煤炭科学开采理论与技术浅谈

王家臣

(中国矿业大学,北京 102206)

1 煤炭科学开采的概念

基于长期的研究和实践经验,2000年,钱鸣高院士正式提出了煤矿绿色开采的理念和技术框架。这一思想的提出,是基于当时我国煤炭产量迅速增长的背景,这种增长导致环境安全问题变得极为突出,并对环境造成了负面影响,同时也影响了整个行业形象。在此背景下,绿色开采的概念逐渐形成,同时随之而来的是煤炭科学开采的倡导。经过近20多年的研究和工程实践,我国在煤矿绿色开采领域取得了丰硕的技术创新成果,多种创新方法纷纷涌现,并得到广泛应用和实践。这些技术的应用为煤炭开采行业带来了蓬勃的发展态势。

2 煤炭科学开采的重要组成部分

1)安全是煤炭科学开采的重要内容之一。在过去,我国煤矿事故的死亡率持续偏高,百万吨死亡率约为2.8。经过不懈努力,到2022年,这一数字已降低到0.07,这意味着我国的煤矿安全水平基本与世界先进国家持平,略低于美国和澳大利亚。然而,值得注意的是,美国、澳大利亚和我国在煤炭资源开采方式上存在差异,因此必须清楚考虑到这些实际条件。

2)实现煤炭开采机械化和自动化十分重要。在早期,煤矿开采还未上升到智能化阶段,但在近10年里,已经将智能化提升为制度。根据2023年4月的统计数据,全国范围内智能化采掘工作面数量约为1 200～1 300个,采煤工作面约为1 040个。

3)提高煤炭资源采出率也是煤炭科学开采的关键目标。这包括煤炭、煤与瓦斯、煤与铀矿、高岭土等所有相关资源的综合开采。此外,还应考虑环境和水资源的承载能力,避免过度开发。

4)实现煤炭产业循环经济的零排放和最大化资源利用也是一个重要方向。现阶段,各矿区在这方面取得了积极的进展。

5)需要关注整个矿井的全生命周期设计和开发利用,包括废弃的矿井资源。目前已提出许多设想,但废弃矿井的实际利用除了管控方面的措施外,发展高端实际业绩仍面临困难。德国在2018年关闭了最后一个矿井,这并不是因为德国不再使用煤炭,而是因为取消了德国矿工的补贴,该举措是根据欧盟的规定强制执行的。在取消补贴后,矿工福利下降,导致矿工流失,最终不得不关闭矿井。然而,德国目前仍有大约6个露天矿,产量超过10亿t。在生产过程中,应该学习先进的技术和经验,但需要注意的是,个人认为增加工人工资是吸引更多人投身于煤矿行业的一种方式。

煤炭科学开采可视为一个经济体,其中开采必须具有盈利能力,因为企业无法从事非盈利的活动。企业的根本目的是为国家交纳税收,因此所有企业都需要盈利,并且还需要提供就业机会。此外,企业还有社会责任,不能仅仅是开采矿产,使得整个地区遭受破坏,导致工人失去工作。在开采过程中,还需要考虑资源的合理利用,并进行环境再造工作,以确保环境得到保护和修复。如果开采能够保持有效,同时也能保证环境的可持续性,那么企业就能获得经济效益。

在煤炭科学开采的发展过程中,有一些重要的事件和贡献。例如,钱院士在2000年提出了绿色开采的概念之后,在2006年提出了科学开采的概念,并在2008年正式发表相关文章。谢和平院士于2010年提出了科学产能的概念。此外,本人在2011年提出了科学展望和人才培养的思路和方案。在进行科学开采时,除了技术和实践的发展,人们的思想观念也非常重要。如果大学培养的学生没有关注这个领域,推动该领域的发展就会变得困难。

3 煤炭科学开采理论的基础支撑

支撑煤炭科学开采需要依赖科学方法和技术。在2018年,本人有幸拜访了钱院士,共同讨论了关于煤炭科学开采的话题。在2019年,本人撰写了一本关于基于结构控制的煤炭科学开采著作。绿色开采逐渐发展演变为科学开采。在中国,其主要涉及到一些理念、法规和人类社会的和谐环境,并侧重于支撑技术。在国外,并没有使用“科学开采”这个术语,而更常用的是“可持续开采”。可持续开采关注的重点更加强调社会群体利益、安全资源和法律法规等概念。

3.1 煤炭开采面临的问题

关于矿井水的再利用问题,国家也在进行相关研究。然而,由于矿井水的存在深度比饮用水水层更深,如果矿井水不及时抽取,一旦与饮用水层发生沟通,其中的一些重金属和离子就会进入饮用水中。目前,对这个问题的关注程度还不够,因为矿井水是有毒的。这可以类比于在家里使用沙子过滤水的早期情况,过滤后的水看起来很干净,但是如果将沙子搅动一下,会发现里面都是锈迹,这意味着实际上水质并未达到标准。

开采过程引起的岩层移动会带来一系列问题,包括地面塌陷和河流断流等负面影响。开采导致岩层周围被破坏,顶板逐层塌落到地表,目前越来越关注底板的破坏情况。在实际的理论问题中,涉及到岩体裂隙的产生和扩张、断层的活化以及水系统的变化。与此同时,开采还会带来冲击地压、煤与瓦斯突出、破坏含水层以及地面植被等问题。在绿色开采中,含水层的保护至关重要。如果能够保护好含水层,上面的植被就可以生长。但是,如果潜水位太低,植物的毛细作用就无法供水,从而无法生长。因此,在绿色开采的理念中,保护含水层是核心任务。保护含水层的关键在于岩层的运动问题,也就是岩层的位移和变形。

3.2 砌体梁理论

岩层运动引起的相关问题是否存在一种理论来解释呢?在20世纪初,许多学者提出了悬臂梁理论和组合梁理论等。然而,这些理论通常只是定性描述岩层运动和压力的。钱鸣高院士在基于铰接岩块和预成裂隙的假设基础上,从20世纪70年代末到80年代初,提出了上覆岩层结构的类似砌体铰接,能够传递水平力并承受上方荷载。这一理论首次在全球范围内对岩层运动进行了定量描述。

砌体梁理论最早应用于1982年在英国的一次长壁开采中,用于研究长壁开采的运动特征和资源控制。随后,该理论获得了全球范围内的认可。砌体梁经典模型描述了工作面向前开采过程中的三个区域,即高应力区(压缩区)、离层区(卸压区)、应力恢复区。离层区是主要研究对象,其中的结构主要由块状物质构成。在高应力区,煤壁是主要的支撑来源;而在离层区,离层的出现有利于瓦斯的释放和增加透气性。瓦斯中90%以上以吸附形式存在于煤中,只有不到10%是游离气体,只有游离气体符合热力学定律才能抽取出来。因此,当第一个钻孔打入时,瓦斯释放较多,但随后逐渐减少,这并不意味着煤层中的瓦斯消失,而是因为释放速率较慢导致的。石油开采也面临类似的问题,即需要快速释放气体。为了增加瓦斯的释放,可以采用卸压或加热的方式,因此目前有人研究给煤层加热的方法。利用卸压方法进行大面积开采时,可以将开采过程划分为从下至上的三个带,即垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。因此,气体理论主要研究离层区的裂缝带。随着工作面的开采,裂缝随岩块回转形成铰接结构,在上方形成铰接点,从而形成三个铰接点构成的结构。这种结构实际上是结构力学中最简单的一种形式,由三个铰接点和两根曲杆构成,在水平力受到固定约束的情况下,该结构能够承受来自上方的力。随着工作面的持续推进,可能会发生破坏,使结构变为三个岩块。然而,如果满足平衡条件,结构就能够保持不倒塌,仍然呈现三角形的形态。因此,砌体梁结构在表面上看起来像是梁,但实际上是一个承载结构中的拱结构。

基于这种结构,钱院士进行了相关研究。首先是沿煤壁的滑落失稳,随后是铰接岩块的变形增大,变形增大后可能会压碎铰接岩块的区域,从而引发变形失稳。那么究竟有多少力作用在上方的老顶层呢?钱院士通过测量计算出了该层的受力情况,并构建了砌体梁的全结构模型。在这个模型中,假设岩层总是由硬岩层和软岩层叠加组成,软岩层作为载荷作用于上方,而硬岩层各段承担上方的载荷。然后,针对每个梁的后角节点先进行力矩平衡,再对前角节点进行力矩平衡,从而建立了整体砌体梁结构的力学方程,通过这个力学方程进行求解,得到了相应的结果。

3.3 “O-X”破断理论

随着工作面的推进,学者们提出了一种被称为“OX”破断的现象。在这种现象中,随着工作面的推进,工作面后方首先形成裂缝,然后裂缝向两侧扩展,并最终形成中间相连的“OX”形状破断。另外,采场支架的结构常处于大变形状态。在1996年,钱院士在砌体梁结构的基础上,结合绿色开采和保水开采的概念,提出了关键层理论。关键层在实际上早已有相关研究,针对第一层关键层,后来又涉及到地面问题,因此研究者开始考虑每一层岩层的关键性。关键层指的是对上方覆盖的岩层的某一部分或全部发挥控制作用的层次。如果该岩层能够控制上方全部岩层的行为,则称之为主关键层;但如果仅能部分抑制上方岩层的运动,则称之为亚关键层。在该理论基础上,进一步开展了相关研究工作,这些研究工作为地表沉降、大面积压力、煤与瓦斯突出以及保水开采等问题提供了研究基础。

岩层的结构和埋深对岩层移动规律有重要影响。在深埋的薄基岩中,埋深可达700 m,而基岩最薄处只有50 m。即使在砌体梁与直接顶之间没有离层的情况下,砌体梁失稳时也会对直接顶产生冲击,这种冲击通过直接顶传递到支架中,因此需要使用动态的计算方法来进行分析。支架的设计既要考虑控制老顶的平衡载荷,也要考虑缓解煤壁的压力,这涉及到厚板和薄板的问题。通常认为工作面前方的支撑压力呈单峰分布,但实际情况是,在工作面过长的情况下,支撑压力会分成几个峰值。同时,顶板的破断也会发生分区现象,可能在中间某个位置发生破断并向内迁移,这样会形成一种拱和岩梁组合的特殊结构。针对该现象进行了实验,并结合数据、模拟和大量现场观测进行验证,以确定支架的阻力。研究发现,在煤柱之间的区域,应力会集中。无论原先的低应力和工作面之间的方向如何,在工作面推进过程中,这些应力会发生偏转。煤矿岩石破坏的核心问题是偏应力,也就是不均匀的受压情况,不均匀受压有利于顶煤的破坏,这解释了为什么平均埋深不到100 m的煤层也能够进行放顶煤开采。

4 煤炭科学开采的技术支撑

支撑科学开采的关键技术之一是放顶煤开采,这已经成为国家煤矿开采在世界上的一张名片。其中涉及到的理论概念之一就是放出体。放出体指的是在采煤完毕后将煤重新填充到原本存在于顶煤内的空间中。早期采用的方法主要是椭球体理论,但整体结构会发生变异,因此面临着变异问题。国家在采高方面经历了从3.5 m到现在的8.8 m,以及前段时间的10 m支架和实际采煤机的发展。此外,还有巷道和空间过渡的台阶以及工作面的自动化问题。自动化的难点在于识别、定位不准确,自动调整值经常需要人工干预。另外一个非常重要的问题是顶煤放出,顶煤放煤往往是采高的3倍水平,分段情况下可达8倍。考虑到这么大的数量,如果放置不当,损失也会非常巨大。因此,本人在2009年开始带领团队专注于图像识别方法的研究。早期使用声音、红外,现在使用高光谱等技术。在过去几年的国家自然科学基金项目的研究中,认识到存在的问题并提出了模拟人眼技术。这项技术已经在多个矿井开始应用,团队研发了一套图像采集系统。另外,针对后续放煤过程中的一个重要问题,即多轮放煤的控制。由于工人无法完全控制多轮放煤过程,团队研发了一种顶煤运营时间仪器。例如,在2 min处进行操作,随后将该装置与智能系统结合,实现多轮放煤的均匀进行。

充填开采是一种主要包括高水、膏体等多种充填材料的方法。其中,学者们还研究了高浓度胶结,其含量在75%左右。这3种方法各有其优缺点,并且充填的方式通常是在工作面长壁进行。此外,还有一种巷旁充填的方法和离层注浆技术。另外,还有煤与瓦斯的同采方法以及保水开采、地下水库的技术,在神东地区进行了研究。在地面保水方面,主要研究上方是否存在隔水层,并通过调整工作过程来实现。此外,还存在环境问题,但现在许多矿区已经取得了很好的成效,山西在这方面也取得了良好的进展。