王家臣

(中國礦業(yè)大學(xué),北京 102206)

1 煤炭科學(xué)開采的概念

基于長期的研究和實踐經(jīng)驗,2000年,錢鳴高院士正式提出了煤礦綠色開采的理念和技術(shù)框架。這一思想的提出,是基于當(dāng)時我國煤炭產(chǎn)量迅速增長的背景,這種增長導(dǎo)致環(huán)境安全問題變得極為突出,并對環(huán)境造成了負面影響,同時也影響了整個行業(yè)形象。在此背景下,綠色開采的概念逐漸形成,同時隨之而來的是煤炭科學(xué)開采的倡導(dǎo)。經(jīng)過近20多年的研究和工程實踐,我國在煤礦綠色開采領(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)用和實踐。這些技術(shù)的應(yīng)用為煤炭開采行業(yè)帶來了蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。

2 煤炭科學(xué)開采的重要組成部分

1)安全是煤炭科學(xué)開采的重要內(nèi)容之一。在過去,我國煤礦事故的死亡率持續(xù)偏高,百萬噸死亡率約為2.8。經(jīng)過不懈努力,到2022年,這一數(shù)字已降低到0.07,這意味著我國的煤礦安全水平基本與世界先進國家持平,略低于美國和澳大利亞。然而,值得注意的是,美國、澳大利亞和我國在煤炭資源開采方式上存在差異,因此必須清楚考慮到這些實際條件。

2)實現(xiàn)煤炭開采機械化和自動化十分重要。在早期,煤礦開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)計數(shù)據(jù),全國范圍內(nèi)智能化采掘工作面數(shù)量約為1 200～1 300個,采煤工作面約為1 040個。

3)提高煤炭資源采出率也是煤炭科學(xué)開采的關(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)資源的綜合開采。此外,還應(yīng)考慮環(huán)境和水資源的承載能力,避免過度開發(fā)。

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

5)需要關(guān)注整個礦井的全生命周期設(shè)計和開發(fā)利用,包括廢棄的礦井資源。目前已提出許多設(shè)想,但廢棄礦井的實際利用除了管控方面的措施外,發(fā)展高端實際業(yè)績?nèi)悦媾R困難。德國在2018年關(guān)閉了最后一個礦井,這并不是因為德國不再使用煤炭,而是因為取消了德國礦工的補貼,該舉措是根據(jù)歐盟的規(guī)定強制執(zhí)行的。在取消補貼后,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,德國目前仍有大約6個露天礦,產(chǎn)量超過10億t。在生產(chǎn)過程中,應(yīng)該學(xué)習(xí)先進的技術(shù)和經(jīng)驗,但需要注意的是,個人認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)開采可視為一個經(jīng)濟體,其中開采必須具有盈利能力,因為企業(yè)無法從事非盈利的活動。企業(yè)的根本目的是為國家交納稅收,因此所有企業(yè)都需要盈利,并且還需要提供就業(yè)機會。此外,企業(yè)還有社會責(zé)任,不能僅僅是開采礦產(chǎn),使得整個地區(qū)遭受破壞,導(dǎo)致工人失去工作。在開采過程中,還需要考慮資源的合理利用,并進行環(huán)境再造工作,以確保環(huán)境得到保護和修復(fù)。如果開采能夠保持有效,同時也能保證環(huán)境的可持續(xù)性,那么企業(yè)就能獲得經(jīng)濟效益。

在煤炭科學(xué)開采的發(fā)展過程中,有一些重要的事件和貢獻。例如,錢院士在2000年提出了綠色開采的概念之后,在2006年提出了科學(xué)開采的概念,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。在進行科學(xué)開采時,除了技術(shù)和實踐的發(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)生沒有關(guān)注這個領(lǐng)域,推動該領(lǐng)域的發(fā)展就會變得困難。

3 煤炭科學(xué)開采理論的基礎(chǔ)支撐

支撐煤炭科學(xué)開采需要依賴科學(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)開采著作。綠色開采逐漸發(fā)展演變?yōu)榭茖W(xué)開采。在中國,其主要涉及到一些理念、法規(guī)和人類社會的和諧環(huán)境,并側(cè)重于支撐技術(shù)。在國外,并沒有使用“科學(xué)開采”這個術(shù)語,而更常用的是“可持續(xù)開采”。可持續(xù)開采關(guān)注的重點更加強調(diào)社會群體利益、安全資源和法律法規(guī)等概念。

3.1 煤炭開采面臨的問題

關(guān)于礦井水的再利用問題,國家也在進行相關(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進入飲用水中。目前,對這個問題的關(guān)注程度還不夠,因為礦井水是有毒的。這可以類比于在家里使用沙子過濾水的早期情況,過濾后的水看起來很干凈,但是如果將沙子攪動一下,會發(fā)現(xiàn)里面都是銹跡,這意味著實際上水質(zhì)并未達到標(biāo)準(zhǔn)。

開采過程引起的巖層移動會帶來一系列問題,包括地面塌陷和河流斷流等負面影響。開采導(dǎo)致巖層周圍被破壞,頂板逐層塌落到地表,目前越來越關(guān)注底板的破壞情況。在實際的理論問題中,涉及到巖體裂隙的產(chǎn)生和擴張、斷層的活化以及水系統(tǒng)的變化。與此同時,開采還會帶來沖擊地壓、煤與瓦斯突出、破壞含水層以及地面植被等問題。在綠色開采中,含水層的保護至關(guān)重要。如果能夠保護好含水層,上面的植被就可以生長。但是,如果潛水位太低,植物的毛細作用就無法供水,從而無法生長。因此,在綠色開采的理念中,保護含水層是核心任務(wù)。保護含水層的關(guān)鍵在于巖層的運動問題,也就是巖層的位移和變形。

3.2 砌體梁理論

巖層運動引起的相關(guān)問題是否存在一種理論來解釋呢?在20世紀初,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動和壓力的。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)對巖層運動進行了定量描述。

砌體梁理論最早應(yīng)用于1982年在英國的一次長壁開采中,用于研究長壁開采的運動特征和資源控制。隨后,該理論獲得了全球范圍內(nèi)的認可。砌體梁經(jīng)典模型描述了工作面向前開采過程中的三個區(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。因此,當(dāng)?shù)谝粋€鉆孔打入時,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,而是因為釋放速率較慢導(dǎo)致的。石油開采也面臨類似的問題,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。利用卸壓方法進行大面積開采時,可以將開采過程劃分為從下至上的三個帶,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,從而形成三個鉸接點構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)實際上是結(jié)構(gòu)力學(xué)中最簡單的一種形式,由三個鉸接點和兩根曲桿構(gòu)成,在水平力受到固定約束的情況下,該結(jié)構(gòu)能夠承受來自上方的力。隨著工作面的持續(xù)推進,可能會發(fā)生破壞,使結(jié)構(gòu)變?yōu)槿齻€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)在表面上看起來像是梁,但實際上是一個承載結(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?錢院士通過測量計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,針對每個梁的后角節(jié)點先進行力矩平衡,再對前角節(jié)點進行力矩平衡,從而建立了整體砌體梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程,通過這個力學(xué)方程進行求解,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,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,工作面后方首先形成裂縫,然后裂縫向兩側(cè)擴展,并最終形成中間相連的“OX”形狀破斷。另外,采場支架的結(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)合綠色開采和保水開采的概念,提出了關(guān)鍵層理論。關(guān)鍵層在實際上早已有相關(guān)研究,針對第一層關(guān)鍵層,后來又涉及到地面問題,因此研究者開始考慮每一層巖層的關(guān)鍵性。關(guān)鍵層指的是對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動,則稱之為亞關(guān)鍵層。在該理論基礎(chǔ)上,進一步開展了相關(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采等問題提供了研究基礎(chǔ)。

巖層的結(jié)構(gòu)和埋深對巖層移動規(guī)律有重要影響。在深埋的薄基巖中,埋深可達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有離層的情況下,砌體梁失穩(wěn)時也會對直接頂產(chǎn)生沖擊,這種沖擊通過直接頂傳遞到支架中,因此需要使用動態(tài)的計算方法來進行分析。支架的設(shè)計既要考慮控制老頂?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題。通常認為工作面前方的支撐壓力呈單峰分布,但實際情況是,在工作面過長的情況下,支撐壓力會分成幾個峰值。同時,頂板的破斷也會發(fā)生分區(qū)現(xiàn)象,可能在中間某個位置發(fā)生破斷并向內(nèi)遷移,這樣會形成一種拱和巖梁組合的特殊結(jié)構(gòu)。針對該現(xiàn)象進行了實驗,并結(jié)合數(shù)據(jù)、模擬和大量現(xiàn)場觀測進行驗證,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)力會集中。無論原先的低應(yīng)力和工作面之間的方向如何,在工作面推進過程中,這些應(yīng)力會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。煤礦巖石破壞的核心問題是偏應(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的煤層也能夠進行放頂煤開采。

4 煤炭科學(xué)開采的技術(shù)支撐

支撐科學(xué)開采的關(guān)鍵技術(shù)之一是放頂煤開采,這已經(jīng)成為國家煤礦開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)會發(fā)生變異,因此面臨著變異問題。國家在采高方面經(jīng)歷了從3.5 m到現(xiàn)在的8.8 m,以及前段時間的10 m支架和實際采煤機的發(fā)展。此外,還有巷道和空間過渡的臺階以及工作面的自動化問題。自動化的難點在于識別、定位不準(zhǔn)確,自動調(diào)整值經(jīng)常需要人工干預(yù)。另外一個非常重要的問題是頂煤放出,頂煤放煤往往是采高的3倍水平,分段情況下可達8倍。考慮到這么大的數(shù)量,如果放置不當(dāng),損失也會非常巨大。因此,本人在2009年開始帶領(lǐng)團隊專注于圖像識別方法的研究。早期使用聲音、紅外,現(xiàn)在使用高光譜等技術(shù)。在過去幾年的國家自然科學(xué)基金項目的研究中,認識到存在的問題并提出了模擬人眼技術(shù)。這項技術(shù)已經(jīng)在多個礦井開始應(yīng)用,團隊研發(fā)了一套圖像采集系統(tǒng)。另外,針對后續(xù)放煤過程中的一個重要問題,即多輪放煤的控制。由于工人無法完全控制多輪放煤過程,團隊研發(fā)了一種頂煤運營時間儀器。例如,在2 min處進行操作,隨后將該裝置與智能系統(tǒng)結(jié)合,實現(xiàn)多輪放煤的均勻進行。

充填開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,并且充填的方式通常是在工作面長壁進行。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采、地下水庫的技術(shù),在神東地區(qū)進行了研究。在地面保水方面,主要研究上方是否存在隔水層,并通過調(diào)整工作過程來實現(xiàn)。此外,還存在環(huán)境問題,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展。