我国采煤技术的现状与发展趋势

我国采煤技术的现状与发展趋势苏村煤矿生产科郭飞飞摘要在当今社会发展的新形式下,煤矿开采技术的进步和完善始终是采矿学发展的主题。采煤方法和工艺的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。采煤工艺的发展将带动煤炭开采各环节的变革，现代采煤工艺的发展方向是高产、高效、高安全性和高可靠性，基本途径是使采煤技术与现代高新技术相结合，研究开发强力、高效、安全、可靠、耐用、智能化的采煤设备和生产监控系统，改进和完善采煤工艺。在发展现代采煤工艺的同时，继续发展多层次、多样化的采煤工艺，建立具有中国特色的采煤工艺理论。关键词:采煤工艺；控制技术；机械化开采发展趋势煤炭是我国重要的基础能源和重要原料，煤炭工业的发展支撑了国民经济的快速发展。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重仍居前列近年来，随着综采设备制造技术的飞速发展，综采设备走向重型化、强力化和自动化，使设备的可靠性得到保证，有力的推动了大采高综采技术的发展，带来了新一轮采煤技术的革命，目前在神东、晋城等矿区已率先在厚煤层中使用大采高综采设备，实现了国内工效最高，吨煤成本最低的成果，极大地提高了煤炭市场的竞争能力。一、我国已成为世界最大的自然资源开采国之一（一）、我国是世界上多数矿产品的最大生产国在国际组织和一些国家统计的矿产品种类当中，绝大多数品种我国都有储量并进行生产；在国际贸易中交易量最大的一次能源和金属类矿产品当中，所有大宗产品的产量我国都名列世界前茅，还有许多种矿产品的产量我国位居世界第一。（二）、我国矿产品的高产量是由过度开采维持的必须指出的是，在我国矿产品量在世界位居前茅这一成绩的背后，是对自然资源的过度开采。相对于庞大的人口规模，我国的矿产资源本来就十分贫乏。即使不考虑这一因素，就各种矿产的绝对储量来说，与其他一些国家相比，我国的储量也不算很富集。但我国许多种矿产品生产长时期维持高产，这不能不说是对自然资源的不计后果的开发。（三）、过度开采使我国的多数矿产资源将在近期枯竭不顾储量多少、毫无节制的掠夺性开采，使我国的大多数矿产资源面临将在近期枯竭的局面。根据联合国《矿产业统计年鉴》、《能源统计年鉴》，世界金属协会《金属统计》的数据综合整理而成的我国矿产资源可开采年限的统计，金属矿可开采储量的数值为金属净含量，可开采年数由开采储量除以1999年或1997年的当年产量求得。12种矿产品当中，只有3种的开采可以继续维持100年以上，其他矿产品，包括在我国矿产资源当中储量最大的煤炭在内，可开采年限仅有50年左右。可以说，我国对自然资源过度开发问题在很大程度上是总体性的。矿产资源不可再生，我国储量相对于人口的庞大需求规模又严重不足，对这样珍贵的自然资源为了眼前利益进行掠夺性的开采，后果是严重的，不良影响是深远的。与我国形成鲜明对照的是，世界上许多国家从资源开发战略出发，对本国各种自然资源采取了有计划地节制开发、重在保护的政策。二、我国现阶段煤炭开采技术（一）、采煤方法和工艺开发煤矿高效集约化生产技术、建设生产高度集中、高可靠性的高产高效矿井开采技术以提高工作面单产和生产集中化为核心,以提高效率和经济效益为目标,研究开发各种条件下的高效能、高可靠性的采煤装备和工艺,简单、高效、可靠的生产系统和开采布置,生产过程监控与科学管理等相互配套的成套开采技术,发展各种矿井煤层条件下的采煤机械化,进步改进工艺和装备,提高应用水平和扩大应用范围,提高采煤机械化的程度和水平。（1）开发“埋深浅、硬顶板、硬煤层高产高效现代开采成套技术”,主要解决以下技术难题。硬顶板控制技术,研究埋深浅、地压小的硬厚顶板控制技术,主要通过岩层定向水力压裂、倾斜深孔爆破等顶板快速处理技术,使直接顶能随采随冒,提高顶煤回收率,且基本顶能按定步距垮落,既有利于顶煤破碎,又保证工作面的安全生产。硬厚顶煤控制技术,研究开发埋深浅、支承压力小条件硬厚顶煤的快速处理技术,包括高压注水压裂技术和顶煤深孔预爆破处理技术,使顶煤体能随采随冒,提高其回收率。顶煤冒放性差、块度大的综放开采成套设备配套技术,研制既有利于顶煤破碎和顶板控制。又有利于放顶煤的新型液压支架,合理确定后部置输送机能力。两硬条件下放顶煤开采快速推进技术,研究合适的综放开采回采工艺,优化工序,缩短放煤时间,提高工作面的推进度,实现高产高效。5.5m宽煤巷锚杆支护技术,通过宽煤巷锚杆支护技术的研究开发和应用,有利于综采配套设备的大功率和重型化,有助于连续采煤机的应用,促进工作面的高产高效。（2）缓倾斜薄煤层长壁开采主要研究开发:体积小、功率大、高可靠性的薄煤层采煤机、刨煤机;研制适合刨煤机综采的液压支架;研究开发薄煤层工作面的总体配套技术和高效开采术。（3）缓倾斜厚煤层一次采全厚大采高长壁采应进一步加强完善支架结构及强度,加强防倒、防滑、防止顶梁焊缝开裂和四连杆变、防止严重损坏千斤顶措施等的研究,提高可靠性,缩小其与中厚煤层(采高3m左右)产高效指标的差距。（4）各种综采高产高效综采设备保障体系要实现高产高效,就要提高开机率,对“支架—围岩”系统、采掘运设备进行监控。今后研究的重点是:通过电液控制阀组操纵支架和改善“支架-围岩”系统控制,进一步完善液压信息、支架位态、顶板状态、支护质量信息的自动采集系统;乳化液泵站及液压系统运行状态的检测诊断;采煤机在线与离线相结合的“油-磨屑”监测和温度、电信号的监测;带式输送机、刮板输送机全面状态监控。（二）、深矿井开采技术深矿井开采的关键技术是:煤层开采的矿压控制、冲击地压防治、瓦斯和热害治理及深井通风、井巷布置等;需要攻关研究的是:深井围岩状态和应力场及分布状态的特征;深井作业场所工作环境的变化;深井巷道(特别是软岩巷道)快速掘进与支护技术与装备;深井冲击地压防治技术与监测监控技术;深矿井高产高效开采有关配套技术;深矿井开采热害治理技术与装备。（三）、“三下”采煤技术提高数值模拟计算和相似材料模拟等,深入研究开采上覆岩层运动和地表沉陷规律,研究满足地表、建筑物、地下水资源保护需要的合理开采系统和优化参数,发展沉降控制理论和关键技术,包括用地表废料向垮落法工作面采空区充填的系统;研究与应用各种充填技术和组合充填技术,村庄房屋加固改造重建技术,适于村庄保护的开采技术;研究近水体开采的开采设计、工艺参数优化和装备,提出煤炭开采与煤矿城市和谐统一的开采沉陷控制、开采村庄下压煤、土地复垦和矿井水资源优化等关键技术。（四）、优化巷道布置,减少矸石排放的开采技术改进、完善现有采煤方法和开采布置,以实现开采效益最大化为目标,研究开发煤矿地质条件开采巷道布置及工艺技术评价体系专家系统,实现开采方法、开采布置与煤层地质条件的最优匹配。（五）、采场围岩控制技术（1）进一步完善采场围岩控制理论以科学合理、优化高效的岩层控制技术来保证开采掘活动的安全、高效、低成本为目标,深入总结我国几十年的矿山压力研究成果,以理论分析(解析法)、现代数学力学(统计分析预测、数值法)和实测法相结合运用先进的计算机技术,深入研究各种煤层地质及开采条件。（2）研究坚硬顶板与破碎顶板条件下应用高技术低成本岩层控制技术目前,由于应用高压注水、深孔预裂爆破处理坚硬顶板和应用化学加固技术存在工艺复杂、成本高的问题,因而需进一步研究开发新技术、新工艺、新材料来解决这些问题。（3）放顶煤开采岩层和支架—围岩相互作用机理研究放顶煤开采力学模型、围岩应力、顶煤破碎机理、支架—顶煤—直接顶—基本顶相互作用关系;运用离散元等方法研究顶煤放落规律,提出放顶煤优化准则和提高顶煤回收率的途径。（4）支护质量与顶板动态监测技术在总结缓倾斜中厚长壁工作面开展支护质量与顶板动态监测方面,应进一步在坚硬顶板、破碎顶板、急倾斜、放顶煤工作面开展支护质量与顶板动态监测,同时应不断完善现有的监测技术,发展智能化监测系统,改进监测仪表,使监测仪表向直观、轻便、小型化方向发展。（5）冲击地压的预测和防治通过计算机模拟研究冲击性矿压显现发生的机理;进一步完善冲击性矿压显现监测系统,发展遥控测量和预报技术,完善冲击性矿压综合防治措施的优化选择专家系统。（6）研究开发新型的支护设备研究硬煤层、硬顶板放顶煤液压支架,完善液压支架性能和快速移架系统,开发耐炮崩、轻型化单体液压支柱和厚煤层巷道锚索和可伸缩锚杆。（六）、小煤矿技术改造和机械化开采技术实施国家关闭小煤矿,淘汰落后生产技术和生产设备,提高平均单井规模的技术政策,开发小型煤矿机械化、半机械化开采技术和装备,改进小煤矿的采煤方法和开采工艺,提高采煤工作面的单产和工效;提高小煤矿的顶底板控制技术水平,最大限度地减少顶底板事故率。三、煤炭开采技术的发展趋势（一）、改进采煤方法和工艺（1）矿井集约化开拓布置技术。随着生产集约化合自动化程度的提高，在地质条件允许的矿区，可以走一井一面的集约化生产模式，而在地质条件不允许的矿区，也可以走多井生产，一井出煤的模式大量减少地面设施和简化生产流程，降低管理成本。（2）短壁开采工艺技术。随着大规模粗放性开采，适合长壁开采的煤炭资源日益减少，但长壁开采后的残留煤柱，不能布置长壁式残采煤区，不规划块段等的煤炭储量却在逐年上升，一些城市和村镇的建筑物下、铁路下、水体下（以下简称“三下”）压煤量也很大；另外，处于矿区煤田的边缘地带、小的地质构造附近的煤炭，均不能用常规的长壁开采技术采出，因此，短壁开采技术将有很大的发展空间。为满足适应短壁开采，又可快速掘进的需求，将需要开发出能够进行横轴与纵轴切割方式互换的用于半煤岩巷道掘进和煤巷快速掘进的掘进机短壁开采离机遥控操作系统、连续运输系统以及短壁工作面通风安全系统等。（二）、机电一体化、自动化煤矿开采技术装备应用电力电子驱动、传感检测、计算机与自动控制、机械—电气一体化设计等技术研究开发的煤矿新一代采掘、运输、提升等新型开采设备将不断涌现。这些设备总体结构实现机械—电气控制操纵一体化设计，具备工况自动监测监控功能，传动系统采用程序控制调速和软启动。煤矿机械机电一体化新型技术装备总体结构更合理，在煤矿井下狭小作业空间工作更加可靠、维修更加方便；配备更大功率的驱动系统，生产能力大幅度提高，在操纵和性能上实现程序控制、离机遥控、自动监测监控，使煤矿传统的采掘、运输等设备功能内涵发生重大突破，为生产过程的自动化控制奠定基础。（三）、采用矿井网络化监测监控技术为适应高度集中化生产模式和煤矿生产集团化管理模式，先进采煤国家研制开发了矿井自动化监测监控系统，主要生产环节已基本实现自动化监测监控。全矿井综合自动化监测监控系统集语言、数据、图像于一体，兼容各种专用监控系统功能的综合监控网络系统，将监测、控制、通信功能合成一网，并发展灵活、方便的无线接入技术。监控系统覆盖全矿井各生产环节，包括现场监测监控层、生产与安全集中控制监视层、信息管理层3个层次，通过各种矿用控制器、传感器、通信终端、摄像器等实现对综采工作面和矿井运输、通风、排水等设备和矿井瓦斯、煤尘等安全参数的自动化监测和监控。区域水文地质条件。采动影响稳定后产生的地表沉陷往往影响到地表水体(河流、湖泊、井泉等)的原来形态,造成部分沟泉水量减少甚至干涸;影响当地居民正常的生产生活,进而影响区域植被生长,甚至土地沙漠化。我国大部分矿区处在干旱半干旱地区,而每年采煤破坏地下水22亿m3,可见保水开采具有重要的意义。（四）、煤与瓦斯共采瓦斯既是矿井有害气体也是洁净能源。因此,应该使其资源化,其技术途径有:(1)采前抽采:若能在开采前将煤层内瓦斯抽出,则是利用瓦斯改善煤矿安全的最好办法。但由于我国大部分煤体透气性低,在本层内抽采瓦斯有难度。(2)煤与瓦斯共采:开采后围岩压力降低,大量瓦斯在采空区释放,有利于瓦斯抽采,因此形成煤与瓦斯共采体系。(3)废弃矿井抽采瓦斯。鉴于废弃矿井煤层经过采动而充满瓦斯,因而可以利用采动后岩体内裂隙场的分布及钻孔,将瓦斯抽排管装在井下、封闭井口后,抽出瓦斯。(4)回风井回收瓦斯。(5)煤与瓦斯共采的技术主要有:留巷钻孔法、卸压法等。（五）、充填开采我国多数煤矿存在建筑物下、水体下、铁路下压煤的问题,充填采矿法对解决这类问题具有重要的意义。