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摘要：随着煤炭资源的大规模开采，深部采煤和蹬空采煤技术成了新的研究热点。本文首先阐述了煤矿开采方法，接着针对蹬空煤层的上行开采技术进行了分析，最后基于SQL Server 2008+VB设计了包含数据库、模型库和方法库的采煤决策支持系统，对煤炭开采技术的更深入研究进行了有益探索。
关键词：煤炭开采 开采技术 技术研究
我国煤炭开采技术在经历了手镐采煤——风镐采煤——爆破采煤——普通机械化采煤（普采）——高档普通机械化采煤（高档普采）——综合机械化采煤（综采）——综合普通机械化放顶煤采煤（综放）七个阶段后，逐渐形成了综采、普采、炮采三种工艺方式并存的局面。而随着煤炭经济的快速发展，煤炭开采技术获得了充足的发展动力，众多学者和技术人员针对煤炭开采中的各种问题进行了不同的研究与实践，取得了显著的效果。这些研究工作，为我国煤炭资源开发提供了良好的技术保障。但我们也看到，在经历了煤炭的高强度开采后，煤炭开采逐渐向深部转移，开采的难度随之提升，且有不少的遗弃资源需要蹬空回采，这些技术难题摆在了我们采矿人员的面前，亟待解决。本文从煤矿开采方法出发，主要针对上行开采技术和采煤方法决策支持系统设计进行了研究。
1 煤矿开采方法
我国煤田地质条件的复杂性，决定了煤矿技术装备是多层次的，在一个相对长的时期内必将是综采、普采、炮采三种工艺方式并存。炮采工人劳动强度大、支护工作不安全、日产量及劳动生产率低、材料消耗量大，适应性强；普采工艺采煤工作实现了机械化，产量提高，设备投资少。但支架的架设和回撤工作仍为繁重的人工劳动，在顶板管理方面还显得比较薄弱。就目前煤矿地下开采技术发展趋势看，综采是采煤工艺的重点发展方向，它具有高产、高效、安全、低耗以及劳动条件好、劳动强度小的优点。但是综采设备价格昂贵，综采生产优势的发挥有懒于全矿井良好的生产系统、较好的煤层赋存条件以及较高的操作和管理水平。
采煤工作面的工艺过程，包括破煤、装煤、运煤、支护、和采空区处理等工序。现对破煤和采空区处理详述如下：
1.1 破煤
以MG160/390-WD型双滚筒采煤机为例，使用双向割煤，滚筒截深0.6m，往返一次进两刀，采煤机司机应随时调整滚筒高度，保证采高2.1-2.3m，保证不超高、不割底。采用工作面端部斜切进刀割三角煤双向割煤方式，根据采煤机机械特征，采煤机进刀段长度应不小于30m。
①当采煤机割至工作面端头时，其后的输送机槽已移近煤壁；②调换滚筒位置，前滚筒降下、后滚筒升起并沿输送机弯曲段返向割入煤壁，直至输送机直线段为止。然后将输送机移直；③再调换两个滚筒上下位置，重新返回割煤至输送机机头处；④将三角煤割掉、煤壁割直后，再次调换上下滚筒，返程正常割煤。
1.2 采空区处理
采空区处理方法有全部垮落法、充填法、煤柱支撑法、缓慢下沉法等。其中全部垮落法应用最广。
全部垮落法是通过回柱放顶、移架使工作面控顶距范围以外的顶板岩层有计划地垮落下来，基本上填满采空区，同时维护好控顶距范围内的顶板，使其保持完整稳定。
特殊条件下顶板支护，工作面顶板破碎或过地质构造时，采煤机司机必须与拉架工密切配合，减慢截割速度，割煤与拉架间距不得超过5m，拉架时采取带压擦顶前移支架的方法。
工作面出现断层时，若其落差小于1.0m，采取调低支架留设顶底煤的方法通过，工作面支架形式不变。若落差大于1.0m，采取放震动炮配合机组截割的方法通过，并另编制专项安全技术措施。
2 煤矿上行开采技术
矿山煤层开采时，一般开采顺序都是沿着自上而下的顺序进行，自下而上的开采方式在实际中应用不多。但在生产实践中由于各种原因造成一些煤矿滞留有处于悬空状态的煤层，或受当时生产技术条件所限，上部煤层为难采煤层；或因上部煤层煤质、厚度、价格等因素在当时处于不宜开采状态。但随着生产技术水平的提高、煤炭价格的上涨、煤矿生产技术体系的完善，这些曾经处于不宜开采状态的煤层又会具备客观的开采价值，尤其是对于一些资源临近枯竭的老矿井，若能将处于悬空状态的煤层安全、合理地开采，将会在延长矿井的服务年限、提高资源回收率、提高矿井生产系统的利用效率等方面创造出巨大的经济和社会效益。所以国内外也有一些有益的尝试与探索，总体来说有以下两种情况：一是主动上行开采，即矿山开采设计时为消除或改善中组或上组煤层的不利条件而采取的先下后上顺序的开采方式，其目的是使上部煤层降低其瓦斯含量或者卸压或者疏干；另一种是被动上行开采，即矿山开采时由于客观原因开采已采煤层水平的上覆煤层，其目的是节约资源，提高生产效率和经济效益。
上行开采首先是开采下部煤层，其上覆岩层稳定后，再开始开采上部煤层，这样就必须确定上、下煤层之间的距离，只有在层间距适当的时候才能有条件采用上行开采，否则就无法进行上行开采。当下部煤层开采后，采空区上覆岩层必然产生移动变形，从而产生冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带。
不同倾角、不同岩性的岩层及不同组合的覆岩，其移动规律及破坏规律是不同的。对于缓倾斜煤层，当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，冒落带和裂隙带的高度都是不一样。当上下两层煤的最小垂距h大于煤层的冒落带Hm时，上下煤层的裂隙带最大高度取标高最高者作为两层煤的裂隙带最大高。通常对下部煤层的影响主要是冒落带，对上部煤层的开采影响主要是裂隙带，弯曲下沉带对上部煤层的影响不是太大。
根据煤岩层破坏的特征，从上行开采的需要出发，又关系到裂缝带的高度，为了保证下部煤层开采以后所形成的裂缝带不波及到上部开采煤层，必须确定冒落带和裂缝带的高度。
2.1 冒落带
影响冒落带的因素除采高以外，还与岩石的碎胀系数有关。一般来说，岩石比较软时，岩石碎胀系数就小；岩石比较硬时，岩石碎胀系数就大。
2.2 裂缝带
在上行开采过程中，为了保证上部煤层在整体结构上不至于遭到破坏，通过计算导水裂缝带的高度，可以确定上行开采时上、下煤层之间的允许距离。影响导水裂缝带高度的主要因素是采出煤厚、煤层倾角、顶板岩性、采后时间等。围岩的特性，包括下部已冒落岩石压实后残余碎胀系数的大小，以及上覆岩层的硬度和力学性质对导水裂缝带的高度也起重要作用。
3 采煤决策支持系统设计
决策支持系统是把模型和分析技术与传统的数据存取技术及检索技术结合起来，开发出可为决策者提供不同决策时的各项结果，从而辅助决策者得到最优决策，进行决策支持的软件系统。
采煤决策支持系统应针对不同煤层地质条件，建立相应的模型，提出所需的数据，确定评价的方法，最后设计在相应的子模块中，集成为总的决策支持系统。
3.1 系统开发平台选择
系统建设平台选择如下：
操作系统：Windows XP；
数据库系统：SQL Server 2008；
开发平台：VB。
3.2 系统结构
系统总体结构设计如图1所示。
3.3 系统主要模块功能[1]
3.3.1 数据库管理系统
数据库管理系统主要用来存放系统运行时所需要的各类数据，并管理、维护和使用这些数据，它的功能包括：数据存取、修改、查询、删除和检索。具体内容如下：①煤层地质条件数据；②机、炮采技术性决策指标和权重数据；③采煤设备型号参数数据；④模拟模型所需要的各项参数数据；⑤回采巷道围岩稳定性分类指标数据；⑥回采巷道布置经济评价所需要的基础数据；⑦放顶煤开采与分层开采经济比较数据；⑧综合性评价各指标的权重。
3.3.2 模型库管理系统
模型库管理系统主要是存放各类辅助决策的模型，这些模型包括：① 不同采煤机对应的采煤工作面产量模拟模型；②放顶煤工作面产量模拟模型。
3.3.3 方法库管理系统
方法库管理系统中主要包括各种预测方法和优化方法，对应于功能不同的优化程序，如：①机采形式与设备的选型；②放顶煤开采与分层开采的比较；③回采巷道围岩稳定性分类；④回采方向与区段平巷留设方式的确定；⑤ 回采巷道布置方案的经济评价。
4 结束语
本文主要针对煤炭开采技术中的部分问题进行了研究，在采煤方法叙述中，主要阐述了采煤工作面的破煤和采空区处理技术。上行开采技术是近年来较为热门的研究方向，本文对该技术进行了详细分析，解释了冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的由来。近年来，计算机技术在煤炭开采中扮演着越来越重要的角色，使用计算机进行辅助决策在很多大矿井已经不新鲜，本文亦对此问题进行了研究，设计了包含数据库、模型库和方法库的采煤决策支持系统，给出了系统的设计思路、系统结构和各主要模型的功能描述。通过本文的研究工作，对煤炭开采技术研究是一次理论与实践的探索，对推进煤炭企业更好的生产具有现实意义。
参考文献：
[1]张幼蒂，王玉浚.采矿系统工程[M].徐州：中国矿业大学出版社.2005.
作者简介：倪刚（1977-），男，陕西神木人，助理工程师，2011年毕业于中原工学院电气工程及其自动化专业，现在神东煤炭集团公司总调度室担任调度主管工作。
关键词：煤炭开采 开采技术 技术研究
我国煤炭开采技术在经历了手镐采煤——风镐采煤——爆破采煤——普通机械化采煤（普采）——高档普通机械化采煤（高档普采）——综合机械化采煤（综采）——综合普通机械化放顶煤采煤（综放）七个阶段后，逐渐形成了综采、普采、炮采三种工艺方式并存的局面。而随着煤炭经济的快速发展，煤炭开采技术获得了充足的发展动力，众多学者和技术人员针对煤炭开采中的各种问题进行了不同的研究与实践，取得了显著的效果。这些研究工作，为我国煤炭资源开发提供了良好的技术保障。但我们也看到，在经历了煤炭的高强度开采后，煤炭开采逐渐向深部转移，开采的难度随之提升，且有不少的遗弃资源需要蹬空回采，这些技术难题摆在了我们采矿人员的面前，亟待解决。本文从煤矿开采方法出发，主要针对上行开采技术和采煤方法决策支持系统设计进行了研究。
1 煤矿开采方法
我国煤田地质条件的复杂性，决定了煤矿技术装备是多层次的，在一个相对长的时期内必将是综采、普采、炮采三种工艺方式并存。炮采工人劳动强度大、支护工作不安全、日产量及劳动生产率低、材料消耗量大，适应性强；普采工艺采煤工作实现了机械化，产量提高，设备投资少。但支架的架设和回撤工作仍为繁重的人工劳动，在顶板管理方面还显得比较薄弱。就目前煤矿地下开采技术发展趋势看，综采是采煤工艺的重点发展方向，它具有高产、高效、安全、低耗以及劳动条件好、劳动强度小的优点。但是综采设备价格昂贵，综采生产优势的发挥有懒于全矿井良好的生产系统、较好的煤层赋存条件以及较高的操作和管理水平。
采煤工作面的工艺过程，包括破煤、装煤、运煤、支护、和采空区处理等工序。现对破煤和采空区处理详述如下：
1.1 破煤
以MG160/390-WD型双滚筒采煤机为例，使用双向割煤，滚筒截深0.6m，往返一次进两刀，采煤机司机应随时调整滚筒高度，保证采高2.1-2.3m，保证不超高、不割底。采用工作面端部斜切进刀割三角煤双向割煤方式，根据采煤机机械特征，采煤机进刀段长度应不小于30m。
①当采煤机割至工作面端头时，其后的输送机槽已移近煤壁；②调换滚筒位置，前滚筒降下、后滚筒升起并沿输送机弯曲段返向割入煤壁，直至输送机直线段为止。然后将输送机移直；③再调换两个滚筒上下位置，重新返回割煤至输送机机头处；④将三角煤割掉、煤壁割直后，再次调换上下滚筒，返程正常割煤。
1.2 采空区处理
采空区处理方法有全部垮落法、充填法、煤柱支撑法、缓慢下沉法等。其中全部垮落法应用最广。
全部垮落法是通过回柱放顶、移架使工作面控顶距范围以外的顶板岩层有计划地垮落下来，基本上填满采空区，同时维护好控顶距范围内的顶板，使其保持完整稳定。
特殊条件下顶板支护，工作面顶板破碎或过地质构造时，采煤机司机必须与拉架工密切配合，减慢截割速度，割煤与拉架间距不得超过5m，拉架时采取带压擦顶前移支架的方法。
工作面出现断层时，若其落差小于1.0m，采取调低支架留设顶底煤的方法通过，工作面支架形式不变。若落差大于1.0m，采取放震动炮配合机组截割的方法通过，并另编制专项安全技术措施。
2 煤矿上行开采技术
矿山煤层开采时，一般开采顺序都是沿着自上而下的顺序进行，自下而上的开采方式在实际中应用不多。但在生产实践中由于各种原因造成一些煤矿滞留有处于悬空状态的煤层，或受当时生产技术条件所限，上部煤层为难采煤层；或因上部煤层煤质、厚度、价格等因素在当时处于不宜开采状态。但随着生产技术水平的提高、煤炭价格的上涨、煤矿生产技术体系的完善，这些曾经处于不宜开采状态的煤层又会具备客观的开采价值，尤其是对于一些资源临近枯竭的老矿井，若能将处于悬空状态的煤层安全、合理地开采，将会在延长矿井的服务年限、提高资源回收率、提高矿井生产系统的利用效率等方面创造出巨大的经济和社会效益。所以国内外也有一些有益的尝试与探索，总体来说有以下两种情况：一是主动上行开采，即矿山开采设计时为消除或改善中组或上组煤层的不利条件而采取的先下后上顺序的开采方式，其目的是使上部煤层降低其瓦斯含量或者卸压或者疏干；另一种是被动上行开采，即矿山开采时由于客观原因开采已采煤层水平的上覆煤层，其目的是节约资源，提高生产效率和经济效益。
上行开采首先是开采下部煤层，其上覆岩层稳定后，再开始开采上部煤层，这样就必须确定上、下煤层之间的距离，只有在层间距适当的时候才能有条件采用上行开采，否则就无法进行上行开采。当下部煤层开采后，采空区上覆岩层必然产生移动变形，从而产生冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带。
不同倾角、不同岩性的岩层及不同组合的覆岩，其移动规律及破坏规律是不同的。对于缓倾斜煤层，当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，冒落带和裂隙带的高度都是不一样。当上下两层煤的最小垂距h大于煤层的冒落带Hm时，上下煤层的裂隙带最大高度取标高最高者作为两层煤的裂隙带最大高。通常对下部煤层的影响主要是冒落带，对上部煤层的开采影响主要是裂隙带，弯曲下沉带对上部煤层的影响不是太大。
根据煤岩层破坏的特征，从上行开采的需要出发，又关系到裂缝带的高度，为了保证下部煤层开采以后所形成的裂缝带不波及到上部开采煤层，必须确定冒落带和裂缝带的高度。
2.1 冒落带
影响冒落带的因素除采高以外，还与岩石的碎胀系数有关。一般来说，岩石比较软时，岩石碎胀系数就小；岩石比较硬时，岩石碎胀系数就大。
2.2 裂缝带
在上行开采过程中，为了保证上部煤层在整体结构上不至于遭到破坏，通过计算导水裂缝带的高度，可以确定上行开采时上、下煤层之间的允许距离。影响导水裂缝带高度的主要因素是采出煤厚、煤层倾角、顶板岩性、采后时间等。围岩的特性，包括下部已冒落岩石压实后残余碎胀系数的大小，以及上覆岩层的硬度和力学性质对导水裂缝带的高度也起重要作用。
3 采煤决策支持系统设计
决策支持系统是把模型和分析技术与传统的数据存取技术及检索技术结合起来，开发出可为决策者提供不同决策时的各项结果，从而辅助决策者得到最优决策，进行决策支持的软件系统。
采煤决策支持系统应针对不同煤层地质条件，建立相应的模型，提出所需的数据，确定评价的方法，最后设计在相应的子模块中，集成为总的决策支持系统。
3.1 系统开发平台选择
系统建设平台选择如下：
操作系统：Windows XP；
数据库系统：SQL Server 2008；
开发平台：VB。
3.2 系统结构
系统总体结构设计如图1所示。
3.3 系统主要模块功能[1]
3.3.1 数据库管理系统
数据库管理系统主要用来存放系统运行时所需要的各类数据，并管理、维护和使用这些数据，它的功能包括：数据存取、修改、查询、删除和检索。具体内容如下：①煤层地质条件数据；②机、炮采技术性决策指标和权重数据；③采煤设备型号参数数据；④模拟模型所需要的各项参数数据；⑤回采巷道围岩稳定性分类指标数据；⑥回采巷道布置经济评价所需要的基础数据；⑦放顶煤开采与分层开采经济比较数据；⑧综合性评价各指标的权重。
3.3.2 模型库管理系统
模型库管理系统主要是存放各类辅助决策的模型，这些模型包括：① 不同采煤机对应的采煤工作面产量模拟模型；②放顶煤工作面产量模拟模型。
3.3.3 方法库管理系统
方法库管理系统中主要包括各种预测方法和优化方法，对应于功能不同的优化程序，如：①机采形式与设备的选型；②放顶煤开采与分层开采的比较；③回采巷道围岩稳定性分类；④回采方向与区段平巷留设方式的确定；⑤ 回采巷道布置方案的经济评价。
4 结束语
本文主要针对煤炭开采技术中的部分问题进行了研究，在采煤方法叙述中，主要阐述了采煤工作面的破煤和采空区处理技术。上行开采技术是近年来较为热门的研究方向，本文对该技术进行了详细分析，解释了冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的由来。近年来，计算机技术在煤炭开采中扮演着越来越重要的角色，使用计算机进行辅助决策在很多大矿井已经不新鲜，本文亦对此问题进行了研究，设计了包含数据库、模型库和方法库的采煤决策支持系统，给出了系统的设计思路、系统结构和各主要模型的功能描述。通过本文的研究工作，对煤炭开采技术研究是一次理论与实践的探索，对推进煤炭企业更好的生产具有现实意义。
参考文献：
[1]张幼蒂，王玉浚.采矿系统工程[M].徐州：中国矿业大学出版社.2005.
作者简介：倪刚（1977-），男，陕西神木人，助理工程师，2011年毕业于中原工学院电气工程及其自动化专业，现在神东煤炭集团公司总调度室担任调度主管工作。