何滿潮

(中國礦業(yè)大學(xué),北京 102206)

1 煤炭開采面臨的挑戰(zhàn)

為了在文章中充分討論煤炭行業(yè)的改進,需要明確目前起統(tǒng)治地位的開采方法以及其中存在的問題。只有以問題為導(dǎo)向,才能推動煤炭行業(yè)朝著更加健康、更高效的方向發(fā)展。在傳統(tǒng)煤炭開采方法中,占主導(dǎo)地位的是121工法,這個方法最早由英國人于1706年提出,采用的方式是采一塊煤,留一塊煤。具體做法是,采出一塊煤之后,在原煤層中開挖兩條巷道,完成采煤后將巷道封閉,留下一定的煤柱(即安全煤柱);然后再繼續(xù)開挖第二塊煤時,同樣需要開挖兩條巷道,并留下新的煤柱,這就是121開采方法。然而,這種方法存在一些問題。首先,巷道的開挖過程及其空頂作業(yè)、局部通風(fēng)和獨頭作業(yè)都帶來了一定的危險性。這三個方面都會給巷道開挖作業(yè)帶來一定的風(fēng)險。

目前煤炭發(fā)電占主要發(fā)電能源的60%,同時具備10%峰值期的調(diào)節(jié)能力,這再次證明了煤炭在能源領(lǐng)域的重要性。然而,煤炭生產(chǎn)過程中也帶來了一系列問題。

首先是資源浪費。煤炭是一種不可再生的資源,然而在煤炭開采過程中,整體采出率不到50%,去年國家采煤量達到45億t以上,這也意味著去年至少損失了40億t的煤炭資源。按照當(dāng)前的煤價計算,這40多億t煤炭的損失將對國家的GDP產(chǎn)生很大的影響,相當(dāng)于扔掉了相應(yīng)的GDP增長。

第二個問題是安全事故頻發(fā)。采煤過程中為何需要開挖大量巷道?需要著重關(guān)注采煤的核心問題:是否打巷道對采煤的影響并不大?然而,這些巷道的開挖導(dǎo)致了許多安全事故,造成了人員傷亡和資源浪費。

第三個問題是生態(tài)破壞。我們追求的是綠色開采,然而留下大量煤柱、浪費煤炭資源和破壞生態(tài)并不符合綠色開采的原則。在煤炭資源的開采過程中,采煤一塊留煤一塊,采出的那塊煤要下沉,而留下的煤柱則阻止了下沉過程。這之間形成了一個強大的剪切撕裂帶,從采煤地點一直撕裂到地表,破壞了整個生態(tài)系統(tǒng)。含水層的水以及淺層地下水,這些是生態(tài)系統(tǒng)賴以生存的因素,都受到了破壞。全國生態(tài)破壞面積目前已達1.47×104km2,而這僅僅是存量,實際上要超過2×104km2。然而,目前的煤炭開采仍在繼續(xù),采用的仍然是121的采煤方法,每年都會留下大量的煤柱。因此,生態(tài)破壞問題需要引起高度重視,因為它不僅會影響當(dāng)前人類的生存,也會對子孫后代產(chǎn)生影響。

2 解決問題的技術(shù)思路

解決問題的思路包括安全問題、資源浪費問題和生態(tài)問題。需要采取行動來拯救生命、節(jié)約資源和保護生態(tài),這是三項重要任務(wù)。英國人的先開挖巷道,然后再采礦的方法,在采礦過程中會產(chǎn)生礦壓,導(dǎo)致巷道被毀。巷道是人為開挖的,而礦壓則是采礦過程中產(chǎn)生的。是否可以利用礦壓來打造巷道呢?這需要轉(zhuǎn)變思路。在采礦過程中產(chǎn)生的礦壓可以被利用,利用部分礦壓來形成巷道空間。這樣就可以實現(xiàn)無需開挖巷道,實現(xiàn)無煤柱開采。110工法是真正的無煤無柱開采方法,不需要留下煤柱,煤炭資源可以多采出10%～15%。同時,回到生態(tài)問題,綠色開采的定義變得更廣泛。無煤柱開采可以實現(xiàn)均勻下沉,并保護含水層和潛水含水層。少開挖巷道,多采出煤炭,同時保護生態(tài),需要拋棄過時的方法,創(chuàng)新出適用于自己的方法。需要開啟搶救之旅,拯救生命和生態(tài)。

3 110/N00工法原理

采礦過程需要依賴工藝支持和理論基礎(chǔ)。為了能夠?qū)Σ傻V過程進行定量描述,希望能夠以方程的形式表達。在煤炭開采后,覆巖會形成“三帶”結(jié)構(gòu),分別是垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。通過數(shù)學(xué)方式對第一帶(垮落帶)進行描述,需要考慮巖石的碎脹特性。同時,覆巖中的彎曲下沉帶會引發(fā)地表沉陷,首先獲得沉陷的體積和下沉量,并且這兩者的比值作為第一損傷變量。此外,裂隙帶內(nèi)所有裂隙的體積與下沉量的比值可以作為第二損傷變量?？迓鋷Ь哂幸粋€非常重要的特性,即碎脹特性,碎脹系數(shù)表示1 m的物體碎了以后能夠變成1.35 m到1.42 m。然而,要完全充填開采空間,現(xiàn)實情況下可能缺乏足夠的材料。例如,每年采出45億t煤炭資源,就需要45億t的充填材料,并且要就地取材充填到工作面?？迓鋷r石的碎脹特性對于采煤空間的充填非常重要。例如,如果采煤厚度為1 m,頂板垮落后乘以2.6倍系數(shù),可以充填采煤空間;如果采煤厚度為10 m,需要頂板垮落后26 m的頂板充填開采空間。110工法是利用巖石的碎脹特性,將采出量與巖石的碎脹特性相匹配,從而實現(xiàn)無煤無柱自成巷。在相同的理論公式背景下,110工法滿足邊界條件,因此是可解的,而121工法則無法獲得解析解。

110工法通過切頂?shù)姆绞?即切出冒落帶,使巖石充分碎脹,并盡可能保障碎脹巖石上部的完整巖石。通過掌握巖石的碎脹量和切頂量,應(yīng)用上述的理論和工藝,可以實現(xiàn)工作面采后留下一條巷道。相比之下, 111工法是指常用的沿空留巷方法,雖然號稱是無煤柱開采,但實際上仍然存在柱子。柱子的存在導(dǎo)致壓力無法完全釋放,并且工作面的快速推進也導(dǎo)致工作面開采速度與柱子建設(shè)速度工藝難以匹配。而110工法則是真正實現(xiàn)了無煤無柱開采的方法。110工法通過讓巖石充分碎脹,并創(chuàng)造條件切開頂板,使其碎脹后自行平衡,然后匹配專門的材料,以滿足巷道的留存和使用需求。其主要目的是利用礦壓來保留巷道,并且利用礦壓還可以減少沖擊的發(fā)生。

110工法是一種相對重要的工程方法,其最重要的特點在于可以實現(xiàn)N00工法的應(yīng)用。110工法與傳統(tǒng)的留巷方法有所不同,通過利用碎脹效應(yīng)來消除沖擊,并在巷道開挖過程中平衡應(yīng)力分布。可以說,N00工法是110工法發(fā)展的一種高級階段。相比之下,111工法和121工法在采煤過程中變得越來越復(fù)雜。這些方法在一定程度上存在應(yīng)力集中,這種應(yīng)力集中到達一定程度時會變得非常危險,從本質(zhì)上來說并不安全。而像英國的某些煤礦則采用111工法和121工法,在采煤完成后,巷道會被完全破壞,導(dǎo)致巨大的變形。在這種情況下,錨桿等支護措施根本無法承受巨大的變形和應(yīng)力。

110工法采用特定設(shè)計的110工法錨桿,有效解決了徑縮的問題,實現(xiàn)更加徹底的切割,使煤巖體能夠充分碎脹并填充開采空間。該工法碎脹巖石充填過程中同時形成巷道,從而將煤柱完全采出。110工法的原理是在一個工作面進行開采,同時保留一個巷道,然后再進行下一次開采,無需保留煤柱。傳統(tǒng)的工作面通常需開挖兩條巷道,而使用110工法時,只需開挖一條巷道。這種方法實現(xiàn)了無煤柱的開采,消除了煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中和不均勻下沉等問題。關(guān)于1GN00工法,即邊界打巷道。這種工法在2016年在陜煤化成功實施。而2GN00工法的目的是去除邊界巷道,因為開挖巷道需要耗費大量人力、物力和財力,并且需要強大的物流系統(tǒng)和交通設(shè)施來支持,包括大巷和井底車場的建設(shè)。2GN00工法實現(xiàn)了無需開挖巷道的簡化方案,簡化了大巷和井底車場的結(jié)構(gòu)。3GN00工法將進一步改進,實現(xiàn)井下即是工作面的布局,即工作面向前開采,開采完成后留下兩條大巷,實現(xiàn)無煤柱。這種方法將整個礦井簡化為一個工作面。然而,在實施3GN00工法時仍然需要解決通風(fēng)、瓦斯和自燃等問題。4GN00工法的目標(biāo)是去除通風(fēng)系統(tǒng),通過去除通風(fēng)系統(tǒng)解決瓦斯問題。要實現(xiàn)這一目標(biāo),需要下定決心將工作面整合智能化,實現(xiàn)無人化運營,不再依賴生命支持系統(tǒng),因此無需通風(fēng)。在采煤過程中,煤炭被破碎后,其中的氣體得以釋放,產(chǎn)生裂隙并增加負壓,實現(xiàn)了煤氣共采。這樣的礦井才能真正實現(xiàn)本質(zhì)上的安全,因為無需開挖巷道,不受頂板問題困擾,無需通風(fēng),也不受煤層自然變化和瓦斯爆炸的影響。這正是煤礦從業(yè)者追求的目標(biāo)。為了實現(xiàn)這些技術(shù)創(chuàng)新,將華為的5G技術(shù)引入,將井下設(shè)備的信息整合并傳輸?shù)接嬎銠C進行信息處理。上述即為這些工法的發(fā)展過程以及N00工法的解決方案。

4 110/N00工法關(guān)鍵技術(shù)

110/N00工法的成功關(guān)鍵在于新材料和新技術(shù)兩方面的工作。每次發(fā)生塌方都與材料有關(guān)。早在18世紀進行的材料拉伸實驗中就發(fā)現(xiàn)了較小的拉伸會導(dǎo)致徑縮現(xiàn)象。而在所有工程范圍內(nèi)的產(chǎn)品中,只有3%～5%的應(yīng)變。在1870年,圣偉南發(fā)現(xiàn)了這個問題,并提出了開發(fā)無徑縮、不容易斷裂且不會導(dǎo)致塌方問題的材料的想法。煤礦巷道實際上是發(fā)生大變形破壞的,為了控制大變形破壞,必須采用能夠具有大變形能力的材料。該團隊花費了19年的時間,開發(fā)出了第一代的材料——NPR結(jié)構(gòu),并在2009年建立了生產(chǎn)線。NPR結(jié)構(gòu)是一種組合了兩種材料的結(jié)構(gòu),它可以在受拉后發(fā)生變粗,從而提高其斷裂強度。NPR材料的第一個特性就是在受拉后可以變粗。另一個問題是能否制造出受拉后不會發(fā)生徑縮的鋼材。到2020年,也已經(jīng)建立了相關(guān)的生產(chǎn)線。國外進口鋼材和高強度鋼材受拉后會局部發(fā)生變紅,而整體變紅則不會發(fā)生徑縮。而能夠整體變紅的就是NPR鋼材。目前,NPR鋼材已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。該產(chǎn)品的優(yōu)勢在于可以隨時計算其達到的強度和吸收的能量。與美國、歐盟和澳大利亞品牌的鋼材相比,NPR材料具有最高的屈服強度,大約是它們的兩倍。而在最大延伸率方面,它們的數(shù)值通常是個位數(shù),而NPR鋼材則是兩位數(shù)。

第二項技術(shù)的關(guān)鍵是如何將巖橋消除,并將裂縫切開。在傳統(tǒng)方法中,常常使用兩個鉆孔進行爆破。然而,傳統(tǒng)爆破容易導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)三維形態(tài),這樣無法確保鉆孔之間的巖橋被完全消除。因此,需要將這種三維問題壓縮到二維,并在二維空間中實現(xiàn)爆破。采用110工法切開巷道頂板,成功將巖橋消除。這是一種針對巷道支護設(shè)計的新工法。通過光爆破,可以將縫隙切開,而且縫隙非常小。通過在兩個裂縫之間成功消除巖橋,實現(xiàn)了巖石的切割。這種光爆破的技術(shù)創(chuàng)新使得110工法成為一種有效的巷道支護方法。

2009年誕生的110工法,標(biāo)志著一項重要的技術(shù)突破。隨后,在2016-2017年間,1G110工法的推出進一步提升了該工法的性能。緊接著,2018年出現(xiàn)了2G110工法,以及2020年的3G110工法,這些新的工法不斷改進和完善了110工法的實施方式和效果。展望未來,根據(jù)預(yù)測,在2023-2024年間很可能會出現(xiàn)4G110工法。這意味著110工法將繼續(xù)演進和創(chuàng)新,以更高效和可靠的方式應(yīng)用于實際工程中。至于是否會出現(xiàn)5G110工法,這需要科研工作者通力合作,共同努力進行技術(shù)研究和探索?？蒲泄ぷ髡咴诓粩嗤苿蛹夹g(shù)的發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。通過深入的研究和實踐,他們可以探索新的工法和技術(shù)應(yīng)用,提高現(xiàn)有工法的性能,并探索潛在的技術(shù)創(chuàng)新方向。因此,科研工作者需要加強合作,共享知識和經(jīng)驗,以促進工法的發(fā)展,并為工程領(lǐng)域的進步做出貢獻。

5 110/N00工法技術(shù)應(yīng)用

目前,110工法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個礦井,根據(jù)估計,全國大約有300～500個礦井采用該工法。這些礦井包括國營礦井、私營礦井以及一些開采深度達到1 200 m的千米礦井。那么,在采用110工法的過程中到底使用了多少能量呢?110工法一刀的采煤寬度大約為0.86 m,采用五刀操作,則達到了大約4 m的采煤寬度。相比之下,如果采用121工法進行采煤,則所測得的能量將升高。這表示了110工法消耗能量,但同時也意味著110工法能夠有效減輕沖擊的能量。

對于高瓦斯礦井來說,采礦巷道的處理相對較為困難。通常需要進行掘進、抽排、再次掘進和抽排,才能打開巷道,然后再抽排,使工作面能夠回采。而110工法實行采留抽的方式,優(yōu)勢在于采煤工作面完成后,巷道可以直接被保留下來,無需再進行巷道的拓展工作,從而永遠保留一條巷道用于瓦斯排放。

此外,綜放采煤方法也成功地應(yīng)用了110工法,在該方法下取得了良好的效果。

千米礦井中的沖擊礦壓一直以來都是一個嚴峻的問題,因此尋找能夠抗沖擊和承受高壓的解決方案一直是迫切的需求。傳統(tǒng)的錨桿錨索方法被應(yīng)用于這個問題上;而與之相比,NPR錨桿錨索方法在相同沖擊條件下進行了對比研究。在實驗中,首先使用了10 kg的炸藥進行測試,結(jié)果表明采用NPR錨桿錨索沒有任何問題。進行了另一組實驗,使用了11 kg的炸藥,并連續(xù)進行了10次沖擊。結(jié)果顯示,在使用NPR錨桿錨索的情況下,依然沒有出現(xiàn)任何問題。通過這樣的實驗,可以將其視為相當(dāng)于在地下1 000 m處引爆一顆重達66 000 t的炸藥,炸藥位于距地面2 m處,產(chǎn)生了9 200個重力加速度的沖擊力。NPR錨桿錨索能夠吸收并抵消這9 200個重力加速度。這樣的實驗結(jié)果進一步證明了NPR錨桿錨索能夠有效地保護巷道免受沖擊地壓的影響。

由陜煤化集團進行的1GN00研究,采用了一種巖石碎脹壓縮留墻成巷的方法進行處理。以往,這種情況下通常采用頂板再造的方式,但現(xiàn)在巷道幫部的位置也被重新進行了處理。在工作面回采時,不再使用超前支護壓力加強支護的方法,而是通過利用壓力形成一堵墻。這個墻的形成原本是通過碎塊的壓縮形成的。上述描述中提到了有邊界的1GN00和無邊界的2GN00。另外,3GN00是實現(xiàn)整個礦井成為一個工作面,即一個盤區(qū)。關(guān)于巷道的使用壽命,提到了一個例子是2015年建造的110工法礦井,到目前已經(jīng)使用了8年的巷道,其中的巷道完全采用了110方法進行建設(shè)?，F(xiàn)在,該邊界區(qū)域的資源已經(jīng)開采完畢,然后重新開啟了之前封閉的巷道,8年前建造的巷道在使用要求方面仍然良好,能夠滿足需要。

目前全國在110與N00工法方面表現(xiàn)出了很高的積極性,但具體的安全情況如何呢?通過對從1949年到2021年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的研究可以發(fā)現(xiàn),煤炭產(chǎn)量呈非線性增長,并可分為三個階段:第一階段為1949年至1988年,這段時間里,煤炭產(chǎn)量的增長主要依靠工人的生命來支撐國家的能源事業(yè);第二階段為1988年至2008年,這20年間,煤炭產(chǎn)量增加了一倍,但是百萬噸死亡率的趨勢基本持平甚至略有下降,這說明增加的產(chǎn)量主要靠引進技術(shù)實現(xiàn),缺乏強有力的原始創(chuàng)新技術(shù)的支撐;而從2009年到2021年,煤炭產(chǎn)量再次翻了兩倍,然而百萬噸死亡率卻迅速下降。110工法最初在四川實施,對降低百萬噸死亡率做出了巨大貢獻,但對煤炭產(chǎn)量的貢獻較小。現(xiàn)在國家通過發(fā)布多項文件,國家知識產(chǎn)權(quán)局甚至派遣一位副局長專門負責(zé)工法的專利事務(wù),并制定了標(biāo)準。綜合考慮,可以得出結(jié)論,110工法安全高效,其中包括減少巷道數(shù)量和降低工人勞動強度。真正的110工法是指無煤無柱的工法,與沿空留巷有所不同,后者仍然存在柱子支撐;而真正的110工法是指不存在煤柱,強調(diào)無煤無柱的原因在于它可以過渡到N00工法。110工法的關(guān)鍵在于一種新材料和一項新技術(shù)。110工法的未來發(fā)展是朝著N00工法的無人化礦井方向發(fā)展,從而解放工人勞動力,實現(xiàn)煤礦的機械化和全自動化采煤。這將為煤礦帶來幸福和光明的未來。