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★ 生产开发 ★

我国井工煤矿开采技术装备回顾及展望

郭俊生

(煤炭工业规划设计研究院有限公司, 北京市西城区,100120)

摘 要 我国井工煤矿开采技术及配套装备发展30年来,不论是开采、掘进技术及配套装备,还是安全高效现代化矿井建设技术水平,都实现了由弱到强的跨越式提升。对我国30年来厚煤层开采技术发展、薄及中厚煤层开采技术装备发展、安全高效矿井配套技术装备发展等方面进行了回顾和总结,展望了我国井工煤矿开采发展前景,认为,安全、高效、绿色、智能将成为未来我国井工煤矿开采技术的主要发展方向,主要表现在复杂煤层安全高效开采、井工煤矿智能无人开采、煤炭资源绿色一体开采等方面。

关键词 井工煤矿;开采;掘进;安全高效;技术装备;发展展望

从20世纪90年代至今,我国井工煤矿开采技术不断进步,取得了突飞猛进的发展,近年来由高产高效逐渐向安全高效转变。根据煤层的不同开采厚度,厚煤层开采技术实现了从分层开采、一次采全高、放顶煤开采、大采高一次采全高的台阶式递进,薄煤层开采技术也经历了炮采、普采、综采的技术转变,相比之下,厚煤层开采更明显地引领和代表了中国井工煤矿开采技术的发展方向。

1 厚煤层开采技术发展

我国井工矿厚煤层开采技术经历了炮采-机采-综采的发展历程,综采技术也经历了由试验到研发、由研发到升级的转变[1], 20世纪90年代以来,我国煤炭行业实现由建设高产高效矿井向建设安全高效矿井转变,我国厚煤层开采技术也达到国际领先水平。

根据煤层开采的主要工艺不同,对我国30年来厚煤层开采技术的发展历程进行了以下总结。

1.1 分层开采技术工艺及装备

20世纪七八十年代,我国厚煤层大多采用分层开采的方式,即先开采上分层(或者第一分层),然后铺设金属网,待形成人工假顶后再开采下一个分层,分层厚度一般为2.5~3.0 m,工作面产量普遍为100~200万t/a。如晋煤集团古书院矿缓倾斜6 m厚煤层分2层开采,综采工作面产量180万t/a;开滦矿务局唐山煤矿9~11 m厚煤层分3~4层开采,综采工作面产量超过100万t/a。

20世纪90年代后,随着厚煤层开采技术发展,特别是高产高效矿井建设和安全管理要求的提高,分层开采存在的巷道掘进量大、材料消耗和动力消耗大、巷道布置和生产系统复杂、对于煤层自然发火难以控制等不足逐步显现,制约了厚煤层开采的高产高效发展,分层开采逐渐被放顶煤开采和一次采全高工艺替代。

进入21世纪后,在特厚煤层开采中,由于受到单层开采厚度限制,也常应用分层开采,但分层厚度较大,基本属于分层放顶煤开采或者分层一次采全高工艺系列,因此分层开采部分不再叙述。

1.2 一次采全高技术工艺及装备

我国厚煤层一次采全高工艺是在中厚煤层综采基础上逐步发展起来的。1978年开滦范各庄煤矿试验工作面采高3.6~4.0 m,月产煤炭8.6万t;1985年在西山矿务局官地煤矿采高 4.0 m工作面、邢东东庞煤矿采高 4.5~4.8 m工作面一次采全高工艺平均月产量均已超过 14万t。在地质条件与煤层开采条件相对简单的情况下,一次采全高工作面产量一般可达分层开采的1.5~2.5倍,因此得到广泛推广应用。但受综采技术与装备发展的制约,以及应对煤层与开采条件的经验不足,一次采全高综采工作面的最大机采高度均未能突破5.0 m。

20世纪90年代,从高产高效矿井要求出发,我国厚煤层开采技术发展主要表现在对工作面主要生产设备进行改造提高和更新换代上,使综采设备在研发制造时更突出强调综采的整体配套性,其典型代表就是“八五”国家攻关项目“日产 7 000 t 综采成套设备的研制”[2]。全套设备以大功率、大截深交流变频电牵引采煤机,交叉侧卸、封底铸焊溜槽的大运量刮板输送机,大工作阻力、高移架速度的液压支架为主体,在铁法矿务局得到试验应用,平均煤炭月产量超过16万t,综合产能达到200万t/a水平,为我国厚煤层综采技术再上“日产1万t”“日产2万t”台阶奠定了坚实基础。

21世纪初,我国大采高一次采全高技术和装备有了进一步突破,以神华集团神东矿区最为突出,采用一次采全高的煤层厚度逐步提高,在4~6 m 厚煤层一次采全高生产工艺技术实现“一矿一面”煤炭年产量8~10 Mt。如,2003年,神东矿区补连塔煤矿4.8 m大采高综采工作面年产原煤924万t;2004年,神东矿区上湾煤矿5.4 m大采高综采工作面年产原煤1 075万t;到2007年,神东矿区上湾煤矿诞生首个6.3 m大采高重型综采工作面,采出率及工效大幅度提高;同期在山西晋城寺河矿也实现了大采高由5.2 m提高到6.2 m、产能达1 000万t/a的目标。至此,大采高一次采全高工艺有了突飞猛进的发展,成为厚度7 m以下厚煤层开采的首选工艺。

近10年来,我国煤炭行业开展了一系列技术攻关,取得了年产千万吨级大采高综采成套技术与装备等一批重大成果,其中厚煤层开采高度突破7 m是这个阶段的最大亮点,且开采高度节节攀升,不断刷新世界纪录。我国晋陕蒙等西部重点煤炭基地的主采煤层大多在7 m以上,由于开采技术设备现状所限,这部分煤层也是放顶煤和一次采全高2种工艺都难以完美突破的煤层,因此迫切需要探索出最佳的解决途径以减少丢煤带来的资源浪费。在国内外综采技术装备发展基础上进行技术攻关,研发了7.2 m 超大采高综采成套装备,在陕煤集团神木红柳林矿业有限公司等煤矿成功应用,平均月产量达到109.9万t,年产量达到1 200 万t;研发了8 m 超大采高综采成套装备,在神东矿区补连塔煤矿成功应用,最高月产134万t,生产能力达到1 500万t/a以上;研发了8.2 m 超大采高综采成套装备,在陕西金鸡滩煤矿成功应用,工作面年产量突破1 500万t;研发了8.8 m 超大采高综采成套装备,在神东上湾煤矿成功应用,再次刷新世界超大采高综采工作面采高、产量与工效的记录,向工作面生产能力1 600万t/a进军[2-3]。目前,采高9 m的采煤机已经问世,可望在一次采全高方面取得更大突破,实现9 m煤层的一次采全高智能化高效开采。

1.3 综采放顶煤技术工艺及装备

在总结厚煤层分层开采经验教训的基础上,20世纪八九十年代,我国以阳泉、潞安、兖州等厚煤层矿区为代表,逐步试验应用综采放顶煤工艺,并实现了单产超百万吨的突破,最高年产达 500 万 t。综采放顶煤工艺具有单产高、效率高、成本低、效益好等优势,特别是高产高效成为煤矿扭亏增盈的主要技术措施之一。但试验应用初期由于工艺设备不完善,放顶煤经验不足,也暴露出综放开采采出率普遍偏低,对瓦斯、火、粉尘等安全隐患治理难度大等问题,特别是由于个别企业急功近利地采用综放开采技术,造成一定煤炭资源损失。在此基础上,经过多年不断探索研究,放顶煤技术工艺和设备不断完善,综采放顶煤技术日渐成熟,成为厚煤层开采的重要手段之一,并逐步走向世界。

作为典型代表之一,山东兖矿集团采用国产技术装备,在综采放顶煤发展的20~30年间,应用综采放顶煤开采工艺实现单个工作面产量由200~300万t/a 到600~700万t/a的跨越,放顶煤开采高产高效矿井建设推动了全行业技术进步,也带动了世界开采技术发展。根据矿区煤层及开采条件的不同,在20世纪七八十年代工作面煤炭产量100~200万t/a水平(低档)的基础上,兖矿集团采用“八五”攻关设备,建成了煤炭产量200~300万t/a水平(中档)工作面;采用“九五”攻关设备,建成了煤炭产量400~500万t/a水平(高档)工作面;采用“十五”攻关设备及年产600万t自动化信息化设备,建成了600~700万t/a水平(超高档)工作面。与之对应,分别在南屯煤矿“一矿一井一面”达到200~300万t/a的生产水平,兴隆庄、鲍店、济宁二号煤矿“一矿一井一面或两面”达到400~800万t/a的生产水平,矿井原煤生产效率达到10~20 t/工;东滩矿和济宁三号矿 “一矿一井两面”达到800~1 000万t/a的生产水平,矿井原煤生产效率达到20~40 t/工,为兖矿集团综放技术走向世界奠定了坚实基础[4]。2004年兖矿集团以其先进的防灭火技术和综采放顶煤技术竞标成功,将综放技术引入澳大利亚,建立了采用中国技术的第1个国外综放开采示范基地,使综放开采技术设备走向世界,为世界采矿业做出了贡献[5]

进入21世纪,综放开采工艺向着“高大上”方向发展,采高加大,采出率提高,单产和工效大大提升。由于受到《煤矿安全规程》中“缓倾斜、倾斜厚煤层的采放比大于1∶3且未经行业专家论证的,严禁采用放顶煤开采”的限制,我国厚度12 m以上厚煤层放顶煤开采也受到较大程度制约。因此提高开采高度相应加大放煤高度成为进一步研究攻关方向。经过多年研发,成功攻克了大采高综采放顶煤开采关键技术工艺、“采运支”等主要工作面装备、工作面大断面巷道支护技术和装备、辅助运输设备、大采高安全保障等技术难题,试验应用采高从3.5 m逐步提高至5.2 m,放顶煤煤层厚度也从12 m提升至20 m,一般工作面单产600万t/a以上,最高突破1 000万t/a,极大提高了开采效率和采出率[6]。如神东矿区大柳塔煤矿大采高综放开采最高工作面月产64万t;平朔安家岭煤矿大采高综放开采最高工作面月产130万t;大同同忻煤矿大采高综放工作面实现年产1 006万t,塔山矿8105 大采高综放开采工作面年产量达到1 085万t。

1.4 安全高效现代化矿井建设

1.4.1 高产高效向安全高效矿井的转变

过去的30年间,我国现代化矿井建设由20世纪90年代的 “高产高效矿井”,实现了向21世纪“安全高效矿井”的转变。根据1995年原煤炭工业部出台的《关于加快高产高效矿井建设的决定》,高产高效矿井重在“高产”和“高效”,即“依靠科学技术进步,深化改革,挖掘潜力,采用新技术、新装备、新工艺、新材料,实现高度合理集中生产;以提高经济效益为中心,以扭亏增盈为目标,加快高产高效矿井建设”[7]。2001年,全国100处高产高效矿井原煤产量突破2亿t,占当年原国有重点煤矿产量的1/3以上,对我国现代化矿井建设起到了重要推进作用。

2007年,我国从转变煤炭行业发展理念出发,为突出安全第一、安全生产理念,将原“高产高效矿井”建设更名为“安全高效矿井”建设[8]。“安全”替代“高产”,体现了“以人为本”的科学发展观,不仅从产量及效益方面,而且从安全生产、采掘机械化程度、信息化建设和环境保护等方面,对安全高效矿井建设标准提出了更严格和更全面的要求,纠正了单纯依靠高产来达到高效的片面发展思路。

1.4.2 安全高效矿井建设

从20世纪90年代起,按照高产高效向安全高效现代化矿井转变的方向进行建设,我国相继诞生了许多代表世界先进水平的现代化煤矿。例如济宁三号矿井是兖矿集团继兴隆庄煤矿、东滩煤矿、鲍店煤矿等大型矿井后,在济宁矿区建设的又一对立井厚表土层条件现代化大型煤矿。在经世界银行委托咨询评估确定5个采区、5个综采工作面保证500万t/a的基础上,设计优化为投产2个工作面,综采工作面设备采用1台进口采煤机加1台国产采煤机(MGTY400/900-3.3D)、支护设备为四柱支撑掩护式低位放顶煤液压支架(ZFS6200/18/35),采用立井无轨运输系统,倾斜大巷布置,强力带式输送机运输(带宽1.2~1.4 m,运量1 500~2 500 t/h),2套22 t多绳箕斗,生产工效由5 t/工提高到20 t/工,创造了投产即达产、向千万吨级矿井迈进的新纪录。20世纪90年代设计的神东大柳塔煤矿采用平硐开拓,盘区式布置,大巷两侧布置条带工作面,加大工作面推进长度至5 km,生产模式为“一矿两井两面”,生产布局为“一综二连”,在全国率先引进世界先进装备,2000年“一矿一井一面”模式年产800万t商品煤,全矿定员345人;2001年“一矿两井两面”模式年产1 400万t商品煤,全矿定员480人,各项指标居世界前列,成为安全高效矿井的典范。

至2000年前后,我国已建成各类高产高效矿井超过100处,极大提高了矿区生产技术程度和单产水平。如神华集团榆家梁煤矿、大柳塔煤矿,兖矿集团兴隆庄煤矿、东滩煤矿等均达到国际领先和先进技术水平,主要技术经济指标创造了新的世界纪录。2007年后,我国按照“安全高效”标准建设,安全高效矿井数量逐年增加, 特别是近10多年我国建成的安全高效矿井数量有了大幅增加,在出台的建设标准中也逐步增加了绿色、智能等相关指标。例如,2008年我国安全高效矿井共有292处,到2018年上升到了901处,10年间我国安全高效矿井数量增长209%[9]

在过去的30年间,随着我国设计建设水平的提高,复杂地质条件下深井建设也达到国际领先水平,一批具有世界水平的“一井一面”模式、一次采全高或者综采放顶煤采煤工艺的特大型安全高效现代化矿井相继建设投产。如华东地区安徽淮南顾桥矿井、山东巨野矿区新巨龙煤矿(原龙固矿井)等。顾桥矿井设计生产能力500万t/a,为松散层厚400 m、高瓦斯、高地温、高地压等复杂条件下的新建矿井,设计采用分区开拓、煤与瓦斯共采,工作面采用SL750进口采煤机、国产ZY8800/18/38液压支架、国产SGZ1000/1400刮板输送机等设备,采用一次采全高采煤工艺,“一井一面”的设计生产能力达到500万t/a,“一井二面” 的设计生产能力达到1 000万t/a。新巨龙煤矿是山东省巨野矿区开发的第1对特大型矿井,生产能力600万t/a,巨厚松散表土层且煤层埋藏深度大,还存在高地温叠加高地压灾害,条件极为复杂,有些甚至属于世界级难题。依靠科技进步,通过联合攻关,设计攻克巨厚松散表土层建井难题,采用立井分区开拓,倾斜大巷布置,合理划分采区,设计利用国产高效装备,以“一区一面”模式首次实现在高地温、大涌水、易自燃条件下的千米深井达到年产600~1 000万t的目标,为同类型矿井建设提供了宝贵经验,也为矿井经济效益提升提供了坚实基础[10-11]

最近几年来,智能化工作面成功应用并推广,为安全高效矿井建设再上台阶增添羽翼,再次提高了我国安全高效矿井建设领先水平。

2 薄及中厚煤层开采技术及装备发展

相比厚煤层的开采技术发展,薄及中厚煤层开采技术也取得一定进步。从20世纪80年代采用薄煤层采煤机开始,薄煤层开采经历了薄煤层普通机采、刨煤机开采、综合机械化开采、智能化开采的发展历程。

20世纪90年代起,我国在引进苏联电磁调速外牵引采煤机基础上, 经历了由仿制到研制,从液压驱动、钢丝绳或链牵引到电牵引采煤机的发展,最终在经济型综采和高档普采采煤机上获得广泛应用,国产薄煤层滚筒采煤机在薄—中厚、煤质中硬以下、缓倾斜煤层条件下满足开采需求。

刨煤机的应用始于21世纪初。2001年,铁法集团引进德国成套刨煤机组,配套国产液压支架,在小青矿、晓南矿进行试验应用,基本实现了薄煤层自动化开采,在薄煤层实现平均日产3 385 t、最高日产5 300 t的水平。2007年,小青煤矿综采刨煤机队在煤层平均厚度1.91 m条件下,全年生产原煤137万t,平均月产21.87万t[2,12]

近10年来,薄及中厚煤层开采借助智能化技术优势,向着高效、智能进一步迈进,工作面长度逐步加长,智能化水平逐步提高。例如在神东矿区,神东公司在工作面回采过程中不断总结经验,工作面铺设长度经历了240、300、360、400 m的变化,特别是2012年哈拉沟煤矿在较薄—厚煤层工作面长度增加至450 m,按照月产原煤 20万t进行装备。工作面加长使原计划用连采设备回采的边角煤区域全部纳入到综采工作面,采出率由原来的 88% 提高到 95%,可多采煤炭 30 万 t[12]

2007-2013年,冀中能源峰峰煤矿在复杂坚硬薄煤层条件下,应用0.6~1.3 m薄煤层的综采自动化成套技术与装备实现自动化安全高效开采[3];2014年,黄陵一号煤矿在1.4~2.2 m中厚煤层配备自动化成套装备,开创了工作面“有人巡视、无人值守”的自动化、智能化开采模式;2019年,薄煤层智能化采煤机组在山东枣矿集团滨湖煤矿应用,工作面平均采高1.35 m,工作面长度139 m,创出了薄煤层单面日产4 000 t的纪录,并且推动取消了夜班生产,彻底颠覆了煤炭行业“24 h连轴转”的传统工作模式。

3 安全高效矿井配套技术装备发展

3.1 综合机械化掘进设备

从20世纪90年代开始,悬臂式综掘机在我国煤矿得到空前应用,其中重型、超重型掘进机大批出现,掘进机的设计、制造、后配套水平日趋完善,逐步跨入世界先进国家行列[13]。特别是中煤科工集团太原研究院研制的EBH450型掘进机,采用了截割工况识别和智能决策、截割转速交流变频调速控制、截割牵引调速控制等先进技术,达到国际先进水平。2000年以来,以 EBJ系列为代表的悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配合作业,实现快速掘进,月进尺达1 000 m以上。

近10年来,我国在影响掘进速度的“破岩、锚护、运输”三要素上发力,消化吸收国外先进技术,在连续采煤机掘进基础上改进提高,研发应用掘锚机组及其配套系统,成为综掘技术发展的亮点。系统由掘锚机组、10臂锚杆钻车及其后配套设备组成,掘锚分离、平行作业,多排多臂同时锚护作业,掘锚同步匹配,极大提高了掘进速度。2003年,神东矿区乌兰木伦矿应用JOY-12CM15-15DDVG 掘锚机组掘进最高月进尺1 200 m,山西上榆泉煤矿使用奥地利ABM20掘锚机组,最高月进尺1 388 m;对比之下,2014-2016年,神东矿区大柳塔煤矿应用国产JM340掘锚机组高效快速掘进系统,平均月进尺2 400 m,最高月进尺3 088 m,大大刷新了世界纪录。

近年来,全断面掘进机、全断面盾构机的广泛应用,是煤(炭)-铁(建)融合、取长补短、相互完善、共同提高的标志。神华集团神东补连塔煤矿斜井工程总掘进里程2 745 m,最大月进尺639 m,连续4个月进尺超过500 m,是我国国内第1个采用全断面隧道掘进机(TBM)施工贯通的煤矿斜井工程,掘进速度和单次掘进距离全球领先;神华新疆能源有限责任公司所开发的玛纳斯涝坝湾煤矿副平硐工程是国内首次将大型复合式岩石掘进机用于煤矿巷道的工程,掘进长度5 900 m,于2012-2014年冬季施工、连续掘进、洞内拆机;陕西彬长矿区高家堡煤矿成功应用在西区辅运大巷(6 500 m)和西区2号回风大巷(6 500 m)施工,山东巨野矿区新巨龙等多个煤矿均在井下大巷岩石掘进应用,取得较好的掘进纪录。

3.2 提升运输技术与装备

提升运输设备的发展,为煤矿安全高效生产提供了可靠支持。立井提升中,随着大型及特大型矿井、深部矿井的不断增加,大直径大功率提升机、特大容量箕斗的研发应用,为千万吨、千米深矿井提升创造了条件,也是我国煤矿运输设备发展的重大突破。30年来,我国矿井建设中,塔式提升机最大直径由4.0、4.5、5.0 m逐渐发展至目前最大的6 m,如巴拉素、大海则煤矿副井提升机采用的JKM-6×6多绳摩擦式提升机;落地摩擦式提升机规格最大直径可以达到6.2 m,如华能甘肃能源公司核桃峪和新庄矿副井提升机采用的JKMD-6.2×4多绳摩擦式提升机;与大功率、大直径、大容量的提升设备相适应,大功率的交-直-交变频系统应用越来越广泛,交流变频传动系统已成为矿井提升机传动系统的主要发展方向,并向着提升机精确调速控制、位置闭环控制、机电液协调控制、无人值守全自动化智能集控技术、远程故障诊断及健康管理技术进军。近年来,国内贵州高原矿山机械厂研制生产的永磁电机内装提升机得到了大力发展,已经有几十台的使用案例,其特点是高效节能,系统简单。

立井箕斗已经从最初的几吨、十几吨发展至几十吨,例如20世纪90年代济宁三号煤矿设计生产能力500万t/a,采用2对22 t箕斗;2000年前后新巨龙煤矿设计生产能力600万t/a,采用2对32 t箕斗;2010年后,红庆河煤矿、葫芦素煤矿、门克庆煤矿都是设计生产能力1 200~1 500万t/a的特大型矿井,采用2对50 t箕斗,保证了矿井提升需要,也见证了大容量箕斗及提升设备技术的发展历程。立井罐笼已从提升1.0、1.5、3.0 t矿车的轨道运输,发展为全无轨运输,神华黄玉川煤矿拥有国内第1套特大罐笼提升系统,最大载荷45~57 t, 巴拉素、大海则煤矿的大罐笼载荷已达78.5 t。

在斜井或大巷提升运输方面,从20世纪90年代起,随着我国高产高效矿井的不断出现,长距离、高带速、大功率、大运量带式输送机成为斜井或大巷提升运输系统的发展方向。以中煤科工集团上海研究院产品为例,经过30年研发,大功率、大运量带式输送机已经形成系列产品,最大运距8.7 km,最大带宽2.2 m,最高带速5.6 m/s,最大运量7 500 t/h,最大装机功率4×3 150 kW,最高带强7 000 N/mm,处于国内外领先水平。目前最大运行胶带带宽2 200 mm,输送量7 000 t/h,速度4.7 m/s,采用3×1 600 kW电机驱动,应用于神华万利布尔台煤矿主斜井;山西西山晋兴能源斜沟煤矿主斜井角度为15°~17°,最大运输长度1 364 m,采用带宽1 800 mm,运量4 500 t/h,带速5 m/s,采用4×2 240 kW电机驱动;山西同煤同忻煤矿最大运输距离4 600 m,带宽1 800 mm,运量4 800 t/h,带速5 m/s,采用6×1 800 kW多点驱动;小保当一号矿井主斜井运输距离1 730 m,带宽2 000 mm,运量5 800 t/h,带速5.6 m/s,采用4×2 800 kW电机驱动。带式输送机的大型化给带式输送机软启动、电气控制和保护系统提出了更高要求。2000年前多采用液力调速装置,2000年之后变频调速装置成为首选。近年来直联式永磁同步电机驱动和永磁电动滚筒驱动凭借其系统简单和高效节能的优势得到了大力发展,直联式永磁同步电机驱动最大功率已达1 600 kW, 永磁电动滚筒驱动最大功率已达630 kW。

辅助运输方面,无轨胶轮车运输、单轨吊等连续运输设备的成功应用,也为煤矿安全高效发展提供了必要条件。其中无轨胶轮车运输继在神华大柳塔活鸡兔等平硐或斜井煤矿成功应用后,在济宁三号煤矿、新巨龙煤矿等立井、深部煤矿也相继成功应用,拓展了连续运输设备的应用空间,为立井现代化矿井建设创造了条件。20世纪90年代,我国研制成功第1台TY6/20型客货胶轮车和第1台TY3061FB型自卸胶轮车,2006年我国研制成功第1台WC40Y型框架式支架搬运车,改变了我国煤矿无轨辅助运输设备完全依赖进口的格局。随后,我国又成功研制载客5~30人的运人车、载重12 t的材料运输车、载重55 t的铲板式搬运车、载重80 t支架搬运车等,形成了煤矿井下无轨辅助运输系统配套工艺技术。目前在煤层开采条件适宜的大型、特大型矿井,不再区分立井、斜井,采用大直径、超宽罐笼可将无轨运输设备整体升降,只需井底稍作转换即可使用,基本实现了从地面到工作面的一站式运输,打通了煤矿辅助运输的低效瓶颈。

3.3 建井技术与装备

在30年间,随着我国设计建设水平的提高,复杂地质条件下深井建设也达到国际领先水平。特别是20世纪末至21世纪初,我国开发了适应大直径、深井快速施工的普通法凿井工艺技术及大型装备,研制了钻井直径可达13 m的竖井钻井、钻井直径5 m的反井钻井、钻井直径5.8 m的竖井掘进机,发展了冻结、注浆和凿井平行作业技术,创新形成了表土层钻井与基岩段注浆的平行作业工艺。根据统计,我国煤矿井筒最大冻结深度950 m,为甘肃核桃峪煤矿副井冻结工程;冻结表土层深度754 m,为山东巨野万福煤矿主副井冻结工程;最大钻井深度660 m,钻井成井直径8.3 m,为安徽板集主井钻井工程。

进入21世纪,我国建井技术与装备的最大突破,首选巨厚表土层条件下的成功建井。为解决华东地区深厚表土层建井难题,采用冻结法与钻井法相结合,开展了深厚表土层条件下钻井法钻进深厚黏土层蠕变控制、新型井壁结构、井壁漂浮下沉、机械化壁后充填等技术研究,开展了冻结壁设计计算、冻结工艺、低温状态下高强混凝土、新型井壁结构的研究与应用等,形成了以新巨龙煤矿双主井一风井钻井法、副井冻结法为代表的深厚表土层钻井工艺,取得多项技术突破。新巨龙煤矿主采3号煤层埋藏深度大,一般为800~1 200 m;上覆松散层(第三系+第四系)厚度大,一般为530~800 m,属于世界级难题。在钻井建设中创新井筒设计,采用钻井法施工主井风井3个井筒,钻井深度达到583 m,采用钢筋混凝土和钢板混凝土复合井壁;副井采用冻结法施工,冻结井筒深度650 m,采用双层钢筋混凝土和高性能钢筋混凝土井壁,创造了巨厚表土层建井的4个“世界第一”,获得国家科学技术进步奖二等奖2项,矿井工程获得鲁班奖[10-11]

4 中国井工煤矿开采发展前景展望

随着我国井工煤矿开采技术的发展,安全、高效、绿色、智能将成为未来的主要发展方向,具体表现在以下几个方面。

(1)复杂煤层安全高效开采。由于我国未来井工煤矿煤层条件日趋复杂,因此研发复杂煤层条件安全高效开采技术工艺、高可靠性装备, 提升煤机装备智能制造水平,提高工作面自动控制水平,成为安全高效矿井建设最迫切的要求,也是智能化发展的趋势。

(2)井工煤矿智能无人开采。依靠科技进步,井工煤矿开采、掘进、运输、支护、通风、选煤等系统逐步实现无人化,探索深部煤炭资源无人化开采方法和技术装备,以无人化高可靠性精准采煤机器人、井下全断面无人化智能掘进机器人替代井下工人,实现井下无人化。

(3)煤炭资源绿色一体开采。针对煤炭开发地表塌陷、植被和地下水体破坏、废弃物排放和共伴生资源浪费等问题,探索煤矿开采的生态环境近零损害开采工艺与设备;探索精准局部充填开采技术,地下水资源高效储存、利用技术,应用保水采煤技术、煤与瓦斯共采技术、煤水共采技术、煤与地热共采技术、采选充一体化技术等,开展新型开采方法、技术和装备研究。

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Review and prospect of mining technology and equipment of underground coal mines in China

GUO Junsheng

(CCTEG Coal Industry Planning Institute, Xicheng, Beijing 100120, China)

Abstract Over the past 30 years, China's underground coal mining technology and supporting equipment have achieved a leap forward improvement from weak to strong, whether it is mining, tunneling technology and supporting equipment, or safe and efficient modern mine construction technology level. The development of thick coal seam mining technology, thin and medium-thick coal seam mining technology and equipment, safety and high-efficiency mine supporting technology and equipment in China in the past 30 years were reviewed and summarized, and the development of China's underground coal mining was prospected. It was believed that safety, high efficiency, green and intelligence would become the main development direction of China's underground coal mining technology in the future, mainly in the aspects of safe and efficient mining of complicated coal seams, intelligent unmanned mining of underground coal mines, green integrated mining of coal resources.

Key words underground coal mine; mining; tunneling; safety and high efficiency; technology and equipment; development prospect

中图分类号 TD823;TD421

文献标志码 A

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引用格式:郭俊生. 我国井工煤矿开采技术装备回顾及展望[J]. 中国煤炭,2021,47(2):24-30. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.02.003

GUO Junsheng. Review and prospect of mining technology and equipment of underground coal mines in China[J]. China Coal,2021,47(2):24-30. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.02.003

作者简介:郭俊生(1964- ),男,山东东营人,工程研究员,煤炭行业设计大师,现任煤炭工业规划设计研究院总工程师,从事煤炭规划与咨询评估工作。E-mail:guojunsheng@mtghy.com

(责任编辑 郭东芝)