薄煤層智能化開(kāi)采影響因素分析

金志遠(yuǎn)，王 沉

（1.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

我國(guó)的煤炭資源豐富，但稟賦特殊，厚度1.3m以下的薄煤層約占全國(guó)煤炭保有儲(chǔ)量的20%左右，薄煤層儲(chǔ)量占保有儲(chǔ)量的50%以上。但由于薄煤層受到環(huán)境和空間的制約，工作條件惡劣，開(kāi)采難度大，掘進(jìn)率、工作面生產(chǎn)效率和產(chǎn)量低，普遍導(dǎo)致了各類(lèi)礦區(qū)“采厚棄薄”的現(xiàn)象，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2019年在達(dá)標(biāo)的1148個(gè)工作面中，薄煤層工作面占比為5.92%，但產(chǎn)量只有1.1%[1]。因此，薄煤層開(kāi)采問(wèn)題越來(lái)越突出，已是無(wú)法回避的問(wèn)題，而智能化開(kāi)采是解決這些問(wèn)題最有效的途徑。薄煤層智能化開(kāi)采影響因素有很多，從客觀因素和主觀因素兩個(gè)主要方面展開(kāi)分析。

1.客觀因素

1.1 煤層厚度

《煤礦安全規(guī)程》地下開(kāi)采時(shí)厚度1.3m以下的煤層為薄煤層。從煤層開(kāi)采角度來(lái)說(shuō)，薄煤層開(kāi)采高度與煤層厚度相一致，可以保證煤炭資源的有效開(kāi)采，含矸率很低；而針對(duì)回采巷道來(lái)說(shuō)，為了使回采巷道與薄煤層開(kāi)采高度相一致，巷道的設(shè)計(jì)凈斷面高度控制在1.3m以下最為合理。但在巷道高度1.3m以下的作業(yè)環(huán)境下，工作人員需要彎腰或趴著工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且狹小空間安全隱患有很多。薄煤層回采巷道一般多是半煤巖巷道，據(jù)統(tǒng)計(jì)半煤巖巷道的最低掘進(jìn)高度通常在2.2～2.6m之間，而且這樣的比例占到了79.6%左右。薄煤層厚度在1.3m以下，而實(shí)際薄煤層巷道高度在2.2～2.6m之間，巷道掘進(jìn)過(guò)程中的破巖率和含矸率都很高，達(dá)到了50%左右。從薄煤層采煤工作面開(kāi)采方面考慮，薄煤層厚度在1.3m以下，而薄煤層采煤機(jī)最小開(kāi)采高度一般在1.1m以上，但是如果薄煤層厚度小于1.1m，采煤機(jī)開(kāi)采高度大于煤層厚度，就會(huì)出現(xiàn)薄煤層煤炭開(kāi)采過(guò)程中的含矸率問(wèn)題，煤層高度越小，含矸率越高，也會(huì)造成設(shè)備損耗問(wèn)題。

1.2 煤層傾角

煤層傾角是影響煤層開(kāi)采方法和采煤設(shè)備選擇的重要因素。近水平、緩傾斜煤層和傾斜煤層傾角相對(duì)小，采用傳統(tǒng)薄煤層開(kāi)采方法，基本不存在設(shè)備穩(wěn)定性問(wèn)題；但是傾角大于45°，就要考慮采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備的防倒防滑穩(wěn)定性問(wèn)題。例如李文樹(shù)等人發(fā)表的《急傾斜薄煤層智能化開(kāi)采技術(shù)研究及發(fā)展》文章中指出，傾角大于45°薄煤層開(kāi)采存在采場(chǎng)空間受限，設(shè)備性穩(wěn)定性等問(wèn)題，如果考慮急傾斜薄煤層智能化開(kāi)采，涉及的問(wèn)題就會(huì)更多，他們提出了急傾斜薄煤層智能化開(kāi)采技術(shù)，并研發(fā)了配套設(shè)備，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好[2]。

1.3 構(gòu)造

構(gòu)造是地殼運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。在煤礦遇到斷層、褶皺等構(gòu)造是常有的事情。構(gòu)造對(duì)薄煤層智能化開(kāi)采影響較大，如果沿工作面走向方向存在向背斜構(gòu)造，而翼角角度不大的情況下，薄煤層智能化開(kāi)采影響不是很大，如果翼角角度較大，薄煤層智能化工作面開(kāi)采就存在仰俯采問(wèn)題，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性控制就要求較高。斷層是煤礦常見(jiàn)的構(gòu)造，落差小的斷層直接推過(guò)，落差大的斷層通常采用工作面搬家或在斷層影響范圍內(nèi)采用預(yù)掘巷道掏矸助采過(guò)斷層技術(shù)。

1.4 夾矸

煤層中存在夾矸對(duì)煤質(zhì)影響較大，必須增加洗選環(huán)節(jié)，增加了成本。相關(guān)資料顯示，對(duì)于類(lèi)似兗州礦區(qū)煤厚1 m左右含硫化鐵硬結(jié)核體薄煤層開(kāi)采，硫化鐵結(jié)核普氏系數(shù)高達(dá)11，給破煤（巖）機(jī)械設(shè)備的制造加工帶來(lái)很大難度，常用的切削破煤巖設(shè)備如刨煤機(jī)和滾筒式采煤機(jī)都無(wú)法用于上述煤層的開(kāi)采。我國(guó)企業(yè)技術(shù)人員和科研工作者開(kāi)展一系列研究取得了一定的成果，能夠得到有效解決[3]。

煤層厚度、煤層傾角、構(gòu)造、夾矸等影響薄煤層智能化開(kāi)采，但是薄煤層開(kāi)采涉及的是一個(gè)復(fù)雜空間地質(zhì)問(wèn)題。煤層厚度、煤層傾角、構(gòu)造、夾矸都是復(fù)雜空間地質(zhì)的元素，如果能夠采用一定的手段和技術(shù)將整個(gè)開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)條件透明重構(gòu)，就能夠?yàn)楸∶簩又悄芑_(kāi)采奠定著實(shí)的基礎(chǔ)。楊真等開(kāi)展了煤礦工作面先驗(yàn)約束加奇點(diǎn)模型CT 重構(gòu)方法研究，提出了基于時(shí)頻分析和CT層析成像技術(shù)[4]。袁亮，張平松在《煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采透明地質(zhì)條件的重構(gòu)與思考》一文中，提出從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型角度提出實(shí)現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)生產(chǎn)全過(guò)程地質(zhì)條件透明化的思路，并正在全面開(kāi)展推進(jìn)工作[5]。

2.主觀因素

除了煤層傾角、煤層厚度、夾矸和構(gòu)造等影響薄煤層智能化開(kāi)采的客觀因素以外，還存在半煤巖巷道、開(kāi)采設(shè)計(jì)和薄煤層智能化工作面成套裝備、智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控等主觀因素。

2.1 半煤巖巷道

據(jù)統(tǒng)計(jì)80%薄煤層回采巷道都涉及半煤巖巷問(wèn)題，半煤巖巷的設(shè)計(jì)、支護(hù)、施工等問(wèn)題與巖層巷道與煤層巷道存在差異。半煤巖巷巷道兩幫涉及煤巖兩種巖性，從掘進(jìn)運(yùn)輸角度考慮，如果煤質(zhì)較好，煤炭出售價(jià)格較高，采用分采分運(yùn)是比較有利的，但是涉及運(yùn)輸問(wèn)題，可能要設(shè)計(jì)兩套運(yùn)輸系統(tǒng)，施工管理都相對(duì)復(fù)雜。如果煤質(zhì)不太好，綜合考慮，采用煤矸混運(yùn)，就會(huì)增加洗選環(huán)節(jié)成本。從支護(hù)角度考慮，由于煤巖巖性不同，支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)煤層和巖層分開(kāi)獨(dú)立設(shè)計(jì)，而且煤巖接觸面附近要加強(qiáng)支護(hù)。從掘進(jìn)方式考慮，如果采用炮掘掘進(jìn)方式，考慮現(xiàn)代爆破技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤巖分層爆破，煤巖分采分運(yùn)是沒(méi)有問(wèn)題的，但效率較低；如果想提高半煤巖巷道掘進(jìn)效率，就要采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)方式，而采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)方式在半煤巖巷道施工，就只能將煤巖切割后混在一起運(yùn)輸，依然會(huì)增加洗選成本。

2.2 開(kāi)采設(shè)計(jì)

從礦井設(shè)計(jì)角度考慮，通常是根據(jù)礦井儲(chǔ)量，考慮服務(wù)年限，確定礦井生產(chǎn)能力，然后推算出采煤工作面尺寸和數(shù)目。采煤工作面尺寸確定一般從經(jīng)濟(jì)、常規(guī)裝備水平角度考慮，如果一個(gè)工作面不能達(dá)產(chǎn)，就設(shè)計(jì)兩個(gè)，甚至三個(gè)工作面來(lái)達(dá)產(chǎn)，或者一礦多井來(lái)達(dá)產(chǎn)。為了提高薄煤層工作面設(shè)計(jì)水平，以智能開(kāi)采裝備水平為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)薄煤層工作面尺寸，盡可能擴(kuò)大薄煤層采煤工作面尺寸，減少工作面數(shù)目，降低巷道掘進(jìn)率，減少工作面搬家次數(shù)，緩解采掘接替緊張局面。另一方面，降低半煤巖巷道高度是解決半煤巖巷和薄煤層采煤工作面混矸率的一個(gè)有效途徑[6-7]。

2.3 薄煤層智能化開(kāi)采成套設(shè)備

目前，薄煤層開(kāi)采主要采用刨煤機(jī)和采煤機(jī)，而采煤機(jī)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性更強(qiáng)。以下內(nèi)容針對(duì)采煤機(jī)開(kāi)采薄煤層展開(kāi)分析，薄煤層智能化開(kāi)采成套設(shè)備是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題。采煤工作面通常由運(yùn)輸平巷、回風(fēng)平巷和開(kāi)切眼組成。運(yùn)輸平巷布置有設(shè)備列車(chē)、乳化液泵站等，回風(fēng)平巷布置有膠帶運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等；開(kāi)切眼布置有采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等。除此以外，為了克服采煤工作面超前支承壓力對(duì)運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷的影響，在超前支承壓力影響范圍內(nèi)要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。薄煤層智能化開(kāi)采的初衷是減少井下作業(yè)人員，甚至機(jī)器代替人，井下不用人。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就要進(jìn)行薄煤層采煤工作面開(kāi)采成套設(shè)備控制系統(tǒng)研究，研制一套系統(tǒng)穩(wěn)定，兼容不同設(shè)備的智能化控制系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)控采煤工作面井下實(shí)際工程地質(zhì)條件變化，能夠根據(jù)地質(zhì)條件變化智慧控制薄煤層開(kāi)采成套設(shè)備動(dòng)作。

如果整個(gè)開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)條件透明重構(gòu)能夠完全實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)備穩(wěn)定性、設(shè)備兼容、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及傳輸方面都沒(méi)有問(wèn)題，按照預(yù)設(shè)的開(kāi)采層位進(jìn)行開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)薄煤層智能化開(kāi)采是基本沒(méi)有問(wèn)題。但是現(xiàn)階段整個(gè)開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)條件透明重構(gòu)還屬于起步階段，預(yù)設(shè)開(kāi)采層位不能達(dá)到很好的開(kāi)采效果，還不成熟，那么既然煤礦井下地質(zhì)條件都在發(fā)生變化，要想薄煤層智能化開(kāi)采成套設(shè)備在預(yù)想的開(kāi)采層位上進(jìn)行開(kāi)采，就要考慮煤巖識(shí)別問(wèn)題。在煤巖識(shí)別問(wèn)題方面，一些專(zhuān)家學(xué)者作出了巨大貢獻(xiàn)。

回采巷道超前支護(hù)段的巷道斷面能否達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，既然井下基本沒(méi)有人，這些工作誰(shuí)來(lái)做，巡檢機(jī)器人就顯得格外重要，如果巡檢機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)掃描，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，達(dá)到報(bào)警值及時(shí)報(bào)警，就能夠達(dá)到提醒作用；但是有一個(gè)問(wèn)題需要考慮，如果薄煤層回采巷道超前支護(hù)段巷道變形嚴(yán)重，不能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求，巷道維修工作誰(shuí)來(lái)做，既然是智能化開(kāi)采，就需要研制專(zhuān)門(mén)的裝備來(lái)完成這項(xiàng)工作，或者巷道支護(hù)技術(shù)發(fā)展到一定程度，能夠有效控制巷道變形，使巷道斷面滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

3.結(jié)語(yǔ)

薄煤層智能化開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題，其影響因素有很多。從客觀角度分析，主要包括煤層厚度、煤層傾角、構(gòu)造和夾矸等因素。煤層厚度與巷道最低掘進(jìn)高度和采煤機(jī)最小開(kāi)采高度關(guān)系密切，涉及含矸率問(wèn)題；煤層厚度與巷道最低掘進(jìn)高度或采煤機(jī)最小開(kāi)采高度相差越大，含矸率越高。煤層傾角涉及設(shè)備防倒防滑等穩(wěn)定性問(wèn)題，智能化開(kāi)采對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性控制要求更高。構(gòu)造主要包括斷層和褶皺等，對(duì)薄煤層智能化開(kāi)采和巷道掘進(jìn)影響很大。夾矸涉及含矸率問(wèn)題，硬夾矸對(duì)設(shè)備損害較大。影響薄煤層智能化開(kāi)采的客觀因素有很多，而這些因素在整個(gè)開(kāi)采區(qū)域的復(fù)雜多變性影響最大，因此將整個(gè)開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)條件透明重構(gòu)，就能夠?yàn)楸∶簩又悄芑_(kāi)采奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從主觀角度分析，從半煤巖巷道、開(kāi)采設(shè)計(jì)和煤層智能化開(kāi)采成套設(shè)備三個(gè)方面展開(kāi)了分析。半煤巖巷道的相關(guān)問(wèn)題直接影響薄煤層智能化工作面的開(kāi)采計(jì)劃，而研制矮型大功率掘進(jìn)機(jī)是提高半煤巖巷道掘進(jìn)效率的有效途徑；從開(kāi)采設(shè)計(jì)角度考慮，以現(xiàn)代智能開(kāi)采裝備水平為基礎(chǔ)，合計(jì)設(shè)計(jì)采煤工作面尺寸，可提高開(kāi)采效率，此外降低巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)高度是降低含矸率的有效途徑；從薄煤層智能化開(kāi)采成套設(shè)備方面考慮，對(duì)要想保障薄煤層工作面智能化正常開(kāi)采，需要考慮設(shè)備配套及兼容，設(shè)備穩(wěn)定性問(wèn)題，設(shè)備性能監(jiān)測(cè)監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性及其穩(wěn)定性，以及煤巖識(shí)別問(wèn)題等；除此以外，薄煤層回采巷道超前支護(hù)段一旦出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)巷道智能化維修裝備及技術(shù)提出了更高的要求。