王家臣

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué),北京 102206)

1 煤炭科學(xué)開(kāi)采的概念

基于長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),2000年,錢鳴高院士正式提出了煤礦綠色開(kāi)采的理念和技術(shù)框架。這一思想的提出,是基于當(dāng)時(shí)我國(guó)煤炭產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)的背景,這種增長(zhǎng)導(dǎo)致環(huán)境安全問(wèn)題變得極為突出,并對(duì)環(huán)境造成了負(fù)面影響,同時(shí)也影響了整個(gè)行業(yè)形象。在此背景下,綠色開(kāi)采的概念逐漸形成,同時(shí)隨之而來(lái)的是煤炭科學(xué)開(kāi)采的倡導(dǎo)。經(jīng)過(guò)近20多年的研究和工程實(shí)踐,我國(guó)在煤礦綠色開(kāi)采領(lǐng)域取得了豐碩的技術(shù)創(chuàng)新成果,多種創(chuàng)新方法紛紛涌現(xiàn),并得到廣泛應(yīng)用和實(shí)踐。這些技術(shù)的應(yīng)用為煤炭開(kāi)采行業(yè)帶來(lái)了蓬勃的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2 煤炭科學(xué)開(kāi)采的重要組成部分

1)安全是煤炭科學(xué)開(kāi)采的重要內(nèi)容之一。在過(guò)去,我國(guó)煤礦事故的死亡率持續(xù)偏高,百萬(wàn)噸死亡率約為2.8。經(jīng)過(guò)不懈努力,到2022年,這一數(shù)字已降低到0.07,這意味著我國(guó)的煤礦安全水平基本與世界先進(jìn)國(guó)家持平,略低于美國(guó)和澳大利亞。然而,值得注意的是,美國(guó)、澳大利亞和我國(guó)在煤炭資源開(kāi)采方式上存在差異,因此必須清楚考慮到這些實(shí)際條件。

2)實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采機(jī)械化和自動(dòng)化十分重要。在早期,煤礦開(kāi)采還未上升到智能化階段,但在近10年里,已經(jīng)將智能化提升為制度。根據(jù)2023年4月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),全國(guó)范圍內(nèi)智能化采掘工作面數(shù)量約為1 200～1 300個(gè),采煤工作面約為1 040個(gè)。

3)提高煤炭資源采出率也是煤炭科學(xué)開(kāi)采的關(guān)鍵目標(biāo)。這包括煤炭、煤與瓦斯、煤與鈾礦、高嶺土等所有相關(guān)資源的綜合開(kāi)采。此外,還應(yīng)考慮環(huán)境和水資源的承載能力,避免過(guò)度開(kāi)發(fā)。

4)實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的零排放和最大化資源利用也是一個(gè)重要方向?，F(xiàn)階段,各礦區(qū)在這方面取得了積極的進(jìn)展。

5)需要關(guān)注整個(gè)礦井的全生命周期設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)利用,包括廢棄的礦井資源。目前已提出許多設(shè)想,但廢棄礦井的實(shí)際利用除了管控方面的措施外,發(fā)展高端實(shí)際業(yè)績(jī)?nèi)悦媾R困難。德國(guó)在2018年關(guān)閉了最后一個(gè)礦井,這并不是因?yàn)榈聡?guó)不再使用煤炭,而是因?yàn)槿∠说聡?guó)礦工的補(bǔ)貼,該舉措是根據(jù)歐盟的規(guī)定強(qiáng)制執(zhí)行的。在取消補(bǔ)貼后,礦工福利下降,導(dǎo)致礦工流失,最終不得不關(guān)閉礦井。然而,德國(guó)目前仍有大約6個(gè)露天礦,產(chǎn)量超過(guò)10億t。在生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)該學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),但需要注意的是,個(gè)人認(rèn)為增加工人工資是吸引更多人投身于煤礦行業(yè)的一種方式。

煤炭科學(xué)開(kāi)采可視為一個(gè)經(jīng)濟(jì)體,其中開(kāi)采必須具有盈利能力,因?yàn)槠髽I(yè)無(wú)法從事非盈利的活動(dòng)。企業(yè)的根本目的是為國(guó)家交納稅收,因此所有企業(yè)都需要盈利,并且還需要提供就業(yè)機(jī)會(huì)。此外,企業(yè)還有社會(huì)責(zé)任,不能僅僅是開(kāi)采礦產(chǎn),使得整個(gè)地區(qū)遭受破壞,導(dǎo)致工人失去工作。在開(kāi)采過(guò)程中,還需要考慮資源的合理利用,并進(jìn)行環(huán)境再造工作,以確保環(huán)境得到保護(hù)和修復(fù)。如果開(kāi)采能夠保持有效,同時(shí)也能保證環(huán)境的可持續(xù)性,那么企業(yè)就能獲得經(jīng)濟(jì)效益。

在煤炭科學(xué)開(kāi)采的發(fā)展過(guò)程中,有一些重要的事件和貢獻(xiàn)。例如,錢院士在2000年提出了綠色開(kāi)采的概念之后,在2006年提出了科學(xué)開(kāi)采的概念,并在2008年正式發(fā)表相關(guān)文章。謝和平院士于2010年提出了科學(xué)產(chǎn)能的概念。此外,本人在2011年提出了科學(xué)展望和人才培養(yǎng)的思路和方案。在進(jìn)行科學(xué)開(kāi)采時(shí),除了技術(shù)和實(shí)踐的發(fā)展,人們的思想觀念也非常重要。如果大學(xué)培養(yǎng)的學(xué)生沒(méi)有關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域,推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展就會(huì)變得困難。

3 煤炭科學(xué)開(kāi)采理論的基礎(chǔ)支撐

支撐煤炭科學(xué)開(kāi)采需要依賴科學(xué)方法和技術(shù)。在2018年,本人有幸拜訪了錢院士,共同討論了關(guān)于煤炭科學(xué)開(kāi)采的話題。在2019年,本人撰寫了一本關(guān)于基于結(jié)構(gòu)控制的煤炭科學(xué)開(kāi)采著作。綠色開(kāi)采逐漸發(fā)展演變?yōu)榭茖W(xué)開(kāi)采。在中國(guó),其主要涉及到一些理念、法規(guī)和人類社會(huì)的和諧環(huán)境,并側(cè)重于支撐技術(shù)。在國(guó)外,并沒(méi)有使用“科學(xué)開(kāi)采”這個(gè)術(shù)語(yǔ),而更常用的是“可持續(xù)開(kāi)采”?？沙掷m(xù)開(kāi)采關(guān)注的重點(diǎn)更加強(qiáng)調(diào)社會(huì)群體利益、安全資源和法律法規(guī)等概念。

3.1 煤炭開(kāi)采面臨的問(wèn)題

關(guān)于礦井水的再利用問(wèn)題,國(guó)家也在進(jìn)行相關(guān)研究。然而,由于礦井水的存在深度比飲用水水層更深,如果礦井水不及時(shí)抽取,一旦與飲用水層發(fā)生溝通,其中的一些重金屬和離子就會(huì)進(jìn)入飲用水中。目前,對(duì)這個(gè)問(wèn)題的關(guān)注程度還不夠,因?yàn)榈V井水是有毒的。這可以類比于在家里使用沙子過(guò)濾水的早期情況,過(guò)濾后的水看起來(lái)很干凈,但是如果將沙子攪動(dòng)一下,會(huì)發(fā)現(xiàn)里面都是銹跡,這意味著實(shí)際上水質(zhì)并未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

開(kāi)采過(guò)程引起的巖層移動(dòng)會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題,包括地面塌陷和河流斷流等負(fù)面影響。開(kāi)采導(dǎo)致巖層周圍被破壞,頂板逐層塌落到地表,目前越來(lái)越關(guān)注底板的破壞情況。在實(shí)際的理論問(wèn)題中,涉及到巖體裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)張、斷層的活化以及水系統(tǒng)的變化。與此同時(shí),開(kāi)采還會(huì)帶來(lái)沖擊地壓、煤與瓦斯突出、破壞含水層以及地面植被等問(wèn)題。在綠色開(kāi)采中,含水層的保護(hù)至關(guān)重要。如果能夠保護(hù)好含水層,上面的植被就可以生長(zhǎng)。但是,如果潛水位太低,植物的毛細(xì)作用就無(wú)法供水,從而無(wú)法生長(zhǎng)。因此,在綠色開(kāi)采的理念中,保護(hù)含水層是核心任務(wù)。保護(hù)含水層的關(guān)鍵在于巖層的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,也就是巖層的位移和變形。

3.2 砌體梁理論

巖層運(yùn)動(dòng)引起的相關(guān)問(wèn)題是否存在一種理論來(lái)解釋呢?在20世紀(jì)初,許多學(xué)者提出了懸臂梁理論和組合梁理論等。然而,這些理論通常只是定性描述巖層運(yùn)動(dòng)和壓力的。錢鳴高院士在基于鉸接巖塊和預(yù)成裂隙的假設(shè)基礎(chǔ)上,從20世紀(jì)70年代末到80年代初,提出了上覆巖層結(jié)構(gòu)的類似砌體鉸接,能夠傳遞水平力并承受上方荷載。這一理論首次在全球范圍內(nèi)對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了定量描述。

砌體梁理論最早應(yīng)用于1982年在英國(guó)的一次長(zhǎng)壁開(kāi)采中,用于研究長(zhǎng)壁開(kāi)采的運(yùn)動(dòng)特征和資源控制。隨后,該理論獲得了全球范圍內(nèi)的認(rèn)可。砌體梁經(jīng)典模型描述了工作面向前開(kāi)采過(guò)程中的三個(gè)區(qū)域,即高應(yīng)力區(qū)(壓縮區(qū))、離層區(qū)(卸壓區(qū))、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。離層區(qū)是主要研究對(duì)象,其中的結(jié)構(gòu)主要由塊狀物質(zhì)構(gòu)成。在高應(yīng)力區(qū),煤壁是主要的支撐來(lái)源;而在離層區(qū),離層的出現(xiàn)有利于瓦斯的釋放和增加透氣性。瓦斯中90%以上以吸附形式存在于煤中,只有不到10%是游離氣體,只有游離氣體符合熱力學(xué)定律才能抽取出來(lái)。因此,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鉆孔打入時(shí),瓦斯釋放較多,但隨后逐漸減少,這并不意味著煤層中的瓦斯消失,而是因?yàn)獒尫潘俾瘦^慢導(dǎo)致的。石油開(kāi)采也面臨類似的問(wèn)題,即需要快速釋放氣體。為了增加瓦斯的釋放,可以采用卸壓或加熱的方式,因此目前有人研究給煤層加熱的方法。利用卸壓方法進(jìn)行大面積開(kāi)采時(shí),可以將開(kāi)采過(guò)程劃分為從下至上的三個(gè)帶,即垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。因此,氣體理論主要研究離層區(qū)的裂縫帶。隨著工作面的開(kāi)采,裂縫隨巖塊回轉(zhuǎn)形成鉸接結(jié)構(gòu),在上方形成鉸接點(diǎn),從而形成三個(gè)鉸接點(diǎn)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上是結(jié)構(gòu)力學(xué)中最簡(jiǎn)單的一種形式,由三個(gè)鉸接點(diǎn)和兩根曲桿構(gòu)成,在水平力受到固定約束的情況下,該結(jié)構(gòu)能夠承受來(lái)自上方的力。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn),可能會(huì)發(fā)生破壞,使結(jié)構(gòu)變?yōu)槿齻€(gè)巖塊。然而,如果滿足平衡條件,結(jié)構(gòu)就能夠保持不倒塌,仍然呈現(xiàn)三角形的形態(tài)。因此,砌體梁結(jié)構(gòu)在表面上看起來(lái)像是梁,但實(shí)際上是一個(gè)承載結(jié)構(gòu)中的拱結(jié)構(gòu)。

基于這種結(jié)構(gòu),錢院士進(jìn)行了相關(guān)研究。首先是沿煤壁的滑落失穩(wěn),隨后是鉸接巖塊的變形增大,變形增大后可能會(huì)壓碎鉸接巖塊的區(qū)域,從而引發(fā)變形失穩(wěn)。那么究竟有多少力作用在上方的老頂層呢?錢院士通過(guò)測(cè)量計(jì)算出了該層的受力情況,并構(gòu)建了砌體梁的全結(jié)構(gòu)模型。在這個(gè)模型中,假設(shè)巖層總是由硬巖層和軟巖層疊加組成,軟巖層作為載荷作用于上方,而硬巖層各段承擔(dān)上方的載荷。然后,針對(duì)每個(gè)梁的后角節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行力矩平衡,再對(duì)前角節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力矩平衡,從而建立了整體砌體梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程,通過(guò)這個(gè)力學(xué)方程進(jìn)行求解,得到了相應(yīng)的結(jié)果。

3.3 “O-X”破斷理論

隨著工作面的推進(jìn),學(xué)者們提出了一種被稱為“OX”破斷的現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象中,隨著工作面的推進(jìn),工作面后方首先形成裂縫,然后裂縫向兩側(cè)擴(kuò)展,并最終形成中間相連的“OX”形狀破斷。另外,采場(chǎng)支架的結(jié)構(gòu)常處于大變形狀態(tài)。在1996年,錢院士在砌體梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合綠色開(kāi)采和保水開(kāi)采的概念,提出了關(guān)鍵層理論。關(guān)鍵層在實(shí)際上早已有相關(guān)研究,針對(duì)第一層關(guān)鍵層,后來(lái)又涉及到地面問(wèn)題,因此研究者開(kāi)始考慮每一層巖層的關(guān)鍵性。關(guān)鍵層指的是對(duì)上方覆蓋的巖層的某一部分或全部發(fā)揮控制作用的層次。如果該巖層能夠控制上方全部巖層的行為,則稱之為主關(guān)鍵層;但如果僅能部分抑制上方巖層的運(yùn)動(dòng),則稱之為亞關(guān)鍵層。在該理論基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開(kāi)展了相關(guān)研究工作,這些研究工作為地表沉降、大面積壓力、煤與瓦斯突出以及保水開(kāi)采等問(wèn)題提供了研究基礎(chǔ)。

巖層的結(jié)構(gòu)和埋深對(duì)巖層移動(dòng)規(guī)律有重要影響。在深埋的薄基巖中,埋深可達(dá)700 m,而基巖最薄處只有50 m。即使在砌體梁與直接頂之間沒(méi)有離層的情況下,砌體梁失穩(wěn)時(shí)也會(huì)對(duì)直接頂產(chǎn)生沖擊,這種沖擊通過(guò)直接頂傳遞到支架中,因此需要使用動(dòng)態(tài)的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行分析。支架的設(shè)計(jì)既要考慮控制老頂?shù)钠胶廨d荷,也要考慮緩解煤壁的壓力,這涉及到厚板和薄板的問(wèn)題。通常認(rèn)為工作面前方的支撐壓力呈單峰分布,但實(shí)際情況是,在工作面過(guò)長(zhǎng)的情況下,支撐壓力會(huì)分成幾個(gè)峰值。同時(shí),頂板的破斷也會(huì)發(fā)生分區(qū)現(xiàn)象,可能在中間某個(gè)位置發(fā)生破斷并向內(nèi)遷移,這樣會(huì)形成一種拱和巖梁組合的特殊結(jié)構(gòu)。針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并結(jié)合數(shù)據(jù)、模擬和大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證,以確定支架的阻力。研究發(fā)現(xiàn),在煤柱之間的區(qū)域,應(yīng)力會(huì)集中。無(wú)論原先的低應(yīng)力和工作面之間的方向如何,在工作面推進(jìn)過(guò)程中,這些應(yīng)力會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。煤礦巖石破壞的核心問(wèn)題是偏應(yīng)力,也就是不均勻的受壓情況,不均勻受壓有利于頂煤的破壞,這解釋了為什么平均埋深不到100 m的煤層也能夠進(jìn)行放頂煤開(kāi)采。

4 煤炭科學(xué)開(kāi)采的技術(shù)支撐

支撐科學(xué)開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一是放頂煤開(kāi)采,這已經(jīng)成為國(guó)家煤礦開(kāi)采在世界上的一張名片。其中涉及到的理論概念之一就是放出體。放出體指的是在采煤完畢后將煤重新填充到原本存在于頂煤內(nèi)的空間中。早期采用的方法主要是橢球體理論,但整體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變異,因此面臨著變異問(wèn)題。國(guó)家在采高方面經(jīng)歷了從3.5 m到現(xiàn)在的8.8 m,以及前段時(shí)間的10 m支架和實(shí)際采煤機(jī)的發(fā)展。此外,還有巷道和空間過(guò)渡的臺(tái)階以及工作面的自動(dòng)化問(wèn)題。自動(dòng)化的難點(diǎn)在于識(shí)別、定位不準(zhǔn)確,自動(dòng)調(diào)整值經(jīng)常需要人工干預(yù)。另外一個(gè)非常重要的問(wèn)題是頂煤放出,頂煤放煤往往是采高的3倍水平,分段情況下可達(dá)8倍?？紤]到這么大的數(shù)量,如果放置不當(dāng),損失也會(huì)非常巨大。因此,本人在2009年開(kāi)始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專注于圖像識(shí)別方法的研究。早期使用聲音、紅外,現(xiàn)在使用高光譜等技術(shù)。在過(guò)去幾年的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究中,認(rèn)識(shí)到存在的問(wèn)題并提出了模擬人眼技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)礦井開(kāi)始應(yīng)用,團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套圖像采集系統(tǒng)。另外,針對(duì)后續(xù)放煤過(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題,即多輪放煤的控制。由于工人無(wú)法完全控制多輪放煤過(guò)程,團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種頂煤運(yùn)營(yíng)時(shí)間儀器。例如,在2 min處進(jìn)行操作,隨后將該裝置與智能系統(tǒng)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)多輪放煤的均勻進(jìn)行。

充填開(kāi)采是一種主要包括高水、膏體等多種充填材料的方法。其中,學(xué)者們還研究了高濃度膠結(jié),其含量在75%左右。這3種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),并且充填的方式通常是在工作面長(zhǎng)壁進(jìn)行。此外,還有一種巷旁充填的方法和離層注漿技術(shù)。另外,還有煤與瓦斯的同采方法以及保水開(kāi)采、地下水庫(kù)的技術(shù),在神東地區(qū)進(jìn)行了研究。在地面保水方面,主要研究上方是否存在隔水層,并通過(guò)調(diào)整工作過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,還存在環(huán)境問(wèn)題,但現(xiàn)在許多礦區(qū)已經(jīng)取得了很好的成效,山西在這方面也取得了良好的進(jìn)展。