卞貴金

(國家能源集團神東煤炭集團，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209)

0 引言

補連塔煤礦是國家能源集團神東煤炭集團開發(fā)建設的目前世界第一大單井井工礦井，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，處于神東東勝礦區(qū)的南部，烏蘭木倫河畔一級階地西緣，南側與上灣礦井連接，西側與察哈素井田相鄰，北側與李家塔井田接壤。井田面積為106.5km2。

煤炭資源是國家的基礎性能源，其開發(fā)和消費不僅會帶動區(qū)域的經(jīng)濟增長，促進當?shù)亟?jīng)濟空間結構和格局的演變，也給區(qū)域資源環(huán)境和生態(tài)安全帶來巨大的壓力[1]。袁亮院士首次提出了“綠色煤炭資源”的概念[2]，綠色煤炭資源是指在當前先進技術條件下, 資源稟賦條件適宜, 能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效開采、生態(tài)環(huán)境友好, 能被清潔高效利用, 具有經(jīng)濟競爭力的煤炭資源[3]。

煤炭作為不可再生資源，對其進行資源潛力開發(fā)評價，制定合理的綠色開采方案，提高資源利用率，避免浪費，保障資源戰(zhàn)略安全，促進煤礦可持續(xù)開發(fā)具有重要意義[4]，煤礦綠色開采的核心是智能化開采[5]。

本文將對國家能源集團下屬主力礦井補連塔煤礦進行資源綠色開發(fā)潛力評價，對其建設世界一流智能化特大型礦山具有重要意義。

1 煤炭資源潛力評價體系

1.1 資源開發(fā)潛力評價體系結構

本研究選用層次分析法構建評價指標體系，定量評價煤炭資源開發(fā)潛力。層次分析法把判斷各要素的相對重要性的步驟留給了大腦，只保留人腦對要素的印象，化為簡單的權重進行計算。這種思想能處理許多用傳統(tǒng)的最優(yōu)化技術無法著手的實際問題[6]。

根據(jù)我國主要煤炭資源的賦存特點，評價指標主要有煤層賦存的地質(zhì)條件、煤炭品質(zhì)、開采技術條件、生態(tài)地質(zhì)等方面組成[7-8]。

本次評價體系將煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評價定為目標層，資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力、開采利用潛力3個方面組成條件層，11項指標組成指標層，39個參數(shù)組成參數(shù)層。

1.1.1 資源稟賦潛力

資源賦存潛力條件層包括3項指標，分別是地質(zhì)條件、煤質(zhì)煤類、開采技術條件。其下參數(shù)層有18項參數(shù)，分別是構造復雜程度、煤層傾角、煤層穩(wěn)定性、煤層厚度、煤層結構、巖漿活動、煤類、灰分、硫分、發(fā)熱量、有害元素、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)、瓦斯、沖擊地壓、煤塵爆炸性、煤層自燃、地溫。

1.1.2 生態(tài)環(huán)境潛力

生態(tài)環(huán)境潛力條件層包括2項指標，分別是植被與氣候、恢復治理。其下參數(shù)層有5項參數(shù)，分別是地貌條件、植被類型、氣候干旱程度、環(huán)境自身修復能力、礦山環(huán)境恢復治理難易。

1.1.3 開采利用潛力

開采利用潛力條件層包括7項指標，分別是經(jīng)濟消費、建設條件、安全開采、綠色開采、科學管理、生產(chǎn)能力、資源回采。其下參數(shù)層有16項參數(shù)，分別經(jīng)濟區(qū)位、煤炭消費需求、供水水源保障、電力條件、運輸條件、礦井傷亡、事故率、安全技術保障、技術人員數(shù)量及層次、質(zhì)量標準化程度、科技創(chuàng)新能力、實際生產(chǎn)能力、采煤工藝、自動化水平、服務年限、剩余可采儲量、回采率。

1.2 評價因子的權重定量

通過分析各類指標對煤炭資源開發(fā)的影響程度，綜合研究各類參數(shù)的量化，進行科學賦值。主要評價因子按照其范圍、等級，結合最新國家標準或行業(yè)標準等，分別進行權重劃分，詳見圖1。

圖1 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價體系示意圖

各項指標賦值范圍為0～100分?？偟梅衷礁叽碣Y源開發(fā)潛力越高。對評價結果設定四個級別，即綠色優(yōu)先開發(fā)區(qū)(90～100分)，綠色可開發(fā)區(qū)(80～90分)，綠色難開發(fā)區(qū)(70～80分)，非綠色開發(fā)區(qū)(<70分)(表1)。

表1 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價結果分級

2 煤炭資源開發(fā)潛力指標評價及結果

采用綜合指數(shù)評價法，基于煤炭資源潛力開采評價指標體系及其指標權重，根據(jù)補連塔煤礦現(xiàn)狀實際對各評價指標進行賦值，然后對各指標得分進行加權，得出該礦煤炭資源開采綜合評價分值。

2.1 地質(zhì)條件

2.1.1 構造復雜程度、傾角、巖漿活動

礦區(qū)基本構造形態(tài)為一向南西傾斜的單斜構造，巖層傾角1°～3°，局部伴有寬緩的波狀起伏，東部稍有隆起；整體構造復雜程度屬簡單構造類型。區(qū)內(nèi)無巖漿巖活動。

2.1.2 煤層穩(wěn)定性、厚度、結構

礦區(qū)內(nèi)含煤地層為中下侏羅統(tǒng)延安組(J1-2y)，共含1～5個煤組，煤層自然厚度10.65～27.34m，平均19.35m，含煤系數(shù)9.95%。主要可采煤層分別為1-1、1-2、2-2、3-1、4-2上、4-2下、5-2上號煤層，目前礦井主采1-2和2-2煤層，煤層分布及厚度變化見圖2、圖3。可采煤層分布面積廣，可采面積較大，賦存較穩(wěn)定，連續(xù)性較好，厚度變化有一定規(guī)律，結構簡單，不含夾矸或偶含1～3層夾矸。

圖2 補連塔煤礦12煤分布范圍及厚度變化示意圖

圖3 補連塔煤礦22煤分布范圍及厚度變化示意圖

2.2 煤質(zhì)煤類

2.2.1 灰分、發(fā)熱量、硫分、有害元素

各計量煤層原煤灰分平均值(Ad)為6.99%～14.00%，差距較小。1-1和5-2下號煤層屬低灰煤(LA)，其他各煤層屬特低灰煤(ULA)。各煤層浮煤灰分平均值為3.04%～6.44%，差距微小，比原煤降低較多，這表明核實區(qū)各煤層灰分易于洗去。

各可采煤層原煤干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)平均值為27.22～30.74MJ/kg。按原煤干燥基高位發(fā)熱量進行分級，區(qū)內(nèi)各可主要可采煤層均為高發(fā)熱量煤(HQ)。

煤層中硫和有害元素的研究對煤炭開采、煤層氣開發(fā)具有重要意義[4]。各煤層原煤全硫平均值變化為0.32%～1.28%，經(jīng)洗選后，其硫分含量大幅下降，各煤層浮煤平均值變化為0.19%～0.57%。1-2上、1-2上、2-2上、3-1、4-2上和4-2下號煤層原煤為低硫煤(LS),其余煤層均為特低硫煤(SLS)。

各煤層原煤磷分平均含量變化為0.00～0.04%，均以低磷煤為主，特低磷煤次之。

各煤層原煤氯含量平均值變化為0.01%～0.10%，以特低氯煤為主，低氯煤少量。

各煤層原煤氟含量平均值變化為74.10～200μg/g，1-2上和1-2號煤層屬于特低氟煤(SLF)，2-2號煤層屬于低氟煤(LF)。

各煤層中原煤砷含量平均值為0.04～4.04μg/g，1-1號煤層屬于低砷煤(As-2)，其余煤層為特低砷煤(As-1)。

2.2.2 煤類

以浮煤干燥無灰基揮發(fā)分、黏結指數(shù)和透光率作為依據(jù)進行分類，各可采煤層浮煤揮發(fā)分平均為30.70%～35.51%，多數(shù)值在37%以下，煤的黏結指數(shù)為0，透光率80%以上。各煤層屬低—特低灰、中高揮發(fā)分、中—特低硫、低—特低磷、低—特低氯、高發(fā)熱量、化學反應性較強、熱穩(wěn)定性較高、高強度、易磨、較低軟化溫度灰、富油、易選-極易可選、強結渣性、無黏結性的不黏煤。

2.3 開采技術條件

2.3.1 水文及工程條件

水文地質(zhì)勘查類型為第二類、第一型，即以裂隙含水層為主的裂隙充水礦床，直接充水含水層單位涌水量q<0.1L/(s·m)的水文地質(zhì)條件簡單礦床。礦井水文地質(zhì)類型確定為中等類型。

工程地質(zhì)勘查類型劃分為第三類第二型，即層狀巖類工程地質(zhì)條件中等型的礦床。開采后工程地質(zhì)條件未發(fā)生變化，仍為工程地質(zhì)條件中等型。

2.3.2 瓦斯、煤層自燃、爆炸性、地壓、地溫

礦井絕對瓦斯涌出量遠低于40m3/min，屬低瓦斯礦井。煤層具有煤塵爆炸危險性，煤層自燃等級為Ⅰ—Ⅱ級，自燃傾向性為自燃—容易自燃，無沖擊地壓顯現(xiàn)，無地溫異常區(qū)，未發(fā)現(xiàn)天然放射性異常。

2.4 植被與氣候

礦井位于烏蘭木倫河一級階地的西緣，大部分地區(qū)表面為風積沙覆蓋，植被稀少，沿烏蘭木倫河的河谷區(qū)及其支流形成河流堆積類型，西部地形較平坦、開闊，主要為沙漠、灘地；東部梁峁起伏，溝谷密集，主要為黃土丘陵溝壑。礦井范圍內(nèi)多數(shù)地區(qū)呈風沙地貌，被流動沙丘和固定沙丘所覆蓋。

氣候?qū)贉貛Т箨懶园敫珊禋夂?，冬季嚴寒，夏季炎熱，春季多風，秋季涼爽，全年少雨，晝夜溫差大。

2.5 修復與治理

溫帶大陸性半干旱氣候，年降水量為226.40～540.5mm，平均372.4mm，且多集中于7、8、9三個月內(nèi)，結冰期一般為10月初至次年4月底，所以利于植被生長時間較短，植被的再生環(huán)境自我修復能力一般。

水土流失補償費在每年礦井成本中單獨列支，用于環(huán)境治理，每年春季開展植樹造林工程，并配套專用的灌溉系統(tǒng)，保證植被成活率，治理效果明顯，有效改善地表生態(tài)環(huán)境。

2.6 經(jīng)濟消費

伊金霍洛旗立足資源稟賦、產(chǎn)業(yè)基礎和發(fā)展條件，規(guī)劃建設了工業(yè)園區(qū)、物流園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等，形成了煤炭、煤電、煤化工、裝備制造、全域旅游、現(xiàn)代物流等多元發(fā)展、多極支撐的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)新體系，縣域經(jīng)濟實力顯著增強，全國百強縣。烏蘭木倫鎮(zhèn)是國家能源集團煤炭主采區(qū)，共有國家能源集團神東煤炭集團公司、神東天隆公司、神華鄂爾多斯煤制油分公司、國華電廠等國有獨資及股份制企業(yè)26家，工礦企業(yè)較多。

2.7 建設條件

礦井生活用水由礦區(qū)水源統(tǒng)一供給。目前，補連塔礦生活用水主要由考考賴水廠提供。該水廠及凈水廠已經(jīng)建成并投入使用，可凈化周邊礦井井下廢水，能滿足地區(qū)生活用水需要。以往施工的水源井，可作為礦井的備用水源，工業(yè)生產(chǎn)及綠化用水主要為補連塔煤礦礦井水處理后重復利用。

核實區(qū)地面設有35kV變電站5座。南風井35kV變電站主要為主通風機和井下2號變電所供電，補連塔礦工業(yè)廣場35kV變電站主要為工業(yè)廣場、2號主井及井下1號變電所供電，補連塔洗煤廠35kV變電站主要為補連塔洗煤廠和裝車站供電，四盤區(qū)35kV箱變主要為1-2煤5號變電所供電，煤液化35kV變電站主要為井下2-2煤3號變電所和皮帶機頭供電。

伊金霍洛旗地處呼—包—鄂“金三角”區(qū)域，境內(nèi)貫穿有阿大一級公路、包茂高速、包神鐵路、包西鐵路和鄂爾多斯飛機場，已形成集公路、鐵路、航空于一體的立體交通網(wǎng)絡，交通條件便利。

2.8 安全開采

補連塔煤礦堅持以人為本的安全管理理念，深入推進本安型礦井建設，在全國煤炭行業(yè)首家引進推行世界先進的NOSA五星安健安管理體系[9]，并獲得NOSA四星級的煤礦。截至2019年底，安全生產(chǎn)達19周年，是目前神東煤炭集團公司安全生產(chǎn)周期最長礦井。

2.9 生產(chǎn)能力

礦井生產(chǎn)能力核定為28.0Mt/a，2019年實際產(chǎn)量為28.0Mt，是目前世界上單井生產(chǎn)能力最大的井工煤礦。

補連塔煤礦采用平硐、斜井開拓方式，生產(chǎn)布局一井兩面，連續(xù)采煤機掘進，裝備了世界上最先進的大功率采煤機和高阻力液壓支架，采取長臂后退式綜合機械化采，實現(xiàn)主運系統(tǒng)皮帶化，輔助運輸膠輪化，生產(chǎn)系統(tǒng)遠程自動化控制和安全系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)自動化。主運系統(tǒng)部分已實現(xiàn)遠程可視化監(jiān)視、無人值守。2007年建成6.3m大采高工作面，2010年建成7m大采高工作面，2016年底，使用TBM工法施工的補連塔煤礦2號輔運平硐正式投用，2017年世界首個8m大采高工作面在補連塔煤礦建成投產(chǎn)，礦井整體技術裝備水平居于世界先進水平。

2.10 資源回采

該煤礦勘查開發(fā)程度勘探；總資源量約22.7億t，剩余可采儲量19.3億t，剩余服務年限49.1 a。2019年礦井回采率83.11%，補連塔煤礦采區(qū)回采率統(tǒng)計表均遠高出國家標準(表2)。

表2 補連塔煤礦采區(qū)回采率統(tǒng)計表

3 評價結果

綜上，補連塔煤礦的煤炭資源開發(fā)利用潛力綜合評價分值為94.4分(表3)，根據(jù)煤炭資源開發(fā)潛力評價結果，補連塔煤礦評定為一類區(qū)綠色優(yōu)先開發(fā)區(qū)。說明補連塔煤礦屬于資源稟賦潛力高、生態(tài)環(huán)境潛力高、開采利用潛力高的國家綠色優(yōu)先開采礦井。為補連塔煤礦建設現(xiàn)代化、智能化、國際先進水平的綠色特大型礦井提供有力的綜合評價依據(jù)。

表3 補連塔煤礦煤炭資源開發(fā)潛力綜合評分表

4 開發(fā)能力發(fā)展態(tài)勢預測

補連塔井田內(nèi)地質(zhì)構造簡單，資源儲量豐富，開采技術條件優(yōu)越，具備可持續(xù)高產(chǎn)量綠色開采的先天優(yōu)良條件。但隨著礦井淺部優(yōu)質(zhì)煤層資源的逐步開采完畢，未來將進入深部下分層煤層開采，會遇到在采空區(qū)下采煤的各類問題，給開采帶來一定困難，預計補連塔煤礦有10～15a持續(xù)高產(chǎn)量生產(chǎn)的黃金期，之后產(chǎn)量將開始逐漸下滑。為了保證產(chǎn)量需進一步加大開采的技術及成本投入。

礦井開采煤種為長焰煤與不黏煤，屬特低灰—低灰、特低硫—低硫、特低磷—低磷，中高發(fā)熱量煤的優(yōu)質(zhì)動力煤、化工和冶金煤，被譽為“綠色環(huán)保煤炭”。所產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煤炭由國家能源集團統(tǒng)一調(diào)配混煤銷售，產(chǎn)品系列主要為神混系列，神混系列發(fā)熱量16～24MJ/kg，銷售區(qū)域遍布全國，潔凈煤主要銷售區(qū)域為京津冀、華東以及粵港澳地區(qū)的燃煤電廠和燃煤工業(yè)鍋爐。礦井依托國家能源集團煤電路港航一體化運營[10]的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，以及統(tǒng)一運銷的優(yōu)勢，本礦井產(chǎn)煤具有可靠的銷路和較高的經(jīng)濟效益。