煤礦復雜難采問題凸顯 技術創新提速
來源：中國工業報 時間：2024-09-24 13:57
地處太行山南麓、焦作煤田東部的趙固一礦，是河南能源焦煤集團在新鄉地區建設的第一對大型現代化礦井，也是焦煤集團產能最大、現代化程度最高的礦井之一。然而，多年來，趙固一礦飽受水害、巨厚沖積層、薄基巖等特殊地質條件影響，嚴重制約著礦井安全高效生產。
9月13日，在2024全國煤礦復雜難采煤層開采現場會舉辦期間，從河南省鄭州市驅車2小時向北出發，中國工業報記者來到了位于新鄉市輝縣的趙固一礦。
河南能源焦煤集團趙固一礦礦長王文衛向中國工業報記者介紹，聚焦水害、薄基巖、礦壓等災害治理難題，通過底板水害有效治理、薄基巖開采技術攻關、支護工藝技術革新等舉措，趙固一礦創造了頂層工作面日產原煤1.85萬噸，底分層工作面日產1.6萬噸的焦煤紀錄，實現了礦井“一井兩面”向“一井一面、頂分層單面單班達產、底分層單面達產”的安全高效生產新模式的轉變。
淮南礦區是我國開采深度最深、災變多元、條件最為復雜的礦區之一，具有高瓦斯、高地壓、高地溫、高承壓水、埋深大“四高一大”特點。目前，礦井水、火、瓦斯、頂板等地質災害耦合疊加，一方面，礦井相繼轉入深部開采后，瓦斯賦存條件更加復雜，瓦斯壓力更大，要想掌握深部開采瓦斯治理的方法更非易事；另一方面，由于圍巖治理的手段、技術、管理不到位，巷道邊掘邊修、前掘后修、邊采邊修現象普遍存在，嚴重影響著礦井生產接替。
“我認為，千米深井下的瓦斯治理和圍巖治理是當下復雜難采煤層開采存在的最突出的問題，也是礦井實現安全生產、高效發展、減人提效所面臨的最大挑戰?！痹?024全國煤礦復雜難采煤層開采現場會——煤炭行業第二屆礦長論壇舉辦間隙，淮河能源控股集團潘二煤礦礦長姜自亮接受中國工業報記者采訪時表示。
近年來，伴隨煤炭資源的深度開發，行業面臨資源接續日趨緊張，多重災害耦合疊加，地質構造異常復雜，由此帶來的一系列復雜難采問題日益凸顯。復雜難采已成為制約煤炭工業高質量發展的重大問題之一。
9月12日—13日，由中國煤炭工業協會主辦，國家礦山安全監察局河南局、河南省煤炭行業協會、河南省煤炭學會、河南理工大學支持，河南能源集團有限公司承辦的2024全國煤礦復雜難采煤層開采現場會在河南鄭州召開。會上，中國煤炭工業協會黨委委員、副會長孫守仁表示，復雜難采煤礦數量多，規模大，覆蓋面廣。據不完全統計，目前全國涉及復雜難采的煤礦約有1500處，合計產能約20億噸，占全國煤炭總產能的近40%，遍布所有23個產煤省區，涉及各類開采開拓方式，立井、斜井及綜合開拓的井工礦占到近九成。復雜難采煤礦災害嚴重，復合性強，治理難度大。從受自然災害威脅看，共有災害嚴重的正常生產煤礦約1128處（不含高溫熱害和自燃易自燃情形），從地質構造和賦存條件看，各種地質構造應有盡有。
“隨著復雜難采日趨常態化，新的重大科技問題亟需研究攻關轉化。比如，要依靠科技進步保障重大災害治理，要提升難采煤層和小塊段煤炭資源的自動化開采水平，要解決大傾角及深井高應力巷道支護，要進一步優化改進復雜條件下的采煤工藝與勞動組織，要高效解決煤與瓦斯及伴生資源共采，要有效提高復雜條件下設備的可靠性、穩定性和適用性，要加快我國深部礦井建設和安全高效采煤，要加快高精度煤炭地質勘查技術的攻關，要解決充填和保水等綠色開采的技術裝備及成本問題。”孫守仁建議，“積極呼吁國家適時出臺更加普惠的政策，支持企業可持續發展。對開展充填開采、保水開采、無煤柱開采、110工法等先進開采技術與工藝的，經認定后給予稅收優惠，對能力核定、深部開采、“三下”壓煤、艱苦崗位津補貼標準等及時出臺支持政策?！?/p>
中國煤炭工業協會會長梁嘉琨提醒，煤礦復雜難采煤層開采不是一般的技術問題，而是一項科學實踐，需要客觀、真實，需要不斷追求真理，必須以科學的方法面對復雜難采問題。
復雜難采取得階段性成效
我國煤炭資源稟賦復雜。開采條件千差萬別，各種地質構造和自然災害一應俱全，生產力發展水平極不平衡極不充分。煤炭資源分布差異大，極薄煤層與特厚煤層、近水平與急傾斜煤層廣泛分布，復雜地質條件煤層占70%。
安徽理工大學國家地方工程研究中心常務副主任、教授薛生介紹，晉陜蒙寧甘區資源儲量豐富、開采條件相對簡單，生態環境脆弱；華東區煤質優良、煤層較穩定，已轉入深部開采；東北區開采地質條件復雜，煤與瓦斯突出等災害威脅嚴重；華南區煤層不穩定、構造復雜，突出礦井占全國79.7%，熱害問題突出；新青區生態環境脆弱，保水采煤問題突出，凍土區域煤炭開采難度大。
什么是復雜難采？
根據現階段我國煤炭行業發展現狀，結合國內外專家學者對復雜難采的研究成果，孫守仁認為：復雜難采煤層主要指那些賦存不穩定、構造復雜或有特殊災害威脅，在當前開采條件下，開采困難，安全生產受限，需要采取一些特殊的、附加的安全技術措施方能實現開采的煤層。
總體看，大體可分為兩類：一類是受災害威脅的煤層，主要指存在高瓦斯、煤與瓦斯突出、巖爆及沖擊地壓、富含水（水文地質條件復雜或極復雜）、高溫熱害（采掘工作面空氣溫度超過26℃、機電設備硐室超過30℃）、自燃或易自燃等危險的煤層；另一類是地質構造條件復雜、賦存條件差的煤層，主要指存在構造復雜（如斷層、陷落柱、褶皺、巖漿巖侵入等）、傾斜急傾斜（煤層傾角>25°）、極薄特厚（厚度小于1.3m或大于10m）、大采深（采深超過800m）、三軟以及局部不穩定煤層。
孫守仁表示，近年來，黨和國家鮮明提出并實施了一系列措施，復雜難采取得了階段性成效。
煤炭資源勘查與地質保障不斷增強，“新一輪找礦突破戰略行動”加快推進。煤炭資源勘查成果豐碩，構建了以煤為主，包含煤層氣、頁巖氣及高嶺土、鋁土礦等多能源礦產協同勘查的綜合技術體系；煤礦地質保障技術體系初步形成，已能夠精細探測井下80m范圍內復雜地質構造與災害源，實現了透射法300m跨度工作面的地質構造和災害源探測，基本可探明1000m深度以內落差3~5m以上的斷層和直徑20m以內的陷落柱；透明地質標準體系與管理系統初步建立，復雜地質條件評價、地質災害預警、工作面精細建模、地質大數據分析等成果逐步得到應用。
響應“向地球深部進軍”的偉大號召，深部資源開發建設成績喜人。在深井、高瓦斯、高地壓、高地溫、復雜構造、復雜水文等條件下，我國煤礦深井建設、掘進、支護取得重大突破，凍結、鉆井、注漿等特殊鑿井設計施工技術達到國際領先，凍結法鑿井技術和井筒地面預注漿最大深度均達到了1000m。攻克了深厚含水砂層深長斜井“凍掘”難題和長距離斜井深埋超長、富水高壓、地層多變的“盾構”難題，引入了深井全斷面硬巖掘進技術裝備，突破了掘支運一體化快掘技術、錨注噴協同支護技術和深部軟巖工程耦合支護技術，研發了智能快掘系統，探索了軟巖沿空留巷治理技術，提出了深部煤炭原位流態化開采科學構想和沖擊地壓巷道防沖吸能支護理論，這些新理論、新技術和新裝備有效解決了復雜條件下煤礦施工、掘進支護和開采難題。
科技在復雜難采上開花結果，科學家精神在煤海中扎根綻放。復雜難采是“試金石”、也是“大熔爐”。多年來，以張鐵崗、袁亮、何滿潮、康紅普、顧大釗、武強、王雙明、王國法、葛世榮、潘一山等為代表的科學家們腳踏實地，開拓創新，勇攀科技高峰，攻克了瓦斯治理、水害防治、頂板支護、沖擊地壓防治等一道道難關，攀上了110工法、保水開采、透明地質、智能化開采等一座座高山，向復雜難采的廣度和深度挺進，把各種復雜條件下的采煤變成了美好現實。
災害超前治理持續加強，災害防治能力不斷提升。煤礦災害防治取得重大進展，災害治理“三零”目標管理理念不斷深入，以“一規程四細則”（《煤礦安全規程》，防沖、防突、防治水和防滅火四細則）為基礎的法規標準體系日漸完善。一批代表企業災害防治能力顯著提升。河南能源創新提出極復雜難采煤層安全高效開采技術體系，有效解決了碎軟低滲突出煤層高效開采、“三下一上”煤層高效開采、沖擊-火-瓦斯多災害耦合特厚煤層高效開采、巨厚松散層薄基巖煤層高效開采等難題。中國煤科開發出基于工業以太網+現場總線的新一代煤礦安全監控系統，實現了煤礦井下多系統融合和瓦斯災害預警。山東能源集團提出“布局合理、生產有序、支護可靠、監控有效、卸壓到位”的二十字治災方針，建成災害綜合監管平臺。陜煤彬長礦業取得沖擊地壓防治重大成果。
復雜難采煤礦智能化建設加快實踐，“看得見、摸得著、可復制、能推廣”的經驗場景成功培育。近年來，產學研用單位聯合攻關，從“裝備形式”到“配套方式”再到“工藝模式”逐步升級，建成一批復雜難采智能化煤礦，實現了“提效增產、提質增盈”。國家能源神東榆家梁礦在較薄煤層綜采工作面實踐了“采煤工藝編輯+截割模板”遠程操控模式。中國中煤大海則礦實現了“大埋深、大涌水、大采高、大產量”的2000萬噸級礦井常態化智能開采模式?；春幽茉粗旒瘱|礦在“大采深、高瓦斯、高地壓、高地溫”地質條件下實現了薄煤層智能化開采。川煤集團斌郎礦突破了復雜煤層最大傾角70°的智能化開采極限。陜煤集團黃陵礦業攻克了0.78m以下極薄煤層智能開采技術裝備。
復雜條件煤炭安全高效開采水平提升，一批新技術新工藝落地生根。一批復雜難采新技術新工藝不斷迭代創新?；幢钡V業完成了復雜條件下較薄煤層綜采、“三軟”特厚綜放、近距離煤層聯合綜放、大傾角仰俯采等項目研發應用。冀中能源東龐礦克服多斷層、厚夾矸、大傾角等困難，在強化現場管理的基礎上，成功掌握了從薄到厚再到特厚煤層的自動化開采技術。中煤平朔東露天礦采取“分層分采、傾斜劃分臺階”方式對薄煤層開采。潞安化工“三下”充填開采和離層注漿技術取得重大經濟社會效益。晉能控股和順呂鑫煤業的薄煤層在設計時不可回收，在實際生產中對20cm以上夾層煤進行了全部回收，提高了煤炭回收率。伊泰京粵酸刺溝礦在平均厚度19.5m的工作面，月產最高達到130萬噸。
復雜難采技術創新提速
產學研用單位聯合攻關，在復雜難采取得了積極成效，一批體現行業價值和企業特點的先進復雜難采開采模式不斷創新。
在極復雜難采煤層安全高效開采技術創新與實踐中，河南能源集團在碎軟低滲突出煤層高效開采技術、沖擊-火-瓦斯多災害耦合特厚煤層高效開采技術、“三下一上”煤層高效開采技術、深井高地應力煤層高效開采技術、巨厚松散層薄基巖煤層高效開采技術探索了豐富的創新實踐。
據河南能源集團黨委常委、常務副總經理宋錄生介紹，為解決14.3億噸巨量壓覆煤炭開采問題，河南能源開展了地面覆巖離層注漿減沉開采試驗。不改變原采煤工藝，不降低采面推進進度，地表沉降系數0.1左右，實現了6米厚煤層綜放減沉開采。目前，該技術已在新義煤礦、義安煤礦、古漢山礦等礦井推廣，累計解放賦煤量420萬噸。目前正在研究充填開采實驗方案。
此外，在深井高地應力煤層高效開采技術上，目前河南能源集團已全面推廣切頂卸壓無煤柱成巷技術，每年留巷超過1萬米。
“在極復雜難采煤層安全高效開采上，河南能源集團將繼續做好災害治理技術創新，強化重大災害治理，推進瓦斯、水和沖擊地壓災害‘地面區域超前治理為主、井下治理為輔’的技術路線；在采掘工藝優化創新上，持續做好快速掘進，強化支護，沿空留巷，厚煤層全層開采，三角煤回收，充填、離層注漿開采等?！彼武浬硎尽?/p>
不同賦存條件下，復雜難采煤層綜采開采難點也不相同。
中國煤科首席科學家、北京天瑪智控副總經理李明忠介紹，極薄煤層工作面上，工人勞動強度大；綜采設備結構受限；對設備可維護性、可靠性要求高。全巖解放層工作面上，設備使用環境復雜；截割部磨損大；對設備抗震動、抗沖擊、抗磨損要求高。急傾斜工作面上，工作面環境極其復雜，危險系數高；對行走等關鍵元部件的質量要求高。千米深井工作面上，開采埋深大，沖擊動力災害風熱高；地熱、水害等復合災害嚴重；對設備適應性要求高。
“制約復雜難采煤層安全高效生產的主要因素，包括四個方面，即‘家底’不清晰、‘裝備’不適應、‘感知’不準確、‘控制’不穩定?！崩蠲髦冶硎荆皬碗s難采煤層智能開采的下一步思路，一方面是推動煤礦孿生開采，另一方面是運用煤礦綜采大模型，以AI賦能復雜難采煤層智能化開采?！?/p>
位于內蒙古自治區烏海市境內的烏達礦區，地形以剝蝕構造的低山丘陵為主，礦區內無常年河流，平時干涸污水。
礦區內，現有2座井工煤礦及1個采空區綜合治理項目。其中，9#煤層與10#煤層聯合布置，采煤方法為走向長臂后退式開采，掘進工藝采用綜掘。礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井，水文地質類型為中等。瓦斯災害治理方面，從時間上采取本煤層區域預抽，從空間上采取本煤層鉆孔、臨近層穿層泄壓鉆孔、高位鉆孔和上隅角插管相結合，形成網狀立體式抽采格局，提高抽采效果，確保生產期間瓦斯災害可控可防。
“下一步，我們將總結烏達煤田近距離煤層群開采經驗，研究探索桌子山煤田卡布其礦區9號、10號煤層合并可能性，從根本上解決近距離煤層回采巷道掘進支護困難、動壓相互干擾影響等難題。同步研究論證煤礦井下采、選、充項目實施，解決矸石外排處理，降低生產成本?！眹夷茉淳旨瘓F烏海能源公司副總經理司建軍透露。
山東地區復雜難采特點鮮明，且日趨嚴重。
據山東能源集團魯西礦業公司總經理助理商登濤介紹，魯西礦業權屬煤礦“三下”壓覆有效可采儲量2.96億噸，占比達60%。隨著資源的枯竭，“三下”壓煤開采問題成為礦井持續發展亟待解決的主要技術課題?！叭隆眽焊仓饕獮榇迩f及地面建筑物壓覆，主要應對措施是推進地面搬遷及充填開采。深井充填開采主要采用架后膏體填充和連采連充兩種工藝。目前，權屬2對深井賑災進行架后膏體充填，3對深井正在進行連采連充。
商登濤表示，在三下開采及災害防治管控模式智能化建設上，魯西礦業探索出了一系列工作經驗。在采煤系統建設上，工作面以自動或記憶截割運行為主，人工干預為輔，設備生產期間自動運行或遙控操作，避免了作業工作人員與設備直接接觸，提升了安全保障。在掘進系統建設上，突出掘進裝備基礎設施，積極應用新裝備和工藝。其中，李樓煤業在用TBM作業線1套；新巨龍、郭屯、魯西和新驛等煤礦應用掘錨機。在機電系統建設上，構建了統一智能化管控平臺，聯合云鼎科技，融合各子系統，研究開發基于云端的工業互聯網平臺，為各系統的統籌規劃、效能分析、協同管控提供了平臺支持。
在川煤集團，煤與瓦斯突出和高瓦斯礦井占比90%，水文地質類型復雜與極復雜礦井占比40%，傾斜和急傾斜煤層占比73.3%，極薄煤層和薄煤層占比45.4%。
“在智能化建設上，川煤集團研發了直驅滾筒采煤機，徹底解決了下截割部潤滑降溫難題，實現了采煤機三維位態自動監控、記憶割煤、多級自動防滑制動、機身防傾等智能化控制；研發了機頭機尾大臥底量和大托底自動輔助推移技術，為工作面上、下端頭高效快速割煤創造了有利條件；提出了急傾斜工作面飛矸分區、分階段控制方法，發明了全過程智能防控技術，消除了急傾斜工作面智能化開采安全風險?！贝杭瘓F科創中心主任、華榮能源總工程師唐峰介紹。
地處四川省達州市高新區境內的斌郎煤礦，以薄煤層居多，1.3m以下薄煤層占礦井儲量的65%以上，且構造斷裂多、煤層間距小、瓦斯災害重，安全壓力大，在西南地區復雜地質條件礦井中具有較強的代表性。
四川川煤華榮能源有限責任公司斌郎煤礦礦長李浩向中國工業報記者表示，四川煤炭開采的難，用“懸崖上采仙草”作比喻一點不為過。多年來，郎煤礦開采的工作面傾角基本都在45度以上，近兩年有些工作面傾角更是達到70度，達到了急傾斜采煤的極限，單是人的行走都非常艱難，人在工作面作業有如戶外的攀巖運動，更何況還需將單個重達十多噸的支架和三四十噸的采煤機安放在這樣的工作面上。
“2021年，我們在綜采設備優化升級、對急傾斜工作面適用功能不斷增強以及調采技術日漸成熟的基礎上，創新試用俯偽斜開采工藝，徹底解決了急傾斜工作面支架下滑、飛矸傷人及嚴重損壞設施、設備等具體問題。目前，急傾斜俯偽斜開采工藝已在川煤集團華榮公司同類型礦井成功推廣，均取得了良好成效?！崩詈仆嘎?。
責任編輯：江蓬新
