王彥林

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

煤炭是我國(guó)的主要能源之一，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到重要的推動(dòng)作用?，F(xiàn)如今隨著開(kāi)采深度的不斷增加，井下開(kāi)采技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中也面臨著諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響了煤炭資源的開(kāi)采效率和開(kāi)采安全性，例如瓦斯治理問(wèn)題、巷道支護(hù)問(wèn)題、長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)問(wèn)題等，只有從源頭上根除上述問(wèn)題，才能真正保證煤炭資源的高效安全開(kāi)采。

1 煤礦井下采煤技術(shù)存在的問(wèn)題

1.1 瓦斯治理問(wèn)題

瓦斯是影響我國(guó)煤炭安全開(kāi)采的最主要因素之一，同時(shí)也是在開(kāi)采過(guò)程中不可避免遇到的問(wèn)題之一。因?yàn)殡S著煤炭資源的日益枯竭，越來(lái)越多的礦井不得不加大開(kāi)采深度，這也會(huì)直接增加瓦斯的涌出量，對(duì)礦井的安全開(kāi)采帶來(lái)嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)階段煤礦井開(kāi)采瓦斯治理措施主要包括瓦斯突出防治和瓦斯超限防治兩大內(nèi)容，但是無(wú)論哪一項(xiàng)在實(shí)施過(guò)程中都具有很大難度[1]。例如，對(duì)于礦井瓦斯超限防治來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段最常使用的手段就是進(jìn)行瓦斯抽采和增加礦井通風(fēng)量，但是由于我國(guó)煤層地質(zhì)具有很差的透氣性，所以瓦斯抽采不僅效率低、而且耗時(shí)耗力，會(huì)嚴(yán)重增加煤礦企業(yè)的開(kāi)采成本。而且瓦斯抽采雖然可以在一定程度上讓煤層中的瓦斯壓力降低，能夠有效避免瓦斯突出，但是并不能從本質(zhì)上消除隱患的存在，因?yàn)楝F(xiàn)如今有很多學(xué)者已經(jīng)證明，瓦斯突出和瓦斯壓力并不存在正比關(guān)系，導(dǎo)致瓦斯突出的機(jī)理尚不明確，所以這也使得瓦斯治理難度一直居高不下。隨著綜采技術(shù)的日漸成熟，我國(guó)煤炭資源的開(kāi)采強(qiáng)度也在持續(xù)增大，煤層在破碎過(guò)程中會(huì)釋放出大量的瓦斯氣體，如果不能采取有效措施進(jìn)行處理會(huì)導(dǎo)致瓦斯瞬時(shí)濃度超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致礦井產(chǎn)生瓦斯爆炸，嚴(yán)重威脅工作人員的人身安全。

1.2 巷道支護(hù)問(wèn)題

對(duì)開(kāi)采巷道進(jìn)行支護(hù)是確保煤炭資源安全開(kāi)采的重要手段。如果在井下開(kāi)采過(guò)程中工作人員沒(méi)有結(jié)合煤層特征選擇適合的支護(hù)方式，就很容易產(chǎn)生頂板冒落、煤壁片幫等問(wèn)題?，F(xiàn)如今在井下開(kāi)采中最常使用的巷道支護(hù)方式為：利用錨桿、錨網(wǎng)和錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，雖然支護(hù)效果顯著，但也絕不是萬(wàn)無(wú)一失，仍舊存在著支護(hù)失效的可能。這是因?yàn)橄锏劳瑫r(shí)受靜壓和動(dòng)壓影響，而且現(xiàn)有技術(shù)很難準(zhǔn)確估計(jì)出動(dòng)壓大小，所以對(duì)于掘進(jìn)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)也就無(wú)法做到盡善盡美。除此之外，沖擊地壓也是巷道支護(hù)所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 巷道沖擊地壓示意圖

根據(jù)查閱大量資料可知，有80%的沖擊地壓能夠作用在巷道中，一旦沖擊地壓發(fā)生將會(huì)嚴(yán)重破壞巷道的穩(wěn)定性，而且開(kāi)采深度與沖擊地壓成正比關(guān)系。但是現(xiàn)如今對(duì)沖擊地壓的研究尚不成熟，因此也很難對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的防治。雖然液壓支架可以起到很好的支護(hù)效果，但是由于成本過(guò)于高昂，因此很難大范圍推廣和使用，特別是對(duì)于一些中小型煤礦來(lái)說(shuō)根本難以承擔(dān)。值得注意的是，隨著煤礦巷道挖掘深度的持續(xù)增加，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)也在不斷發(fā)生變化：在工作面前方的圍巖應(yīng)力正比增加，在工作面后方的圍巖應(yīng)力反比減小，通俗的說(shuō)就是在掘進(jìn)工作面前方一定位置處圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生顯著變化，并且在工作面處應(yīng)力到達(dá)最大值，在工作面后方一定位置后趨于穩(wěn)定。在掘進(jìn)過(guò)程中，挖掘前方兩側(cè)的圍巖應(yīng)力無(wú)明顯變化；掘進(jìn)工作面后方應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力升高區(qū)的面積在不斷擴(kuò)大，當(dāng)與工作面遠(yuǎn)離一定距離后，應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，圍巖應(yīng)力的變化也會(huì)對(duì)巷道支護(hù)的穩(wěn)定性帶來(lái)一些不利影響。

1.3 長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)問(wèn)題

在井下掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，局部通風(fēng)機(jī)與巷道全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)是作業(yè)面的主要通風(fēng)動(dòng)力，其中又以局部通風(fēng)機(jī)作用最為廣泛，在我國(guó)煤礦企業(yè)中有著重要應(yīng)用。現(xiàn)階段我國(guó)的長(zhǎng)距離通風(fēng)形式主要分為單巷掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)技術(shù)、雙巷掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)技術(shù)與多巷掘進(jìn)局部通風(fēng)技術(shù)三種，其中單巷長(zhǎng)距離通風(fēng)技術(shù)又包括多級(jí)風(fēng)庫(kù)接力通風(fēng)、多臺(tái)局部風(fēng)機(jī)配合多條風(fēng)筒、大功率局部通風(fēng)機(jī)與長(zhǎng)風(fēng)筒配合、風(fēng)庫(kù)中轉(zhuǎn)與通風(fēng)鉆孔聯(lián)合供風(fēng)、間隔串聯(lián)通風(fēng)等五種技術(shù)。隨著采掘工藝愈發(fā)成熟，井下作業(yè)的巷道長(zhǎng)度也在不斷延長(zhǎng)。延長(zhǎng)的巷道雖然在一定程度上為回采作業(yè)提供了便利條件，但是同時(shí)也會(huì)因?yàn)樵黾恿司蜻M(jìn)面通風(fēng)距離，而導(dǎo)致風(fēng)筒漏風(fēng)、降低風(fēng)機(jī)有效性、空氣循環(huán)不徹底等情況的產(chǎn)生。

2 采煤技術(shù)存在問(wèn)題的對(duì)策分析

2.1 強(qiáng)化瓦斯抽采和利用

因?yàn)槲覈?guó)煤層的透氣性較差，所以瓦斯治理難度很大，常規(guī)的鉆孔抽采并不能達(dá)到預(yù)期效果，因此必須對(duì)現(xiàn)有的瓦斯抽采措施進(jìn)行改進(jìn)和強(qiáng)化。在實(shí)際進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，工作人員一定要充分結(jié)合煤層的實(shí)際厚度、硬度和圍巖特征等因素，制定出更加完善的瓦斯抽采方案。對(duì)于硬質(zhì)煤層來(lái)說(shuō)，因?yàn)榇朔N煤層的滲水率較差，所以可以采用水力壓裂、水力沖孔、深孔爆破等措施來(lái)強(qiáng)化進(jìn)行瓦斯抽采；對(duì)于軟質(zhì)煤層來(lái)說(shuō)，可以使用大直徑高位鉆孔或者抽采鉆孔下套管等方式進(jìn)行瓦斯抽采[2]。如果在煤層中瓦斯的解吸速度較慢，那么工作人員還可以采取一些能夠強(qiáng)化瓦斯解吸的措施，例如可以在煤層中注入表面活性劑或者進(jìn)行注氮抽采等，表面活性劑可以增加瓦斯的吸附活性，因此可以在一定程度上提高瓦斯的解吸能力，而注氮抽采主要是利用氮?dú)飧哂谕咚沟奈侥芰Χ诿簩又行纬梢欢ǖ母?jìng)爭(zhēng)吸附，迫使瓦斯被解吸。

除此之外，煤炭企業(yè)也要強(qiáng)化對(duì)瓦斯資源的利用。瓦斯的主要組成成分為烷烴，以甲烷為主，同時(shí)配有少量乙、丙、丁烷，還有一部分其他氣體，瓦斯的主要成分比例如表1所示。

表1 瓦斯的主要成分表

瓦斯氣體的成分比例決定了瓦斯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此在煤礦的開(kāi)采環(huán)節(jié)，可以將瓦斯分解成各種清潔能源，并將其轉(zhuǎn)化為電能和熱能，可有效降低煤炭開(kāi)采的能源消耗[3]。除此之外，對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行抽采利用，還可有效降低因瓦斯氣體擴(kuò)散而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，具有一定環(huán)保意義，真正意義上的實(shí)現(xiàn)變廢為寶，發(fā)揮出能源的最大利用價(jià)值。

2.2 強(qiáng)化掘進(jìn)工作面巷道支護(hù)及加固設(shè)計(jì)

軟巖是一種十分常見(jiàn)的圍巖類(lèi)型，為了最大程度提高巷道支護(hù)效果，工作人員就可以利用強(qiáng)度較高的錨桿，并對(duì)錨桿施加一定的預(yù)應(yīng)力，以此來(lái)提高圍巖的承載性能，降低圍巖的剪切變形。錨桿支護(hù)技術(shù)是現(xiàn)如今最為常見(jiàn)的巷道支護(hù)技術(shù)，不僅成本較低同時(shí)應(yīng)用簡(jiǎn)單，能夠結(jié)合圍巖形變量適當(dāng)調(diào)整支護(hù)強(qiáng)度。但是在高應(yīng)力的制約下，并非所有的錨桿支護(hù)都能呈現(xiàn)出主動(dòng)的支護(hù)效果。錨注支護(hù)方式則主要采用灌漿的方法來(lái)提高圍巖的荷載力，同時(shí)也可有效提高圍巖抵御地下水侵害的能力，并且具有注得進(jìn)、黏得住等兩個(gè)時(shí)間與空間優(yōu)勢(shì)，支護(hù)效果明顯：一是可有效避免煤巖體因滑動(dòng)、離層、裂隙張開(kāi)等因素而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形，可以最大程度的保證煤巖體的穩(wěn)定性和完整性；二是注漿可妥善改變開(kāi)挖斷面周?chē)牟蓜?dòng)應(yīng)力場(chǎng)，不僅可以減小壓應(yīng)力區(qū)，同時(shí)也可有效抑制拉應(yīng)力區(qū)的產(chǎn)生。

2.3 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某煤礦的實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)改造為例。該煤礦作業(yè)面煤層厚度分布均值為5.5m，而且具有不易自燃的特性，瓦斯含量較低，整個(gè)煤層的傾角均值為3°，頂板巖層由外到內(nèi)分別由粉砂巖、中粒砂巖與細(xì)礫砂巖構(gòu)成，底板巖層均為粉砂巖。巷道的掘進(jìn)采用雙巷掘進(jìn)工藝，并利用錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷的斷面均為矩形，尺寸為4.15m×6.2m。在巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，為確保巷道供風(fēng)安全，決定對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2.3.1 巷道開(kāi)口設(shè)計(jì)

巷道的施工大多是從輔助運(yùn)輸槽進(jìn)行開(kāi)口作業(yè)的，然后反向挖掘反風(fēng)通道與機(jī)頭硐室，在進(jìn)行開(kāi)口施工時(shí)，新鮮風(fēng)流會(huì)經(jīng)由輔助運(yùn)輸巷道流入順槽內(nèi)，并伴隨著挖掘進(jìn)度進(jìn)入機(jī)頭硐室與反風(fēng)通道，在二者未與回風(fēng)大巷貫通前，掘進(jìn)過(guò)程中所產(chǎn)生的污風(fēng)將會(huì)原路返回。

2.3.2 掘進(jìn)設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)頭硐室與反風(fēng)通道聯(lián)通于盤(pán)區(qū)大巷后，需要布設(shè)一個(gè)風(fēng)門(mén)于輔助運(yùn)輸槽內(nèi)。風(fēng)流會(huì)經(jīng)由機(jī)頭硐室、回撤巷道、反風(fēng)通道然后進(jìn)入盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷，同時(shí)伴隨順槽掘進(jìn)長(zhǎng)度的不斷延長(zhǎng)，需要設(shè)置密閉墻于已經(jīng)完成掘進(jìn)的橫貫聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，同時(shí)布設(shè)風(fēng)門(mén)于回撤巷道內(nèi)，這可以最大程度地避免風(fēng)流短路。在具體挖掘作業(yè)時(shí)，以1000m 為單位，順槽每前進(jìn)1000m，局部風(fēng)機(jī)就需要挪動(dòng)一次，并安置于橫貫聯(lián)絡(luò)運(yùn)輸槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)掘進(jìn)面的同時(shí)供風(fēng)，對(duì)于作業(yè)產(chǎn)生的污風(fēng)需要經(jīng)由反風(fēng)通道與輔助運(yùn)輸順槽傳輸至盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷中。改造后的通風(fēng)系統(tǒng)能夠切實(shí)保障長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道中的通風(fēng)負(fù)壓和通風(fēng)量，可以為礦井開(kāi)采提供安全的開(kāi)采環(huán)境。

3 結(jié)論

綜上所述，煤炭作為我國(guó)重要的能源之一，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用，但是由于煤炭資源的大量消耗，導(dǎo)致煤炭資源的開(kāi)采深度不斷增大，礦井深度的增加也使得井下煤炭開(kāi)采技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中面臨了很多問(wèn)題，例如瓦斯問(wèn)題、巷道支護(hù)問(wèn)題和通風(fēng)問(wèn)題等，這些問(wèn)題都嚴(yán)重制約了我國(guó)煤炭資源開(kāi)采的安全性和開(kāi)采效率，這也就要求技術(shù)人員必須能夠?qū)ΜF(xiàn)有的井下開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行改革與創(chuàng)新，促使技術(shù)更加完善，并采取有針對(duì)性的措施對(duì)井下開(kāi)采過(guò)程中所遇到的一系列問(wèn)題進(jìn)行處理，切實(shí)保障我國(guó)煤炭資源的高效安全開(kāi)采。