我国煤炭开采技术现状与实例分析

王文龙 苏海健

摘要：煤炭是我国最主要的能源结构成分，在国民经济发展中起着关键作用。文章介绍了煤炭开采过程中的两个重要理论：围岩破裂的松动圈理论和顶板控制的关键层理论；其次，从巷道支护和煤层开采两方面讲述了我国煤炭开采技术现状和取得的成就；最后，对司马煤矿1210工作面进行实例分析，介绍了该工作面的煤层地质情况、采掘方式、技术改进和防水工艺等。

关键词：煤炭开采技术；巷道支护；松动圈；关键层

中图分类号：TD823文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0155-02

据统计，我国2010年一次能源生产和消费结构中，煤炭的比重分别为77.4%和68.6%，煤炭在当前甚至是将来相当长时期内仍将是我国的主体能源。随着煤炭科技的发展，我国的煤炭开采也将不断地向着安全、高效、高利用和绿色开采发展。

一、理论研究

（一）松动圈理论

天然岩体是一种特殊的非均质非线性材料，在各向应力作用下，岩体处于长期的平衡状态。在地质岩体内开挖巷道，围岩处于近似的二向应力状态，应力出现重分布，直至达到另一个平衡状态为止。在此期间巷道围岩内部出现一个破裂区，通常称为松动圈。董方庭教授提出的松动圈理论，为我国煤矿巷道的开挖和支护设计提供了很好的依据。

（二）关键层理论

通常采煤工作面顶板分三个岩层：垮落带、裂隙带和缓沉带。钱鸣高院士基于理论分析和众多的实践经验，提出了岩层控制的关键层理论，认为：在采场覆岩层中存在着多层岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。缪协兴又对采动覆岩中关键层的复合效应作了深入的分析，认为当覆岩中存在两层以上坚硬岩层时，无论上部或是下部坚硬岩层都将对下部或上部坚硬岩层的采动变形和破断产生影响，也即对采动覆岩变形、破断和移动全过程产生影响。两个硬岩层之间的复合效应主要与其间距有关，当间距与坚硬岩层厚度没有量级差别时，复合效应最明显。

二、技术发展

（一）支护技术

碹体支护是我国最早的支护方式之一，在早期地质条件较好的岩体中广泛应用。随着煤炭开采的增加和地质条件的复杂性与差异性，简单的碹体支护渐渐不能支撑岩体的高应力。锚杆支护，利用围岩自身来承载压力，弥补了被动支护的诸多不足，开创了围岩主动支护的先河。然而在我国山东和安徽等地区部分岩层，高应力、高地温、岩体破碎较为普遍，地质条件更为复杂，单一的支护方式无法满足支护条件。耦合支护理论的提出，根据实际情况，同时采用两种或多种不同的支护方式，实现了完美的互补，更好的支护围岩。比如李冲等针对深井软岩巷道地压大、变形大、难支护的特点，提出了各种支护之间以及支护体与围岩之间耦合的锚索-网壳衬砌耦合支护技术，并在曲江矿运输大巷进行运用，得到了很好的支护效果。

（二）开采技术

炮采技术在我国煤炭开采中最早得到应用和普及，其施工方便、成本低，但是开采效率低下、安全系数差。随着我国科技实力的渐渐提升，综合机械化采煤得到了很好的发展，在大大提高采煤效率的同时，更加保证了工人的人身安全。所谓综合机械化采煤技术，即在整个采煤过程中机械化率达到95%或以上。综合机械化采煤过程中的机械通常包括液压支架、采煤机、刮板输送机和胶带输送机等，其中采煤机和液压支架起着极其重要的作用。

针对许多特殊的煤层地质情况，我国的煤炭科研工作者通过不断的研究和实践，攻破了一个又一个难题。如孙春东等，针对阳邑煤矿8号煤层（大青煤）和9号煤层（下架煤）层间约1.02m极近距离的特点，采用常规错距理论和岩层移动理论进行分析，研究了上部工作面采空区走向形成的稳压区和减压区范围，并计算得出了上、下煤层工作面联合开采最佳走向错距范围，使极近距离联合开采得以顺利实施。任艳芳等通过现场观测和数值模拟的方法，对神东煤田某煤矿综采工作面浅埋煤层（平均埋藏深度约80m）进行分析，得到了长壁工作面围岩应力场特征验证了上覆岩层中可形成承压拱结构，为煤层的顺利开采提供了保障。专家和技术人员的科学研究和不断努力，使我国的煤炭开采技术站在了世界的前列。

三、工程实例分析

潞安集团司马煤矿位于我国山西省长治市境内，井田面积约29.49平方公里，可采储量近1亿吨。其1210工作面，开采煤层属下二叠统山西组下部的三号煤层。该煤层赋存稳定，煤层较厚且赋存结构简单。煤体以黑色、块状为主，粒状次之，亮煤为主，夹镜煤条带，煤质为贫瘦煤。煤层厚度为7m，倾角约平均7°。工作面直接顶为粉砂岩，深灰色，中厚层状，含大量煤屑，产较多植物化石，局部地段为沙质泥岩。直接底为砂质泥岩，灰黑色，致密，局部具滑感，断口参差状，含大量植物化石。老底为细砂岩，白灰色，中厚层状，矿物成分以石英为主，含白云母碎片、岩屑及铁锰质，分选较好。

1210工作面地质情况较好，采用综合机械化采煤技术，更加提高了生产效率和经济效益。开采过程中根据实际地质倾斜情况，采用仰采的方式，由下往上开采。放顶煤开采技术，采3m，放顶煤4m。综采过程中引进MXG-300/700A电牵引采煤机，性能优越，系统采用PLC控制，更加自动化，易操作，更加适合倾斜煤层开采。针对采煤过程中，经常出现机组滚筒离合器虽然挂上但是无法锁定的情况，该矿技术人员通过分析原因并进行大量观测，对采煤机离合器进行改进，改进之后使用更加方便、安全，同样也增加了采煤效率。

1210工作面煤层直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层，该含水层赋水性一般较弱。1210工作面回采范围内地质条件较为简单，在向斜及背斜转折端会造成煤层及顶板列隙发育，回采至该处时可能会出现涌水增大现象。针对这种情况，该矿采用注浆防水和主动加固围岩的方法，工作面内加强排水设施管理及工作面排水能力，预防因顶板突然垮落造成工作面涌水量增大的情况，保证工作面正常回采。

四、结论与展望

科学技术是第一生产力，近年来我国的煤炭开采技术稳步提升，本文从理论与技术发展两个角度分别讲述了我国当前的煤炭技术发展现状，又通过以潞安集团司马煤矿为例进行分析，说明了技术进步和科技能力在煤炭开采中的重要性。但是，随着我国煤炭浅部资源的渐渐枯竭，很快将进入一个深部开采时期，深部开采将面临更多的问题，如高应力、高地温、岩石流变和围岩大变形等，加大科技投入，提高技术能力是永恒不变的准则。同时，近年来地球温室效应日益显著，地下水资源几近枯竭，绿色开采、保水开采、提高煤炭使用效率将成为我国煤炭开采和利用的重要方向。

参考文献

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[2] 董方庭，宋宏伟，郭志宏，等．巷道围岩松动圈支护理论

[J]．煤炭学报，1994，19（1）．

[3] 钱鸣高．岩层控制的关键层理论[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4] 缪协兴，茅献彪，钱鸣高．采动覆岩中关键层的复合效应分析[J]．矿山压力与顶板管理，1999，（Z1）.

[5] 李冲，徐金海，吴锐．深井软岩巷道锚索-网壳衬砌耦合支护机理与实践[J]．采矿与安全工程学报，2011，28（2）.

[6] 孙春东，杨本生，刘摇超．1.0m极近距离煤层联合开采矿压规律[J]．煤炭学报，2011，36（9）.

[7] 任艳芳，齐庆新．浅埋煤层长壁开采围岩应力场特征研究[J]．煤炭学报，2011，36（10）.

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（项目编号：JX111744）。

作者简介：王文龙（1986-），男，山东济宁人，中国矿业大学力学与建筑工程学院硕士研究生，研究方向：煤炭开采和巷道支护。

（责任编辑：文 森）