郭家灘煤礦無害化開采技術(shù)體系構(gòu)建

白如鴻，劉晉波，鄭忠友，周黨文，朱 磊

(1.陜西省榆林能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭開采對地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的損害主要是由巖層運(yùn)動導(dǎo)致[1]，武強(qiáng)等[2]通過長期研究，提出了煤-水雙資源綠色開采技術(shù)體系，為煤炭無害化提供了理論基礎(chǔ)，2017年大同煤業(yè)開展了無害化開采示范研究和實(shí)踐[3]。近年來，榆神礦區(qū)作為我國煤炭開發(fā)的新基地，高強(qiáng)度開采過程中出現(xiàn)了地下水位下降誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，王雙明等[4]通過野外監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)研究，提出了生態(tài)水位保護(hù)的科學(xué)理念，范立民[5-8]最早提出了保水采煤問題及實(shí)現(xiàn)途徑，建立了保水采煤的理論和技術(shù)體系，在榆神府礦區(qū)推廣應(yīng)用，極大地促進(jìn)了礦區(qū)水資源保護(hù)，為煤炭無害化開采提供了重要的技術(shù)支撐。為了保障煤炭開采與水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)一致，范立民等[9-10]建立了包括榆神礦區(qū)在內(nèi)的煤炭基地地下水監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控主要含水層水位、水溫動態(tài)變化規(guī)律。吳群英等[11]細(xì)化了監(jiān)測點(diǎn)，在神府南區(qū)建設(shè)了密集控制地下水位的監(jiān)測網(wǎng)，陳蘇社[12]率先提出了煤礦地下水庫的科學(xué)構(gòu)想，并在大柳塔煤礦建設(shè)了具有重大示范效應(yīng)的煤礦地下水庫。這些創(chuàng)新成果很好地促進(jìn)了礦區(qū)水資源保護(hù)、科學(xué)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，為無害化開采奠定了基礎(chǔ)。在榆神礦區(qū)，無害化開采煤炭的主要內(nèi)容是將地下水、生態(tài)環(huán)境的損傷降低到環(huán)境容量之內(nèi)，促進(jìn)礦區(qū)環(huán)境改善，提升環(huán)境質(zhì)量，打造我國煤炭工業(yè)升級版[13]。

郭家灘煤礦位于榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)的西南部，是三期規(guī)劃區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)礦井，井田寬約9.4 km，長約21.0 km，面積約197.85 km2，規(guī)劃生產(chǎn)能力10.00 Mt/a，具有無害化煤炭開采的優(yōu)越條件。為此，對郭家灘煤礦開展無害化開采的意義及技術(shù)體系進(jìn)行分析，以期促進(jìn)煤炭無害化開采技術(shù)的實(shí)施。

1 建設(shè)無害化煤炭開采礦井的意義

1.1 落實(shí)能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃的重要舉措

習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議上提出“推動能源消費(fèi)、供給、技術(shù)和體制革命”。黨的十八屆五中全會進(jìn)一步明確建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。近年來，我國一直推動清潔能源，但煤炭在能源消費(fèi)中的比重卻長期保持在60%左右，2020年全國原煤產(chǎn)量39億t，仍然是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，面臨的資源、環(huán)境、安全等壓力越來越大，亟需推動煤炭領(lǐng)域革命。能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030年)提出了煤炭開采無害化開發(fā)技術(shù)路徑。圍繞礦井地質(zhì)保障與安全建井、煤炭高效開采及智慧礦山建設(shè)、致災(zāi)因素探查及重大災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、煤炭綠色開采與環(huán)境保護(hù)、礦區(qū)生態(tài)治理修復(fù)等方面，建設(shè)榆神礦區(qū)郭家灘煤礦無害化開采技術(shù)示范項(xiàng)目，推動煤炭技術(shù)革命，是落實(shí)能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃的重要舉措。

1.2 引領(lǐng)西部煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的現(xiàn)實(shí)需要

榆神礦區(qū)資源豐富，開采條件好，煤質(zhì)優(yōu)良，開發(fā)利用潛力大，是我國重要的原煤產(chǎn)地。以郭家灘煤礦為示范礦井，以科技創(chuàng)新為動力，把無害化開采新理念與技術(shù)融入到煤炭勘查、設(shè)計(jì)、建設(shè)、礦井生產(chǎn)以及礦區(qū)環(huán)境保護(hù)等煤炭開發(fā)利用的全過程，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處，做到經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益的統(tǒng)一，對引領(lǐng)和推動西部地區(qū)煤炭無害化開采、促進(jìn)煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮好示范作用。

1.3 創(chuàng)建煤炭無害化開采示范基地，建立地區(qū)無害化開采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

以郭家灘煤礦為依托，開展煤炭開采突破性技術(shù)及裝備工程應(yīng)用試驗(yàn)示范，建設(shè)工業(yè)性試驗(yàn)示范基地，激發(fā)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新活力，發(fā)揮企業(yè)創(chuàng)新主體作用，建立以企業(yè)為主體，高等院校、科研院所和社會多方參與的煤炭科技創(chuàng)新體系，以新技術(shù)、新裝備、新產(chǎn)業(yè)、新理念、新業(yè)態(tài)示范工程和試驗(yàn)項(xiàng)目為依托，推動煤炭開采技術(shù)革命，在措施充分落實(shí)和效果充分凸顯的基礎(chǔ)上，建立榆神礦區(qū)乃至西北地區(qū)各煤炭基地的煤炭無害化開采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為煤炭行業(yè)提供示范樣板。

2 無害化開采創(chuàng)新試驗(yàn)示范可行性

2.1 榆神礦區(qū)處于最佳創(chuàng)新示范機(jī)遇期

煤炭依然是我國的主體能源，2020年煤炭在一次能源消費(fèi)中仍然占59%的比例，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要地位。榆神礦區(qū)煤炭資源儲量豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，以灰分產(chǎn)率小于10%、全硫含量小于0.8%的優(yōu)質(zhì)煤為主，包括榆神礦區(qū)在內(nèi)的陜北榆林地區(qū)煤炭大規(guī)模開發(fā)始于1987年，至2020年區(qū)內(nèi)生產(chǎn)或在建礦井190余處，2020年原煤產(chǎn)量5.17億t，占全省的70%以上，成為陜西乃至全國重要的煤炭生產(chǎn)基地，在本區(qū)域開展煤炭無害化創(chuàng)新試驗(yàn)示范具有區(qū)域可行性，創(chuàng)新示范機(jī)遇期最佳。

2.2 榆神礦區(qū)示范引領(lǐng)效應(yīng)巨大

榆神礦區(qū)是陜北煤炭基地的核心建設(shè)區(qū)，煤層埋藏淺、易開采，單層最大厚度12.5 m，屬特低灰(7%～9%)、特低硫(小于1%)、特低磷(0.006%～0.35%)、高發(fā)熱量(28.5～34.3 MJ/kg)的長煙煤、不粘煤和弱粘煤，是國內(nèi)最優(yōu)質(zhì)環(huán)保動力煤和化工用煤，已建成多座大型及特大型礦井。歷經(jīng)20多年的持續(xù)高效開發(fā)，已形成較為完善的交通網(wǎng)絡(luò)、供電網(wǎng)絡(luò)、市場供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和政策支持體系，具備試驗(yàn)示范煤炭無害化開采技術(shù)創(chuàng)新的區(qū)位條件，示范引領(lǐng)效應(yīng)巨大。

2.3 榆神礦區(qū)具備實(shí)驗(yàn)示范的先天條件

榆神礦區(qū)郭家灘煤礦資源儲量34.2億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10 Mt/a，服務(wù)年限91 a。井田內(nèi)可采煤層12層，主采2-2煤層，煤層平均厚度8.7 m，適合綜合機(jī)械化開采；本區(qū)煤質(zhì)優(yōu)良，具有低灰、低硫、低水分、低磷及熱值和焦油產(chǎn)率高的特點(diǎn)，是良好的動力燃料、工業(yè)氣化、水煤漿制備和液化用煤；從開采技術(shù)條件來看，具備低瓦斯、煤塵無爆炸危險(xiǎn)性和無地?zé)嵛：Φ奶攸c(diǎn)，礦井資源具備高產(chǎn)高效的地質(zhì)條件。在郭家灘井田開展無害化開采技術(shù)創(chuàng)新綜合示范成本低，效益大，是無害化開采技術(shù)最佳示范區(qū)。

2.4 榆林能源集團(tuán)具備實(shí)施無害化開采技術(shù)條件

項(xiàng)目建設(shè)單位陜西榆林能源集團(tuán)是陜西省第三大國有能源企業(yè)，具備試驗(yàn)示范煤炭無害化開采技術(shù)創(chuàng)新的物力條件；同時(shí)，項(xiàng)目建設(shè)單位煤礦生產(chǎn)能力20 Mt/a，有豐富的煤礦建設(shè)和生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，采礦、地質(zhì)、選煤、機(jī)電等專業(yè)人才齊全，具備試驗(yàn)示范煤炭無害化開采技術(shù)創(chuàng)新的人力條件。

3 無害化煤炭開采主要技術(shù)體系

3.1 無害化開采技術(shù)體系適應(yīng)性分析及構(gòu)建

3.1.1 適應(yīng)性分析

陜北侏羅紀(jì)煤田經(jīng)過20多年的持續(xù)高強(qiáng)度開發(fā)，在保障國家能源安全中發(fā)揮了重要作用。但是，隨著煤炭開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，也表現(xiàn)出一些問題，主要有以下幾個(gè)方面。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境依然脆弱：近幾年，隨著煤炭價(jià)格高位運(yùn)行，煤炭開采強(qiáng)度也持續(xù)增加，對地下水?dāng)_動強(qiáng)烈，破壞了主要含水層的結(jié)構(gòu)，造成了潛水水位的下降，進(jìn)而影響到生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重制約礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理相對滯后。保水采煤這一科學(xué)理念和技術(shù)誕生于榆神府礦區(qū)，是礦區(qū)實(shí)現(xiàn)綠色開采的最佳理念和技術(shù)，但推廣力度仍需加大。

煤礦安全事故未得到徹底遏制：安全責(zé)任落實(shí)不到位，雙重預(yù)防機(jī)制不完善，重生產(chǎn)輕安全現(xiàn)象依然存在，透水、頂板、火災(zāi)、機(jī)電、運(yùn)輸?shù)劝踩a(chǎn)問題仍然突出，生產(chǎn)安全形勢依然嚴(yán)峻。同時(shí)事故應(yīng)急管理水平偏弱，應(yīng)急救援能力不足。

綠色礦山建設(shè)認(rèn)識不到位：有些煤礦企業(yè)將綠色礦山建設(shè)等理解為礦區(qū)綠化，主要在礦區(qū)種樹、種草，綠化礦區(qū)環(huán)境。也有些煤礦企業(yè)認(rèn)為，綠色礦山只是一個(gè)“稱號”，若成功入庫，可將其作為水保與環(huán)保驗(yàn)收、檢查的“擋箭牌”，綠色礦山建設(shè)任重而道遠(yuǎn)。

煤礦智能礦山建設(shè)相對滯后：尤其是中小煤礦，雖然基本淘汰了落后的房柱式、條帶式炮采工藝，實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化采煤工藝，但未達(dá)到高產(chǎn)高效礦井、智能礦山建設(shè)的要求或未建成智能綜采工作面。

3.1.2 技術(shù)體系構(gòu)建

要解決這些問題，必須轉(zhuǎn)變思路，走本質(zhì)安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的煤炭科學(xué)開采之路，因地制宜地構(gòu)建煤炭無害化開采新型發(fā)展模式?；诖耍Y(jié)合郭家灘煤礦實(shí)際情況，提出“全周期全價(jià)值鏈無害化開采技術(shù)體系”，涵蓋煤礦安全技術(shù)體系、煤炭高效開采技術(shù)體系、煤炭綠色開采技術(shù)體系和資源節(jié)約技術(shù)體系。構(gòu)建的全周期全價(jià)值鏈無害化開采技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 煤炭無害化開采技術(shù)體系框架

3.2 無害化煤炭開采技術(shù)體系

針對無害化開采的內(nèi)涵，提出了安全、高效、綠色、節(jié)約四大技術(shù)體系。

3.2.1 煤礦安全技術(shù)體系

在安全體系中，提出了地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)三維可視化技術(shù)和礦山物聯(lián)網(wǎng)安全生產(chǎn)超前感知技術(shù)。地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)三維可視化技術(shù)利用綜合勘探技術(shù)，利用高精度三維可視化探頭攝像地質(zhì)勘探手段，對全鉆孔各類地質(zhì)信息進(jìn)行全面精確探測分析，而后將相關(guān)信息導(dǎo)入礦井地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)三維可視化平臺軟件中，利用系統(tǒng)軟件計(jì)算、建模，對相關(guān)信息進(jìn)行綜合分析、智能研判，為煤礦決策者提供可能出現(xiàn)的各類礦井地質(zhì)災(zāi)害，做到提前預(yù)警、預(yù)防[14]。礦山物聯(lián)網(wǎng)安全生產(chǎn)超前感知技術(shù)是利用具有環(huán)境能量捕獲功能的低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將礦井采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等各大生產(chǎn)系統(tǒng)及安全六大系統(tǒng)中各類信息全面、準(zhǔn)確采集存儲和處理，統(tǒng)一上傳到礦井調(diào)度指揮中心物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)端，數(shù)據(jù)信息分析處理后，輸入礦井決策系統(tǒng)終端，上傳各管理層，為煤礦生產(chǎn)安全生產(chǎn)提供預(yù)報(bào)預(yù)警和決策的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，將為煤礦構(gòu)筑起一道職工生命與健康的防火墻。

3.2.2 煤炭高效開采技術(shù)體系

在煤炭高效開采技術(shù)體系中，提出3項(xiàng)技術(shù)，分別是高效回采、高效掘進(jìn)以及高效決策。高效回采采用的是綜采工作面智能成套采煤技術(shù)及裝備[15-16]，其核心是在綜采工作面采煤機(jī)精準(zhǔn)定位、煤巖識別、進(jìn)刀的前提下，利用電液控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支架的自行精細(xì)化動作，利用刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)的智能感應(yīng)系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析、診斷，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的高效自動運(yùn)行與故障診斷、報(bào)警、處理，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的“無人化”，從根本上保證設(shè)備、環(huán)境、人員的安全。高效掘進(jìn)采用的是“無網(wǎng)薄噴大錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)技術(shù)”，其實(shí)質(zhì)是采用新型支護(hù)材料，優(yōu)化支護(hù)工藝，提升支護(hù)效果，提高掘進(jìn)速度，減輕掘進(jìn)勞動強(qiáng)度，減少工作面的作業(yè)人員，降低頂板事故發(fā)生概率，有效保障作業(yè)人員安全。高效決策采用基于云服務(wù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤礦智能預(yù)測和決策技術(shù)[17]，應(yīng)用人工智能建立了一系列安全生產(chǎn)模型，針對礦井各種復(fù)雜的地質(zhì)條件、采掘情況、設(shè)備運(yùn)行情況、監(jiān)測監(jiān)控情況，作出智能預(yù)測、預(yù)警、決策，提高各決策層決策效率和管理水平。煤炭高效開采技術(shù)體系體現(xiàn)了高效生產(chǎn)、減員增效、安全管控等方面的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對礦工生命和健康的無害化。

3.2.3 煤炭綠色開采技術(shù)體系

在煤炭綠色開采技術(shù)體系中，提出8項(xiàng)技術(shù)。其中保水采煤技術(shù)是指通過合理選擇開采區(qū)域和采用合適的采煤方法，盡量減小擾動主要含水層結(jié)構(gòu)，并通過將礦井水資源化利用，達(dá)到煤炭開采、含水層保護(hù)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)多贏的目標(biāo)。條帶充填控水采煤技術(shù)是采用條帶充填方式，控制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，使導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度未達(dá)到含水層，不僅保護(hù)了地表薩拉烏蘇組潛水，而且有效保護(hù)了地下直羅組等含水層結(jié)構(gòu)的完整性，使礦井正常涌水量減小62%以上，實(shí)現(xiàn)水資源的原位保護(hù)，發(fā)揮其生態(tài)功能和供水功能。煤矸石回填，是將巷道掘進(jìn)、起底、硐室掘進(jìn)產(chǎn)生的煤矸石不升井，利用廢棄巷道回填到井下，實(shí)現(xiàn)了煤矸石零排放。千萬噸級礦井井下煤矸智能分選技術(shù)是利用智能機(jī)器人揀矸系統(tǒng)，將原煤中的矸石從井下煤流中高效分離，并回填到井下，從而解決了地面煤矸石處理壓力，節(jié)約了矸石升井運(yùn)輸成本和地面用地，有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。110工法無煤柱開采技術(shù)是利用綜采工作面的有利條件，對綜采工作面輔助運(yùn)輸巷道沿空留巷，作為下一工作面回風(fēng)巷道，每個(gè)綜采工作面減小了50%的順槽掘進(jìn)工程量，多回收了20 m寬度的順槽保安煤柱，提高煤炭資源回收率。燃?xì)忮仩t超凈排放技術(shù)是采用天然氣燃燒，實(shí)現(xiàn)超凈排放。為了監(jiān)測監(jiān)控采動對地表生態(tài)和地面沉降的影響，采用D-InSAR等新技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控采空區(qū)地表位移及生態(tài)環(huán)境變化情況[9]，為地表生態(tài)環(huán)境治理恢復(fù)提供依據(jù)。為了改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)生態(tài)環(huán)境示范園，利用礦井疏干水進(jìn)行園區(qū)生態(tài)恢復(fù)和植被重建，并增加經(jīng)濟(jì)和社會效益。煤炭綠色開采技術(shù)體系從井下控水減水(推行保水采煤技術(shù))、地面減沉減損、三廢減排、生態(tài)環(huán)境改善、增加經(jīng)濟(jì)和社會效益等多方面的技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了礦井水、煤矸石、污染物的零排放目標(biāo)，最終建成生態(tài)環(huán)境無害化礦區(qū)。

3.2.4 礦區(qū)無廢開采技術(shù)體系

在資源節(jié)約技術(shù)體系中，提出三大技術(shù)，分別為雨水采集利用技術(shù)、礦井水自循環(huán)凈化及儲存回用技術(shù)和低溫余熱及淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)。其中雨水采集利用技術(shù)是采用綠色屋頂、雨水塘、滲水坑、可滲水路面等方式將雨水收集起來，而后經(jīng)過沉淀過濾復(fù)用。該技術(shù)充分考慮了榆林地區(qū)雨季集中在7～9月份的客觀條件，可有效緩解雨季場地內(nèi)澇，控制場地面源污染，實(shí)現(xiàn)雨水資源化利用。礦井水自循環(huán)凈化及儲存回用技術(shù)是利用在煤礦采空區(qū)構(gòu)建的地下水庫[12]，將礦井水儲存在井下封閉的采空區(qū)中(地下水庫)，利用采空區(qū)的天然沉淀和過濾作用，使礦井水自凈化，在井下設(shè)立礦井水處理系統(tǒng)，處理后直接復(fù)用，富余部分排至地面，從而大量節(jié)約排水費(fèi)用，提高水資源利用率。低溫余熱利用技術(shù)是通過采用熱泵機(jī)組及成套設(shè)備，將礦井乏風(fēng)余熱和涌水自帶的熱量轉(zhuǎn)化為可使用的高位熱能，有效利用了礦井的余熱、地?zé)豳Y源。低溫余熱及淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)體系體現(xiàn)了對資源和能源的高效集約利用，實(shí)現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的無害化。

4 結(jié)語

提出了煤礦安全、高效、綠色、節(jié)約四大技術(shù)體系，用技術(shù)創(chuàng)新的手段，實(shí)現(xiàn)對生命與健康的無害化、對生態(tài)環(huán)境的無害化。在該體系的指導(dǎo)下，預(yù)計(jì)到2025年，郭家灘煤礦將全面建成無害化示范煤礦和新裝備、新技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)基地，形成一套無害化開采技術(shù)創(chuàng)新試驗(yàn)示范標(biāo)準(zhǔn)體系，并最終提升我國煤炭安全綠色、高效智能開采技術(shù)水平，為我國西部煤炭科學(xué)開采開發(fā)提供示范。