井工煤矿技术变革研究与中煤集团具体实践
发布时间:2023-06-09
随着煤矿智能化建设的推进，我国井工煤矿技术变革的迫切性凸显。作者深入探讨了我国煤矿开采技术管理目前面临的问题与挑战。针对传统开采技术难以攻克的深部强矿压、高成本、高风险、低回收率和环境负效应等诸多难题，创新性地提出“优化开采、绿色开采、智能开采”为核心的采矿技术变革思想，并提出无掘巷开采新方法以及无掘巷开采主动岩层控制新理念。建立了井工煤矿短充长采技术体系；介绍了自主研发的无掘巷开采成套装备；阐述了在初步形成井工煤矿开采技术管理新模式下建成的中煤能源集团（以下简称“中煤集团”）南梁煤矿井工无掘巷开采示范矿井的具体实践。基于井工煤矿开采技术管理新模式，对中煤能源集团孔庄煤矿的优化开采、南梁煤矿井工无掘巷开采示范矿井建设和葫芦素煤矿“短充长采”工程应用案例进行了介绍，这些创新技术在现场的成功应用，表明采矿技术变革有效提升了现代煤矿的社会经济技术效益，为构建我国新型现代科学开采体系提供了切实参考。
祁和刚（1959-），上海市人，教授级高工，采矿工程专家，中国矿业大学兼职教授。曾任中国中煤能源集团有限公司总工程师，中煤能源股份公司副总裁，中煤能源技术研究总院院长，中国煤炭学会副理事长。现任中国煤炭科工集团有限公司科学技术委员会顾问委员，特聘专家，清华大学互联网产业研究院顾问委员。长期从事采矿工程、技术研究和战略规划等工作。主持和参与国家863、科技支撑计划项目以及国家级科技项目十余项，获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步奖三十余项，出版专着3部。先后获得全国优秀科技工作者、孙越崎能源大奖、全国杰出工程师奖，煤炭工业突出贡献专家、享受国务院政府特殊津贴。
首先，笔者指出，煤炭产业作为我国重要的能源支柱产业，有力支撑了国民经济和社会的平稳快速发展。但由于持续高强度、大规模开采，导致东部产能递减、中部稳中有降、西部增量加快；同时，矿井开采深度正快速向深部延伸（深部资源量占我国煤炭开采总量53%以上），因此未来我国煤炭主采资源主要为西部和深部。而深部开采伴随“三高一强”（高地应力、高地温、高岩溶水压、强扰动）复杂开采条件，尤其是传统开采技术面临深部冲击地压、资源回收、开采成本和西部矿区生态等安全、技术、经济、环境四大难题，严重制约着煤炭行业高质量、可持续发展。所以创新采矿工艺、破解传统开采难题、加快煤矿开采技术管理的变革显得尤为迫切。其次，笔者深入分析了煤炭产业发展面临的新挑战。深部开采矛盾愈加突出，中东部矿区已进入平均采深 700 m 的常态化深部开采, 西部矿区平均采深正以每年8~25m的速度持续下延, 即将达到700~1000m 的绝对深度资源开采模式；绿色开采技术有待创新，未来需进一步突破以往充填开采、保水开采的技术瓶颈, 在材料研发、开采技术、布局优化等方面展开全面创新性研究；智能开采技术与装备有待进一步升级，亟需开展针对性科研攻关, 进一步研发出适应于煤炭智能开采的理论技术与成套装备；生产技术与管理有待进一步优化，亟需建立一套采掘合一、系统简单、工艺简化、管理集约的煤炭开采科学管理体系。第三，明确采矿技术变革的四大突破方向。优化开采，即通过技术创新和生产方式的变革, 实现布局优化、系统简单、工程减量，形成可持续的安全、高效、绿色开采的先进产能；采留一体无掘巷开采，即，沿采区边界布置边界导巷 (盘区运输巷、回风巷、开切眼)形成采留一体的生产系统，采用综采装备沿煤层延伸方向进行长壁回采，在采煤机推移至工作面尾部时采用特制加长摇臂采煤机割出巷道空间，通过工作面刮板输送机机尾的超低设计和可伸缩变量，满足机尾割巷空间和自动限位装煤，割巷后紧跟预留成巷作业空间的分体式端头支架和巷旁切顶护帮支架；在一次割煤、掘巷循环内，同步完成巷道顶板支护、巷旁切顶、巷帮挡杆、巷帮密闭等切顶成巷工序，实现无煤柱、无巷道掘进、连续开采、边采边留的开采新方法；短充长采，即以煤矿井下采区内就近分选的矸石为主形成的固体废弃物充填带取代区段煤柱,通过边采、边充、边留巷,构建短充留巷、长壁开采的 “采-充-留”三位一体的生产方式，形成井上无矸石、井下无煤柱、地表低损害、岩层低损伤、资源低损失的现代科学开采技术体系；智能开采，基于矿山智能化开采构想下 “采掘自动，系统集控，管理智能”的目标导向，建立一套现代化矿井三维可视化系统，从而对保障矿井安全、提高煤矿生产管理水平、提高生产工作效率、加快智慧矿山信息化建设具有十分重要的意义。第四，展示了中煤集团采矿技术变革典型工程案例：孔庄煤矿优化开采应用表明，初步形成了可视化地质、自优化设计、精准化建井、集约化生产的煤炭资源优化开采，为相关老煤矿以及效率低下的煤矿提供了理论指导和重生希望；南梁煤矿无掘巷开采工程实践表明，采用边采边留无巷道掘进技术，可利用留巷实现无煤柱、连续开采，实现了少掘多采，成本降幅37%，并且完成了采矿工程、生产系统、技术装备、安全保障、组织管理的“五大变革”，实现了减巷道、减煤柱、减人员、减设备、提效率的“四减一提”的管理创新；葫芦素煤矿“短充长采”技术应用表明，通过先采后充、沿充留巷，形成了采、充、留一体化的“短充长采”生产系统，充分发挥了长壁工作面开采和短壁矸石充填开采的集成优点，为矿井绿色、安全、高效开采探索出了新路径。最后，笔者指出，中煤集团将继续面向生态文明建设与保障能源安全供给的国家重大战略需求，开展新一轮科技创新与技术革命，突破开采环境限制，深入研究解决煤炭资源开采所涉及的基础理论，创新研发相关技术装备，构建系统化的煤炭资源安全、绿色、高效、智能开采理论与技术体系。
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