煤矿井下采煤技术中存在的问题及应对策略初探
时间：2023-04-16 20:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王彦林
（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045400）
煤炭是我国的主要能源之一，对我国的经济建设起到重要的推动作用。现如今随着开采深度的不断增加，井下开采技术在应用过程中也面临着诸多问题，严重影响了煤炭资源的开采效率和开采安全性，例如瓦斯治理问题、巷道支护问题、长距离掘进通风问题等，只有从源头上根除上述问题，才能真正保证煤炭资源的高效安全开采。
1.1 瓦斯治理问题
瓦斯是影响我国煤炭安全开采的最主要因素之一，同时也是在开采过程中不可避免遇到的问题之一。因为随着煤炭资源的日益枯竭，越来越多的矿井不得不加大开采深度，这也会直接增加瓦斯的涌出量，对矿井的安全开采带来严重威胁。现阶段煤矿井开采瓦斯治理措施主要包括瓦斯突出防治和瓦斯超限防治两大内容，但是无论哪一项在实施过程中都具有很大难度[1]。例如，对于矿井瓦斯超限防治来说，现阶段最常使用的手段就是进行瓦斯抽采和增加矿井通风量，但是由于我国煤层地质具有很差的透气性，所以瓦斯抽采不仅效率低、而且耗时耗力，会严重增加煤矿企业的开采成本。而且瓦斯抽采虽然可以在一定程度上让煤层中的瓦斯压力降低，能够有效避免瓦斯突出，但是并不能从本质上消除隐患的存在，因为现如今有很多学者已经证明，瓦斯突出和瓦斯压力并不存在正比关系，导致瓦斯突出的机理尚不明确，所以这也使得瓦斯治理难度一直居高不下。随着综采技术的日渐成熟，我国煤炭资源的开采强度也在持续增大，煤层在破碎过程中会释放出大量的瓦斯气体，如果不能采取有效措施进行处理会导致瓦斯瞬时浓度超标，严重时将会导致矿井产生瓦斯爆炸，严重威胁工作人员的人身安全。
1.2 巷道支护问题
对开采巷道进行支护是确保煤炭资源安全开采的重要手段。如果在井下开采过程中工作人员没有结合煤层特征选择适合的支护方式，就很容易产生顶板冒落、煤壁片帮等问题。现如今在井下开采中最常使用的巷道支护方式为：利用锚杆、锚网和锚索进行联合支护，虽然支护效果显著，但也绝不是万无一失，仍旧存在着支护失效的可能。这是因为巷道同时受静压和动压影响，而且现有技术很难准确估计出动压大小，所以对于掘进巷道的支护设计也就无法做到尽善尽美。除此之外，冲击地压也是巷道支护所面临的一个重要问题，如图1所示。
图1 巷道冲击地压示意图
根据查阅大量资料可知，有80%的冲击地压能够作用在巷道中，一旦冲击地压发生将会严重破坏巷道的稳定性，而且开采深度与冲击地压成正比关系。但是现如今对冲击地压的研究尚不成熟，因此也很难对其进行有针对性的防治。虽然液压支架可以起到很好的支护效果，但是由于成本过于高昂，因此很难大范围推广和使用，特别是对于一些中小型煤矿来说根本难以承担。值得注意的是，随着煤矿巷道挖掘深度的持续增加，围岩的应力状态也在不断发生变化：在工作面前方的围岩应力正比增加，在工作面后方的围岩应力反比减小，通俗的说就是在掘进工作面前方一定位置处围岩应力会发生显著变化，并且在工作面处应力到达最大值，在工作面后方一定位置后趋于稳定。在掘进过程中，挖掘前方两侧的围岩应力无明显变化；
掘进工作面后方应力降低区和应力升高区的面积在不断扩大，当与工作面远离一定距离后，应力变化趋于稳定，围岩应力的变化也会对巷道支护的稳定性带来一些不利影响。
1.3 长距离掘进通风问题
在井下掘进作业过程中，局部通风机与巷道全负压通风系统是作业面的主要通风动力，其中又以局部通风机作用最为广泛，在我国煤矿企业中有着重要应用。现阶段我国的长距离通风形式主要分为单巷掘进长距离通风技术、双巷掘进长距离通风技术与多巷掘进局部通风技术三种，其中单巷长距离通风技术又包括多级风库接力通风、多台局部风机配合多条风筒、大功率局部通风机与长风筒配合、风库中转与通风钻孔联合供风、间隔串联通风等五种技术。随着采掘工艺愈发成熟，井下作业的巷道长度也在不断延长。延长的巷道虽然在一定程度上为回采作业提供了便利条件，但是同时也会因为增加了掘进面通风距离，而导致风筒漏风、降低风机有效性、空气循环不彻底等情况的产生。
2.1 强化瓦斯抽采和利用
因为我国煤层的透气性较差，所以瓦斯治理难度很大，常规的钻孔抽采并不能达到预期效果，因此必须对现有的瓦斯抽采措施进行改进和强化。在实际进行瓦斯抽采时，工作人员一定要充分结合煤层的实际厚度、硬度和围岩特征等因素，制定出更加完善的瓦斯抽采方案。对于硬质煤层来说，因为此种煤层的渗水率较差，所以可以采用水力压裂、水力冲孔、深孔爆破等措施来强化进行瓦斯抽采；
对于软质煤层来说，可以使用大直径高位钻孔或者抽采钻孔下套管等方式进行瓦斯抽采[2]。如果在煤层中瓦斯的解吸速度较慢，那么工作人员还可以采取一些能够强化瓦斯解吸的措施，例如可以在煤层中注入表面活性剂或者进行注氮抽采等，表面活性剂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气高于瓦斯的吸附能力而在煤层中形成一定的竞争吸附，迫使瓦斯被解吸。
除此之外，煤炭企业也要强化对瓦斯资源的利用。瓦斯的主要组成成分为烷烃，以甲烷为主，同时配有少量乙、丙、丁烷，还有一部分其他气体，瓦斯的主要成分比例如表1所示。
表1 瓦斯的主要成分表
瓦斯气体的成分比例决定了瓦斯的经济价值，因此在煤矿的开采环节，可以将瓦斯分解成各种清洁能源，并将其转化为电能和热能，可有效降低煤炭开采的能源消耗[3]。除此之外，对瓦斯气体进行抽采利用，还可有效降低因瓦斯气体扩散而产生的温室效应，具有一定环保意义，真正意义上的实现变废为宝，发挥出能源的最大利用价值。
2.2 强化掘进工作面巷道支护及加固设计
软岩是一种十分常见的围岩类型，为了最大程度提高巷道支护效果，工作人员就可以利用强度较高的锚杆，并对锚杆施加一定的预应力，以此来提高围岩的承载性能，降低围岩的剪切变形。锚杆支护技术是现如今最为常见的巷道支护技术，不仅成本较低同时应用简单，能够结合围岩形变量适当调整支护强度。但是在高应力的制约下，并非所有的锚杆支护都能呈现出主动的支护效果。锚注支护方式则主要采用灌浆的方法来提高围岩的荷载力，同时也可有效提高围岩抵御地下水侵害的能力，并且具有注得进、黏得住等两个时间与空间优势，支护效果明显：一是可有效避免煤岩体因滑动、离层、裂隙张开等因素而导致的结构变形，可以最大程度的保证煤岩体的稳定性和完整性；
二是注浆可妥善改变开挖断面周围的采动应力场，不仅可以减小压应力区，同时也可有效抑制拉应力区的产生。
2.3 优化通风系统设计
以某煤矿的实际通风系统改造为例。该煤矿作业面煤层厚度分布均值为5.5m，而且具有不易自燃的特性，瓦斯含量较低，整个煤层的倾角均值为3°，顶板岩层由外到内分别由粉砂岩、中粒砂岩与细砾砂岩构成，底板岩层均为粉砂岩。巷道的掘进采用双巷掘进工艺，并利用锚网进行支护，回风巷与运输巷的断面均为矩形，尺寸为4.15m×6.2m。在巷道掘进作业时，为确保巷道供风安全，决定对通风系统进行重新设计。
2.3.1 巷道开口设计
巷道的施工大多是从辅助运输槽进行开口作业的，然后反向挖掘反风通道与机头硐室，在进行开口施工时，新鲜风流会经由辅助运输巷道流入顺槽内，并伴随着挖掘进度进入机头硐室与反风通道，在二者未与回风大巷贯通前，掘进过程中所产生的污风将会原路返回。
2.3.2 掘进设计
当机头硐室与反风通道联通于盘区大巷后，需要布设一个风门于辅助运输槽内。风流会经由机头硐室、回撤巷道、反风通道然后进入盘区回风大巷，同时伴随顺槽掘进长度的不断延长，需要设置密闭墙于已经完成掘进的横贯联络巷内，同时布设风门于回撤巷道内，这可以最大程度地避免风流短路。在具体挖掘作业时，以1000m 为单位，顺槽每前进1000m，局部风机就需要挪动一次，并安置于横贯联络运输槽内，实现对2个掘进面的同时供风，对于作业产生的污风需要经由反风通道与辅助运输顺槽传输至盘区回风大巷中。改造后的通风系统能够切实保障长距离掘进巷道中的通风负压和通风量，可以为矿井开采提供安全的开采环境。
综上所述，煤炭作为我国重要的能源之一，对经济建设发展起到重要的促进作用，但是由于煤炭资源的大量消耗，导致煤炭资源的开采深度不断增大，矿井深度的增加也使得井下煤炭开采技术在应用过程中面临了很多问题，例如瓦斯问题、巷道支护问题和通风问题等，这些问题都严重制约了我国煤炭资源开采的安全性和开采效率，这也就要求技术人员必须能够对现有的井下开采技术进行改革与创新，促使技术更加完善，并采取有针对性的措施对井下开采过程中所遇到的一系列问题进行处理，切实保障我国煤炭资源的高效安全开采。
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