煤矿复杂难采问题凸显 技术创新提速
时间：2024-09-25
来源：亚经协矿委会
作者：亚经协矿委会
地处太行山南麓、焦作煤田东部的赵固一矿，是河南能源焦煤集团在新乡地区建设的第一对大型现代化矿井，也是焦煤集团产能最大、现代化程度最高的矿井之一。然而，多年来，赵固一矿饱受水害、巨厚冲积层、薄基岩等特殊地质条件影响，严重制约着矿井安全高效生产。9月13日，在2024全国煤矿复杂难采煤层开采现场会举办期间，从河南省郑州市驱车2小时向北出发，中国工业报记者来到了位于新乡市辉县的赵固一矿。河南能源焦煤集团赵固一矿矿长王文卫向中国工业报记者介绍，聚焦水害、薄基岩、矿压等灾害治理难题，通过底板水害有效治理、薄基岩开采技术攻关、支护工艺技术革新等举措，赵固一矿创造了顶层工作面日产原煤1.85万吨，底分层工作面日产1.6万吨的焦煤纪录，实现了矿井“一井两面”向“一井一面、顶分层单面单班达产、底分层单面达产”的安全高效生产新模式的转变。
淮南矿区是我国开采深度最深、灾变多元、条件最为复杂的矿区之一，具有高瓦斯、高地压、高地温、高承压水、埋深大“四高一大”特点。目前，矿井水、火、瓦斯、顶板等地质灾害耦合叠加，一方面，矿井相继转入深部开采后，瓦斯赋存条件更加复杂，瓦斯压力更大，要想掌握深部开采瓦斯治理的方法更非易事；另一方面，由于围岩治理的手段、技术、管理不到位，巷道边掘边修、前掘后修、边采边修现象普遍存在，严重影响着矿井生产接替。
“我认为，千米深井下的瓦斯治理和围岩治理是当下复杂难采煤层开采存在的最突出的问题，也是矿井实现安全生产、高效发展、减人提效所面临的最大挑战。”在2024全国煤矿复杂难采煤层开采现场会——煤炭行业第二届矿长论坛举办间隙，淮河能源控股集团潘二煤矿矿长姜自亮接受中国工业报记者采访时表示。
近年来，伴随煤炭资源的深度开发，行业面临资源接续日趋紧张，多重灾害耦合叠加，地质构造异常复杂，由此带来的一系列复杂难采问题日益凸显。复杂难采已成为制约煤炭工业高质量发展的重大问题之一。
9月12日—13日，由中国煤炭工业协会主办，国家矿山安全监察局河南局、河南省煤炭行业协会、河南省煤炭学会、河南理工大学支持，河南能源集团有限公司承办的2024全国煤矿复杂难采煤层开采现场会在河南郑州召开。会上，中国煤炭工业协会党委委员、副会长孙守仁表示，复杂难采煤矿数量多，规模大，覆盖面广。据不完全统计，目前全国涉及复杂难采的煤矿约有1500处，合计产能约20亿吨，占全国煤炭总产能的近40%，遍布所有23个产煤省区，涉及各类开采开拓方式，立井、斜井及综合开拓的井工矿占到近九成。复杂难采煤矿灾害严重，复合性强，治理难度大。从受自然灾害威胁看，共有灾害严重的正常生产煤矿约1128处（不含高温热害和自燃易自燃情形），从地质构造和赋存条件看，各种地质构造应有尽有。
“随着复杂难采日趋常态化，新的重大科技问题亟需研究攻关转化。比如，要依靠科技进步保障重大灾害治理，要提升难采煤层和小块段煤炭资源的自动化开采水平，要解决大倾角及深井高应力巷道支护，要进一步优化改进复杂条件下的采煤工艺与劳动组织，要高效解决煤与瓦斯及伴生资源共采，要有效提高复杂条件下设备的可靠性、稳定性和适用性，要加快我国深部矿井建设和安全高效采煤，要加快高精度煤炭地质勘查技术的攻关，要解决充填和保水等绿色开采的技术装备及成本问题。”孙守仁建议，“积极呼吁国家适时出台更加普惠的政策，支持企业可持续发展。对开展充填开采、保水开采、无煤柱开采、110工法等先进开采技术与工艺的，经认定后给予税收优惠，对能力核定、深部开采、“三下”压煤、艰苦岗位津补贴标准等及时出台支持政策。”
中国煤炭工业协会会长梁嘉琨提醒，煤矿复杂难采煤层开采不是一般的技术问题，而是一项科学实践，需要客观、真实，需要不断追求真理，必须以科学的方法面对复杂难采问题。我国煤炭资源禀赋复杂。开采条件千差万别，各种地质构造和自然灾害一应俱全，生产力发展水平极不平衡极不充分。煤炭资源分布差异大，极薄煤层与特厚煤层、近水平与急倾斜煤层广泛分布，复杂地质条件煤层占70%。
安徽理工大学国家地方工程研究中心常务副主任、教授薛生介绍，晋陕蒙宁甘区资源储量丰富、开采条件相对简单，生态环境脆弱；华东区煤质优良、煤层较稳定，已转入深部开采；东北区开采地质条件复杂，煤与瓦斯突出等灾害威胁严重；华南区煤层不稳定、构造复杂，突出矿井占全国79.7%，热害问题突出；新青区生态环境脆弱，保水采煤问题突出，冻土区域煤炭开采难度大。
根据现阶段我国煤炭行业发展现状，结合国内外专家学者对复杂难采的研究成果，孙守仁认为：复杂难采煤层主要指那些赋存不稳定、构造复杂或有特殊灾害威胁，在当前开采条件下，开采困难，安全生产受限，需要采取一些特殊的、附加的安全技术措施方能实现开采的煤层。
总体看，大体可分为两类：一类是受灾害威胁的煤层，主要指存在高瓦斯、煤与瓦斯突出、岩爆及冲击地压、富含水（水文地质条件复杂或极复杂）、高温热害（采掘工作面空气温度超过26℃、机电设备硐室超过30℃）、自燃或易自燃等危险的煤层；另一类是地质构造条件复杂、赋存条件差的煤层，主要指存在构造复杂（如断层、陷落柱、褶皱、岩浆岩侵入等）、倾斜急倾斜（煤层倾角>25°）、极薄特厚（厚度小于1.3m或大于10m）、大采深（采深超过800m）、三软以及局部不稳定煤层。
孙守仁表示，近年来，党和国家鲜明提出并实施了一系列措施，复杂难采取得了阶段性成效。
煤炭资源勘查与地质保障不断增强，“新一轮找矿突破战略行动”加快推进。煤炭资源勘查成果丰硕，构建了以煤为主，包含煤层气、页岩气及高岭土、铝土矿等多能源矿产协同勘查的综合技术体系；煤矿地质保障技术体系初步形成，已能够精细探测井下80m范围内复杂地质构造与灾害源，实现了透射法300m跨度工作面的地质构造和灾害源探测，基本可探明1000m深度以内落差3～5m以上的断层和直径20m以内的陷落柱；透明地质标准体系与管理系统初步建立，复杂地质条件评价、地质灾害预警、工作面精细建模、地质大数据分析等成果逐步得到应用。
响应“向地球深部进军”的伟大号召，深部资源开发建设成绩喜人。在深井、高瓦斯、高地压、高地温、复杂构造、复杂水文等条件下，我国煤矿深井建设、掘进、支护取得重大突破，冻结、钻井、注浆等特殊凿井设计施工技术达到国际领先，冻结法凿井技术和井筒地面预注浆最大深度均达到了1000m。攻克了深厚含水砂层深长斜井“冻掘”难题和长距离斜井深埋超长、富水高压、地层多变的“盾构”难题，引入了深井全断面硬岩掘进技术装备，突破了掘支运一体化快掘技术、锚注喷协同支护技术和深部软岩工程耦合支护技术，研发了智能快掘系统，探索了软岩沿空留巷治理技术，提出了深部煤炭原位流态化开采科学构想和冲击地压巷道防冲吸能支护理论，这些新理论、新技术和新装备有效解决了复杂条件下煤矿施工、掘进支护和开采难题。
科技在复杂难采上开花结果，科学家精神在煤海中扎根绽放。复杂难采是“试金石”、也是“大熔炉”。多年来，以张铁岗、袁亮、何满潮、康红普、顾大钊、武强、王双明、王国法、葛世荣、潘一山等为代表的科学家们脚踏实地，开拓创新，勇攀科技高峰，攻克了瓦斯治理、水害防治、顶板支护、冲击地压防治等一道道难关，攀上了110工法、保水开采、透明地质、智能化开采等一座座高山，向复杂难采的广度和深度挺进，把各种复杂条件下的采煤变成了美好现实。
灾害超前治理持续加强，灾害防治能力不断提升。煤矿灾害防治取得重大进展，灾害治理“三零”目标管理理念不断深入，以“一规程四细则”（《煤矿安全规程》，防冲、防突、防治水和防灭火四细则）为基础的法规标准体系日渐完善。一批代表企业灾害防治能力显著提升。河南能源创新提出极复杂难采煤层安全高效开采技术体系，有效解决了碎软低渗突出煤层高效开采、“三下一上”煤层高效开采、冲击-火-瓦斯多灾害耦合特厚煤层高效开采、巨厚松散层薄基岩煤层高效开采等难题。中国煤科开发出基于工业以太网＋现场总线的新一代煤矿安全监控系统，实现了煤矿井下多系统融合和瓦斯灾害预警。山东能源集团提出“布局合理、生产有序、支护可靠、监控有效、卸压到位”的二十字治灾方针，建成灾害综合监管平台。陕煤彬长矿业取得冲击地压防治重大成果。
复杂难采煤矿智能化建设加快实践，“看得见、摸得着、可复制、能推广”的经验场景成功培育。近年来，产学研用单位联合攻关，从“装备形式”到“配套方式”再到“工艺模式”逐步升级，建成一批复杂难采智能化煤矿，实现了“提效增产、提质增盈”。国家能源神东榆家梁矿在较薄煤层综采工作面实践了“采煤工艺编辑+截割模板”远程操控模式。中国中煤大海则矿实现了“大埋深、大涌水、大采高、大产量”的2000万吨级矿井常态化智能开采模式。淮河能源朱集东矿在“大采深、高瓦斯、高地压、高地温”地质条件下实现了薄煤层智能化开采。川煤集团斌郎矿突破了复杂煤层最大倾角70°的智能化开采极限。陕煤集团黄陵矿业攻克了0.78m以下极薄煤层智能开采技术装备。
复杂条件煤炭安全高效开采水平提升，一批新技术新工艺落地生根。一批复杂难采新技术新工艺不断迭代创新。淮北矿业完成了复杂条件下较薄煤层综采、“三软”特厚综放、近距离煤层联合综放、大倾角仰俯采等项目研发应用。冀中能源东庞矿克服多断层、厚夹矸、大倾角等困难，在强化现场管理的基础上，成功掌握了从薄到厚再到特厚煤层的自动化开采技术。中煤平朔东露天矿采取“分层分采、倾斜划分台阶”方式对薄煤层开采。潞安化工“三下”充填开采和离层注浆技术取得重大经济社会效益。晋能控股和顺吕鑫煤业的薄煤层在设计时不可回收，在实际生产中对20cm以上夹层煤进行了全部回收，提高了煤炭回收率。伊泰京粤酸刺沟矿在平均厚度19.5m的工作面，月产最高达到130万吨。
产学研用单位联合攻关，在复杂难采取得了积极成效，一批体现行业价值和企业特点的先进复杂难采开采模式不断创新。
在极复杂难采煤层安全高效开采技术创新与实践中，河南能源集团在碎软低渗突出煤层高效开采技术、冲击-火-瓦斯多灾害耦合特厚煤层高效开采技术、“三下一上”煤层高效开采技术、深井高地应力煤层高效开采技术、巨厚松散层薄基岩煤层高效开采技术探索了丰富的创新实践。
据河南能源集团党委常委、常务副总经理宋录生介绍，为解决14.3亿吨巨量压覆煤炭开采问题，河南能源开展了地面覆岩离层注浆减沉开采试验。不改变原采煤工艺，不降低采面推进进度，地表沉降系数0.1左右，实现了6米厚煤层综放减沉开采。目前，该技术已在新义煤矿、义安煤矿、古汉山矿等矿井推广，累计解放赋煤量420万吨。目前正在研究充填开采实验方案。
此外，在深井高地应力煤层高效开采技术上，目前河南能源集团已全面推广切顶卸压无煤柱成巷技术，每年留巷超过1万米。
“在极复杂难采煤层安全高效开采上，河南能源集团将继续做好灾害治理技术创新，强化重大灾害治理，推进瓦斯、水和冲击地压灾害‘地面区域超前治理为主、井下治理为辅’的技术路线；在采掘工艺优化创新上，持续做好快速掘进，强化支护，沿空留巷，厚煤层全层开采，三角煤回收，充填、离层注浆开采等。”宋录生表示。
中国煤科首席科学家、北京天玛智控副总经理李明忠介绍，极薄煤层工作面上，工人劳动强度大；综采设备结构受限；对设备可维护性、可靠性要求高。全岩解放层工作面上，设备使用环境复杂；截割部磨损大；对设备抗震动、抗冲击、抗磨损要求高。急倾斜工作面上，工作面环境极其复杂，危险系数高；对行走等关键元部件的质量要求高。千米深井工作面上，开采埋深大，冲击动力灾害风热高；地热、水害等复合灾害严重；对设备适应性要求高。
“制约复杂难采煤层安全高效生产的主要因素，包括四个方面，即‘家底’不清晰、‘装备’不适应、‘感知’不准确、‘控制’不稳定。”李明忠表示，“复杂难采煤层智能开采的下一步思路，一方面是推动煤矿孪生开采，另一方面是运用煤矿综采大模型，以AI赋能复杂难采煤层智能化开采。”
位于内蒙古自治区乌海市境内的乌达矿区，地形以剥蚀构造的低山丘陵为主，矿区内无常年河流，平时干涸污水。
矿区内，现有2座井工煤矿及1个采空区综合治理项目。其中，9#煤层与10#煤层联合布置，采煤方法为走向长臂后退式开采，掘进工艺采用综掘。矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井，水文地质类型为中等。瓦斯灾害治理方面，从时间上采取本煤层区域预抽，从空间上采取本煤层钻孔、临近层穿层泄压钻孔、高位钻孔和上隅角插管相结合，形成网状立体式抽采格局，提高抽采效果，确保生产期间瓦斯灾害可控可防。
“下一步，我们将总结乌达煤田近距离煤层群开采经验，研究探索桌子山煤田卡布其矿区9号、10号煤层合并可能性，从根本上解决近距离煤层回采巷道掘进支护困难、动压相互干扰影响等难题。同步研究论证煤矿井下采、选、充项目实施，解决矸石外排处理，降低生产成本。”国家能源局集团乌海能源公司副总经理司建军透露。
据山东能源集团鲁西矿业公司总经理助理商登涛介绍，鲁西矿业权属煤矿“三下”压覆有效可采储量2.96亿吨，占比达60%。随着资源的枯竭，“三下”压煤开采问题成为矿井持续发展亟待解决的主要技术课题。“三下”压覆主要为村庄及地面建筑物压覆，主要应对措施是推进地面搬迁及充填开采。深井充填开采主要采用架后膏体填充和连采连充两种工艺。目前，权属2对深井赈灾进行架后膏体充填，3对深井正在进行连采连充。
商登涛表示，在三下开采及灾害防治管控模式智能化建设上，鲁西矿业探索出了一系列工作经验。在采煤系统建设上，工作面以自动或记忆截割运行为主，人工干预为辅，设备生产期间自动运行或遥控操作，避免了作业工作人员与设备直接接触，提升了安全保障。在掘进系统建设上，突出掘进装备基础设施，积极应用新装备和工艺。其中，李楼煤业在用TBM作业线1套；新巨龙、郭屯、鲁西和新驿等煤矿应用掘锚机。在机电系统建设上，构建了统一智能化管控平台，联合云鼎科技，融合各子系统，研究开发基于云端的工业互联网平台，为各系统的统筹规划、效能分析、协同管控提供了平台支持。
川煤集团煤与瓦斯突出和高瓦斯矿井占比90%，水文地质类型复杂与极复杂矿井占比40%，倾斜和急倾斜煤层占比73.3%，极薄煤层和薄煤层占比45.4%。“在智能化建设上，川煤集团研发了直驱滚筒采煤机，彻底解决了下截割部润滑降温难题，实现了采煤机三维位态自动监控、记忆割煤、多级自动防滑制动、机身防倾等智能化控制；研发了机头机尾大卧底量和大托底自动辅助推移技术，为工作面上、下端头高效快速割煤创造了有利条件；提出了急倾斜工作面飞矸分区、分阶段控制方法，发明了全过程智能防控技术，消除了急倾斜工作面智能化开采安全风险。”川煤集团科创中心主任、华荣能源总工程师唐峰介绍。
地处四川省达州市高新区境内的斌郎煤矿，以薄煤层居多，1.3m以下薄煤层占矿井储量的65%以上，且构造断裂多、煤层间距小、瓦斯灾害重，安全压力大，在西南地区复杂地质条件矿井中具有较强的代表性。
四川川煤华荣能源有限责任公司斌郎煤矿矿长李浩向中国工业报记者表示，四川煤炭开采的难，用“悬崖上采仙草”作比喻一点不为过。多年来，郎煤矿开采的工作面倾角基本都在45度以上，近两年有些工作面倾角更是达到70度，达到了急倾斜采煤的极限，单是人的行走都非常艰难，人在工作面作业有如户外的攀岩运动，更何况还需将单个重达十多吨的支架和三四十吨的采煤机安放在这样的工作面上。
“2021年，我们在综采设备优化升级、对急倾斜工作面适用功能不断增强以及调采技术日渐成熟的基础上，创新试用俯伪斜开采工艺，彻底解决了急倾斜工作面支架下滑、飞矸伤人及严重损坏设施、设备等具体问题。目前，急倾斜俯伪斜开采工艺已在川煤集团华荣公司同类型矿井成功推广，均取得了良好成效。”李浩透露。
顶一下[0]