億噸級老礦區科學開采及轉型發展探索

郭金剛

(晉能控股集團有限公司，山西省大同市，037001)

0 引言

煤炭是我國能源安全的基石，是“碳達峰、碳中和”目標下的兜底能源和基礎原料，2020年煤炭在一次能源消費結構中占比為56.8%，在今后較長的歷史時期內，煤炭仍將對我國經濟社會發展發揮重要作用。煤炭老礦區為國家發展做出了重大的歷史性貢獻，目前，全國主要煤礦區已進入老齡化開采階段[1]，開采年限在40 a以上的老礦區占80%以上，煤炭老礦區的發展受到黨和國家的高度重視。傳統煤炭老礦區面臨單井規模小、作業人員多、生產效率低、資源回收率低、整體效益差、可采煤炭資源儲量不斷減少、部分礦井面臨枯竭、礦區環境破壞嚴重、地表和地下廢棄空間資源利用率低、礦井現代化和智能化程度低、礦井智能化改造難度大以及老礦區如何實現可持續發展等一系列重大技術難題[1-3]。

大同老礦區是全國著名的老礦區，礦區侏羅和石炭“雙系”可采煤層多達13層(侏羅系7層，石炭系有6層)，經百余年開采，礦區淺部開采侏羅系的15座老礦井面臨資源枯竭困境，“雙系”可采煤層13層，由于高強度開采及煤柱應力疊加，存在強礦壓問題，煤柱留設大，煤炭資源浪費嚴重；在上部多層采空區下開采，受上部采空區水氣下泄的影響，存在安全風險；由于存在長期開采、環境損壞嚴重以及欠賬過多等問題，廢棄空間得不到有效利用；傳統的煤炭產業單一，煤系伴生礦物得不到綜合開發利用，礦區綜合效益差[4-5]。

針對大同老礦區面臨的諸多難題，開展了高效開采、高回收率開采、“雙系”安全同采、智能化綜放開采等關鍵技術的研究與攻關，建成了千萬噸級礦井集群、實現了新老礦井協同共生、延伸了產業鏈、發展了新能源產業、有效利用了煤系伴生物及廢棄地下空間，完成了老礦區由粗放型小煤礦生產向集約型現代化大型礦井的轉型。

1 大同老礦區科學開采與實踐

針對大同老礦區資源稟賦特點和開發難題，創建了非映射開采、“雙系”煤層動態規劃等理論和方法，研發了小煤柱控制、水氣下泄和強礦壓治理、智能化綜放等完整的老礦區科學開采關鍵技術，以技術創新引領大同億噸級老礦區科學發展。

1.1 “雙系”煤層非映射開采新模式

為了實現大同老礦區可持續發展和千萬噸級現代化礦井建設的雙重目標，提出了“雙系”煤層非映射開采理念[6]。映射開采是以原有侏羅系煤層開采礦井為基礎，直接將生產系統向石炭系煤層延伸的傳統開發模式；非映射開采是突破了上部煤層開采邊界的限制，充分考慮“雙系”資源分布特征，合理儲量配比，科學開拓布局，保留現有老礦井生產系統進行延伸剝離石炭系上部的中厚煤層、石炭系煤田邊緣以及獨立塊段資源，實行就地延伸老礦井或改建為千萬噸級新礦井，石炭系特厚煤層新建千萬噸礦井集群，研發了特厚煤層綜放開采技術及裝備，最大限度地發揮了特厚煤層稟賦優勢，為在石炭系建大礦、集約化開發提供了重要的理論和技術支撐。大同老礦區千萬噸級礦井建設路徑示意圖如圖1所示。

圖1 大同老礦區千萬噸級礦井建設路徑示意圖

1.2 特厚煤層強礦壓治理技術

大同老礦區侏羅系和石炭系煤層間距150～200 m，由于歷史原因，侏羅系煤層群開采后遺留有大量的煤柱，當石炭系特厚煤層大空間回采至侏羅系煤柱下，煤柱應力沿底板傳遞可能引發強礦壓風險，基于此，分析了“雙系”煤層賦存及開采特征，結合現場微震監測和模擬試驗研究，揭示了特厚煤層堅硬覆巖強礦壓發生機理[7-8]，發現了多層煤柱疊加形成的應力集中是靜載強化條件，高位關鍵層結構失穩是動載主控因素，構建了大空間開采強礦壓的“動-靜”組合作用力學模型和基于能量法的煤柱下“動-靜”載荷計算方法。采用地面定向鉆孔壓裂遠采場頂板關鍵層，弱化了能量釋放強度；研制KLJ7型礦用智能鏈臂鋸切頂機切割近采場頂板技術，開創了機械裝備井下快速切頂、開槽卸壓的先河，推動了工作面切頂工藝由“打眼爆破切頂”向“機械精準切頂”轉變，形成了遠、近采場協同弱化頂板關鍵層的強礦壓治理技術模式[9]。KLJ7型礦用智能鏈臂鋸切頂作業如圖2所示。

圖2 KLJ7型礦用智能鏈臂鋸切頂作業

1.3 特厚煤層小煤柱控制技術

大同老礦區下組石炭系3-5號煤層厚度為8～25 m，特厚煤層高強度開采動壓強烈，傳統的區段巷道煤柱留設為38～45 m，即便如此寬的大煤柱，在側向支承壓力與強開采動壓的綜合作用下，礦壓顯現仍十分強烈，巷道變形破壞嚴重。為此，2012年成立了以原同煤集團總經理為組長的課題組，深入研究區段巷道的合理布置問題，課題組研究揭示了特厚煤層高強度開采與工作面周邊應力場、位移場與巷道穩定性的關系，提出了基于采場礦壓理論的小煤柱代替大煤柱的解決方案，建立了特厚煤層小煤柱控制理論體系，為特厚煤層高強度強礦壓問題的解決找到了科學的技術路徑。

針對特厚煤層高強度開采覆巖移動特點[10-11]，提出了特厚煤層綜放工作面端部倒三角弱結構理論模型，揭示了綜放大空間開采工作面端部應力降低的力學機制，研究了隨著采空區穩定時間的增加，應力場不斷演化，采空區邊緣處于塑性狀態的范圍逐漸增大。小煤柱及沿空巷道可布置在采空區側向應力降低區內，為特厚煤層小煤柱沿空掘巷參數設計提供了理論基礎。特厚煤層采空區穩定后端部結構如圖3所示，上區段采空區穩定后側向支承壓力分布與小煤柱沿空巷道位置示意圖如圖4所示。

圖3 特厚煤層采空區穩定后端部結構

圖4 上區段采空區穩定后側向支承壓力分布與小煤柱沿空巷道位置示意圖

創新了特厚煤層綜放工作面小煤柱沿空巷道圍巖協同控制理論與技術[12-13]。針對煤層厚度為8～25 m的特厚煤層“全塑性區-全煤”巷道圍巖控制難題，提出了錨桿加固巷道淺部二次破碎區，形成淺層連續承載結構體，錨索則是將淺層錨固結構與深部三向受力狀態的穩定煤體錨固形成較大范圍的連續穩定承載結構體，從而形成雙層連續穩定承載結構。基于沿空塑性區全煤巷道圍巖雙層連續穩定承載結構，建立了以高預緊力、高強度“錨-網-索”支護為基礎的巷道圍巖控制技術體系。雙層連續穩定承載結構如圖5所示。

研發了特厚煤層小煤柱巷道水力切頂卸壓技術及裝備，研發了小煤柱沿空巷道井下水砂兩相流切頂卸壓關鍵技術及高壓水力切頂自動化成套裝備，解決了堅硬頂板條件下沿空巷道變形劇烈的圍巖控制難題，大幅提高了小煤柱技術的適用性。

特厚煤層小煤柱控制技術在原同煤集團得到全面推廣應用，取得了良好的技術經濟和社會效益。通過特厚煤層小煤柱控制技術的研究和應用，大同老礦區煤柱留設寬度由傳統的38～45 m縮小到3～6 m，同時建立了錨網索支護、小煤柱開采等企業技術標準。截止2020年，大同老礦區采用小煤柱技術已開采106個工作面，多采出煤炭1 193.84萬t，增收42.4億元。晉能控股集團2021年計劃實施小煤柱工作面113個，預計多回采煤炭903萬t，增收31.79億元。2015-2020年大同老礦區小煤柱應用統計如圖6所示。

圖6 2015-2020年大同老礦區小煤柱應用統計

1.4 特厚煤層智能化放煤技術

創建了基于“人-機-環”多元信息融合的智能放煤方法[14]。根據大同老礦區特厚煤層綜放特征，將人工放煤經驗通過系統分析、歸納、整理，形成放煤模式數據庫，同步整合智能化工作面外部環境信息(包括煤層賦存、頂板壓力、頂煤冒放性等)和智能反饋信息(包括刮板輸送機負載、支架姿態、瓦斯含量等)等平臺，按工作面條件和位置等匹配放煤模式，形成了特厚煤層綜放工作面“人-機-環”多源信息協同的智能放煤技術。特厚煤層綜放工作面“人-機-環”多源數據信息庫結構如圖7所示。

圖7 特厚煤層綜放工作面“人-機-環”多源數據信息庫結構

基于智能放煤方法及放煤工藝決策模型，開發了智能放煤控制軟件，主要包括多元信息數據采集模塊、自動放煤工藝決策模塊、放煤口控制參數計算模塊、后部刮板運輸機過載停機預判模塊、支架移架到位判斷模塊、放煤工藝實時監測與前端顯示模塊、參數設置模塊等。智能化放煤監控軟件界面如圖8所示。

圖8 智能化放煤監控軟件界面

智能化放煤技術在塔山煤礦、同忻煤礦等得到成功應用。塔山煤礦82222智能化綜放工作面實現單產1 500萬t/a；同忻煤礦8202智能化綜放工作面較相鄰普通綜放工作面同在1 900 m采位時，多回采原煤130萬t，回收率提高9.9%，創造利潤近1.5億元；每班減少工人5名，每年可節省人力成本108萬元。

1.5 多重老空區水氣下泄治理技術

研究解決了威脅石炭系特厚煤層安全開采的上部侏羅系老空水、有害氣體下泄問題。研究發現特厚煤層綜放面開采后，上部高位關鍵層破斷形成的主破裂面是水氣下泄致災通道[15]，復合關鍵層滲流失穩是水氣下泄致災主控因素，建立了水氣下泄判別準則，為水氣下泄災害防治提供理論依據。創立了水氣下泄“探-疏-堵”全空間綜合治理技術。“地面-井下”半空間發射、全空間接收的侏羅系多重采空區積水瞬變電磁探測技術，突破了傳統單一空間探測的技術瓶頸，探測準確率由53%提高至72%；建立了新老礦井、地面井下雙協同的老空水疏放技術[16]，累計疏放侏羅系老空積水750萬m3；采用地面注漿封堵水氣下泄主破裂通道，有效防止了水氣下泄的致災風險。

2 大同老礦區轉型路徑和目標

2.1 建設千萬噸級礦井集群

根據大同“兩系”煤層資源分布特征和大同老礦區礦井規模小、礦井系統復雜等特征，研究提出了非映射開采的理念和方法，新建、改造了10座千萬噸級礦井。新建了5座礦井，包括馬道頭煤礦1 600萬t/a、麻家梁煤礦1 200萬t/a、東周窯煤礦1 000萬t/a、北辛窯煤礦800萬t/a、色連煤礦800萬t/a；改造了5座礦井，包括塔山煤礦由1 500萬t/a改建至3 000萬t/a(世界最大的單井口井工礦井)、同忻煤礦由800萬t/a改建至2 000萬t/a、鐵峰煤礦由600萬t/a改建至1 200萬t/a、馬脊梁煤礦由500萬t/a改建至1 000萬t/a、燕子山煤礦由400萬t/a改建至800萬t/a。上述10座礦井新增產能9 600萬t/a，通過“建大礦”，保證了大同老礦區的高質量發展。

2.2 老礦井有序向石炭系煤層延深

根據非映射開采模式的原理及方法，將侏羅系15座老礦井中的11座向石炭系煤層延深，開采3-5號煤上方的煤層。動態規劃老礦井與新建礦井的銜接關系，采用老礦井原有的生產系統，有序延伸開采石炭系上部煤層，使有可能造成“蹬空”的3個煤層6億t的煤炭資源全部得到開采，既解放了大型現代化礦井的壓覆資源，又延長了老礦井的壽命。其中，11座老礦井的服務年限延長25 a以上，采出煤炭將達215億t。改造前虧損達42億，改造后2020年實現盈虧平衡，礦區產能由8 000萬t提升至2億t，保證了大同老礦區正常接續和可持續發展。同時，保住了老礦區4.5萬名煤礦職工的工作，保障了礦區的社會安全穩定。

2.3 發展煤電產業，延伸煤炭產業鏈

加大煤炭關聯產業發展，延伸煤炭產業鏈，打通了石炭系動力煤的內部消化渠道，平衡了市場波動風險。通過自主建設、合并整合等模式，形成了高度融合的“煤-電”一體化產業鏈。截至2020年底，累計新建16個火電項目，火電裝機容量由2012年的314萬kW提升到2020年的1 764萬kW，電力板塊每年盈利16億元以上。

2.4 修復采煤沉陷區，發展新能源產業

基于多煤層重復采動的地表沉陷規律，修復采煤沉陷地建設光電、風電等新能源項目。截止到2020年，大同老礦區修復生態面積達到345萬m2，新建光伏項目34個、風電項目5個，新能源裝機由2012年的5萬kW提升至2020年的225萬kW，發電量為25.91億kW·h/a，每年減排二氧化碳330萬t，二氧化硫2.5萬t，氮氧化物1.1萬t。塔山煤礦沉陷區光伏產業基地如圖9所示。

圖9 塔山煤礦沉陷區光伏產業基地

2.5 煤系伴生物資源化利用

充分利用煤炭開采過程中排出的煤矸石中的伴生石灰石、石英砂巖(或砂巖)、粉煤灰和鐵礦粉等原料，建成了日產4 500 t的新型干法水泥熟料生產線。

研制了大型內熱式回轉煅燒窯及高濃度濕法超細磨等高嶺巖深加工技術與裝備，建成單生產線年產能5萬t的超細超白煅燒高嶺土深加工系統，將煤系伴生高嶺石資源進行深加工，伴生資源利用率達95%，產品規格達到國際領先水平。

2.6 廢棄礦井空間資源利用

創新利用侏羅系關停礦井廢棄地下空間，開發亞洲首個井下探秘游景區。研發了基于井巷結構損傷精細測定的加固維護技術，保持并利用關停礦井遺留井巷結構，搭建井下采掘系統展示、過程體驗的科普實訓基地，實現礦業和地質文化科普教育與直觀體驗。

創新了廢棄網狀巷道動態儲水與利用技術，實現“雙系”新老礦井水資源的高效儲存與循環利用。基于采掘礦壓影響下的巷道圍巖時效漸進破壞規律，構建了巷道圍巖防水與擋水壩體穩控關鍵技術，科學整合“雙系”新老礦井網狀廢棄巷道，集中凈化儲存與動態利用礦井水。

首創了基于煤礦廢棄巷道的壓縮空氣儲能電站，保證了煤礦廢棄資源再利用和能源安全儲備。將總長度7 500 m、容量90 000 m3的煤礦井下廢棄巷道進行密封作為儲氣庫，搭建規模100 MW×4 h的零排放壓縮空氣儲能系統，實現年發電利用小時數約1 328 h，發電量約1.3億kW·h/a。

采煤廢跡地景觀重構及生態修復，建成了首批國家級礦山公園。攻克了新型粉煤灰復合材料注漿、分層覆土等工程修復技術，研發了植生袋防滲漏、菌根復墾等植物修復技術，形成了采煤塌陷地、矸石堆排場等廢跡地的生態治理系列技術。基于生態學-景觀學-經濟學-工程學理論，進行采礦廢跡地開發利用與景觀重構，融合礦山遺跡景觀和云岡石窟自然旅游資源，建成了國家級礦山公園，極大改善了礦區生態環境。

3 晉能控股集團轉型發展展望

3.1 集團概況

2020年9月29日，山西省委省政府決定聯合重組同煤集團、晉煤集團和晉能集團，同步整合潞安集團、華陽新材料、焦煤集團的部分煤礦、電廠和裝備制造廠以及轉制改企后的中國(太原)煤炭交易中心，形成了重組后的晉能控股集團。聯合重組后的晉能控股集團，實行“板塊化、市場化、專業化”的大集團格局，形成以煤炭、電力、裝備制造為主業，物流貿易為輔業的“三主一輔”產業體系。通過科學開采技術的研發和轉型路徑的探索，原同煤集團煤炭產能突破2億t，電力裝機容量近2 000萬kW，新能源裝機225萬kW，實現了成功轉型。重組后，晉能控股集團資產規模達到1.14萬億元，職工總數達47.3萬人，煤炭產能約4.4億t，電力裝機3 814萬kW，裝備制造資產總額367億元，形成了以煤炭、電力、裝備制造為主業，物流貿易為輔業的“三主一輔”產業體系。2020年，晉能控股集團完成商品煤產量3.04億t，銷量4.2億t，營業收入達4 718億元，利潤77億元。

3.2 “十四五”展望

面對“十四五”期間的機遇與挑戰，晉能控股集團踐行“創新、綠色、卓越、高效”的發展理念，制訂了“55266”戰略目標，即：商品煤突破5億t，電力裝機達到5 000萬kW，裝備制造產值達200億元以上，營業總收入達6 000億元以上，利稅達600億元以上。在煤炭產業方面，“上大壓小”建大礦，提高單產水平，單井規模不小于100萬t，礦井總數控制在150個以內。在電力產業方面，火電上大容量、高參數、有點對點市場、有效益的項目，逐步淘汰裝機容量在30萬kW以下的電廠；大力發展新能源，新能源裝機達到2 000萬kW。在裝備制造方面，要立足煤機，發展智能制造、高端制造和再制造。

3.3 “十五五”展望

展望“十五五”，晉能控股集團做出了“68511”的戰略規劃，實現商品煤突破6億t，電力裝機達到8 000萬kW，裝備制造產值達到500億元以上，營業總收入達到1萬億元以上，利稅達到1 000億元以上。煤炭產業要進一步調整煤礦規模和數量，單井規模不小于300萬t，礦井總數控制在100座以內。

進一步推動智能化減人提效，300萬t/a級礦井，職工總數不超過300人；500萬t/a級礦井，職工總數不超過500人；1 000萬t/a及以上礦井，職工總數不超過1 000人。電力裝機容量要達到8 000萬kW，其中新能源裝機容量達到5 000萬kW，火電裝機容量達到3 000萬kW。同時，60萬kW以下火電機組全部淘汰。裝備制造走高端化、智能化、效益化、市場化的路子。高端制造、智能制造、再制造的噸位和產值占比達到50%以上。

4 結語

大同老礦區結合自身特點，堅持科學開采，創新發展新模式，探索出了具有大同特色的轉型發展之路，破解了礦區接續、產業單一、人員安置、生態治理的難題，激發了老礦區活力、造福了老礦區煤礦職工，走出了一條獨具特色的大同老礦區高質量轉型發展之路。

在大同老礦區歷史與晉能控股集團充滿生機的現實節點上，晉能控股集團將深度融入國家能源發展戰略新格局，加快培育新發展動能，建設現代化產業體系，打造國際一流的能源集團，為實現“碳達峰、碳中和”奮斗目標做出積極貢獻。