李 軍

(山西汾西瑞泰正中煤業(yè)，山西 靈石 031300)

引 言

知識(shí)型礦業(yè)是我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展的一個(gè)新階段和新趨勢(shì)，這也是我國(guó)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化和轉(zhuǎn)型的必由之路。當(dāng)前，我國(guó)的煤礦仍處于智能采礦的早期階段。薄煤層的智能開采是基于綠色開采的概念，它使用一整套智能采礦設(shè)備和人工智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)工作面的大規(guī)模、安全、高效和環(huán)保開采。由于我國(guó)薄煤層的多樣性，難以實(shí)現(xiàn)智能開采。同時(shí)，由于地質(zhì)條件的不同，開采薄煤層的技術(shù)也有所不同。因此，需要用于各種類型的薄煤層的采礦技術(shù)。對(duì)我國(guó)薄煤層技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析和綜合分析，是基于薄煤層開采的高效率，安全性和環(huán)境目標(biāo)，從提高井底采收率。

1 薄煤層開采技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 礦井開采設(shè)計(jì)

薄煤層(工作面)的開發(fā)斷面小，工作面生產(chǎn)率低(不到50萬t/a)，并且難以大規(guī)模開采。

在我國(guó)，薄煤層的長(zhǎng)度通常為1 000 m～300 m(約占70%)，而這種趨勢(shì)大多為400 m～800 m(約占71%)。該地區(qū)的生產(chǎn)儲(chǔ)備通常在1萬t～150萬t。通常，在5個(gè)以上工作面的區(qū)域中，單面庫(kù)存量小于20萬t，回收率大于100 m/10 000 t/10 000 t，某些煤礦、薄煤的大小和頻率分布圖，如圖1所示。薄煤層工作面的長(zhǎng)度通常小于150 m(76%)。年產(chǎn)量大多不到50萬t，局部薄煤煤層工作面長(zhǎng)度及生產(chǎn)率分布，如圖2所示。

圖1 某些煤礦薄煤層的大小和頻率分布

圖2 局部薄煤層工作面長(zhǎng)度及生產(chǎn)率分布

“煤層薄，設(shè)備厚”的現(xiàn)象很普遍，導(dǎo)致大量的浪費(fèi)，造成高比例的煤炭浪費(fèi)和嚴(yán)重的設(shè)備損失。通過對(duì)內(nèi)部薄煤層的采礦業(yè)的實(shí)際情況研究，如圖3所示。①半碳巖車道的最小車道開挖高度很高。與薄煤層的厚度(小于1.3 m)相比，散布在2.2 m～2.6 m(75%)之內(nèi)，存在超高開挖問題，導(dǎo)致巷道破壞率幾乎達(dá)到50%；②處理薄煤層多數(shù)情況下，井底高度超過1.1 m，有的甚至超過1.5 m，碎石超過0.2 m，廢石含量超過20%。在一次薄煤層的開采中，有必要綜合考慮薄煤層切割的影響。長(zhǎng)壁綜采設(shè)備的采礦作業(yè)設(shè)計(jì)和技術(shù)，增加了采煤區(qū)的面積(面)，并開發(fā)出一套完整的薄煤層智能開采技術(shù)與裝備。

圖3 部分薄煤層采掘工作面實(shí)際高度統(tǒng)計(jì)

1.2 薄煤層智能化開采

自動(dòng)稀薄煤礦開采技術(shù)的研究始于1890年代的美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞和其他國(guó)家，并取得了顯著成果。其中，德國(guó)DBT公司已成功開發(fā)了基于全自動(dòng)，機(jī)械化PM3系統(tǒng)的電動(dòng)液壓控制系統(tǒng)，用于開發(fā)薄煤層。美國(guó)JOY公司開發(fā)了用于薄煤層的計(jì)算機(jī)輔助綜合切割系統(tǒng)。

1.3 極薄煤層螺旋鉆采煤機(jī)開采

螺旋采煤機(jī)是一種煤礦采煤機(jī)，可以解決開采厚度小于0.8 m的極薄煤層的問題，提高煤炭資源的采收率。這也是緩解區(qū)域壓力和采礦安全的重要手段。例如：破碎煤在工作臺(tái)上安裝并運(yùn)送煤炭。道路設(shè)備的維護(hù)是在工作臺(tái)外部進(jìn)行的。無需人工干預(yù)即可完成煤礦開采，這使工人免于繁重的勞動(dòng)。惡劣的工作條件和較高的生產(chǎn)率以及更少的員工，提高了礦井中煤炭資源的開采系數(shù)，該方法通常用于結(jié)實(shí)的石頭塊和細(xì)薄的木炭接縫，傾斜角度在重采礦的情況小于15°。用于角煤開采。三層采煤和軟頂煤層津貼及各種煤柱。

2 薄煤層保護(hù)層智能化開采進(jìn)展

2.1 卸壓開采應(yīng)力-損傷-滲流耦合機(jī)制

開采完薄煤層后。上升的巖石結(jié)構(gòu)形成典型的“三帶”結(jié)構(gòu)，即山體的崩落帶，斷層帶和彎曲沉降帶層。卸壓開采工作面圍巖結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分，如圖4所示。

圖4 卸壓開采工作面圍巖結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分

了解薄煤層工作面上圍巖的應(yīng)力-損傷-滲流內(nèi)聚機(jī)理，是準(zhǔn)確評(píng)估采礦作業(yè)緩解壓力有效性的基礎(chǔ)。通常認(rèn)為位于沉降曲線以上區(qū)域的煤層和焊錫裂縫區(qū)域以下的煤層相對(duì)完整，沒有明顯的大裂縫，并且煤層處于彈性階段。油基滲透率和產(chǎn)氣模型普遍適用；煤層位于上覆斷裂帶中，而下覆下部斷裂帶中的煤層通常經(jīng)歷剪切或拉伸斷裂，從而導(dǎo)致較大的斷裂。由于裂縫對(duì)滲流的影響更大，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)裂隙巖體的應(yīng)力滲流進(jìn)行了更多的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，尤其是滲透到大裂縫中時(shí)，提出了一種通過裂縫的滲流組合模型。

2.2 長(zhǎng)壁開采極限卸壓采厚

在某些地質(zhì)條件下，例如煤層之間的間隔，采礦過程中覆蓋層厚度的選擇直接影響采礦過程中壓力降低的效果。采礦期間覆蓋層厚度的確定通常與煤層的傾斜角度，煤層的深度，層之間的間隔，層之間的巖性以及層之間是否存在關(guān)鍵層等因素相關(guān)。由于許多原因，使用理論公式或基于經(jīng)驗(yàn)公式的估計(jì)進(jìn)行直接計(jì)算的準(zhǔn)確性較低。因此，通常使用數(shù)值模型或類似模型基于應(yīng)力，應(yīng)變和裂紋擴(kuò)展進(jìn)行判斷和選擇。作為覆蓋層的煤層通常是厚度較小的薄煤層。在許多情況下，煤層的厚度大于煤層的厚度以滿足采礦要求。為減少數(shù)量，必須指定采礦作業(yè)的最低臨界覆蓋率。屠世浩等基于應(yīng)力-裂紋-滲流黏附模型，提出了一種通過合理確定不同工作厚度下蓋層滲透率的演變規(guī)律，確定合理的工作厚度并限制工作厚度的方法。保護(hù)層的磁導(dǎo)率的變化，如第40頁(yè)圖5所示。使用該方法得出的結(jié)論是，隨著保護(hù)層生產(chǎn)厚度的增加，保護(hù)層的磁導(dǎo)率呈S形變化，并且受保護(hù)層的磁導(dǎo)率相對(duì)于材料的對(duì)數(shù)函數(shù)的公式如下：生產(chǎn)厚度。提出了該方法，當(dāng)計(jì)算出保護(hù)層的厚度時(shí)，其厚度從2.2 m減小至1.9 m，廢石的生產(chǎn)率降低了9.6%，并且在長(zhǎng)孔全機(jī)械化下安全地進(jìn)行了壓力釋放底部。同時(shí)實(shí)施。

圖5 卸壓開采參數(shù)與滲透率演化

2.3 鉆采卸壓增透合理參數(shù)

在某些極薄的煤層中，使用螺旋鉆開采極薄的覆蓋層不僅具有簡(jiǎn)單的工作面布局，更少的設(shè)備和簡(jiǎn)單的自動(dòng)化，而且還可以有效地減少因頂板和重疊而切割的巖石量。降低采礦成本并避免長(zhǎng)期使用。墻軸的高度過高會(huì)損壞要保護(hù)的煤層。在常規(guī)鉆井中，由于支撐頂板的間隔較大的煤柱，保護(hù)層主要形成層間拉伸裂縫，難以達(dá)到卸壓增滲的效果。從采礦設(shè)計(jì)的角度來看，袁永等[1]提出了一種新的隨鉆卸壓方法以增加滲透率，即通過改變放置煤柱的方法，增加一個(gè)鉆頭的寬度，減小位置的寬度鉆機(jī)之間的煤柱。井和鉆井坡度采礦作業(yè)對(duì)巖石擾動(dòng)的影響。中間碳柱的尺寸必須滿足臨時(shí)支撐要求，以防止粘連和延遲的壓縮失效，從而避免應(yīng)力集中。當(dāng)工作面移動(dòng)一定距離以防止屋頂積聚并引起鉆桿事故時(shí)，將臨時(shí)的寬煤柱彼此間隔一定距離以支撐屋頂，并且將臨時(shí)的寬煤柱間隔一定距離。在下一個(gè)臨時(shí)寬煤柱被擱置之前回收；迫使覆蓋層完全移動(dòng)并最大程度降低降壓和滲透率的影響，如圖6所示。在鉆井和生產(chǎn)過程中采用新的卸壓參數(shù)的情況下，該間隔的煤柱在生產(chǎn)過程中會(huì)滯后一定距離進(jìn)行破壞，如圖7所示，這可能有助于覆蓋層中更完整的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力釋放。展開范圍保護(hù)層的裂縫更寬，滲透率顯著提高，如圖8所示。

圖6 鉆采過程示意

圖7 間隔煤柱的垂直應(yīng)力分布

圖8 不同鉆采方式被保護(hù)層滲透率分布特征

2.4 高瓦斯薄煤層綜采工作面割煤速度調(diào)控

薄煤層主要用作煤層中的泄壓層。工作面的氣體含量很高，尤其是工作面的上角很容易超過極限。在一個(gè)煤層薄保護(hù)層的一個(gè)機(jī)械化的井眼的角落，提出了一種工作方法：一種基于對(duì)地表瓦斯?jié)舛鹊姆答佔(zhàn)詣?dòng)控制切割速度的策略。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，頂角處的氣體濃度始終高于采煤機(jī)切割位置處的氣體濃度。因此，必須在上拐角處的氣體濃度的控制下對(duì)工作面中的氣體濃度進(jìn)行控制和監(jiān)視[2-4]。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的薄煤層儲(chǔ)量大，煤質(zhì)好，但儲(chǔ)量與產(chǎn)量之比不協(xié)調(diào)。由于薄煤層的大規(guī)模開采，高效開采和稀有煤礦的開采等技術(shù)要求，煤礦的開采空間狹窄，地質(zhì)環(huán)境困難，采礦替換困難。由于工作環(huán)境惡劣等客觀因素，必須開發(fā)智能煤礦設(shè)備和人工智能技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模，安全，高效，綠色的井底開采。

未來，薄煤層智能開采應(yīng)充分考慮薄煤層地質(zhì)條件的多樣性，著力提高薄煤層開采設(shè)備的適應(yīng)性和控制精度，探索使用“智能開采”的可能性。薄煤層”“作為與氣體兼容的技術(shù)手段。結(jié)合爆炸，巖壓等自然災(zāi)害的防治，構(gòu)建智能采礦，自然災(zāi)害的防治綜合理論與技術(shù)，為高品質(zhì)煤炭產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)支持。