無巷開采技術(shù)將引領(lǐng)煤礦新革命

——探訪中國工程院井工煤礦無巷開采技術(shù)

隨著煤炭開采不斷延伸，煤炭開采難度與風(fēng)險也在逐步增加。雖然我國煤炭工業(yè)在高精勘探、采掘自動化、系統(tǒng)集控等技術(shù)方面已經(jīng)取得了重大突破，但與世界先進(jìn)技術(shù)和裝備相比，還存在一些差距。

2014年以來，中煤能源集團(tuán)在中國工程院支持下，聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢力量，相繼對切頂留巷和無巷開采進(jìn)行了探索與實踐，提出了無巷開采技術(shù)理論體系。

從多巷開采到無巷開采

“目前，我國以井巷為標(biāo)志，傳統(tǒng)的多巷、多煤柱的采礦設(shè)計、工程建設(shè)、生產(chǎn)布局、開采模式未改變，采掘深度分離、先掘后采的管理模式也未改變，隨之帶來資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題?！敝忻耗茉醇瘓F(tuán)總工程師、副總裁祁和剛在中國工程院咨詢研究項目中期評議會上說。

祁和剛指出，傳統(tǒng)的多巷、多煤柱開采布局不僅投資成本高，資源浪費(fèi)大，系統(tǒng)復(fù)雜多變，防災(zāi)抗災(zāi)能力弱，而且采動不充分對環(huán)境影響較大。

“按照每年生產(chǎn)34億噸原煤統(tǒng)計，萬噸掘進(jìn)率按30米至40米計算，全國每年需掘進(jìn)巷道約1300萬米，而34億噸原煤每年區(qū)段煤柱資源浪費(fèi)約3億噸，超1000億元?！逼詈蛣傉f。

2014年，以中國工程院院士王安、何滿潮為代表的科研團(tuán)隊提出無巷開采的構(gòu)想，構(gòu)建從掘巷到留巷、從多巷到少巷、從少巷到無巷的開采技術(shù)體系。

據(jù)了解，無巷開采技術(shù)體系構(gòu)想能夠?qū)崿F(xiàn)由傳統(tǒng)先掘后采、邊掘邊采的復(fù)雜管理模式向新型采掘合一、高效速成的新型管理模式轉(zhuǎn)變;實現(xiàn)由人員分散、設(shè)備散亂的多巷式粗放管理模式向人員集中、設(shè)備集中、自診自管的少巷式精細(xì)管理模式轉(zhuǎn)變。

為了進(jìn)一步證明這個構(gòu)想，中煤能源集團(tuán)與中國礦業(yè)大學(xué)(北京)合作，在該集團(tuán)的4個礦區(qū)5處煤礦21個工作面進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)試驗，收到了預(yù)期效果。

從構(gòu)想到實踐

2015年9月，中國工程院咨詢研究項目“煤礦開采技術(shù)管理的變革”立項，其中包括井工煤礦無巷開采技術(shù)變革研究。該研究以煤礦井下回采工作面無巷開采為核心，結(jié)合地質(zhì)、采礦工程、機(jī)械制造等專業(yè)知識，研發(fā)了無巷開采關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備，并進(jìn)行工程示范。

“此項研究提出基于無巷開采模式的主動巖層控制理論與方法，揭示了巖層移動特征、采動應(yīng)力場時空演化規(guī)律及卸壓機(jī)理?！逼詈蛣傉f，“為此，項目組先后研發(fā)了可視化三維地質(zhì)導(dǎo)航技術(shù)、切頂自成巷‘三位一體’技術(shù)、無巷開采成套裝備、安全保障技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)與裝備?！?/p>

祁和剛介紹，無巷開采是以可視化三維地質(zhì)導(dǎo)航為基礎(chǔ)，確定無巷開采采區(qū)設(shè)計與劃分，沿采區(qū)布置邊界導(dǎo)巷，構(gòu)建無巷開采系統(tǒng)，利用切頂自成巷技術(shù)與成套裝備，依次進(jìn)行采煤留巷和切頂成巷。

切頂成巷之后，項目組采用無巷開采雙向分流卸壓機(jī)理，使沿空覆巖壓力向煤壁和切落巖體方向產(chǎn)生雙向分流，形成雙支點模式，將留巷處于低應(yīng)力場的卸壓區(qū)，無煤柱應(yīng)力集中影響，將多次采動變?yōu)橐淮螖_動，從而控制沿空巷道產(chǎn)生的小礦壓和微變形。同時運(yùn)用恒阻錨巖梁理論，形成具有高預(yù)緊力、高恒阻、自適應(yīng)讓壓的低位錨體組合梁—基本頂巖梁自平衡結(jié)構(gòu)，從而控制無巷開采頂板穩(wěn)定恒阻變形。

2016年9月到12月，中煤西北能源公司南梁煤礦成功開展了國內(nèi)外首個無巷開采技術(shù)試驗。試驗期間，項目組完成了采、切、留工序以及裝備性能測試、工藝優(yōu)化調(diào)整，研究分析了采后壓力規(guī)律與特征，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

南梁煤礦30104工作面累計推進(jìn)長度400米，平均單日進(jìn)刀3.2米，達(dá)到了年產(chǎn)百萬噸水平。

“試驗過程中，南梁煤礦少掘了一條順槽，多采了一個煤柱，成本降幅達(dá)37%以上。”祁和剛說，“與此同時，我們將切頂留巷和無巷開采技術(shù)列入‘十三五’科技規(guī)劃中。到‘十三五’末，我們要力爭對‘雙突’礦井和千米深井強(qiáng)沖區(qū)域的切頂留巷、無巷開采技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用與推廣。”