何满朝院士：采矿未来——智能化5G N00矿井建设思考

      摘 要 ：目前,国内外普遍采用的传统采煤方法为源自英国的长壁开采１２１工法体系 (开采１个工作面,需要提前掘进２条巷道,留设１个煤柱),该采煤方法存在采掘分离、巷 道掘进量大以及易造成工作面采掘失衡等问题;在掘进过程中,采用高强支护对抗矿山压 力,易造成冒顶、冲击地压等灾害事故;在开采过程中,留设煤柱不仅浪费宝贵的煤炭资源, 而且易造成地表不均匀沉降和生态环境损伤.为了解决上述问题,笔者提出了 “切顶短臂梁” 理论,利用矿山压力做功与垮落矸石碎胀特性,取消巷道掘进与煤柱留设.研发了配套核心技 术与采留一体化装备,形成了无煤柱自成巷 N00工法开采体系 (开采 N 个工作面,０巷道掘 进,０煤柱留设).N00工法发展包括５个阶段 (1G N00工法~5G N00矿井),利用采留一体 化关键技术工艺体系和智能化装备系统,逐步实现 “单侧自动成巷,取消采区回采巷道掘进→ 双侧自动成巷,取消采区准备巷道掘进→简化井底车场,取消大巷掘进→取消矿井通风,将瓦 斯灾害变为天然气资源→融合双５G通讯技术,创建远程无人化智慧采矿模式”.同时,笔者还 介绍了无煤柱自成巷1G N00工法在陕煤集团陕北矿业柠条塔煤矿的成功应用. 

      关键词：切顶短臂梁理论 智能化矿井 N00工法开采体系 装备体系 工程实践

        煤炭是我国的主体能源[１],２０１９年我国煤炭产 量为３７.５亿t[２],在我国一次能源消费结构中占比 ５７.７％,在能源安全中起到了 “压舱石”作用[３]. 党的十九大报告指出:“我国经济已由高速增长阶段 转向高质量发展阶段”[４];国家发改委、国家能源 局、应急管理部等８个部门联合发布的 «关于关于 加快煤 矿 智 能 化 发 展 的 指 导 意 见» (发 改 能 源 [２０２０]２８３号)指出,“煤矿智能化是煤炭工业高质 量发展的核心技术支撑”[５].加快煤矿智能化发展, 建设智慧煤矿是煤炭工业的战略方向[６].

１.１ 现行采煤方法分析

       在传统留设煤柱的１２１工法体系[１６－１７]中,开 采１个工作面需要经历掘巷道、采煤、毁巷道、留 煤柱等主要过程.在此过程中,尤其在深部复杂条 件下,伴 生 出 了 诸 多 问 题[１８－１９], 如 巷 道 掘 进 量 大[２０]、采掘失衡、围岩大变形[２１]、冒顶[２２]、冲击 地压[２３]等灾害频发,煤柱留设造成资源浪费[２４]和 地表不均匀沉降[２５]等.究其原因,主要是在该工 法体系中,采用传统高强度支护对抗矿山压力,且 长臂梁结构的巷道顶板岩层回转下沉时还会造成支 护体系破断失效[２６],同时会对留设的煤柱造成应 力集中[２７],严重影响煤矿的安全生产.１２１工法巷 道顶板结构示意如图１所示.

图１ 121工法巷道顶板结构示意 

       在采 煤 工 法 发 展 的 过 程 中, 沿 空 留 巷 技 术(１１１工法,即 １ 个 工 作 面,提 前 掘 进 １ 条 巷 道, 留设１个充填体柱)[２８－２９]利用充填体代替了煤柱并 进行留巷,取消了煤柱留设与一半的巷道掘进.但 该方法未能改变上覆岩层的传力结构,依然存在由 于剧烈矿山压力导致的充填体应力集中、支护构件 破断失效等问题[３０－３１].

１.２ “切顶短臂梁”理论模型 

       经过对上述开采问题的长期探索,笔者提出了 将对抗矿山压力转变为利用矿山压力,并利用垮落 岩体碎胀特性充填地下空间的新思路,从而消减矿 山压力引起的煤矿灾害.在此基础上,于２００９年 建立了 “切顶短臂梁”理论模型[３２]如图２所示. 

       在该模型中,首先采用高预应力恒阻锚索支护 技术[３３]对巷道顶板进行控制,使得巷道顶板与其 上方基本顶形成整体结构,保证采矿活动过程中巷 道顶板围岩的稳定.同时,采用顶板定向切缝技 术[３４]切断部 分 顶 板 应 力 传 递,形 成 短 臂 梁 结 构, 利用矿山压力实现采空区顶板岩层的定向垮落.利 用垮落矸石的碎胀特性充填采空区支撑上位顶板,在采矿形成的地下空间内形成矸石巷帮.另外,采 用挡矸支护技术[３５]对矸石巷帮进行维护,实现自 动形成巷道. 

       基于 “切顶短臂梁”理论及其关键技术,笔者 于２００９ 年 提 出 了 切 顶 卸 压 无 煤 柱 自 成 巷 １１０ 工 法[３６－３８],取消了一半回采巷道掘进,实现了无煤 柱开采,并在全国各类复杂条件矿井中进行了成功 应用[３９－４３].２０１６年,笔者进一步提出了无煤柱自 成巷 N００工法[４４－４６],可实现无巷道掘进.采矿工 法１２１-１１１-１１０-N００的历史演变如图３所示.

图２ “切顶短臂梁”理论模型 (He,２００９)

图３ 采矿工法１２１ １１１ １１０ N００的历史演变

１.３ N００配套装备系统 

       N００工法通过改进采煤三机之间的配套方式, 实现了采掘一体化的生产模式.利用全新功能设计 的成巷四机装备系统,实现了采后自动成巷,并将其保留为下一工作面服务.在 N００工法配套装备 的协同作用下,形成了采留一体化的开采模式,实 现了自动成巷与无煤柱开采.N００工法成套装备系 统如图４所示.

图４ N００工法成套装备系统 (He,２０１６)

１.３.１ 采煤三机配套装备体系 

       基于无煤柱自成巷 N００工法原理,为了完成 工作面前方无巷道采煤,需改进采煤机系统、刮板 输送机系统、支架系统,并对采煤三机装备系统进行全新配套设计,增大采煤机系统割煤距离与空 间,突破采煤机超越刮板机割巷、可伸缩式挡煤和 铲煤等系列关键技术,从而实现采煤和巷道掘进一 体化.采煤三机配套装备体系如图５所示.

图５ 采煤三机配套装备体系 (He,２０１６)

１.３.２ 成巷四机联动装备体系 

       为了实现 N００工法高效切顶与自动成巷,研 发了由 N００ 切缝钻机、N００ 恒阻锚索钻机、N００ 多功能钻机支架和 N００切顶护帮支架成套核心装 备组成的 N００工法成巷四机装备系统,实现成巷 装备系统和采煤装备系统的一体化.研制的 N００ 切缝钻机突破了多孔同时钻进、多方位动态调整的 关键技术,实现了多孔同面、高效切缝;研制的 N００恒阻锚 索 钻 机 可 实 现 NPR 恒 阻 锚 索 高 效 安 装,及时进行高预应力主动支护,保证巷道在矸石 垮落过程中的安全稳定;研制的 N００多功能钻机 支架为搭载切缝钻机、锚索钻机与泵站的一体化智 能平台,可实现成巷装备与工作面装备同步行走和 协同作业,同时具有采空区封闭与矸石防冲功能;研制的 N００切顶护帮支架具有工作阻力高、增阻 速度快、让压性能优等特点,可保证切顶后顶板的 稳定性,并兼具挡矸防冲功能.成巷四机联动装备 体系如图６所示.

图６ 成巷四机联动装备体系 (He,２０１６)

１.３.３ N００工法配套装备协同工艺 

       为了实现采留一体化作业,提出了无煤柱自成 巷 N００工法技术工艺体系,包括 N００工法采煤三 机和成巷四机协同配套技术.N００工法采煤三机配 套技术突破了传统采煤机系统仅能割透工作面内侧 煤壁,需提前掘进巷道为刮板机系统提供布置空间 的技术难题,利用 N００工法采煤三机装备系统间 的协同配套,采煤机系统可割出巷道空间,无需提 前掘巷.利用该技术割出的巷道边界为弧形巷帮, 能够有效改善围岩受力状态,减少边角应力集中,有利于抵抗巷帮拉应力破坏.同时,为了解决 N００ 工法采煤三机割出巷道空间的安全保留与自动成巷 难题,提出无煤柱自成巷 N００工法成巷四机配套 技术,主要包括以下关键技术:一是 NPR 恒阻锚 索支护技术,该技术可实现锚索的高预应力施加, 有效控制采出巷道空间顶板变形,并具有可靠的防 冲特性;二是顶板定向切缝技术,该技术可有效切断采空区顶板与巷道顶板间的应力传递,使巷道在 一定范围内的顶板形成短臂梁结构;三是散体帮挡 矸护帮技术,该技术对碎石巷帮进行挡矸支护,保 证矸石按照设计位置有序垮落;四是动压承载支护 技术,该技术对动压区顶板进行临时支护,保证动 压影响期间的巷道稳定.N００工法总体配套装备协 同工艺如图７所示.

图７ N００工法总体配套装备协同工艺 (He,２０１６)

       为了实现我国煤矿智能化发展,在无煤柱自成 巷开采技术的基础上,制定了智能化 N００工法的 发展规划,提出智能化５G N００矿井的构想,具体 分５个步骤实施.N００工法发展规划如图８所示.

图８ N００工法发展规划 (He,２０１６)

２.１ １G N００工法 

      １G N００工法利用采留一体化关键技术工艺体 系和装备系统,利用矿山压力做功,利用部分垮落 岩体和岩体自身碎胀特性,实现工作面单侧自动成 巷,取消采区内的巷道掘进 (边界巷道除外),并 实现采区内无煤柱留设.创建利用自然和利用矿压 自动成巷的新方法,１G N００工法原理示意如图９ 所示.

图９ １GN００工法原理示意 (He,２０１６)

２.２ ２G N００工法

       在１G N００工法的基础上,形成无煤柱自成巷 ２G N００ 工 法,通 过 配 套 装 备 系 统 和 技 术 工 艺 体 系,实现工作面双侧自动成巷,取消采区内全部巷 道掘进,建立采 留 用一体化的开采体系,为智能 化 N００矿井奠定基础.２G N００工法原理示意如图 １０所示.

图１０ ２GN００工法原理示意 (He& Wang,２０１８)

２.３ ３G N００矿井 

       ３G N００矿井将无煤柱自成巷采留一体化开采 工艺应用到矿井设计,提出利用采煤留出运输系统 和通风系统的新理念,并且简化井底车场、井下变 电所、井下水泵房设计,从而大幅简化矿井建设, 降低了矿井前期工程量;同时,取消大巷掘进和煤 柱留设,实现基本取消巷道掘进,煤炭采出率提高 到８０％以上.３G N００矿井原理示意如图１１所示.

图１１ ３GN００矿井原理示意 (He& Wang,２０１９)

２.４ ４G N００矿井 

       ４GN００矿井将采用智能化平台实现矿井智能化 控制,矿井智能化控制实现以后,煤矿正常生产期 间不再需要人员下井工作,必要时工人佩戴个人安 全防护设备进行短时间井下作业,因此可取消矿井 通风.在没有通风的情况下,瓦斯不会爆炸且可变 为气体资源.在开采高瓦斯煤层的同时,利用一定 的技术手段,可以实现固体煤炭资源和天然气资源 智能化、自动化的同步开采.４GN００智能化矿井可 结束长壁开采必须通风的历史,把瓦斯灾害转变为 天然气资源.４GN００矿井原理示意如图１２所示.

图１２ ４GN００矿井原理示意 (He& Wang,２０２０

２.５ ５G N００矿井 

      在煤、气共采４G N００智能化矿井体系的基础 上,加大单个模块智能化系统建设,开发５G N００ ＋双５G 通信智能化系统,构建智能化的采煤装备 布局新模式.通过结合双５G 网络,简化生产系统 与综合控制系统的智能化矿山,实现 “一个中心”全矿井智能化控制、自动采煤、智能决策.待矿井 实现智能化、无人化以后,通过建立采矿大数据、 云计算和智能控制中心,通信网络可覆盖多个矿 井,最终实现共网传输、集中控制、智能决策、远 程智慧采矿.智能化５GN００矿井原理示意如图１３ 所示.

图１３ 智能化５GN００矿井原理示意 (He& Wang,２０２０)

       在２０１６年９月到２０１９年１１月期间,无煤柱 自成巷１G N００工法现已在陕煤集团陕北矿业柠条塔煤矿S１２０１ II工作面得到了成功应用.该工作 面倾向长度为２８０ m,走向长度为２３４４ m,煤层 倾角 近 水 平, 埋 深 为 ９０~１６５ m, 平 均 厚 度 为 ４􀆰１m.巷道直接顶为粉砂岩,厚度为２􀆰２m;基 本顶为中粒砂岩,厚度为１７􀆰２ m;直接底为粉砂 岩,厚 度 为 １６􀆰３ m;老 底 为 细 粒 砂 岩, 厚 度 为 ３􀆰２m.试验工作面设计切顶深度为９􀆰０m,角度 为１５°.顶板采用 NPR 高预应力恒阻锚索进行支 护,锚索参数为Φ２１􀆰８mm×１０􀆰５m.采空区侧矸 石巷帮采用 “切顶护帮支架＋可伸缩 U 型钢＋挡 矸网”联合支护. 

       １G N００工法的成功应用,开创了采煤与掘进 一体化的开采模式,实现了自动成巷与无煤柱开 采,取得了良好的巷道围岩控制效果,确保了工作 面连续、安全、高效开采,为２G N００工法到５G N００矿井的智能化发展之路奠定了良好的基础.目 前,陕煤集团陕北矿业公司在１G N００工法的基础 上正在开展２G N００工法试验.１G N００工法现场 应用效果如图１４所示.

图１４ １GN００工法现场应用效果

       (１)针对传统长壁开采１２１工法存在的问题, 提出了 “切顶短臂梁”理论,形成了切顶卸压无煤 柱自成巷 N００工法,研发了 N００采煤三机、成巷 四机等核心装备和工艺.在此基础上,提出了１G N００工法直至 ５G N００ 矿 井 的 发 展 规 划,为 智 能 化、无人化矿井建设提供了新的思路. 

       (２)无煤柱自成巷１G N００ 工法在陕煤集团陕 北矿业柠条塔煤矿的成功应用,验证了无煤柱、无 掘巷的 “采留一体化”开采模式,随着配套技术、 装备、材料的进一步升级,２GN００工法和３GN００矿井目前已进入工业化试验阶段,有力推动了无煤 柱自成巷 N００工法智能化发展进程. 

       (３)无煤柱自成巷５GN００矿井是 N００工法的 最终目标,通过５G N００＋双５G 通信融合构建智 能化采煤装备布局新模式,有望彻底取消全矿井通 风系统,建立煤、气共采智能化矿山,最终实现整 个矿井的智能化、无人化.

来源：中国煤炭