薄煤层高效安全开采技术与工艺研究

郝翔  甘肃华能天竣能源有限公司刘园子煤矿分公司

摘要：薄煤层资源在我国煤炭储量中占有相当大的比例，高效安全开采薄煤层资源对保障能源供应有重大意义。本文在分析薄煤层地质赋存特征和开采技术难点的基础上，从采煤方法优选、机械化装备适配、顶板管理与灾害防治等角度对薄煤层开采关键技术及工艺进行阐述，并对智能化开采、充填开采、绿色开采等前沿方向进行探讨。研究目的是给薄煤层矿井高效安全开采提供理论参考和技术借鉴。

关键词：薄煤层；开采技术；机械化

一、薄煤层开采的工程地质条件与技术难点

（一）薄煤层的赋存特征与分类

薄煤层指单层厚度较小的煤层，根据具体厚度区间分为不同的等级。这类煤层在我国主要聚煤区均有分布，资源总量大，但赋存条件差别较大。部分薄煤层属于近距离煤层群，层间距小，上下煤层间开采扰动效应明显。还有一些薄煤层夹有多层夹矸，煤岩界面复杂，开采过程中煤层与围岩的辨识困难，极易混入矸石造成煤质劣化。薄煤层的倾角变化范围也很大，从近水平煤层到急倾斜煤层都有分布，倾角的变化直接影响开采方式的选择和设备在采面的稳定性。赋存条件高度非均质性决定了薄煤层开采技术路线不能简单地套用中厚煤层的已有方案，必须根据具体的地质条件来定制化设计。薄煤层的可采性评价还要考虑煤层顶底板岩性、地质构造发育程度、水文地质条件等综合因素，综合评价结果为后续开采方案选择提供地质基础。

（二）薄煤层开采的核心技术瓶颈

薄煤层开采遇到的第一个技术难题是作业空间高度受限。煤层厚度直接限制了采煤设备的外形尺寸和工作行程，造成中厚煤层中成熟应用的大功率采煤机不能直接移植。极端狭小空间里操作人员通行、设备检修维护、采煤过程中产生的粉尘控制都变得非常困难。第二个技术瓶颈是半煤岩截割问题。薄煤层开采时，采煤机滚筒切割部分顶板或底板岩石来保证最低通过高度，造成截齿消耗增大、截割比能耗上升、设备振动加重，混入煤流的矸石加重了地面洗选负担。第三个瓶颈是回采巷道掘进和支护的效率问题。为了减少破岩量，保证工作面机头机尾处的作业空间，回采巷道常常需要卧底或者挑顶，巷道断面扩大和支护成本的增加使采掘衔接受到压力。另外，薄煤层工作面产量低，在吨煤成本构成中固定费用分摊压力大，经济性挑战和技术挑战并存，共同造成薄煤层开采效益差的根本原因。

（三）顶板与灾害因素的特殊性

薄煤层开采中顶板管理及灾害防治与中厚煤层有区别。薄煤层顶板一般距离煤层较近，采动影响传递快，顶板来压规律和矿压显现特征具有自身特点，支护强度和时机选择不当，极易造成切顶和漏顶事故。近距离煤层群开采时，本煤层开采会对上覆或者下伏煤层的采空区造成扰动，引起顶板二次活化或者层间岩层断裂。瓦斯防治在薄煤层开采中也具有特殊性。薄煤层本身瓦斯含量不高，但是邻近煤层群中的瓦斯会通过采动裂隙向本煤层涌出，造成瓦斯异常富集。薄煤层工作面通风断面本来就小，风速受限，瓦斯稀释能力差，对通风系统设计要求更高。粉尘治理在薄煤层采煤机高速截割含矸煤层的工况下面临极大的压力，封闭空间内粉尘浓度上升速度很快，传统喷雾降尘措施的效果受到空间的限制而打折扣。由于灾害因素的特殊性，薄煤层开采必须将安全技术与开采工艺统筹考虑，不能在采煤方法确定之后再行补救。

二、薄煤层高效安全开采的技术路径与工艺优化

（一）采煤方法的适应性选择与优化

薄煤层开采的采煤方法选择要从煤层赋存条件、技术装备水平和经济性三者之间进行综合考虑。缓倾斜薄煤层条件下，走向长壁采煤法是主流，工作面布置比较规整，回采工序比较成熟。根据煤层倾角和厚度条件，可以采用单一走向长壁采煤法或者倾斜长壁采煤法，倾斜长壁采煤法在倾角适中时可以利用煤炭自重辅助运输。对于煤层较薄、煤质较好、顶底板条件较好的工作面，刨煤机开采体系具有截深小、牵引速度快、操作人员在顺槽中远程控制的优势，减少了人员在狭窄空间的暴露时间。急倾斜薄煤层要采用台阶式采煤法或者伪倾斜掩护支架采煤法，工作面布置方式与缓倾斜煤层完全不同，通风和运输系统的设计也必须随之改变。近距离薄煤层群开采时，上下煤层开采顺序及合理错距问题需要考虑，一般采用下行开采顺序，层间错距满足采动应力释放和岩层稳定的要求。当煤层间距极小无法分层开采时，可以考虑将多层薄煤和夹矸合采，但是对煤质影响较大，需要根据经济效益综合评价后决定。

（二）机械化装备的小型化与智能化发展

机械化是薄煤层开采效率提高的主要动力。薄煤层采煤机在有限的空间内要获得足够的截割功率，因此对机身高度、截割臂布置方式和行走机构提出了严格的要求。目前薄煤层采煤机的发展方向是机身扁平化设计，将截割电机布置在摇臂末端以减小机身厚度，采用交流变频调速牵引系统提高牵引速度的调节范围和可靠性。刮板输送机同样需要降低槽帮高度，提高中部槽耐磨性，适应薄煤层空间限制和含矸煤流磨损。液压支架的设计重点是伸缩比和支护强度的双重要求，双伸缩立柱和紧凑型四连杆机构的配合可以保证支架在薄煤层中具有较大的伸缩范围，在最小高度下保证行人通风断面。智能化技术的加入正在改变薄煤层工作面的生产组织方式。基于惯性导航的采煤机位置精确定位技术、煤岩界面自动识别技术、液压支架电液控制系统，使薄煤层工作面的少人或无人开采成为可能。采煤机按照预先设定的轨迹自动截割，液压支架随采煤机位置自动跟机移架，操作人员在顺槽控制中心远程监控工作面运行状态。以典型的薄煤层智能化综采工作面为例，生产班只需要少量巡检人员，大大降低了人员在危险狭窄环境中的暴露，同时产量和效率比传统普采工艺有明显提高。

（三）顶板控制与灾害协同防治技术

薄煤层顶板管理要同开采工艺参数相配合，形成一体化控制方案。采场围岩控制的关键是正确确定支架工作阻力和初撑力。薄煤层条件下顶板下沉量对煤层厚度比例比中厚煤层更敏感，微小的顶板沉降会造成有效空间急剧减少。液压支架要采用初撑力保证装置和带压移架功能，防止卸载时顶板突然下沉。破碎顶板采用聚氨酯化学加固或者注浆锚索超前支护，在煤壁前方预加固顶板岩层，防止架前冒顶。沿空留巷技术在薄煤层工作面的应用，是实现无煤柱连续开采、提高资源采出率的有效途径。其做法是在工作面后方保留回采巷道供相邻工作面复用，巷旁支护可采用高水速凝材料充填墙体或切顶卸压自成巷工艺。切顶卸压沿空留巷在巷道顶板施工定向预裂钻孔，切断巷道侧悬臂顶板与采空区顶板的力学联系，使采空区顶板跨落后自动形成巷旁支护体，省去了充填环节，降低了留巷成本。在瓦斯和粉尘协同防治方面，薄煤层工作面应采用顺层长钻孔预抽和高位钻孔抽采相结合的瓦斯治理模式，配合工作面大风量通风和采煤机高压喷雾，形成抽采、通风、降尘的协同工作体系，多措并举保证薄煤层采面作业环境安全。

三、结束语

薄煤层高效安全开采是煤炭工业向精细化、智能化发展的主要方向。地质条件的精细探查、采煤方法的适应性选择、小型化机械化装备的配套优化、顶板控制与灾害防治的协同设计，各个技术环节要形成一个有机统一的开采体系。智能化技术的深度融合给薄煤层工作面少人化甚至无人化开采赋予了现实途径，未来还要冲破煤岩识别精度，设备可靠性，复杂地质条件下的自适应控制等关键瓶颈，促使薄煤层开采朝着更加安全，高效，绿色的方向不断前进。

参考文献

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