科技賦能“綠色”開(kāi)采 創(chuàng)新成就“黑金”閃耀

內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司全景

專家組答辯現(xiàn)場(chǎng)

參與創(chuàng)作人員討論技術(shù)方案? ??

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在我國(guó)能源體系中占據(jù)著主體地位，對(duì)支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)較快發(fā)展發(fā)揮著能源安全保障的穩(wěn)定器作用，在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，對(duì)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展還將發(fā)揮不可或缺的兜底保障作用。隨著我國(guó)進(jìn)入“十四五”時(shí)期，全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)步入新征程，同時(shí)，煤炭行業(yè)也將進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展的攻堅(jiān)期。面對(duì)新形勢(shì)新要求，亟須把加強(qiáng)科技創(chuàng)新作為最緊迫的任務(wù)，加快原創(chuàng)技術(shù)、關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，以科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)煤炭行業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

我國(guó)煤炭產(chǎn)區(qū)主要集中在北方地區(qū)，其中，山西、內(nèi)蒙古是中國(guó)最大的產(chǎn)煤省區(qū)。作為國(guó)內(nèi)實(shí)力雄厚的電力企業(yè)，中國(guó)華電集團(tuán)在2006年自主開(kāi)發(fā)建設(shè)的第一座千萬(wàn)噸級(jí)現(xiàn)代化特大型煤炭企業(yè)——內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司順利投入生產(chǎn)。

內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗范圍內(nèi)，下屬不連溝煤礦及選煤廠、煤矸石熱電廠、鐵路專用線。本著上級(jí)單位華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司“夯實(shí)煤炭主業(yè)，優(yōu)先鐵路建設(shè)，配套電力、物流產(chǎn)業(yè)，強(qiáng)化管理創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)循環(huán)發(fā)展”的總體思路，不連溝煤業(yè)經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，逐漸在煤炭開(kāi)采行業(yè)擁有了突出的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)北方地區(qū)的煤炭開(kāi)采工作中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

運(yùn)籌帷幄，探索理論依據(jù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

煤炭開(kāi)采行業(yè)處在煤炭行業(yè)的最上游，采用科學(xué)的開(kāi)采技術(shù)對(duì)于提高煤礦資源的利用率以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我國(guó)是世界煤炭資源大國(guó)，在現(xiàn)有的煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量中，厚煤層產(chǎn)量和儲(chǔ)量接近50%，是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效開(kāi)采的主力煤層。在世界采煤技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，加強(qiáng)開(kāi)拓方式和采煤方法的研究，依靠科技進(jìn)步，努力改進(jìn)工藝工法對(duì)我國(guó)煤炭開(kāi)采行業(yè)的健康發(fā)展顯得尤為重要。

厚煤層開(kāi)采的主要方法為分層開(kāi)采、放頂煤開(kāi)采和大采高開(kāi)采。其中，放頂煤開(kāi)采技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。不連溝煤礦現(xiàn)采用的就是綜采放頂煤開(kāi)采，屬于典型的淺埋薄基巖特厚放頂煤開(kāi)采。不連溝煤礦地表為黃土層，厚16.7—44.8米，埋深一般為230—260米。煤層上覆基巖薄，大部分初期開(kāi)采區(qū)域的煤層頂板厚度較薄，一般為30—40米，有的煤層頂板只有十幾米。現(xiàn)主采煤層為6#煤層，平均厚度為16米，裂隙較發(fā)育，既不利于安全生產(chǎn)，更容易對(duì)環(huán)境造成污染。改進(jìn)回采技術(shù)，提高回采率成為關(guān)鍵。

在綜放工作面回采過(guò)程中，端頭常留有一定寬度的頂煤不放，而對(duì)要不要留設(shè)頂煤以及留設(shè)頂煤寬度已成為回采技術(shù)的一個(gè)重要問(wèn)題，這種問(wèn)題聽(tīng)起來(lái)似乎云淡風(fēng)輕，但不連溝煤礦的工作者們都明白，它不僅關(guān)系到端頭圍巖的穩(wěn)定，而且涉及煤炭資源的采出率。對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，若失之毫厘，便會(huì)差之千里，他們面對(duì)的，是技術(shù)工法創(chuàng)新的一次嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，功成名就和功虧一簣只在一線之間。

理論是實(shí)踐的基礎(chǔ)，實(shí)踐是理論的來(lái)源。對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和尋求探索新的理論依據(jù)是創(chuàng)新實(shí)踐的第一步。

采礦工程專家錢鳴高院士提出的關(guān)鍵層理論認(rèn)為，在煤層頂板中，由于成巖礦物成分及成巖環(huán)境等因素的不同，造成頂板各巖層的厚度和力學(xué)特性等方面存在著較大的差異，而其中一些較為堅(jiān)硬的具有一定厚度的巖層起著主要的控制作用，它們破斷后形成的結(jié)構(gòu)直接影響著采場(chǎng)的礦壓顯現(xiàn)和巖層活動(dòng)，這樣的巖層稱為關(guān)鍵層。

關(guān)鍵層理論的提出實(shí)現(xiàn)了礦山壓力、巖層移動(dòng)與地表沉陷、采動(dòng)煤巖體中水與瓦斯流動(dòng)研究的有機(jī)統(tǒng)一，為更全面、深入地解釋采動(dòng)巖體活動(dòng)規(guī)律與采動(dòng)損害現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)，為煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)研究提供了新的理論平臺(tái)，也成為不連溝煤礦對(duì)綜放開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的理論支撐。

技術(shù)破冰，工藝創(chuàng)新成果鎖定行業(yè)標(biāo)桿

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在有了強(qiáng)大的理論依據(jù)之后，工作者們根據(jù)不連溝煤礦開(kāi)采狀況和現(xiàn)有技術(shù)資料，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)水平，對(duì)開(kāi)采工法展開(kāi)了步步為營(yíng)的細(xì)致研究，最終形成“特厚松軟煤層工作面端頭頂板管理工作法”，并制定出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目尚行约夹g(shù)方案，在五個(gè)方面投入應(yīng)用。

工作法針對(duì)不連溝部分工作面后方切眼、兩巷頂板出現(xiàn)了不能隨著工作面放頂而冒落的現(xiàn)象，造成初采垮落和初次放煤步距加大、工作面上下端頭后部較大范圍的懸頂及在工作面上端易形成通風(fēng)死角、懸頂三角區(qū)瓦斯聚積超限等問(wèn)題，提出對(duì)工作面切眼和回采巷道實(shí)施支護(hù)解除，減小初采垮落和放煤步距、減小工作面上下端頭后部懸頂長(zhǎng)度、改善煤柱的受力狀態(tài)，同時(shí)使煤柱壓力減小，提高煤柱的穩(wěn)定性。

工作法通過(guò)對(duì)厚煤層工作面端頭區(qū)頂板斷裂特征研究分析，得出不連溝煤礦大采高綜放開(kāi)采端頭區(qū)易形成“弧三角形懸板結(jié)構(gòu)”，使巷道及煤柱應(yīng)力增加，不利于維護(hù)的結(jié)論。因此針對(duì)不連溝現(xiàn)場(chǎng)條件，為了能夠盡量減小端頭不放頂煤寬度，同時(shí)能夠保證端頭的穩(wěn)定性，提出了深孔爆破強(qiáng)制放頂和深孔注水弱化頂板兩種斷頂卸壓技術(shù)方案，效果較好。

F6204工作面輔運(yùn)順槽受F6203工作面回采影響后，礦壓顯現(xiàn)更明顯，煤柱幫側(cè)圍巖破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)大面積“網(wǎng)兜”，部分地段巷道兩幫相對(duì)移近量達(dá)150—400毫米，最大移近量為800毫米，頂?shù)装逡平繛?00—500毫米，底鼓變形主要集中在巷道的中部。工作法采用深孔爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)或者深孔注水弱化頂板技術(shù)，使懸露巖層沿預(yù)裂（弱化）面切落，充填了冒落空間，消除了懸頂現(xiàn)象，減小了懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形力，極大消散了F6204工作面輔運(yùn)順槽圍巖的應(yīng)力集中程度，使應(yīng)力集中向輔運(yùn)順槽南部的未采煤體深部轉(zhuǎn)移，很好地改善了輔運(yùn)順槽的圍巖應(yīng)力環(huán)境，從根本上優(yōu)化了巷道內(nèi)的結(jié)構(gòu)力學(xué)環(huán)境。

工作法通過(guò)切頂卸壓法，使懸伸巖層沿設(shè)計(jì)的預(yù)裂面斷落，減小懸伸巖層長(zhǎng)度，從而減小煤柱、端頭和巷道上方的覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形力，降低圍巖中應(yīng)力集中程度。切頂卸壓后，區(qū)段煤柱變形均勻，煤柱上應(yīng)力峰值降低，煤柱上應(yīng)力范圍減小。巷道頂板移近量及兩幫移近量變小。相鄰工作面未開(kāi)采實(shí)體煤部分所受應(yīng)力范圍減小，最大應(yīng)力值降低。

工作法采用中部卸壓槽法控制底鼓量。設(shè)計(jì)卸壓槽寬度為0.5米，距巷道中心線均為0.25米，深度分別為0.5米、1.0米、1.5米、2.0米。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：開(kāi)設(shè)卸壓槽后，巷道底板巖體向卸壓槽內(nèi)擠壓，導(dǎo)致卸壓槽有閉合趨勢(shì)。底板應(yīng)力向深部巖層轉(zhuǎn)移，幫部應(yīng)力向遠(yuǎn)離巷道轉(zhuǎn)移，從而使巷道所受應(yīng)力降低，底鼓量降低。隨著卸壓槽深度增加，塑性區(qū)深度增加，塑性區(qū)面積增大。幫部最大水平位移逐漸增加，最大底鼓量逐漸減小。

實(shí)踐證明，在不連溝煤業(yè)工作人員的不懈努力下，特厚松軟煤層工作面端頭頂板管理工作法大獲成功，它將為指導(dǎo)淺埋巨厚裂隙發(fā)育松軟煤層綜放工作面設(shè)計(jì)、決策、管理提供科學(xué)依據(jù)，不僅能解決不連溝煤礦高產(chǎn)高效綜放工作面機(jī)頭機(jī)尾煤炭資源的損失難題，同時(shí)在提高煤炭資源的采出率、降低工作面順槽支承壓力、控制采空區(qū)遺煤自燃等方面都有重要的指導(dǎo)意義。此項(xiàng)成果既在本礦區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景，在國(guó)內(nèi)類似條件的礦區(qū)也有重要的推廣和使用價(jià)值，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

開(kāi)云見(jiàn)日，贏得口碑效益彰顯企業(yè)品牌

不連溝煤礦6#煤層F6203綜放開(kāi)采工作面在運(yùn)用新工法開(kāi)展采煤工作后，提高了煤炭開(kāi)采率，資源回采率也得到大幅提升。由于工作面端頭全部放煤技術(shù)的應(yīng)用，使巷道的返修量大大減少，縮短了超前加強(qiáng)支護(hù)段，工作面的生產(chǎn)效率得到很大提高，節(jié)省了更多費(fèi)用，大量減小了工人的井下勞動(dòng)強(qiáng)度、有效節(jié)約了人力物力，降低了噸煤成本，讓6#煤層多開(kāi)采的產(chǎn)量總共約1668.2萬(wàn)噸，既實(shí)現(xiàn)了安全、高效的目標(biāo)，更為企業(yè)帶來(lái)非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

值得一提的是，新工法在環(huán)境保護(hù)方面亦成績(jī)顯著。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，綜放工作面上下端頭的排頭排尾架上的頂煤，均沒(méi)有被放掉采出，因?yàn)槎祟^煤的支撐作用，將對(duì)地表的均勻沉降以及環(huán)境恢復(fù)帶來(lái)很大的負(fù)面影響。不均勻沉降將使地表產(chǎn)生很大很深的裂縫，將導(dǎo)致土地風(fēng)干，地表干旱，植被大量的死亡，嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)，這些裂縫會(huì)造成采空區(qū)的漏風(fēng)，從而使采空區(qū)未采出的煤氧化與自燃，帶來(lái)安全隱患。通過(guò)應(yīng)用端頭全部放煤技術(shù)之后，將使整個(gè)采空區(qū)上方的地層沉降更加均勻，裂縫彌合，有利于安全和采空區(qū)上方地表生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。新技術(shù)在煤炭開(kāi)采工作中的應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)礦區(qū)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，提升綠色開(kāi)采技術(shù)管理水平產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

多年來(lái)，本著“不畏浮云遮望眼”的奮斗精神，砥礪拼搏，不連溝煤礦及選煤廠榮獲了“太陽(yáng)杯”“魯班獎(jiǎng)”“雙十佳煤礦”“特級(jí)安全高產(chǎn)高效礦井”等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)榮譽(yù)，成功通過(guò)綠色礦山5A級(jí)認(rèn)證，成為生態(tài)建設(shè)先進(jìn)企業(yè)和國(guó)家首批智能化示范礦井。

未來(lái)，不連溝煤礦將積極貫徹華電煤業(yè)集團(tuán)“和諧進(jìn)取 創(chuàng)新超越”的公司精神，探索煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)路線，努力創(chuàng)新工藝工法，積極應(yīng)用成熟技術(shù)，以高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)打造示范礦區(qū)，以科技創(chuàng)新推動(dòng)煤炭資源開(kāi)發(fā)向綠色開(kāi)采方式轉(zhuǎn)變，為可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制添磚加瓦，為煤炭綠色開(kāi)采規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化貢獻(xiàn)更大力量。