煤炭科學開采理論與技術淺談

王家臣

(中國礦業(yè)大學,北京 102206)

1 煤炭科學開采的概念

基于長期的研究和實踐經(jīng)驗,2000年,錢鳴高院士正式提出了煤礦綠色開采的理念和技術框架。這一思想的提出,是基于當時我國煤炭產量迅速增長的背景,這種增長導致環(huán)境安全問題變得極為突出,并對環(huán)境造成了負面影響,同時也影響了整個行業(yè)形象。在此背景下,綠色開采的概念逐漸形成,同時隨之而來的是煤炭科學開采的倡導。經(jīng)過近20多年的研究和工程實踐,我國在煤礦綠色開采領域取得了豐碩的技術創(chuàng)新成果,多種創(chuàng)新方法紛紛涌現(xiàn),并得到廣泛應用和實踐。這些技術的應用為煤炭開采行業(yè)帶來了蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。

2 煤炭科學開采的重要組成部分

1)安全是煤炭科學開采的重要內容之一。在過去,我國煤礦事故的死亡率持續(xù)偏高,百萬噸死亡率約為2.8。經(jīng)過不懈努力,到2022年,這一數(shù)字已降低到0.07,這意味著我國的煤礦安全水平基本與世界先進國家持平,略低于美國和澳大利亞。然而,值得注意的是,美國、澳大利亞和我國在煤炭資源開采方式上存在差異,因此必須清楚考慮到這些實際條件。

2)實現(xiàn)煤炭開采機械化和自動化十分重要。在早期,煤礦開采還未上升到智能化階段,但在近10年里,已經(jīng)將智能化提升為制度。根據(jù)2023年4月的統(tǒng)計數(shù)據(jù),全國范圍內智能化采掘工作面數(shù)量約為1 200～1 300個,采煤工作面約為1 040個。

3)提高煤炭資源采出率也是煤炭科學開采的關鍵目標。這包括煤炭、煤與瓦斯、煤與鈾礦、高嶺土等所有相關資源的綜合開采。此外,還應考慮環(huán)境和水資源的承載能力,避免過度開發(fā)。

4)實現(xiàn)煤炭產業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的零排放和最大化資源利用也是一個重要方向。現(xiàn)階段,各礦區(qū)在這方面取得了積極的進展。

5)需要關注整個礦井的全生命周期設計和開發(fā)利用,包括廢棄的礦井資源。目前已提出許多設想,但廢棄礦井的實際利用除了管控方面的措施外,發(fā)展高端實際業(yè)績仍面臨困難。德國在2018年關閉了最后一個礦井,這并不是因為德國不再使用煤炭,而是因為取消了德國礦工的補貼,該舉措是根據(jù)歐盟的規(guī)定強制執(zhí)行的。在取消補貼后,礦工福利下降,導致礦工流失,最終不得不關閉礦井。然而,德國目前仍有大約6個露天礦,產量超過10億t。在生產過程中,應該學習先進的技術和經(jīng)驗,但需要注意的是,個人認為增加工人工資是吸引更多人投身于煤礦行業(yè)的一種方式。

煤炭科學開采可視為一個經(jīng)濟體,其中開采必須具有盈利能力,因為企業(yè)無法從事非盈利的活動。企業(yè)的根本目的是為國家交納稅收,因此所有企業(yè)都需要盈利,并且還需要提供就業(yè)機會。此外,企業(yè)還有社會責任,不能僅僅是開采礦產,使得整個地區(qū)遭受破壞,導致工人失去工作。在開采過程中,還需要考慮資源的合理利用,并進行環(huán)境再造工作,以確保環(huán)境得到保護和修復。如果開采能夠保持有效,同時也能保證環(huán)境的可持續(xù)性,那么企業(yè)就能獲得經(jīng)濟效益。

在煤炭科學開采的發(fā)展過程中,有一些重要的事件和貢獻。例如,錢院士在2000年提出了綠色開采的概念之后,在2006年提出了科學開采的概念,并在2008年正式發(fā)表相關文章。謝和平院士于2010年提出了科學產能的概念。此外,本人在2011年提出了科學展望和人才培養(yǎng)的思路和方案。在進行科學開采時,除了技術和實踐的發(fā)展,人們的思想觀念也非常重要。如果大學培養(yǎng)的學生沒有關注這個領域,推動該領域的發(fā)展就會變得困難。

3 煤炭科學開采理論的基礎支撐

支撐煤炭科學開采需要依賴科學方法和技術。在2018年,本人有幸拜訪了錢院士,共同討論了關于煤炭科學開采的話題。在2019年,本人撰寫了一本關于基于結構控制的煤炭科學開采著作。綠色開采逐漸發(fā)展演變?yōu)榭茖W開采。在中國,其主要涉及到一些理念、法規(guī)和人類社會的和諧環(huán)境,并側重于支撐技術。在國外,并沒有使用“科學開采”這個術語,而更常用的是“可持續(xù)開采”?？沙掷m(xù)開采關注的重點更加強調社會群體利益、安全資源和法律法規(guī)等概念。

3.1 煤炭開采面臨的問題

關于礦井水的再利用問題,國家也在進行相關研究。然而,由于礦井水的存在深度比飲用水水層更深,如果礦井水不及時抽取,一旦與飲用水層發(fā)生溝通,其中的一些重金屬和離子就會進入飲用水中。目前,對這個問題的關注程度還不夠,因為礦井水是有毒的。這可以類比于在家里使用沙子過濾水的早期情況,過濾后的水看起來很干凈,但是如果將沙子攪動一下,會發(fā)現(xiàn)里面都是銹跡,這意味著實際上水質并未達到標準。

開采過程引起的巖層移動會帶來一系列問題,包括地面塌陷和河流斷流等負面影響。開采導致巖層周圍被破壞,頂板逐層塌落到地表,目前越來越關注底板的破壞情況。在實際的理論問題中,涉及到巖體裂隙的產生和擴張、斷層的活化以及水系統(tǒng)的變化。與此同時,開采還會帶來沖擊地壓、煤與瓦斯突出、破壞含水層以及地面植被等問題。在綠色開采中,含水層的保護至關重要。如果能夠保護好含水層,上面的植被就可以生長。但是,如果潛水位太低,植物的毛細作用就無法供水,從而無法生長。因此,在綠色開采的理念中,保護含水層是核心任務。保護含水層的關鍵在于巖層的運動問題,也就是巖層的位移和變形。

3.2 砌體梁理論

巖層運動引起的相關問題是否存在一種理論來解釋呢?在20世紀初,許多學者提出了懸臂梁理論和組合梁理論等。然而,這些理論通常只是定性描述巖層運動和壓力的。錢鳴高院士在基于鉸接巖塊和預成裂隙的假設基礎上,從20世紀70年代末到80年代初,提出了上覆巖層結構的類似砌體鉸接,能夠傳遞水平力并承受上方荷載。這一理論首次在全球范圍內對巖層運動進行了定量描述。

砌體梁理論最早應用于1982年在英國的一次長壁開采中,用于研究長壁開采的運動特征和資源控制。隨后,該理論獲得了全球范圍內的認可。砌體梁經(jīng)典模型描述了工作面向前開采過程中的三個區(qū)域,即高應力區(qū)(壓縮區(qū))、離層區(qū)(卸壓區(qū))、應力恢復區(qū)。離層區(qū)是主要研究對象,其中的結構主要由塊狀物質構成。在高應力區(qū),煤壁是主要的支撐來源;而在離層區(qū),離層的出現(xiàn)有利于瓦斯的釋放和增加透氣性。瓦斯中90%以上以吸附形式存在于煤中,只有不到10%是游離氣體,只有游離氣體符合熱力學定律才能抽取出來。因此,當?shù)谝粋€鉆孔打入時,瓦斯釋放較多,但隨后逐漸減少,這并不意味著煤層中的瓦斯消失,而是因為釋放速率較慢導致的。石油開采也面臨類似的問題,即需要快速釋放氣體。為了增加瓦斯的釋放,可以采用卸壓或加熱的方式,因此目前有人研究給煤層加熱的方法。利用卸壓方法進行大面積開采時,可以將開采過程劃分為從下至上的三個帶,即垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。因此,氣體理論主要研究離層區(qū)的裂縫帶。隨著工作面的開采,裂縫隨巖塊回轉形成鉸接結構,在上方形成鉸接點,從而形成三個鉸接點構成的結構。這種結構實際上是結構力學中最簡單的一種形式,由三個鉸接點和兩根曲桿構成,在水平力受到固定約束的情況下,該結構能夠承受來自上方的力。隨著工作面的持續(xù)推進,可能會發(fā)生破壞,使結構變?yōu)槿齻€巖塊。然而,如果滿足平衡條件,結構就能夠保持不倒塌,仍然呈現(xiàn)三角形的形態(tài)。因此,砌體梁結構在表面上看起來像是梁,但實際上是一個承載結構中的拱結構。

基于這種結構,錢院士進行了相關研究。首先是沿煤壁的滑落失穩(wěn),隨后是鉸接巖塊的變形增大,變形增大后可能會壓碎鉸接巖塊的區(qū)域,從而引發(fā)變形失穩(wěn)。那么究竟有多少力作用在上方的老頂層呢?錢院士通過測量計算出了該層的受力情況,并構建了砌體梁的全結構模型。在這個模型中,假設巖層總是由硬巖層和軟巖層疊加組成,軟巖層作為載荷作用于上方,而硬巖層各段承擔上方的載荷。然后,針對每個梁的后角節(jié)點先進行力矩平衡,再對前角節(jié)點進行力矩平衡,從而建立了整體砌體梁結構的力學方程,通過這個力學方程進行求解,得到了相應的結果。

3.3 “O-X”破斷理論

隨著工作面的推進,學者們提出了一種被稱為“OX”破斷的現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象中,隨著工作面的推進,工作面后方首先形成裂縫,然后裂縫向兩側擴展,并最終形成中間相連的“OX”形狀破斷。另外,采場支架的結構常處于大變形狀態(tài)。在1996年,錢院士在砌體梁結構的基礎上,結合綠色開采和保水開采的概念,提出了關鍵層理論。關鍵層在實際上早已有相關研究,針對第一層關鍵層,后來又涉及到地面問題,因此研究者開始考慮每一層巖層的關鍵性。關鍵層指的是對上方覆蓋的巖層的某一部分或全部發(fā)揮控制作用的層次。如果該巖層能夠控制上方全部巖層的行為,則稱之為主關鍵層;但如果僅能部分抑制上方巖層的運動,則稱之為亞關鍵層。在該理論基礎上,進一步開展了相關研究工作,這些研究工作為地表沉降、大面積壓力、煤與瓦斯突出以及保水開采等問題提供了研究基礎。

巖層的結構和埋深對巖層移動規(guī)律有重要影響。在深埋的薄基巖中,埋深可達700 m,而基巖最薄處只有50 m。即使在砌體梁與直接頂之間沒有離層的情況下,砌體梁失穩(wěn)時也會對直接頂產生沖擊,這種沖擊通過直接頂傳遞到支架中,因此需要使用動態(tài)的計算方法來進行分析。支架的設計既要考慮控制老頂?shù)钠胶廨d荷,也要考慮緩解煤壁的壓力,這涉及到厚板和薄板的問題。通常認為工作面前方的支撐壓力呈單峰分布,但實際情況是,在工作面過長的情況下,支撐壓力會分成幾個峰值。同時,頂板的破斷也會發(fā)生分區(qū)現(xiàn)象,可能在中間某個位置發(fā)生破斷并向內遷移,這樣會形成一種拱和巖梁組合的特殊結構。針對該現(xiàn)象進行了實驗,并結合數(shù)據(jù)、模擬和大量現(xiàn)場觀測進行驗證,以確定支架的阻力。研究發(fā)現(xiàn),在煤柱之間的區(qū)域,應力會集中。無論原先的低應力和工作面之間的方向如何,在工作面推進過程中,這些應力會發(fā)生偏轉。煤礦巖石破壞的核心問題是偏應力,也就是不均勻的受壓情況,不均勻受壓有利于頂煤的破壞,這解釋了為什么平均埋深不到100 m的煤層也能夠進行放頂煤開采。

4 煤炭科學開采的技術支撐

支撐科學開采的關鍵技術之一是放頂煤開采,這已經(jīng)成為國家煤礦開采在世界上的一張名片。其中涉及到的理論概念之一就是放出體。放出體指的是在采煤完畢后將煤重新填充到原本存在于頂煤內的空間中。早期采用的方法主要是橢球體理論,但整體結構會發(fā)生變異,因此面臨著變異問題。國家在采高方面經(jīng)歷了從3.5 m到現(xiàn)在的8.8 m,以及前段時間的10 m支架和實際采煤機的發(fā)展。此外,還有巷道和空間過渡的臺階以及工作面的自動化問題。自動化的難點在于識別、定位不準確,自動調整值經(jīng)常需要人工干預。另外一個非常重要的問題是頂煤放出,頂煤放煤往往是采高的3倍水平,分段情況下可達8倍?？紤]到這么大的數(shù)量,如果放置不當,損失也會非常巨大。因此,本人在2009年開始帶領團隊專注于圖像識別方法的研究。早期使用聲音、紅外,現(xiàn)在使用高光譜等技術。在過去幾年的國家自然科學基金項目的研究中,認識到存在的問題并提出了模擬人眼技術。這項技術已經(jīng)在多個礦井開始應用,團隊研發(fā)了一套圖像采集系統(tǒng)。另外,針對后續(xù)放煤過程中的一個重要問題,即多輪放煤的控制。由于工人無法完全控制多輪放煤過程,團隊研發(fā)了一種頂煤運營時間儀器。例如,在2 min處進行操作,隨后將該裝置與智能系統(tǒng)結合,實現(xiàn)多輪放煤的均勻進行。

充填開采是一種主要包括高水、膏體等多種充填材料的方法。其中,學者們還研究了高濃度膠結,其含量在75%左右。這3種方法各有其優(yōu)缺點,并且充填的方式通常是在工作面長壁進行。此外,還有一種巷旁充填的方法和離層注漿技術。另外,還有煤與瓦斯的同采方法以及保水開采、地下水庫的技術,在神東地區(qū)進行了研究。在地面保水方面,主要研究上方是否存在隔水層,并通過調整工作過程來實現(xiàn)。此外,還存在環(huán)境問題,但現(xiàn)在許多礦區(qū)已經(jīng)取得了很好的成效,山西在這方面也取得了良好的進展。