110/N00工法原理及關鍵技術進展

何滿潮

(中國礦業大學,北京 102206)

1 煤炭開采面臨的挑戰

為了在文章中充分討論煤炭行業的改進,需要明確目前起統治地位的開采方法以及其中存在的問題。只有以問題為導向,才能推動煤炭行業朝著更加健康、更高效的方向發展。在傳統煤炭開采方法中,占主導地位的是121工法,這個方法最早由英國人于1706年提出,采用的方式是采一塊煤,留一塊煤。具體做法是,采出一塊煤之后,在原煤層中開挖兩條巷道,完成采煤后將巷道封閉,留下一定的煤柱(即安全煤柱);然后再繼續開挖第二塊煤時,同樣需要開挖兩條巷道,并留下新的煤柱,這就是121開采方法。然而,這種方法存在一些問題。首先,巷道的開挖過程及其空頂作業、局部通風和獨頭作業都帶來了一定的危險性。這三個方面都會給巷道開挖作業帶來一定的風險。

目前煤炭發電占主要發電能源的60%,同時具備10%峰值期的調節能力,這再次證明了煤炭在能源領域的重要性。然而,煤炭生產過程中也帶來了一系列問題。

首先是資源浪費。煤炭是一種不可再生的資源,然而在煤炭開采過程中,整體采出率不到50%,去年國家采煤量達到45億t以上,這也意味著去年至少損失了40億t的煤炭資源。按照當前的煤價計算,這40多億t煤炭的損失將對國家的GDP產生很大的影響,相當于扔掉了相應的GDP增長。

第二個問題是安全事故頻發。采煤過程中為何需要開挖大量巷道?需要著重關注采煤的核心問題:是否打巷道對采煤的影響并不大?然而,這些巷道的開挖導致了許多安全事故,造成了人員傷亡和資源浪費。

第三個問題是生態破壞。我們追求的是綠色開采,然而留下大量煤柱、浪費煤炭資源和破壞生態并不符合綠色開采的原則。在煤炭資源的開采過程中,采煤一塊留煤一塊,采出的那塊煤要下沉,而留下的煤柱則阻止了下沉過程。這之間形成了一個強大的剪切撕裂帶,從采煤地點一直撕裂到地表,破壞了整個生態系統。含水層的水以及淺層地下水,這些是生態系統賴以生存的因素,都受到了破壞。全國生態破壞面積目前已達1.47×104km2,而這僅僅是存量,實際上要超過2×104km2。然而,目前的煤炭開采仍在繼續,采用的仍然是121的采煤方法,每年都會留下大量的煤柱。因此,生態破壞問題需要引起高度重視,因為它不僅會影響當前人類的生存,也會對子孫后代產生影響。

2 解決問題的技術思路

解決問題的思路包括安全問題、資源浪費問題和生態問題。需要采取行動來拯救生命、節約資源和保護生態,這是三項重要任務。英國人的先開挖巷道,然后再采礦的方法,在采礦過程中會產生礦壓,導致巷道被毀。巷道是人為開挖的,而礦壓則是采礦過程中產生的。是否可以利用礦壓來打造巷道呢?這需要轉變思路。在采礦過程中產生的礦壓可以被利用,利用部分礦壓來形成巷道空間。這樣就可以實現無需開挖巷道,實現無煤柱開采。110工法是真正的無煤無柱開采方法,不需要留下煤柱,煤炭資源可以多采出10%～15%。同時,回到生態問題,綠色開采的定義變得更廣泛。無煤柱開采可以實現均勻下沉,并保護含水層和潛水含水層。少開挖巷道,多采出煤炭,同時保護生態,需要拋棄過時的方法,創新出適用于自己的方法。需要開啟搶救之旅,拯救生命和生態。

3 110/N00工法原理

采礦過程需要依賴工藝支持和理論基礎。為了能夠對采礦過程進行定量描述,希望能夠以方程的形式表達。在煤炭開采后,覆巖會形成“三帶”結構,分別是垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。通過數學方式對第一帶(垮落帶)進行描述,需要考慮巖石的碎脹特性。同時,覆巖中的彎曲下沉帶會引發地表沉陷,首先獲得沉陷的體積和下沉量,并且這兩者的比值作為第一損傷變量。此外,裂隙帶內所有裂隙的體積與下沉量的比值可以作為第二損傷變量。垮落帶具有一個非常重要的特性,即碎脹特性,碎脹系數表示1 m的物體碎了以后能夠變成1.35 m到1.42 m。然而,要完全充填開采空間,現實情況下可能缺乏足夠的材料。例如,每年采出45億t煤炭資源,就需要45億t的充填材料,并且要就地取材充填到工作面。垮落帶巖石的碎脹特性對于采煤空間的充填非常重要。例如,如果采煤厚度為1 m,頂板垮落后乘以2.6倍系數,可以充填采煤空間;如果采煤厚度為10 m,需要頂板垮落后26 m的頂板充填開采空間。110工法是利用巖石的碎脹特性,將采出量與巖石的碎脹特性相匹配,從而實現無煤無柱自成巷。在相同的理論公式背景下,110工法滿足邊界條件,因此是可解的,而121工法則無法獲得解析解。

110工法通過切頂的方式,即切出冒落帶,使巖石充分碎脹,并盡可能保障碎脹巖石上部的完整巖石。通過掌握巖石的碎脹量和切頂量,應用上述的理論和工藝,可以實現工作面采后留下一條巷道。相比之下, 111工法是指常用的沿空留巷方法,雖然號稱是無煤柱開采,但實際上仍然存在柱子。柱子的存在導致壓力無法完全釋放,并且工作面的快速推進也導致工作面開采速度與柱子建設速度工藝難以匹配。而110工法則是真正實現了無煤無柱開采的方法。110工法通過讓巖石充分碎脹,并創造條件切開頂板,使其碎脹后自行平衡,然后匹配專門的材料,以滿足巷道的留存和使用需求。其主要目的是利用礦壓來保留巷道,并且利用礦壓還可以減少沖擊的發生。

110工法是一種相對重要的工程方法,其最重要的特點在于可以實現N00工法的應用。110工法與傳統的留巷方法有所不同,通過利用碎脹效應來消除沖擊,并在巷道開挖過程中平衡應力分布。可以說,N00工法是110工法發展的一種高級階段。相比之下,111工法和121工法在采煤過程中變得越來越復雜。這些方法在一定程度上存在應力集中,這種應力集中到達一定程度時會變得非常危險,從本質上來說并不安全。而像英國的某些煤礦則采用111工法和121工法,在采煤完成后,巷道會被完全破壞,導致巨大的變形。在這種情況下,錨桿等支護措施根本無法承受巨大的變形和應力。

110工法采用特定設計的110工法錨桿,有效解決了徑縮的問題,實現更加徹底的切割,使煤巖體能夠充分碎脹并填充開采空間。該工法碎脹巖石充填過程中同時形成巷道,從而將煤柱完全采出。110工法的原理是在一個工作面進行開采,同時保留一個巷道,然后再進行下一次開采,無需保留煤柱。傳統的工作面通常需開挖兩條巷道,而使用110工法時,只需開挖一條巷道。這種方法實現了無煤柱的開采,消除了煤柱產生的應力集中和不均勻下沉等問題。關于1GN00工法,即邊界打巷道。這種工法在2016年在陜煤化成功實施。而2GN00工法的目的是去除邊界巷道,因為開挖巷道需要耗費大量人力、物力和財力,并且需要強大的物流系統和交通設施來支持,包括大巷和井底車場的建設。2GN00工法實現了無需開挖巷道的簡化方案,簡化了大巷和井底車場的結構。3GN00工法將進一步改進,實現井下即是工作面的布局,即工作面向前開采,開采完成后留下兩條大巷,實現無煤柱。這種方法將整個礦井簡化為一個工作面。然而,在實施3GN00工法時仍然需要解決通風、瓦斯和自燃等問題。4GN00工法的目標是去除通風系統,通過去除通風系統解決瓦斯問題。要實現這一目標,需要下定決心將工作面整合智能化,實現無人化運營,不再依賴生命支持系統,因此無需通風。在采煤過程中,煤炭被破碎后,其中的氣體得以釋放,產生裂隙并增加負壓,實現了煤氣共采。這樣的礦井才能真正實現本質上的安全,因為無需開挖巷道,不受頂板問題困擾,無需通風,也不受煤層自然變化和瓦斯爆炸的影響。這正是煤礦從業者追求的目標。為了實現這些技術創新,將華為的5G技術引入,將井下設備的信息整合并傳輸到計算機進行信息處理。上述即為這些工法的發展過程以及N00工法的解決方案。

4 110/N00工法關鍵技術

110/N00工法的成功關鍵在于新材料和新技術兩方面的工作。每次發生塌方都與材料有關。早在18世紀進行的材料拉伸實驗中就發現了較小的拉伸會導致徑縮現象。而在所有工程范圍內的產品中,只有3%～5%的應變。在1870年,圣偉南發現了這個問題,并提出了開發無徑縮、不容易斷裂且不會導致塌方問題的材料的想法。煤礦巷道實際上是發生大變形破壞的,為了控制大變形破壞,必須采用能夠具有大變形能力的材料。該團隊花費了19年的時間,開發出了第一代的材料——NPR結構,并在2009年建立了生產線。NPR結構是一種組合了兩種材料的結構,它可以在受拉后發生變粗,從而提高其斷裂強度。NPR材料的第一個特性就是在受拉后可以變粗。另一個問題是能否制造出受拉后不會發生徑縮的鋼材。到2020年,也已經建立了相關的生產線。國外進口鋼材和高強度鋼材受拉后會局部發生變紅,而整體變紅則不會發生徑縮。而能夠整體變紅的就是NPR鋼材。目前,NPR鋼材已經實現了工業化生產。該產品的優勢在于可以隨時計算其達到的強度和吸收的能量。與美國、歐盟和澳大利亞品牌的鋼材相比,NPR材料具有最高的屈服強度,大約是它們的兩倍。而在最大延伸率方面,它們的數值通常是個位數,而NPR鋼材則是兩位數。

第二項技術的關鍵是如何將巖橋消除,并將裂縫切開。在傳統方法中,常常使用兩個鉆孔進行爆破。然而,傳統爆破容易導致裂縫出現三維形態,這樣無法確保鉆孔之間的巖橋被完全消除。因此,需要將這種三維問題壓縮到二維,并在二維空間中實現爆破。采用110工法切開巷道頂板,成功將巖橋消除。這是一種針對巷道支護設計的新工法。通過光爆破,可以將縫隙切開,而且縫隙非常小。通過在兩個裂縫之間成功消除巖橋,實現了巖石的切割。這種光爆破的技術創新使得110工法成為一種有效的巷道支護方法。

2009年誕生的110工法,標志著一項重要的技術突破。隨后,在2016-2017年間,1G110工法的推出進一步提升了該工法的性能。緊接著,2018年出現了2G110工法,以及2020年的3G110工法,這些新的工法不斷改進和完善了110工法的實施方式和效果。展望未來,根據預測,在2023-2024年間很可能會出現4G110工法。這意味著110工法將繼續演進和創新,以更高效和可靠的方式應用于實際工程中。至于是否會出現5G110工法,這需要科研工作者通力合作,共同努力進行技術研究和探索。科研工作者在不斷推動技術的發展過程中起著至關重要的作用。通過深入的研究和實踐,他們可以探索新的工法和技術應用,提高現有工法的性能,并探索潛在的技術創新方向。因此,科研工作者需要加強合作,共享知識和經驗,以促進工法的發展,并為工程領域的進步做出貢獻。

5 110/N00工法技術應用

目前,110工法已經廣泛應用于多個礦井,根據估計,全國大約有300～500個礦井采用該工法。這些礦井包括國營礦井、私營礦井以及一些開采深度達到1 200 m的千米礦井。那么,在采用110工法的過程中到底使用了多少能量呢?110工法一刀的采煤寬度大約為0.86 m,采用五刀操作,則達到了大約4 m的采煤寬度。相比之下,如果采用121工法進行采煤,則所測得的能量將升高。這表示了110工法消耗能量,但同時也意味著110工法能夠有效減輕沖擊的能量。

對于高瓦斯礦井來說,采礦巷道的處理相對較為困難。通常需要進行掘進、抽排、再次掘進和抽排,才能打開巷道,然后再抽排,使工作面能夠回采。而110工法實行采留抽的方式,優勢在于采煤工作面完成后,巷道可以直接被保留下來,無需再進行巷道的拓展工作,從而永遠保留一條巷道用于瓦斯排放。

此外,綜放采煤方法也成功地應用了110工法,在該方法下取得了良好的效果。

千米礦井中的沖擊礦壓一直以來都是一個嚴峻的問題,因此尋找能夠抗沖擊和承受高壓的解決方案一直是迫切的需求。傳統的錨桿錨索方法被應用于這個問題上;而與之相比,NPR錨桿錨索方法在相同沖擊條件下進行了對比研究。在實驗中,首先使用了10 kg的炸藥進行測試,結果表明采用NPR錨桿錨索沒有任何問題。進行了另一組實驗,使用了11 kg的炸藥,并連續進行了10次沖擊。結果顯示,在使用NPR錨桿錨索的情況下,依然沒有出現任何問題。通過這樣的實驗,可以將其視為相當于在地下1 000 m處引爆一顆重達66 000 t的炸藥,炸藥位于距地面2 m處,產生了9 200個重力加速度的沖擊力。NPR錨桿錨索能夠吸收并抵消這9 200個重力加速度。這樣的實驗結果進一步證明了NPR錨桿錨索能夠有效地保護巷道免受沖擊地壓的影響。

由陜煤化集團進行的1GN00研究,采用了一種巖石碎脹壓縮留墻成巷的方法進行處理。以往,這種情況下通常采用頂板再造的方式,但現在巷道幫部的位置也被重新進行了處理。在工作面回采時,不再使用超前支護壓力加強支護的方法,而是通過利用壓力形成一堵墻。這個墻的形成原本是通過碎塊的壓縮形成的。上述描述中提到了有邊界的1GN00和無邊界的2GN00。另外,3GN00是實現整個礦井成為一個工作面,即一個盤區。關于巷道的使用壽命,提到了一個例子是2015年建造的110工法礦井,到目前已經使用了8年的巷道,其中的巷道完全采用了110方法進行建設。現在,該邊界區域的資源已經開采完畢,然后重新開啟了之前封閉的巷道,8年前建造的巷道在使用要求方面仍然良好,能夠滿足需要。

目前全國在110與N00工法方面表現出了很高的積極性,但具體的安全情況如何呢?通過對從1949年到2021年的統計數據的研究可以發現,煤炭產量呈非線性增長,并可分為三個階段:第一階段為1949年至1988年,這段時間里,煤炭產量的增長主要依靠工人的生命來支撐國家的能源事業;第二階段為1988年至2008年,這20年間,煤炭產量增加了一倍,但是百萬噸死亡率的趨勢基本持平甚至略有下降,這說明增加的產量主要靠引進技術實現,缺乏強有力的原始創新技術的支撐;而從2009年到2021年,煤炭產量再次翻了兩倍,然而百萬噸死亡率卻迅速下降。110工法最初在四川實施,對降低百萬噸死亡率做出了巨大貢獻,但對煤炭產量的貢獻較小。現在國家通過發布多項文件,國家知識產權局甚至派遣一位副局長專門負責工法的專利事務,并制定了標準。綜合考慮,可以得出結論,110工法安全高效,其中包括減少巷道數量和降低工人勞動強度。真正的110工法是指無煤無柱的工法,與沿空留巷有所不同,后者仍然存在柱子支撐;而真正的110工法是指不存在煤柱,強調無煤無柱的原因在于它可以過渡到N00工法。110工法的關鍵在于一種新材料和一項新技術。110工法的未來發展是朝著N00工法的無人化礦井方向發展,從而解放工人勞動力,實現煤礦的機械化和全自動化采煤。這將為煤礦帶來幸福和光明的未來。