煤矿井下采煤技术中的问题及解决方法分析

左春杰

（山西榆次北山煤业有限公司，山西 晋中 030600）

1 概述

经济社会的发展，对能源需求量越来越大，虽然我国煤炭资源丰富，但煤矿资源不可再生，对社会经济命脉有着重要作用。目前的煤炭开采量已无法满足社会发展的需求，煤炭企业也在争相创新井下采煤技术，优化采矿方法。煤炭开采技术的运用也要结合具体的情况，否则很容易在后续作业过程中埋下安全隐患。当下，如何提高煤矿企业安全生产和持续性效益，成为煤矿企业首要思考的问题。只有详细分析井下复杂情况，并结合实际，运用科学的采煤技术和方法，才能更大程度上实现经济和社会效益。

2 井下采煤技术

2.1 深井开采

不同于普通的煤矿开采技术，深井开采对采矿的技术水平要求更高，并且运用广泛，例如，有的煤矿的开采深度可以达到1000m。但是深井开采面临着情况复杂的地下环境，需要提前制定详细完备的采矿方案，特别是针对煤矿的地层结构方面的问题。在开采之前，需要将矿山压力和地层影响考虑在内。通过创新矿井的通风系统的技术，提高内部通风量，从而降低矿井里的内部温度，提高深井开采的安全性[1]。

2.1 机械化采煤技术

2.1.1 综合机械化

我们常用的综采技术对机械化提出了很高的要求，几乎割煤、采煤、运输的每个环节都需要运用机械设备[2]。割煤过程包括割煤机器破煤和装煤，破煤过程中需要运用到滚筒采煤机和刨煤机等设备。综采在整个施工过程中都是通过人员才做到机械设备完成的，安全性较高，但是在运输过程中必然会造成煤炭损失，这就要求操作人员严格遵守设备使用规范，提高生产效率，降低误差，保障煤炭开采质量[3]。

2.1.2 普通机械化

普通机械化主要依赖人工，采煤过程中对机械设备的依赖程度不高（图1），在割煤过程中尤其注意工作面不同，割煤方向的差异。在井下开采煤过程中，对滚筒采煤机和刨煤机的使用率不高，这对煤矿企业来说，能够有效降低机械化的成本投入，提高收益。但是，大量的人工开采必然在开采过程中埋下安全隐患，导致人力资源的浪费。

图1 割煤方向

2.2 连续采煤技术

目前，很多发达国家普遍运用连续采煤技术，并研发了成套的采煤工具，技术水平较为完备。虽然，我国还没有完全掌握该项技术，但是为我国煤矿企业的开采指明了技术研究方向。类似的，破煤和装煤仍然是开采过程的主要环节，连续采煤机将掘进和开采结合起来，在一定程度上可以解决劳动力问题，减少成本，有效降低施工过程中的风险[4]。另外，在采煤过程中回收再利用煤柱的方式能够有效保护环境，为资源和环境的可持续发展提供支持。

2.3 爆破采煤技术

这项技术需要借助爆破方式完成采煤。主要的操作流程包括：打眼—装药—充填炮泥—安装引线—进行爆破。破煤工作结束后，采煤人员将煤炭运输上来，由于技术含量不高，在我国早期的采煤中就得到了广泛运用。但是随着长期的使用，其弊端也逐渐暴露出来，首要问题就是安全系数较低。爆破过程不仅需要技术水平较高的人员操作，还需要精准的计算，人工成本投入高。爆破后，人工装煤、运输，需要良好的井下通风条件，对开采的井下环境要求较高，随着科技的发展，爆破技术也日趋成熟，提高了采煤效率[5]。

3 煤矿井下采煤技术中存在的问题

3.1 瓦斯治理

在煤矿井下采煤技术过程中，常遇到的问题就是瓦斯涌出、瓦斯爆炸，这类危险严重影响着采煤行业的可持续性发展。因此，瓦斯治理工作一直是制约采煤工作安全开展的因素之一，主要包括瓦斯超限防治和煤与瓦斯突出防治。首先，由于现煤层的透气性比较差，不利于瓦斯超限防治，在抽采方面需要花费较多的时间，效果不好。其次，煤与瓦斯超限工作受到对其机理研究的限制，防治难度较高。最后，由于逐渐增加开采深度，随之，难度加大，随时都会出现瓦斯突然加大浓度，发生爆炸，可控性比较差。

3.1 巷道支护

特别是在综采技术运用的过程中，由于不合理的巷道支护而导致的安全问题很多。由于采煤巷道需要同时承受静压和动压的双重作用，但是难点在于如何评估动压。矿井的地质条件有较大差异，因此，支护方式也不同，要选择能够尽可能减小冲击地压对巷道的损害，提高采煤巷道的持续安全性[6]。如图2中所示，冲击地压很容易对巷道造成破坏，同时，其机理研究起来有一定困难，导致相应的支护方式很难提前设计，成本增加。

图2 冲击地压对巷道的影响

3.2 巷道快速掘进

采煤过程在巷道掘进中会出现两个主要问题：首先，毕竟是井下采煤，巷道狭窄，掘进的速度必然受到限制，工作面准备无法跟上采煤机的前进速度，接替过程时间紧张。其次，采掘的工艺技术与破岩、支护等工作协同不到位，操作起来衔接困难。再加上地质条件复杂多变，很难确保井下巷道掘进的速度，进展缓慢。总之，煤矿井下采煤技术总体的机械化作业水平不高，安全隐患重重，只有通过技术优化和创新，建立完备的安全事故处理机制，将问题解决的重点放在支护、防治水和通风等方面，才能站在采煤市场的制高点，实现采煤行业的安全有序发展。

4 采煤技术问题解决方法

4.1 强化瓦斯抽采工作

瓦斯问题的解决能够提高井下的透气性，提高采煤工作效率，对瓦斯及时抽采也是对采煤工人的安全负责，实现采煤企业的转型发展。在瓦斯抽采过程中要考虑到煤层实际情况，根据煤层的硬度、瓦斯的解吸等条件，不断配套相应的瓦斯抽采工作。例如，针对煤层硬度比较高的情况，可以使用水力压裂、深孔爆破、超临界CO2压裂、液氮压裂及水力冲孔等方式来提高瓦斯的渗透率，针对煤层硬度较低的软煤层，可以运用下套管和高位钻孔的手段提高瓦斯抽采率。假设在瓦斯抽采过程中遇到解吸速度慢的情况，可以适当使用表面活性剂，提高瓦斯的活性和吸附性，还可以利用N2和CO2气体，作用于瓦斯，提高瓦斯吸附速度。

4.2 创新巷道掘进技术

加快巷道的掘进速度，能够提高井下采煤的工作效率，主要的技术手段是提高破岩速度，巷道的支护紧跟其后，另外，也要考虑到所作业的煤层条件、地质条件差异影响支护和掘进速度，尽可能避免煤矿开采过程中发生地质灾害，对瓦斯爆炸和地压冲击情况提前做好预案。可以通过以下三个方面开展工作：首先，在开采前期对地质情况详细勘察研究，特别是考察断层、褶皱等存在较大安全隐患的地质情况要重点关注，运用现代化技术手段获取地质构造全面信息。其次，最大限度降低井下煤层中的瓦斯浓度。再次，创新煤炭挖掘工艺，使用先进的开采设备和技术手段武装开采过程，提高各个工序的衔接度。可以通过使用连续采煤机和锚杆机的方式提高煤巷掘进速度和掘进量。

4.3 设计地表移动观测站

在地表设计移动观测站主要分为两种：网状和剖面线状的观测站。观测站形状的选择需要根据地质条件和开采工作情况。剖面线状的观测站应用比较多，一般有两条观测线，其中一条是半走向，另外一条是全倾向，具体的布置观测线走向要根据开切眼情况。设计观测站主要工作是进行日常观测，对实测数据进行分析处理，找到移动规律，将移动参数确定下来，从而计算出边界角、下沉参数、移动角、偏移距离等参数，进一步绘制井下开采的下沉曲线、曲率曲线等设计图。具体的测量方法包括导线测量和三角高程测量。通过在倾斜和走向线建立控制点，运用GPS 连接控制点进行测量，或者运用全站仪进行三角高程测量。设计观测站进行全面和日常观测，具体的观测次数和精度要严格按照《煤矿测量规程》开展工作。主要记录和观测的内容包括：采出厚度、工作面位置、地质构造、开采推进速度及水文条件等。

4.4 建筑物地上保护

在煤炭开采过程中往往会出现塌陷的隐患，因此地上保护是至关重要的一环，对于城镇和村庄可以进行采前加固、采后维修及抗击建筑物变形的方式。首先，可以设置变形缝加强对建筑物的保护，并且也是使用较为广泛的加固措施；其次，可以使用钢拉杆加固，一般设置在楼板和檐口位置保持水平，在面对地表正曲率的时候，可以提高拉应力，钢拉杆加固方式也可以发挥钢材的可回收特性。再次，利用钢筋混凝土圈梁可以提高建筑物抵抗地表垂直和水平的变形，这种方式特别适用与较高的建筑物。最后，如果遇到在地表压缩变形区域时，可以在其周围开挖一定深度的槽沟，能够有效抵抗地表压缩，降低侧压力，有效保护地表建筑物，降低变形程度。

4.5 运用三维成像技术

可以运用三维成像的技术手段对瞬变电磁探测的结果进行成像，主要的过程分为：获取二位数据—建立三维坐标—数据处理—三维成像出图。使用瞬变电磁仪采集井下工作面数据信息，经过预处理和加工后获取相应的二维数据信息，包括测线点号、探测距离和视电阻率值，为建立坐标系统提供数据支持。在建立坐标系统的时候，y 轴线上的数据代表直线探测距离，在井下开采过程中，探测线圈和底板之间有夹角，因此需要将数据分析中的y轴线的数据进行拆分，分别为yi和zi，然后对整理x 轴和视电阻率建立三维坐标。使用Load Data 将数据导入Net work 工作区，最后将数据保存在Gridder 模型中，借助surfer 软件进行成像制图。三维成像技术提高了精确度，能够更加直观观察空间位置，提高立体感，为井下采煤提供精确的地质资料。

5 结语

通过对井下采煤技术的优化和改进，能够提高采煤效率和安全性，保障我国采煤企业的长远发展，提高我国煤矿企业在世界的竞争优势。煤矿井下环境复杂，煤层结构多变，只有选择合适的开采技术手段，创新开采方式才能提高开采率，获取长远的经济效益。