煤矿采煤技术的合理优化探讨

杨志

（贵州省水城县煤炭管理局，贵州 水城 553040）

1 采煤技术优化的定义

煤矿井工开采的重要特点是地下作业。采用井工开采时，要开凿井筒通至地下，掘进巷道，布置采区(盘区)和采煤工作面，进行采煤，采掘工作面要及时支护，采煤后的采空区应进行处理，采出的煤、矸要运输并提升到地面。因此，煤矿地下开采的生产环节多，工序复杂，要以开采为中心，搞好掘进、运输、提升、通风、排水、动力供应、通讯、地面布置及生产系统等的配合，搞好生产方法及组织管理。采煤方法优化的含义就是在所在矿区采用或引进新的采煤方法或装备，对矿井的相关生产系统进行优化改造，对相关生产组织制度和作业方式进行变革，从而达到提高生产效率、经济效益和安全水平的目的。

2 采煤技术设计准则

在选择井工开采方法时，首先应考虑下列技术原则：采动影响的特征与程度。根据采动影响理论的研究成果，采动影响的主要特征是地表移动与变形，设计井下采煤方法时，应考虑地表移动与变形的特征与程度，在采深较小及急倾斜煤层时，还应考虑“上三带”的特征与程度。资源回收率。为了减少采动有害影响，实现井下安全开采，有时需要采取降低回采率的开采措施。因此，如何处理资源回收率问题，是选择采煤方法的主要原则。

3 煤矿采煤技术合理优化

目前有不少矿务局正在试验离层注浆控制或减缓地面沉陷的新方法，只要具有合适的覆岩结构、选准离层带的位置、掌握好随工作面推进离层发生、发展及闭合的动态时空规律，也可取得良好的效果，但这种方法充填量大、充填水体进入裂隙带后可形成事故隐患。协调开采是利用两个煤层或分层同时开采所产生的地表移动和变形相互抵消的原理来达到减少开采对地表的影响。

3.1 离层注浆

3.1.1 离层带充填技术：离层带注浆减缓地表沉降技术是通过地面钻向采空区上方覆岩中的离层带高压注入液体充填材料以达到控制覆岩下沉为途径，最终实现控制地表沉降的目的。充填浆液在离层空间中的作用主要是，充填离层空间控制覆岩下沉，充填液体脱水后能形成足够强度的“似岩体”支撑上覆岩体。离层带注浆与采空区充填方法不同，它不在井下施工，对现有的生产系统无干扰，设备比较简单投资也少，吨煤成本仅增加不超过2元。充填效果也非常明显，煤炭的回收率很高。实施离层充填技术的关键是创造有离层存在的条件，控制采空区尺寸，使之不能达到充分采动，也即要准确确定可充填离层带位置。开采尺寸是与离层分布规律密切相关的主要因素，在一定采深条件下开采尺寸直接决定于覆岩中拱梁平衡结构的形成，覆岩中达到极限拱时的最大开采尺寸为形成离层空间的最佳开采尺寸，开采尺寸直接限定离层分布范围，随工作面的推进，离层发展高度增加，并趋于定值，当工作面推进距离超过0.85倍的开采尺寸时达到充分采动，这时覆岩中的拱梁平衡结构遭到严重破坏，离层消失，此时地表将大幅度下沉。

3.1.2 离层注浆的效果实践1991年l0月，离层充填技术被引入大屯煤电公司，并于1992年3月在该矿的7215工作面进行试验，该工作面走向长960m，倾斜长110m，煤厚4.83m，分层开采，煤层倾角为 20°～23°，平均采深529m，采用走向长壁开采，冒落法管理顶板。通过地表观测结果，采用离层充填技术后，地表最大下沉减少了34%，地表下沉速度也减少了43%，表明对地表建筑设施起到了较好的保护作用。

3.2 条带开采

条带开采法是一种特殊的开采方法，将被开采的煤层划分为比较正规的条带形状，采一条(采宽b)，留一条(留宽a)，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，而地表只产生较小的移动和变形。

1）条带开采设计原则

煤层开采后所留条带煤柱应有足够的强度和稳定性，能长期、有效地支撑上覆岩层，从而达到减少地表移动和变形的目的。条带的开采宽度，其尺寸应限制在不使地表出现明显的波浪状下沉盆地，而是仅出现单一平缓的下沉盆地范围内。

2）采留比的确定方法

采出宽度b的确定。采出宽度一般根据实践确定，参考国内外开采经验，采宽b可按(1/4～1/8)选取。

保留条带宽度a的确定。在一定的采宽条件下，无限制地加大a，也会使地表出现多个下沉盆地，因此a值应通过计算，而不能随意确定。

煤柱强度不仅与煤柱试块的单轴强度、煤柱长度、宽度和高度有关，还与煤柱弱面、顶底板岩性和煤柱侧应力等围岩体系有密切关系。在一般条件下，条带煤柱的强度计算，推荐采用Wilson方法。Wilson通过对煤柱加载试验，发现在加载过程中煤柱的应力是变化的，从煤柱应力峰值到煤柱边界这一区段，煤体应力超过屈服点，称这区域为屈服区。其宽度为Y，边界峰值内的煤体变形较小，应力没有超过屈服点，大致符合弹性法则，称这区域为煤柱核区，宽度用s表示。实验证明，屈服区宽度与开采深度H和开采厚度M有关。条带煤柱的留宽。满足下列关系

a≥2Y+S

Y=0.005MH

式中，s：核区宽度(m)

Y：屈服区宽度(m)

保留的条带长煤柱是沿走向或倾向所留设的完整煤柱，当保留条带煤柱宽度a>0.0lMH时，煤柱承受荷载的计算公式：

极限荷载：长煤柱Pl=40RH(a－4.92MH×10－4)实际承受荷载：

长煤柱P2=10R[Ha十b/2(2H-b/0.6)]

式中，P1：保留煤柱能承受的极限荷载(KN/m)

P2：保留煤柱实际承受荷载值(KN/m)

M：煤层采厚(m)

R：上覆岩层平均容重(KN/m)保留煤柱应有足够的强度，其安全系数K必须满足K=P1/P2>1。

我们在实例部分设计条带开采参数时，就是通过对具体的地质、采矿条件分析，按照上述原则进行的，最终得到的是采出率高、煤柱稳定、地表移动变形小的优化方案。

3）条带开采地表移动和变形预测根据实测资料可得，条带开采的地表移动和变形规律与正规工作面回采相似，条带开采的地表移动和变形可用概率积分法求解，但它的下沉系数、主要影响角正切、水平移动系数比正规工作面回采的小。

4 煤矿采煤技术合理优化实践的评价

条带开采法是一种局部开采方法，它将开采区段划分为比较规则的条带形状，采一条，留一条，留下的条带煤柱能够充分支撑上覆岩层的载荷，在整个开采条带采完后，地表形成一个单一均匀的下沉盆地，产生微小的移动和变形，该方法与全部开采方法相比，回采率较低，但能有效控制地表的沉陷，实现井下安全开采。条带开采法不需要额外的设备投资，管理较为简单，是一种较为理想的煤层下采煤方法。对于井下开采，有时采用一种方法达不到理想效果时，可以辅用其它方法，各种方法相互配合，达到减小地表移动和变形的目的。

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