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★ 本刊特稿 ★

采矿未来
——智能化5G N00矿井建设思考

何满潮1,2 王 琦1,2 吴群英3 王亚军2

(1. 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京市海淀区,100083;2.中国矿业大学(北京)深地空间科学与工程研究院,北京市海淀区,100083;3.陕煤集团陕北矿业公司,陕西省榆林市,719000)

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]

长期以来,我国煤炭井工开采一直以1706年英国人发明的长壁开采121工法为主,即开采1个工作面,需要提前掘进2条巷道,留设1个煤柱。该开采方法本质上是“掘巷道-采煤-毁巷道-留煤柱”的开采体系,存在掘进巷道导致成本居高不下、抵抗矿压导致安全事故频发、留设煤柱导致资源损失严重、煤层采空导致地表生态环境破坏[7-10]等问题。同时,该开采体系存在采煤掘进分离、装备分散管理、矿井整体建设系统复杂[11]等问题,为煤矿智能化建设带来诸多技术难题。

在《中国制造2025—能源装备实施方案》、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等的支撑下,笔者的研究团队历经11年科研技术攻关和工程实践,提出了“切顶短臂梁”理论,在此基础上形成了以切顶卸压自动成巷[12-15]为核心理念的无煤柱自成巷N00工法开采体系(即开采N个工作面,0巷道掘进,0煤柱留设),研发了成套装备系统和配套技术工艺,实现了采煤成巷代替掘巷,可利用矿压留巷消除安全隐患,取消煤柱留设避免资源浪费,平衡开采降低生态损伤。N00工法本质上是一种采-留-用一体化的开采模式,实现了采留一体和装备集约一体化管理,大大降低了矿井建设系统的复杂程度,为智能化配套设计扫除了技术障碍。“智能化+N00工法”的组合,有望突破目前煤炭行业面临的矿井采出率低、采掘接续紧张、巷道安全事故多发等方面的难题,为煤矿未来智能化建设提供了更为可靠的发展方向。

1 N00工法基本原理

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。

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4 N00工法成套装备系统(He,2016)

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)

2 N00工法发展规划

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 1G N00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 2G N00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 3G N00矿井原理示意(He & Wang,2019)

2.4 4G N00矿井

4G N00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。4G N00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。4G N00矿井原理示意如图12所示。

图12 4G N00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5G N00矿井原理示意如图13所示。

图13 智能化5G N00矿井原理示意(He & Wang,2020)

3 N00工法工程实践

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4.1 m。巷道直接顶为粉砂岩,厚度为2.2 m;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3.2 m。试验工作面设计切顶深度为9.0 m,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Φ21.8 mm×10.5 m。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 1G N00工法现场应用效果

4 结论与展望

(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,2G N00工法和3G N00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5G N00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。

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The future of mining——thinking on intelligent 5G N00 mine construction

He Manchao1,2, Wang Qi1,2, Wu Qunying3, Wang Yajun2

(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. Institute for Deep Underground Space Science and Engineering, China University of Mining & Technology-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;3.Northern Shaanxi Mining Co., Ltd., Shaanxi Coal and Chemical Industry Group, Yulin, Shaanxi 719000, China)

Abstract At present, the long-wall 121 mining method, which originates from the UK, is the conventional coal mining method commonly adopted at home and abroad. In other words, while 1 working face is mined, 2 roadways should be tunneled in advance and 1 coal pillar should be set aside. The method had the problems such as mining and tunneling separation and large amount of roadway tunneling, which is easy to cause the mining imbalance of the working face; high strength support is used to resist mine pressure in the tunneling process, which is easy to cause disasters such as roof collapse and impact of ground pressure; coal pillars left during mining are easy to cause uneven surface settlement and environmental harm. In order to solve the above problems, the theory of short cantilever beam was proposed, which took advantage of mine pressure and the crushing and swelling characteristics of caved rocks, cancelled roadway tunneling and retaining coal pillar. In order to shape the N00 mining system of self-formed roadway without coal pillars, i.e. to mine N working faces, 0 roadway tunneling, 0 retaining coal pillars, the core technology matching and integrated mining and retaining equipment were developed. N00 mining method includes five stages (1G~5G). Using the key technology system of mining and retaining integration and intelligent equipment system, it has gradually realized "one side roadway automatic formation and roadway excavation in mining area cancellation (except boundary roadway) → bilateral roadway automatic formation and all roadway driving in mining area cancellation → shaft station simplification and main roadway driving cancellation → mine ventilation cancellation and the change of gas disaster to natural gas resources → double 5G communication technology combination and remote unmanned intelligent mining mode establishment without workers ". Finally, the successful application of 1G N00 mining method in Ningtiaota Coal Mine of Northern Shaanxi Mining Co., Ltd. of Shaanxi Coal and Chemical Industry Group was introduced.

Key words the theory of roof cutting and short cantilever beam, intelligent mine, N00 mining method system, equipment system, engineering practice

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引用格式:何满潮,王琦,吴群英,等. 采矿未来——智能化5G N00矿井建设思考[J].中国煤炭,2019,45(11):1-9.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.001

He Manchao,Wang Qi,Wu Qunying, et al. The future of mining——thinking on intelligent 5G N00 mine construction[J].China Coal,2020,46(11):1-9. doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2020.11.001

基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2016YFC0600900),国家自然科学基金项目 (52074164, 42077267,51904207)

中图分类号 TD823

文献标识码 A

作者简介:何满潮(1956-),男,河南灵宝人,矿山工程岩体力学专家、中国科学院院士、全国政协第十三届委员、阿根廷国家工程院院士、中国矿业大学(北京)教授,兼任中国岩石力学与工程学会理事长、中国矿业科学协同创新联盟理事长、中国矿业知识产权联盟理事长,曾任国际岩石力学学会副主席、教育基金会主席。全国杰出科技人才奖(2016年)、全国创新争先奖(2017年)和何梁何利科技进步奖(2014年)获得者。主要从事矿山岩体大变形灾害控制理论和技术研究,提出了“缓变型”和“突变型”大变形灾害的理论体系,研发了多套大变形灾害机理实验系统,创建了深部岩体力学实验室,形成了无煤柱自成巷110/N00工法技术体系,引领了矿业科学技术第三次革命。曾获国家技术发明二等奖1项,国家科技进步二等奖3项,中国专利金奖1项。E-mail:hemanchao@263.net。

(责任编辑 路 强)