浅谈煤矿机械化改造中釆煤方法的选择与优化
李朝武
摘要：本文通过永善县桧溪煤矿采煤方法的选择和比较，论述了在煤矿机械化改造中，采煤方法与采煤工艺的优化选择，简要介绍了目前国内主要应用的采煤方法与采煤工艺，提出了采煤方法的选择原则和优化措施。 关键字：采煤方法；采煤工艺；选择；优化
0 引言
昭通市煤炭资源较为丰富，煤炭资源储量在云南省内仅次于曲靖市，但各煤矿生产能力较小，机械化程度低，安全基础薄弱，有较大的扩能改造空间。近三年来，不少煤矿根据安监总煤行〔2010〕178号文件的要求，结合煤矿实际，积极推进煤矿机械化改造，改革煤矿采煤方法和采煤工艺，提升煤矿采掘、运输机械化水平，以提高煤矿安全产能。在煤矿机械化改造中，对采煤方法及工艺进行优化选择，是全面提高小型煤矿生产力水平的关键因素。
1 概况
永善县桧溪煤矿，设计规模为3万吨，2006年核定为4万吨的生产能力，机械化改造规划能力为9万吨，为瓦斯矿井。现矿区面积1.0041平方公里，矿井可采储量92万吨。
矿区总体为一向西倾斜的单斜构造，地层倾角一般为3～6°。可采煤层为C3煤，厚0.67～1.10m，赋存稳定，平均厚0.78m，埋深120～160m，无煤层爆炸危险性，煤层自燃；煤质坚硬，性脆，内生裂隙发育，易破碎。C3煤层伪顶为黑色薄层炭质泥岩，厚约0.10m，随采随落；顶板为褐黄色薄至中厚层状粉砂质泥岩，厚约4.10m，底板为灰黑色中厚层状泥质粉砂岩，厚约3.58m，总体上看，矿区工程地质条件应属以层状岩类为主的简单偏中等类型。现该矿在煤层底板中，沿煤层走向已掘运输大巷和回风大巷。
2 主要的采煤方法概述
我国目前应用较多的采煤方法主要有放顶煤采煤法、长壁垮落采煤法、充填采煤法、柱式体系采煤法和水力采煤法。
2.1 放顶煤采煤法
放顶煤采煤法的实质就是在厚煤层中, 沿煤层底部布置一采高为2～3m 的
长壁工作面, 用常规方法进行回采, 利用矿山压力的作用辅以人工松动方法, 使支架上方顶煤破碎后由支架后方放出。放顶煤有许多的优点: 比如降低成本, 提高效率等, 它主要适用于煤层厚度在6 m 以上, 顶煤厚度过小易发生超前冒顶。顶煤破碎主要依靠顶板岩层的压力, 其次是反复支撑作用。因此, 煤的坚固性系数一般应小于3, 且适用于倾角不太大的煤层。缺点是资源回收率低，矸石混入率高。
2.2 长壁垮落采煤法
长壁垮落采煤法以长工作面采煤为主要标志，自然垮落方式处理采空区，是目前我国应用较多的采煤方法。
2.2.1 走向长壁采煤法
走向长壁采煤法，先将采（盘）区划分为区段，在采区上（下）山内掘进区段车场或石门揭穿煤层，沿走向布置运输巷和回风巷，倾向布置切眼，长壁工作面沿走向推进的采煤方法。适用于开采顶板易于垮落的缓斜、倾斜薄及中厚煤层，缓斜3.5～5.0m厚煤层，近年来其应用范围有增大的趋势。
2.2.2 倾斜长壁采煤法
倾斜长壁采煤法，与走向长壁采煤法相比, 主要是采煤工作面及两巷的布置、工作面推进方向不同, 并取消了采区上( 下) 山的巷道。倾斜长壁采煤法, 在一定的地质开采技术条件下, 技术效益比较显著。
按目前的设备条件, 倾斜长壁采煤法主要适用倾角在12°左右, 目前矿井应用较少。对于倾斜和斜交断层较多的区域, 能大致划分成较为规则分带的情况下, 也可采用倾斜长壁采煤法或伪斜长壁采煤法。
2.3 充填采煤法
采用充填方法控制顶板的采煤方法统称为充填采煤法。其特点是用取自采场外部的砂、石、矿渣或炉灰等充填材料，填满采空区并靠填料的支承作用减少顶板下沉和垮落。充填方式视其输送填料所用动力的不同，可分为水力充填、风力充填、机械充填、自溜充填和人力充填等五种方式。
人力充填是在采空区中砌筑若干条宽度为采高2～2.5 倍的矸石带（带间距一般为8～15m），带间仍为空顶部分（未被填料充满）。由于人力充填未实现机械化，其劳动强度很大，劳动生产率很低，我国正规的采场已不再使用。自溜
充填利用填料自重进行充填，只适于开采急倾斜煤层，北票台吉矿、淮南孔集矿、四川中梁山煤矿等曾有应用。机械充填对填料要求不严，使用设备较少，但充填能力很低、充填质量差，我国还没有在工作面中进行过试用，只在宽面掘进中作过试验。风力充填与水力充填相比，系统较为简单；没有排水、排泥系统，适用条件广，可应用于缺水地区或近水平煤层，较易实行采充平行作业，我国曾分别在鸡西城子河矿和淮北局试用。但风力充填设备费用高，充填管路磨损快，耗电量大，充填不够致密，充填成本较高以及危害性粉尘的含量较高，今后是否推广应用，尚有待于进一步研究。水力充填方法的充填能力大，机械化程度较高，充填成本低于风力充填；充填密实率高，沉缩率低，有利于保护采空区上方地表；粉尘低，并有利于防治自然发火，是我国主要应用的充填方式。
2.4 柱式体系采煤法
按装备不同，柱式体系采煤法可分为传统的钻眼爆破工艺和高度机械化的连续采煤机采煤工艺两大类。传统的爆破落煤工艺与煤巷钻眼爆破掘进基本相同，高度机械化的柱式体系采煤法主要在美国、澳大利亚、加拿大、印度和南非等国应用。
我国地方煤矿，特别是乡镇煤矿应用机械化水平低的柱式体系采煤法较多。近年来我国部分大型现代化矿井也引进了连续采煤机等配套设备，提高了机械化程度。部分矿井用于回收边角煤柱或地质破坏带煤柱。
2.5 水力采煤法
水力采煤法用水射流进行落煤运煤，人员无需进入工作面，从而发展了柱式采煤法的优点，消除了工作面支护、顶板管理和装运作业工序，使采煤作业工序简化。同时，水力运、提可使矿井装、运、提升作业实现集中化，简化矿井生产环节。主要缺点是：通风系统不完善；回采率低，只有60%左右；仅适用于中等稳定以上的直接顶板，范围较窄；巷道掘进率高，准备工作量大；吨煤电耗和粉煤率较高、辅助运输的机械化程度较低。
当前水力采煤法的主要适用条件为：煤层厚 1～8m，倾角超过6～8°、顶底板较好、瓦斯不大的软或中硬煤层。在大倾角或不规则煤层中水采的效果优于传统采煤方法。
3 采煤方法的选择
3.1 桧溪煤矿煤层的特点
桧溪煤矿机械化改造规划能力为9万吨，瓦斯矿井，煤层自燃，无爆炸倾向性，煤层具有的特点为：煤层平均厚度为0.78m，倾角一般为3～6°，埋深120～160m，赋存稳定，煤质坚硬，性脆，内生裂隙发育，易破碎；伪顶为黑色薄层炭质泥岩随采随落，顶板粉砂质泥岩岩体的完整性较好，稳固性差，底板为灰黑色中厚层状泥质粉砂岩。设计开采范围地表无村庄、河流，现该矿在煤层底板中，沿煤层走向已掘运输大巷和回风大巷。
3.2 采煤方法的选择
采煤方法的选择，应根据煤层赋存状况、煤层厚度及硬度、煤层结构、顶底板条件、煤质条件、地面保护要求、设备供应状况、安全、产量、效率、成本和煤的回收率等因素，经综合技术经济比较后确定。
根据该矿的生产能力和煤层赋存条件，本着简便易操作、节约资源、结合生产实际、提高生产效率的选择理念和原则，可以选择的采煤方法为长壁垮落采煤法。采用倾斜长壁采煤法，直接利用运输大巷和回风大巷，减少运输上山和回风上山的掘进，降低了巷道掘进率。
4 采煤工艺的选择
目前应用的采煤工艺主要有炮采、普采和综采三种工艺。 4.1 炮采采煤工艺
炮采即爆破采煤工艺, 其特点是爆破落煤， 爆破后人工装煤，机械化运煤，用单体支柱支护工作空间顶板。该工艺适应性强，投资省，技术难度小，工人易于掌握，巷道系统相对简单，工作面接替容易。缺点是效率较低，井下安全条件相对较差。
4.2 普通机械化采煤工艺
普通机械化采煤工艺，简称“ 普采”， 其特点是用采煤机械同时完成落煤和装煤工序，而运煤、顶板支护和采空区处理与炮采工艺基本相同。
4.3 综采采煤工艺
综采即综合机械化采煤工艺, 即破、装、运、支、处五个主要生产工序全部实现机械化。
综采工作面区段巷道布置有以下主要特点：
1、平巷断面尺寸较大。工作面运输平巷、回风平巷断面尺寸应按安装设备
和运送设备的最大尺寸进行设计。由于综采设备一般由运输平巷运入工作面，故其断面尺寸主要以液压支架最大部件的外形尺寸确定。
2、平巷掘进取直。在采煤工作面开采过程中，为了避免增加或减少液压支架的数量和输送机长度，必须使工作面长度保持不变。因此，在运输平巷、回风平巷掘进时，应严格按走向保证运输平巷、回风平巷平行施工。当煤层走向不太稳定时，为保证巷道不出现负坡积水，运输平巷、回风平巷应采取微坡走向平向施工的方法。
3、加大工作面推进长度。综采工作面的设备多、吨位重，设备的安装和拆移需要耗费大量的人力和工时。因此，在布置巷道时，应适当增加工作面的连续推进长度，尽可能地减少工作面搬家的次数。
4.4 采煤工艺的选择
该矿煤层稳定，较薄，平均厚0.78m，为极薄煤层；机械化改造设计能力9万吨/a，生产能力较小，不宜使用普采和综采工艺。
根据上述因素，设计采用爆破采煤工艺，单体支柱和铰接顶梁支撑顶板，工作面刮板输送机运煤，运输巷皮带运煤，全部垮落法管理采空区。
为增加块煤率，提高经济效益，设计采煤工作面采用截煤机开底槽，在底槽顶部煤层采用煤电钻打眼放小炮爆破落煤。使用链式截煤机完成机械掏槽作业，改变采煤工作面采用手工掏槽作业的落后工艺，减轻工人劳工强度，提高劳动生产率，与单纯的炮采工艺相比改善了劳动安全生产条件，确保采煤工作面正规循环作业，增加块煤率。
工作面回采工艺为：截煤机掏槽→煤电钻打眼放小炮爆破落煤→临时支护→刮板机运煤→单体液压支柱支护顶板→回柱放顶。
采煤工作面采用“两采一准”的作业方式，循环进度为1.0m，日进尺2.0m；工作面采用单体液压支柱配金属铰接顶梁支护顶板，柱距0.8m，排距1.0m，“三·五”排控顶，最大控顶距为5.2m，最小控顶距为3.2m，全部垮落法管理顶板。
工作面应用沿空留巷技术，减少巷道掘进量，缓解接续紧张，提高综合经济效益，节约掘进费用煤炭全部回收，延长矿井寿命，提高社会效益。具体做法是，在上区段工作面采过时，在下端沿采空区砌筑矸石墙，将上区段工作面运输巷保