开采技术中的一些问题进行了剖析，指出要通过对目前煤炭开采技术进行改进，才能有效地克服这些问题。本文通过对煤矿生产工艺技术的分析，对采煤工艺技术进行了优化，包括采用采煤工艺、采用液压支架进行末端支护和智能采煤工艺。

(1)采用充填采煤工艺

对于煤矿采掘中出现的地表塌陷，采取充填采矿技术是目前较为行之有效的方法。利用其它物质填充煤后的采空带，以减少地面沉降。由于“三下”（建筑物下、水体下、道路下）的压煤量不断增多，因此，采用充填法进行煤炭开采是一种既经济又可行的方法。同时，由于环境保护的需求越来越大，有时候必须进行表面的保水性开采，目前最佳的方法是采用充填法。与常规开采方法比较，其特点在于：在综放装置上增设了一套填充装置。根据填充材料的差异，采用的填充方式也不尽相同，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，最为昂贵。在充填过程中，需要大量的填充物料，并需要一定的机械特性。利用矸石作填筑原料，可以很好地克服矿井采掘中矸石山的积聚问题。与其它的处理方式比较，填料是最节约、最快捷的一种，并且对周围的环境造成的污染较少。矿井中分选矸石可以有效地抑制矸石山的增大。在煤矿开采过程中，采用的设备越来越多，既要进行地上的矸石输送，又要进行地下的输送。一个高效的采矿作业计划体系，如果不建立合理的采矿计划，就会对采矿作业造成一定的不利影响。

(2)采用液压支架进行端头支护

在开采时，由于煤层顶部的支撑压力较大，在开采时，煤层顶部往往会发生冒顶事故。针对这种情况，过去煤矿也使用了一些设备，但是存在多方面的问题，具体如下。

①支护工艺复杂

在端头支护时多采用的是柱式支护，需要大量的手工作业，劳动强度大，而且效率低。

②很难确保支撑的有效性

在支撑过程中，大多数采取的是临时支撑方法，如果支撑的强度不够，极易发生冒顶，地应力波动大。这给决定支撑强度带来了困难。必须重复进行拆卸和安装。在回采率较高的情况下，端头支撑的速度很难得到保障。

针对端头支护效率低且效果难以保证的问题，采用液压支架来实现端头支护。在综采工作面端头设置了一个液压支架，液压支架可以随着工作面一起移动。该方法既能增加支架的强度，能减少支护时间，大大减轻了生产人员的负担。在实际应用中，应按不同的工作面条件选用适当的支架。

③采用智能化采煤工艺

在综采工作中，由于开采高度不受精确限制，造成了回采率偏低，因此必须采取智能开采技术。利用智能采煤技术，可以自动地控制采煤机截割的大小，利用地质雷达进行煤体的动态监测。从而实现精确的开采高度。同时，采用更多的探测器，可以更好地防护截齿，不必再因切到矸石而导致采煤机截齿磨损。智能化采煤技术是伴随着智能化技术的发展而产生的一种新型采煤技术，它对煤炭生产的变革起到了积极的推动作用，使煤矿开采变得更安全、更有效。然而，要做到智能开采并非简单之事。智能化采煤工艺是建立在信息化技术上的一项开采工艺，要求实现信号的实时传输和处理。由于煤矿井下具有较强的电磁干扰，一些常规的信息化设备在井下应用过程中存在失效的风险。此外，为了实现对井下复杂环境下采煤机的准确控制，在复杂矿井条件下，对采煤机开采进行精确的监控，还需要开发适用于采煤机采高控制的智能化算法。

3.采煤工艺的选择分析

对煤矿开采技术的发展进行总结。要使煤矿安全、有效地开发，就必须针对矿井的具体条件，合理地选用相应的开采技术。煤矿开采技术的选取要综合考虑煤层赋存条件、瓦斯含量、开采规模、员工配备等因素。

(1)煤层赋存条件

煤层的赋存状况是煤矿开采技术的首要问题。在这些因素中，煤层的倾斜角度和厚度是影响煤矿开采技术的重要因素。在倾斜度较低（30°以下）的煤层，一般采用综采技术。由于经济效益原因，中国大部分的煤矿都是厚煤层和特厚煤层。在特厚煤层中，要采取大采高技术、综采放顶技术，以提高特厚煤层的开采效率。目前，在大倾角煤层中，一般采用常规开采方法。这是由于在大倾角煤层中，由于综采工作面上的各种仪器难以达到平衡，极易造成设备在大倾角作用下发生故障。

(2)瓦斯含量

煤层中的瓦斯含量对矿井的安全和开采技术的选择有很大的关系。煤矿的采掘程度愈高，所放出的气体愈多，对煤矿的安全也愈有危害。在进行大面积煤体的开发时，应依据煤层中的瓦斯含量，选用合适的采矿技术。在煤矿开采中，经常采用“综放”采矿法，矿井的采掘强度普遍较高，因而在采掘中会产生大量的瓦斯。在进行深层煤层的时候，由于煤中残余的瓦斯含量较高，必须保证采矿速率和强化矿井的通风。所以，在瓦斯浓度高的情况下，宜采用较为安全的综合采掘技术，而不采用综放技术。

(3)开采规模

根据煤炭资源的特点，提出了相应的矿井设计方案。采矿技术要与矿井产量水平协调，以确保所选采矿技术的经济效益。如果煤矿开采技术的产能远远超过了煤矿的设计年产量，就会造成矿山使用寿命短，使机器装备无法充分使用。举例来说，如果矿山的年生产能力是3.0×105t，那么在开采过程中，可以采用一般开采或综合开采。

(4)人员配置情况

先进的煤炭开采技术对员工的配备有很高的要求。由于煤炭工业是一种高风险的产业，它的特点决定了其在采掘过程中难以找到高素质的人员。在煤炭开采过程中，必须有大批熟练掌握信息技术的人员，而这些人员又不具备条件，这对煤炭开采技术的发展造成了极大的制约。综上所述，矿井开采技术的选取受多种因素的影响，必须结合矿井实际情况进行科学的选择。

4.结语

随着煤矿开采相关技术的发展和应用，采煤工艺技术存在的问题也逐渐暴露出来，常见的问题主要有开采沉陷严重、矸石山污染、端头支护困难以及煤矿开采效率低下等问题。要从采用采煤工艺、采用液压支架进行末端支护和智能采煤等多个角度，对目前采煤工艺进行全面的优化。系统地分析了采煤工艺技术存在的问题及解决问题的方案，可以为煤矿采煤工艺技术的优化和发展提供一些新思路。