神東東勝礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦煤炭資源綠色開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)

卞貴金

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209)

0 引言

補(bǔ)連塔煤礦是國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)開(kāi)發(fā)建設(shè)的目前世界第一大單井井工礦井，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，處于神東東勝礦區(qū)的南部，烏蘭木倫河畔一級(jí)階地西緣，南側(cè)與上灣礦井連接，西側(cè)與察哈素井田相鄰，北側(cè)與李家塔井田接壤。井田面積為106.5km2。

煤炭資源是國(guó)家的基礎(chǔ)性能源，其開(kāi)發(fā)和消費(fèi)不僅會(huì)帶動(dòng)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)空間結(jié)構(gòu)和格局的演變，也給區(qū)域資源環(huán)境和生態(tài)安全帶來(lái)巨大的壓力[1]。袁亮院士首次提出了“綠色煤炭資源”的概念[2]，綠色煤炭資源是指在當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)條件下, 資源稟賦條件適宜, 能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效開(kāi)采、生態(tài)環(huán)境友好, 能被清潔高效利用, 具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的煤炭資源[3]。

煤炭作為不可再生資源，對(duì)其進(jìn)行資源潛力開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)，制定合理的綠色開(kāi)采方案，提高資源利用率，避免浪費(fèi)，保障資源戰(zhàn)略安全，促進(jìn)煤礦可持續(xù)開(kāi)發(fā)具有重要意義[4]，煤礦綠色開(kāi)采的核心是智能化開(kāi)采[5]。

本文將對(duì)國(guó)家能源集團(tuán)下屬主力礦井補(bǔ)連塔煤礦進(jìn)行資源綠色開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)，對(duì)其建設(shè)世界一流智能化特大型礦山具有重要意義。

1 煤炭資源潛力評(píng)價(jià)體系

1.1 資源開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)

本研究選用層次分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，定量評(píng)價(jià)煤炭資源開(kāi)發(fā)潛力。層次分析法把判斷各要素的相對(duì)重要性的步驟留給了大腦，只保留人腦對(duì)要素的印象，化為簡(jiǎn)單的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。這種思想能處理許多用傳統(tǒng)的最優(yōu)化技術(shù)無(wú)法著手的實(shí)際問(wèn)題[6]。

根據(jù)我國(guó)主要煤炭資源的賦存特點(diǎn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有煤層賦存的地質(zhì)條件、煤炭品質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)條件、生態(tài)地質(zhì)等方面組成[7-8]。

本次評(píng)價(jià)體系將煤炭資源綠色開(kāi)發(fā)潛力綜合評(píng)價(jià)定為目標(biāo)層，資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力、開(kāi)采利用潛力3個(gè)方面組成條件層，11項(xiàng)指標(biāo)組成指標(biāo)層，39個(gè)參數(shù)組成參數(shù)層。

1.1.1 資源稟賦潛力

資源賦存潛力條件層包括3項(xiàng)指標(biāo)，分別是地質(zhì)條件、煤質(zhì)煤類(lèi)、開(kāi)采技術(shù)條件。其下參數(shù)層有18項(xiàng)參數(shù)，分別是構(gòu)造復(fù)雜程度、煤層傾角、煤層穩(wěn)定性、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、巖漿活動(dòng)、煤類(lèi)、灰分、硫分、發(fā)熱量、有害元素、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)、瓦斯、沖擊地壓、煤塵爆炸性、煤層自燃、地溫。

1.1.2 生態(tài)環(huán)境潛力

生態(tài)環(huán)境潛力條件層包括2項(xiàng)指標(biāo)，分別是植被與氣候、恢復(fù)治理。其下參數(shù)層有5項(xiàng)參數(shù)，分別是地貌條件、植被類(lèi)型、氣候干旱程度、環(huán)境自身修復(fù)能力、礦山環(huán)境恢復(fù)治理難易。

1.1.3 開(kāi)采利用潛力

開(kāi)采利用潛力條件層包括7項(xiàng)指標(biāo)，分別是經(jīng)濟(jì)消費(fèi)、建設(shè)條件、安全開(kāi)采、綠色開(kāi)采、科學(xué)管理、生產(chǎn)能力、資源回采。其下參數(shù)層有16項(xiàng)參數(shù)，分別經(jīng)濟(jì)區(qū)位、煤炭消費(fèi)需求、供水水源保障、電力條件、運(yùn)輸條件、礦井傷亡、事故率、安全技術(shù)保障、技術(shù)人員數(shù)量及層次、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化程度、科技創(chuàng)新能力、實(shí)際生產(chǎn)能力、采煤工藝、自動(dòng)化水平、服務(wù)年限、剩余可采儲(chǔ)量、回采率。

1.2 評(píng)價(jià)因子的權(quán)重定量

通過(guò)分析各類(lèi)指標(biāo)對(duì)煤炭資源開(kāi)發(fā)的影響程度，綜合研究各類(lèi)參數(shù)的量化，進(jìn)行科學(xué)賦值。主要評(píng)價(jià)因子按照其范圍、等級(jí)，結(jié)合最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，分別進(jìn)行權(quán)重劃分，詳見(jiàn)圖1。

圖1 煤炭資源綠色開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)體系示意圖

各項(xiàng)指標(biāo)賦值范圍為0～100分?？偟梅衷礁叽碣Y源開(kāi)發(fā)潛力越高。對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果設(shè)定四個(gè)級(jí)別，即綠色優(yōu)先開(kāi)發(fā)區(qū)(90～100分)，綠色可開(kāi)發(fā)區(qū)(80～90分)，綠色難開(kāi)發(fā)區(qū)(70～80分)，非綠色開(kāi)發(fā)區(qū)(<70分)(表1)。

表1 煤炭資源綠色開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)

2 煤炭資源開(kāi)發(fā)潛力指標(biāo)評(píng)價(jià)及結(jié)果

采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法，基于煤炭資源潛力開(kāi)采評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)補(bǔ)連塔煤礦現(xiàn)狀實(shí)際對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值，然后對(duì)各指標(biāo)得分進(jìn)行加權(quán)，得出該礦煤炭資源開(kāi)采綜合評(píng)價(jià)分值。

2.1 地質(zhì)條件

2.1.1 構(gòu)造復(fù)雜程度、傾角、巖漿活動(dòng)

礦區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，巖層傾角1°～3°，局部伴有寬緩的波狀起伏，東部稍有隆起；整體構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單構(gòu)造類(lèi)型。區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖活動(dòng)。

2.1.2 煤層穩(wěn)定性、厚度、結(jié)構(gòu)

礦區(qū)內(nèi)含煤地層為中下侏羅統(tǒng)延安組(J1-2y)，共含1～5個(gè)煤組，煤層自然厚度10.65～27.34m，平均19.35m，含煤系數(shù)9.95%。主要可采煤層分別為1-1、1-2、2-2、3-1、4-2上、4-2下、5-2上號(hào)煤層，目前礦井主采1-2和2-2煤層，煤層分布及厚度變化見(jiàn)圖2、圖3。可采煤層分布面積廣，可采面積較大，賦存較穩(wěn)定，連續(xù)性較好，厚度變化有一定規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸或偶含1～3層夾矸。

圖2 補(bǔ)連塔煤礦12煤分布范圍及厚度變化示意圖

圖3 補(bǔ)連塔煤礦22煤分布范圍及厚度變化示意圖

2.2 煤質(zhì)煤類(lèi)

2.2.1 灰分、發(fā)熱量、硫分、有害元素

各計(jì)量煤層原煤灰分平均值(Ad)為6.99%～14.00%，差距較小。1-1和5-2下號(hào)煤層屬低灰煤(LA)，其他各煤層屬特低灰煤(ULA)。各煤層浮煤灰分平均值為3.04%～6.44%，差距微小，比原煤降低較多，這表明核實(shí)區(qū)各煤層灰分易于洗去。

各可采煤層原煤干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)平均值為27.22～30.74MJ/kg。按原煤干燥基高位發(fā)熱量進(jìn)行分級(jí)，區(qū)內(nèi)各可主要可采煤層均為高發(fā)熱量煤(HQ)。

煤層中硫和有害元素的研究對(duì)煤炭開(kāi)采、煤層氣開(kāi)發(fā)具有重要意義[4]。各煤層原煤全硫平均值變化為0.32%～1.28%，經(jīng)洗選后，其硫分含量大幅下降，各煤層浮煤平均值變化為0.19%～0.57%。1-2上、1-2上、2-2上、3-1、4-2上和4-2下號(hào)煤層原煤為低硫煤(LS),其余煤層均為特低硫煤(SLS)。

各煤層原煤磷分平均含量變化為0.00～0.04%，均以低磷煤為主，特低磷煤次之。

各煤層原煤氯含量平均值變化為0.01%～0.10%，以特低氯煤為主，低氯煤少量。

各煤層原煤氟含量平均值變化為74.10～200μg/g，1-2上和1-2號(hào)煤層屬于特低氟煤(SLF)，2-2號(hào)煤層屬于低氟煤(LF)。

各煤層中原煤砷含量平均值為0.04～4.04μg/g，1-1號(hào)煤層屬于低砷煤(As-2)，其余煤層為特低砷煤(As-1)。

2.2.2 煤類(lèi)

以浮煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)和透光率作為依據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，各可采煤層浮煤揮發(fā)分平均為30.70%～35.51%，多數(shù)值在37%以下，煤的黏結(jié)指數(shù)為0，透光率80%以上。各煤層屬低—特低灰、中高揮發(fā)分、中—特低硫、低—特低磷、低—特低氯、高發(fā)熱量、化學(xué)反應(yīng)性較強(qiáng)、熱穩(wěn)定性較高、高強(qiáng)度、易磨、較低軟化溫度灰、富油、易選-極易可選、強(qiáng)結(jié)渣性、無(wú)黏結(jié)性的不黏煤。

2.3 開(kāi)采技術(shù)條件

2.3.1 水文及工程條件

水文地質(zhì)勘查類(lèi)型為第二類(lèi)、第一型，即以裂隙含水層為主的裂隙充水礦床，直接充水含水層單位涌水量q<0.1L/(s·m)的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單礦床。礦井水文地質(zhì)類(lèi)型確定為中等類(lèi)型。

工程地質(zhì)勘查類(lèi)型劃分為第三類(lèi)第二型，即層狀巖類(lèi)工程地質(zhì)條件中等型的礦床。開(kāi)采后工程地質(zhì)條件未發(fā)生變化，仍為工程地質(zhì)條件中等型。

2.3.2 瓦斯、煤層自燃、爆炸性、地壓、地溫

礦井絕對(duì)瓦斯涌出量遠(yuǎn)低于40m3/min，屬低瓦斯礦井。煤層具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性，煤層自燃等級(jí)為Ⅰ—Ⅱ級(jí)，自燃傾向性為自燃—容易自燃，無(wú)沖擊地壓顯現(xiàn)，無(wú)地溫異常區(qū)，未發(fā)現(xiàn)天然放射性異常。

2.4 植被與氣候

礦井位于烏蘭木倫河一級(jí)階地的西緣，大部分地區(qū)表面為風(fēng)積沙覆蓋，植被稀少，沿烏蘭木倫河的河谷區(qū)及其支流形成河流堆積類(lèi)型，西部地形較平坦、開(kāi)闊，主要為沙漠、灘地；東部梁峁起伏，溝谷密集，主要為黃土丘陵溝壑。礦井范圍內(nèi)多數(shù)地區(qū)呈風(fēng)沙地貌，被流動(dòng)沙丘和固定沙丘所覆蓋。

氣候?qū)贉貛Т箨懶园敫珊禋夂?，冬季?yán)寒，夏季炎熱，春季多風(fēng)，秋季涼爽，全年少雨，晝夜溫差大。

2.5 修復(fù)與治理

溫帶大陸性半干旱氣候，年降水量為226.40～540.5mm，平均372.4mm，且多集中于7、8、9三個(gè)月內(nèi)，結(jié)冰期一般為10月初至次年4月底，所以利于植被生長(zhǎng)時(shí)間較短，植被的再生環(huán)境自我修復(fù)能力一般。

水土流失補(bǔ)償費(fèi)在每年礦井成本中單獨(dú)列支，用于環(huán)境治理，每年春季開(kāi)展植樹(shù)造林工程，并配套專(zhuān)用的灌溉系統(tǒng)，保證植被成活率，治理效果明顯，有效改善地表生態(tài)環(huán)境。

2.6 經(jīng)濟(jì)消費(fèi)

伊金霍洛旗立足資源稟賦、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和發(fā)展條件，規(guī)劃建設(shè)了工業(yè)園區(qū)、物流園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等，形成了煤炭、煤電、煤化工、裝備制造、全域旅游、現(xiàn)代物流等多元發(fā)展、多極支撐的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)新體系，縣域經(jīng)濟(jì)實(shí)力顯著增強(qiáng)，全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣。烏蘭木倫鎮(zhèn)是國(guó)家能源集團(tuán)煤炭主采區(qū)，共有國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司、神東天隆公司、神華鄂爾多斯煤制油分公司、國(guó)華電廠(chǎng)等國(guó)有獨(dú)資及股份制企業(yè)26家，工礦企業(yè)較多。

2.7 建設(shè)條件

礦井生活用水由礦區(qū)水源統(tǒng)一供給。目前，補(bǔ)連塔礦生活用水主要由考考賴(lài)水廠(chǎng)提供。該水廠(chǎng)及凈水廠(chǎng)已經(jīng)建成并投入使用，可凈化周邊礦井井下廢水，能滿(mǎn)足地區(qū)生活用水需要。以往施工的水源井，可作為礦井的備用水源，工業(yè)生產(chǎn)及綠化用水主要為補(bǔ)連塔煤礦礦井水處理后重復(fù)利用。

核實(shí)區(qū)地面設(shè)有35kV變電站5座。南風(fēng)井35kV變電站主要為主通風(fēng)機(jī)和井下2號(hào)變電所供電，補(bǔ)連塔礦工業(yè)廣場(chǎng)35kV變電站主要為工業(yè)廣場(chǎng)、2號(hào)主井及井下1號(hào)變電所供電，補(bǔ)連塔洗煤廠(chǎng)35kV變電站主要為補(bǔ)連塔洗煤廠(chǎng)和裝車(chē)站供電，四盤(pán)區(qū)35kV箱變主要為1-2煤5號(hào)變電所供電，煤液化35kV變電站主要為井下2-2煤3號(hào)變電所和皮帶機(jī)頭供電。

伊金霍洛旗地處呼—包—鄂“金三角”區(qū)域，境內(nèi)貫穿有阿大一級(jí)公路、包茂高速、包神鐵路、包西鐵路和鄂爾多斯飛機(jī)場(chǎng)，已形成集公路、鐵路、航空于一體的立體交通網(wǎng)絡(luò)，交通條件便利。

2.8 安全開(kāi)采

補(bǔ)連塔煤礦堅(jiān)持以人為本的安全管理理念，深入推進(jìn)本安型礦井建設(shè)，在全國(guó)煤炭行業(yè)首家引進(jìn)推行世界先進(jìn)的NOSA五星安健安管理體系[9]，并獲得NOSA四星級(jí)的煤礦。截至2019年底，安全生產(chǎn)達(dá)19周年，是目前神東煤炭集團(tuán)公司安全生產(chǎn)周期最長(zhǎng)礦井。

2.9 生產(chǎn)能力

礦井生產(chǎn)能力核定為28.0Mt/a，2019年實(shí)際產(chǎn)量為28.0Mt，是目前世界上單井生產(chǎn)能力最大的井工煤礦。

補(bǔ)連塔煤礦采用平硐、斜井開(kāi)拓方式，生產(chǎn)布局一井兩面，連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)，裝備了世界上最先進(jìn)的大功率采煤機(jī)和高阻力液壓支架，采取長(zhǎng)臂后退式綜合機(jī)械化采，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)系統(tǒng)皮帶化，輔助運(yùn)輸膠輪化，生產(chǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制和安全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化。主運(yùn)系統(tǒng)部分已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)視、無(wú)人值守。2007年建成6.3m大采高工作面，2010年建成7m大采高工作面，2016年底，使用TBM工法施工的補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)輔運(yùn)平硐正式投用，2017年世界首個(gè)8m大采高工作面在補(bǔ)連塔煤礦建成投產(chǎn)，礦井整體技術(shù)裝備水平居于世界先進(jìn)水平。

2.10 資源回采

該煤礦勘查開(kāi)發(fā)程度勘探；總資源量約22.7億t，剩余可采儲(chǔ)量19.3億t，剩余服務(wù)年限49.1 a。2019年礦井回采率83.11%，補(bǔ)連塔煤礦采區(qū)回采率統(tǒng)計(jì)表均遠(yuǎn)高出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 補(bǔ)連塔煤礦采區(qū)回采率統(tǒng)計(jì)表

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

綜上，補(bǔ)連塔煤礦的煤炭資源開(kāi)發(fā)利用潛力綜合評(píng)價(jià)分值為94.4分(表3)，根據(jù)煤炭資源開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)結(jié)果，補(bǔ)連塔煤礦評(píng)定為一類(lèi)區(qū)綠色優(yōu)先開(kāi)發(fā)區(qū)。說(shuō)明補(bǔ)連塔煤礦屬于資源稟賦潛力高、生態(tài)環(huán)境潛力高、開(kāi)采利用潛力高的國(guó)家綠色優(yōu)先開(kāi)采礦井。為補(bǔ)連塔煤礦建設(shè)現(xiàn)代化、智能化、國(guó)際先進(jìn)水平的綠色特大型礦井提供有力的綜合評(píng)價(jià)依據(jù)。

表3 補(bǔ)連塔煤礦煤炭資源開(kāi)發(fā)潛力綜合評(píng)分表

4 開(kāi)發(fā)能力發(fā)展態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)

補(bǔ)連塔井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，資源儲(chǔ)量豐富，開(kāi)采技術(shù)條件優(yōu)越，具備可持續(xù)高產(chǎn)量綠色開(kāi)采的先天優(yōu)良條件。但隨著礦井淺部?jī)?yōu)質(zhì)煤層資源的逐步開(kāi)采完畢，未來(lái)將進(jìn)入深部下分層煤層開(kāi)采，會(huì)遇到在采空區(qū)下采煤的各類(lèi)問(wèn)題，給開(kāi)采帶來(lái)一定困難，預(yù)計(jì)補(bǔ)連塔煤礦有10～15a持續(xù)高產(chǎn)量生產(chǎn)的黃金期，之后產(chǎn)量將開(kāi)始逐漸下滑。為了保證產(chǎn)量需進(jìn)一步加大開(kāi)采的技術(shù)及成本投入。

礦井開(kāi)采煤種為長(zhǎng)焰煤與不黏煤，屬特低灰—低灰、特低硫—低硫、特低磷—低磷，中高發(fā)熱量煤的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤、化工和冶金煤，被譽(yù)為“綠色環(huán)保煤炭”。所產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煤炭由國(guó)家能源集團(tuán)統(tǒng)一調(diào)配混煤銷(xiāo)售，產(chǎn)品系列主要為神混系列，神混系列發(fā)熱量16～24MJ/kg，銷(xiāo)售區(qū)域遍布全國(guó)，潔凈煤主要銷(xiāo)售區(qū)域?yàn)榫┙蚣健⑷A東以及粵港澳地區(qū)的燃煤電廠(chǎng)和燃煤工業(yè)鍋爐。礦井依托國(guó)家能源集團(tuán)煤電路港航一體化運(yùn)營(yíng)[10]的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，以及統(tǒng)一運(yùn)銷(xiāo)的優(yōu)勢(shì)，本礦井產(chǎn)煤具有可靠的銷(xiāo)路和較高的經(jīng)濟(jì)效益。