隨著開采深度的增加，受地質(zhì)構(gòu)造、資源賦存、災(zāi)害耦合等先天條件以及安全管理、生產(chǎn)經(jīng)營等后天因素綜合影響，煤炭企業(yè)幾乎面臨著同一個(gè)難題：煤層復(fù)雜難采的特點(diǎn)愈加明顯。

難點(diǎn)一：巷道如何支護(hù)好?

“深部與復(fù)雜巷道圍巖控制技術(shù)是復(fù)雜難采煤層開采的關(guān)鍵技術(shù)之一，穩(wěn)定、暢通的巷道是實(shí)現(xiàn)安全高效開采的必要條件。”中國工程院院士、中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家康紅普在全國煤礦復(fù)雜難采煤層開采現(xiàn)場會(huì)上指出。

我國煤礦賦存條件復(fù)雜，呈現(xiàn)出“深、軟、碎、沖”四個(gè)特點(diǎn)。“深”即開采深度深;“軟”即軟弱煤巖體，指的是煤層本身強(qiáng)度比較低，巖石遇水易軟化、膨脹，見風(fēng)風(fēng)化，強(qiáng)度進(jìn)一步降低;“碎”即破碎巖體，巖塊強(qiáng)度并不低，但結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體整體強(qiáng)度低;“沖”即具有明顯沖擊傾向性的煤巖體，容易引發(fā)沖擊地壓事故。

“這些特點(diǎn)容易誘發(fā)深部與復(fù)雜巷道圍巖變形，甚至呈現(xiàn)巷道米級大變形，時(shí)效顯著;圍巖強(qiáng)度劣化、膨脹、擴(kuò)容、流變，對應(yīng)力與環(huán)境的變化敏感，可能會(huì)發(fā)生巷道沖擊變形、突然增大、煤巖體拋出等現(xiàn)象。”康紅普表示。

河南能源集團(tuán)最大埋深700米以上的礦井有18處，最大深度達(dá)1018米。部分礦井伴有軟巖、構(gòu)造煤、陷落柱、復(fù)雜斷層等構(gòu)造，或存在“三下”壓煤、近距離突出煤層群等方面的開采難題。

“我們堅(jiān)持以錨網(wǎng)主動(dòng)支護(hù)為主，開展復(fù)雜地質(zhì)條件錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)研究，先后破解了深井高地應(yīng)力弱圍巖巷道、‘三軟’煤層巷道、底分層破碎頂板巷道、大傾角煤層巷道等錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)難題，新掘巷道錨網(wǎng)支護(hù)率達(dá)97%以上。”河南能源集團(tuán)常務(wù)副總經(jīng)理宋錄生表示。

針對偃龍煤田“三軟”煤層支護(hù)難題，河南能源集團(tuán)優(yōu)化形成煤巷“全錨索+U型鋼棚”復(fù)合支護(hù)模式，煤巷長度由150米至180米增加到1000米以上，徹底改變了原“巖巷+分段石門+短煤巷”分段低效開采模式，年巷道返修量減少約3000米，節(jié)約巷修成本2000余萬元。針對厚煤層底分層巷道頂板松軟破碎、穩(wěn)定性差問題，該集團(tuán)采用“超前預(yù)注漿+高強(qiáng)錨索+雙工鋼組合梁”錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)，每米單價(jià)降低3753元。

國家能源集團(tuán)烏海能源公司主采的9號、10號煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組中上部。兩個(gè)煤層為近距離煤層，采取聯(lián)合布置方式，下行分煤層開采。局部兩個(gè)煤層合并。開采10號煤層時(shí)，面臨頂板破碎、采空區(qū)再生頂板、采掘動(dòng)壓相互影響、上部采空區(qū)瓦斯水害等困難。

為保證巷道頂板支護(hù)安全可靠，烏海能源公司把重點(diǎn)放在選擇科學(xué)有效的支護(hù)工藝及裝備上。回采巷道支護(hù)方面，9號煤層與10號煤層間距大于4米時(shí)，采用11號工字鋼梁棚(單腿雙梁)+2米螺紋鋼錨桿+4.3米錨索支護(hù)方式;9號煤層與10號煤層間距小于4米時(shí)，采用11號工字鋼梁棚(雙腿雙梁)支護(hù)方式;頂板破碎區(qū)域采用注漿錨桿、錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù);大斷面切眼(回撤通道)支護(hù)方面，采用預(yù)注加固材料加固頂板，配合“一梁三柱”抬棚+錨桿(索)支護(hù)頂板。

“如今，深部與復(fù)雜巷道圍巖控制難題還未完全解決，需要進(jìn)一步深入研究不同類型深部與復(fù)雜巷道圍巖變形機(jī)理與控制技術(shù)。建議圍繞支護(hù)—改性—卸壓協(xié)同控制機(jī)理，深入研究圍巖及時(shí)封閉材料、高強(qiáng)度高延伸率錨桿錨索、微納米高效注漿材料以及高壓劈裂注漿設(shè)備、大流量水力壓裂裝備等。”康紅普表示。

難點(diǎn)二：開采如何適應(yīng)“深”?

記者從全國煤礦復(fù)雜難采煤層開采現(xiàn)場會(huì)上了解到，我國有47處煤礦開采深度超過1000米，最深1510米(位于山東)。特別是中東部一些老礦區(qū)，淺部資源基本開采完畢，深部開采帶來的突水、瓦斯涌出、支護(hù)、沖擊地壓、高地溫等問題形勢嚴(yán)峻。

“隨著淺部資源不斷枯竭，深部煤炭開采是必然趨勢。”中國工程院院士、安徽理工大學(xué)校長袁亮指出，在深部高應(yīng)力、高滲壓、高地溫的復(fù)雜條件下，低瓦斯礦井逐漸向高突礦井演變，沖擊傾向性逐漸增加。沖擊地壓、煤與瓦斯突出互相誘發(fā)等復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害會(huì)成為主要災(zāi)害。

另外，由淺部開采走向深部開采后，現(xiàn)有適用于淺部煤層群開采災(zāi)害治理的傳統(tǒng)理論和技術(shù)有可能不再適用，甚至被顛覆。

“我們必須思考四個(gè)本質(zhì)問題：深井煤巖非線性行為更加凸顯，災(zāi)害致災(zāi)原理與模型是否仍然適用?高應(yīng)力和高能級災(zāi)害更加凸顯，災(zāi)害防治技術(shù)與裝備是否仍然適用?深井煤巖體多場耦合更加凸顯，災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警手段是否仍然適用?深井巖層移動(dòng)傳導(dǎo)復(fù)雜度凸顯，低損害開采控制技術(shù)是否仍然適用?”袁亮指出。

淮河能源控股集團(tuán)潘二礦于1989年投產(chǎn)，是該集團(tuán)投產(chǎn)時(shí)間最長的礦井。該礦由潘二礦和潘四東礦整合而成，一礦兩井三區(qū)，多水平開采，生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜。該礦已進(jìn)入深部開采階段，具有高承壓水、高瓦斯、高地溫、高地壓、埋深大“四高一大”特點(diǎn)，且煤層自然發(fā)火期短。

“主采的5號、4號、3號、1號煤層均為突出煤層。恒溫帶深度30米，溫度16.8攝氏度，平均每百米增加3.57攝氏度，井下施工地點(diǎn)最高溫度40攝氏度。開采深度逐漸遞增，目前最大埋深已達(dá)700米。”潘二礦礦長姜自亮介紹。

為此，潘二礦構(gòu)建起水害、瓦斯治理、火災(zāi)防治、頂板治理等綜合治理體系。

在水害治理方面，潘二礦構(gòu)建水害治理“四層網(wǎng)”，即三維地震勘探普查、地面區(qū)域超前探查、井下一組灰?guī)r含水層疏水降壓、回采期間進(jìn)行微震監(jiān)測與預(yù)警。如今，該礦地面探查治理已完成7項(xiàng)，治理面積達(dá)3.23平方千米，完成投資3.67億元。

在瓦斯治理方面，潘二礦建立B組煤瓦斯治理模式，即明確首采關(guān)鍵保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)卸壓抽采最大化，并建立保護(hù)層防突與瓦斯治理技術(shù)體系等。同時(shí)，潘二礦建立A組煤瓦斯治理模式，即采取“一面三巷”或“一面四巷”瓦斯治理模式。其中，掘進(jìn)期間，采用底抽巷條帶穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯措施;回采期間，采用頂板走向鉆孔+底抽巷穿層鉆孔+上隅角埋管相結(jié)合的綜合抽采瓦斯措施。

“把井下治理搬到地面來，用超前治理時(shí)間換井下作業(yè)空間，用地面工程換井下安全。”姜自亮表示。

另外，潘二礦采用斷層帶注漿頂板改性、切頂卸壓、煤層注水等工藝治理頂板;采用大傾角剛?cè)崧?lián)合支護(hù)系統(tǒng)治理圍巖;安裝防倒、防滑、防飛矸設(shè)施等。

未來，潘二礦將在水與瓦斯共治創(chuàng)新模式、全方位立體瓦斯治理模式、石門揭煤地面鉆井掏煤減突技術(shù)、智能化打鉆、圍巖攻關(guān)治理方面探索。

袁亮建議，要解決深井高瓦斯煤層群開采災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理及防控理論這個(gè)重大科學(xué)問題，“攻關(guān)深部煤礦瓦斯治理、動(dòng)力災(zāi)害防控技術(shù)與裝備迫在眉睫”。

難點(diǎn)三：災(zāi)害耦合多變怎么辦?

中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長孫守仁在全國煤礦復(fù)雜難采煤層開采現(xiàn)場會(huì)上指出，目前，全國共有災(zāi)害嚴(yán)重的正常生產(chǎn)煤礦1128處(不含高溫?zé)岷妥匀家鬃匀记樾?，薄煤層、傾斜急傾斜、“三下”開采等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造開采應(yīng)有盡有。

冀中能源集團(tuán)在河北境內(nèi)有34處煤礦，水文地質(zhì)類型極復(fù)雜礦井4處、復(fù)雜礦井13處，主要集中在邯邢礦區(qū)，大部分已進(jìn)入深部開采。大采深高承壓水礦井面臨著突水因素復(fù)雜、隱伏小型構(gòu)造及陷落柱探測技術(shù)難度增大、上下組煤開采接近或超過“突水系數(shù)”規(guī)定上限、井下鉆探安全難以保證、淺部礦井防治水理論技術(shù)不能滿足深部開采需要等困難。

冀中能源集團(tuán)原副總工程師蔣勤明表示，該集團(tuán)堅(jiān)持超前主動(dòng)、區(qū)域治理、全面改造、實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立了薄層灰?guī)r治理、煤系基底厚層灰?guī)r治理、多層立體治理的區(qū)域治理基本模式，應(yīng)用長距離定向鉆探技術(shù)、自動(dòng)化多材料注漿系統(tǒng)及注漿改造技術(shù)，形成系統(tǒng)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最大定向分支孔鉆進(jìn)距離達(dá)1800米。

在此基礎(chǔ)上，冀中能源集團(tuán)首次提出底板巖溶水害區(qū)域治理新理念，形成華北型煤田深部開采區(qū)域防治水理論與成套技術(shù)。這套技術(shù)被寫進(jìn)《煤礦防治水細(xì)則》。

山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)公司現(xiàn)有煤礦15處，核定年生產(chǎn)能力2842萬噸，權(quán)屬煤礦災(zāi)害類型復(fù)雜。

魯西礦業(yè)公司總工程師胡兆鋒介紹，該公司成立前，權(quán)屬單位曾發(fā)生過多起事故，其中沖擊地壓事故造成較大影響。因此，該公司建立“1233”沖擊地壓綜合防治模式，即樹牢“辦礦先治災(zāi)”1個(gè)工作總基調(diào);防沖工作的全流程防控、精細(xì)化管理2項(xiàng)機(jī)制;技術(shù)分析、風(fēng)險(xiǎn)研判，精準(zhǔn)監(jiān)控、綜合施策，服務(wù)督導(dǎo)、管控到位3項(xiàng)技能;立足源頭防范、合理采掘布局，杜絕數(shù)據(jù)造假、保障監(jiān)測有效，強(qiáng)化卸壓支護(hù)、提高抗沖能力3大基礎(chǔ)。

“我們通過日分析、周排查、月總結(jié)，建立一體化防沖大數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)、多層次常態(tài)化培訓(xùn)機(jī)制等，有效遏制沖擊地壓事故苗頭。”胡兆鋒表示。自2021年12月魯西礦業(yè)公司成立以來，權(quán)屬煤礦未發(fā)生傷亡事故。

另外，該公司在3處千米以深礦井開展國家煤炭深部安全開采重大災(zāi)害治理(沖擊地壓與圍巖控制)試驗(yàn)工程。今年7月至8月，該公司編制完成千米礦井沖擊地壓與圍巖控制工程試驗(yàn)方案，概算總投資18.8億元。該實(shí)驗(yàn)工程正在籌備實(shí)施。