科技賦能“綠色”開采 創新成就“黑金”閃耀

內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司全景

專家組答辯現場

參與創作人員討論技術方案? ??

長期以來，煤炭在我國能源體系中占據著主體地位，對支撐我國經濟社會平穩較快發展發揮著能源安全保障的穩定器作用，在未來較長時期內，對我國能源轉型發展還將發揮不可或缺的兜底保障作用。隨著我國進入“十四五”時期，全面建設社會主義現代化強國步入新征程，同時，煤炭行業也將進入高質量發展的攻堅期。面對新形勢新要求，亟須把加強科技創新作為最緊迫的任務，加快原創技術、關鍵核心技術攻關，實現高水平科技自立自強，以科技創新驅動煤炭行業的高質量可持續發展。

我國煤炭產區主要集中在北方地區，其中，山西、內蒙古是中國最大的產煤省區。作為國內實力雄厚的電力企業，中國華電集團在2006年自主開發建設的第一座千萬噸級現代化特大型煤炭企業——內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司順利投入生產。

內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗范圍內，下屬不連溝煤礦及選煤廠、煤矸石熱電廠、鐵路專用線。本著上級單位華電煤業集團有限公司“夯實煤炭主業，優先鐵路建設，配套電力、物流產業，強化管理創新，實現循環發展”的總體思路，不連溝煤業經過多年實踐，逐漸在煤炭開采行業擁有了突出的競爭優勢，在我國北方地區的煤炭開采工作中發揮著舉足輕重的作用。

運籌帷幄，探索理論依據打下堅實基礎

煤炭開采行業處在煤炭行業的最上游，采用科學的開采技術對于提高煤礦資源的利用率以及環境的可持續發展具有重要意義。我國是世界煤炭資源大國，在現有的煤炭儲量和產量中，厚煤層產量和儲量接近50%，是實現高產高效開采的主力煤層。在世界采煤技術突飛猛進的今天，加強開拓方式和采煤方法的研究，依靠科技進步，努力改進工藝工法對我國煤炭開采行業的健康發展顯得尤為重要。

厚煤層開采的主要方法為分層開采、放頂煤開采和大采高開采。其中，放頂煤開采技術得到了快速發展和廣泛應用。不連溝煤礦現采用的就是綜采放頂煤開采，屬于典型的淺埋薄基巖特厚放頂煤開采。不連溝煤礦地表為黃土層，厚16.7—44.8米，埋深一般為230—260米。煤層上覆基巖薄，大部分初期開采區域的煤層頂板厚度較薄，一般為30—40米，有的煤層頂板只有十幾米?，F主采煤層為6#煤層，平均厚度為16米，裂隙較發育，既不利于安全生產，更容易對環境造成污染。改進回采技術，提高回采率成為關鍵。

在綜放工作面回采過程中，端頭常留有一定寬度的頂煤不放，而對要不要留設頂煤以及留設頂煤寬度已成為回采技術的一個重要問題，這種問題聽起來似乎云淡風輕，但不連溝煤礦的工作者們都明白，它不僅關系到端頭圍巖的穩定，而且涉及煤炭資源的采出率。對其進行技術改進，若失之毫厘，便會差之千里，他們面對的，是技術工法創新的一次嚴峻挑戰，功成名就和功虧一簣只在一線之間。

理論是實踐的基礎，實踐是理論的來源。對已有經驗的總結和尋求探索新的理論依據是創新實踐的第一步。

采礦工程專家錢鳴高院士提出的關鍵層理論認為，在煤層頂板中，由于成巖礦物成分及成巖環境等因素的不同，造成頂板各巖層的厚度和力學特性等方面存在著較大的差異，而其中一些較為堅硬的具有一定厚度的巖層起著主要的控制作用，它們破斷后形成的結構直接影響著采場的礦壓顯現和巖層活動，這樣的巖層稱為關鍵層。

關鍵層理論的提出實現了礦山壓力、巖層移動與地表沉陷、采動煤巖體中水與瓦斯流動研究的有機統一，為更全面、深入地解釋采動巖體活動規律與采動損害現象奠定了基礎，為煤礦綠色開采技術研究提供了新的理論平臺，也成為不連溝煤礦對綜放開采技術進行改進的理論支撐。

技術破冰，工藝創新成果鎖定行業標桿

實踐是檢驗真理的唯一標準。在有了強大的理論依據之后，工作者們根據不連溝煤礦開采狀況和現有技術資料，結合當前技術水平，對開采工法展開了步步為營的細致研究，最終形成“特厚松軟煤層工作面端頭頂板管理工作法”，并制定出嚴謹的可行性技術方案，在五個方面投入應用。

工作法針對不連溝部分工作面后方切眼、兩巷頂板出現了不能隨著工作面放頂而冒落的現象，造成初采垮落和初次放煤步距加大、工作面上下端頭后部較大范圍的懸頂及在工作面上端易形成通風死角、懸頂三角區瓦斯聚積超限等問題，提出對工作面切眼和回采巷道實施支護解除，減小初采垮落和放煤步距、減小工作面上下端頭后部懸頂長度、改善煤柱的受力狀態，同時使煤柱壓力減小，提高煤柱的穩定性。

工作法通過對厚煤層工作面端頭區頂板斷裂特征研究分析，得出不連溝煤礦大采高綜放開采端頭區易形成“弧三角形懸板結構”，使巷道及煤柱應力增加，不利于維護的結論。因此針對不連溝現場條件，為了能夠盡量減小端頭不放頂煤寬度，同時能夠保證端頭的穩定性，提出了深孔爆破強制放頂和深孔注水弱化頂板兩種斷頂卸壓技術方案，效果較好。

F6204工作面輔運順槽受F6203工作面回采影響后，礦壓顯現更明顯，煤柱幫側圍巖破碎嚴重，出現大面積“網兜”，部分地段巷道兩幫相對移近量達150—400毫米，最大移近量為800毫米，頂底板移近量為400—500毫米，底鼓變形主要集中在巷道的中部。工作法采用深孔爆破強制放頂技術或者深孔注水弱化頂板技術，使懸露巖層沿預裂（弱化）面切落，充填了冒落空間，消除了懸頂現象，減小了懸臂梁上覆荷載以及旋轉變形力，極大消散了F6204工作面輔運順槽圍巖的應力集中程度，使應力集中向輔運順槽南部的未采煤體深部轉移，很好地改善了輔運順槽的圍巖應力環境，從根本上優化了巷道內的結構力學環境。

工作法通過切頂卸壓法，使懸伸巖層沿設計的預裂面斷落，減小懸伸巖層長度，從而減小煤柱、端頭和巷道上方的覆荷載以及旋轉變形力，降低圍巖中應力集中程度。切頂卸壓后，區段煤柱變形均勻，煤柱上應力峰值降低，煤柱上應力范圍減小。巷道頂板移近量及兩幫移近量變小。相鄰工作面未開采實體煤部分所受應力范圍減小，最大應力值降低。

工作法采用中部卸壓槽法控制底鼓量。設計卸壓槽寬度為0.5米，距巷道中心線均為0.25米，深度分別為0.5米、1.0米、1.5米、2.0米。數值計算結果表明：開設卸壓槽后，巷道底板巖體向卸壓槽內擠壓，導致卸壓槽有閉合趨勢。底板應力向深部巖層轉移，幫部應力向遠離巷道轉移，從而使巷道所受應力降低，底鼓量降低。隨著卸壓槽深度增加，塑性區深度增加，塑性區面積增大。幫部最大水平位移逐漸增加，最大底鼓量逐漸減小。

實踐證明，在不連溝煤業工作人員的不懈努力下，特厚松軟煤層工作面端頭頂板管理工作法大獲成功，它將為指導淺埋巨厚裂隙發育松軟煤層綜放工作面設計、決策、管理提供科學依據，不僅能解決不連溝煤礦高產高效綜放工作面機頭機尾煤炭資源的損失難題，同時在提高煤炭資源的采出率、降低工作面順槽支承壓力、控制采空區遺煤自燃等方面都有重要的指導意義。此項成果既在本礦區具有廣泛的應用前景，在國內類似條件的礦區也有重要的推廣和使用價值，獲得了顯著的經濟效益和社會效益。

開云見日，贏得口碑效益彰顯企業品牌

不連溝煤礦6#煤層F6203綜放開采工作面在運用新工法開展采煤工作后，提高了煤炭開采率，資源回采率也得到大幅提升。由于工作面端頭全部放煤技術的應用，使巷道的返修量大大減少，縮短了超前加強支護段，工作面的生產效率得到很大提高，節省了更多費用，大量減小了工人的井下勞動強度、有效節約了人力物力，降低了噸煤成本，讓6#煤層多開采的產量總共約1668.2萬噸，既實現了安全、高效的目標，更為企業帶來非常可觀的經濟效益。

值得一提的是，新工法在環境保護方面亦成績顯著。按照以往的經驗，綜放工作面上下端頭的排頭排尾架上的頂煤，均沒有被放掉采出，因為端頭煤的支撐作用，將對地表的均勻沉降以及環境恢復帶來很大的負面影響。不均勻沉降將使地表產生很大很深的裂縫，將導致土地風干，地表干旱，植被大量的死亡，嚴重影響生態系統。同時，這些裂縫會造成采空區的漏風，從而使采空區未采出的煤氧化與自燃，帶來安全隱患。通過應用端頭全部放煤技術之后，將使整個采空區上方的地層沉降更加均勻，裂縫彌合，有利于安全和采空區上方地表生態系統的恢復。新技術在煤炭開采工作中的應用，對促進礦區產學研用相結合，提升綠色開采技術管理水平產生深遠影響。

多年來，本著“不畏浮云遮望眼”的奮斗精神，砥礪拼搏，不連溝煤礦及選煤廠榮獲了“太陽杯”“魯班獎”“雙十佳煤礦”“特級安全高產高效礦井”等多項國家級榮譽，成功通過綠色礦山5A級認證，成為生態建設先進企業和國家首批智能化示范礦井。

未來，不連溝煤礦將積極貫徹華電煤業集團“和諧進取 創新超越”的公司精神，探索煤炭綠色開采技術路線，努力創新工藝工法，積極應用成熟技術，以高標準、高品質打造示范礦區，以科技創新推動煤炭資源開發向綠色開采方式轉變，為可持續發展的長效機制添磚加瓦，為煤炭綠色開采規范化、標準化貢獻更大力量。