聚焦复杂难采 深化改革创新 奋力推动煤炭工业高质量发展

随着开采深度的增加，受地质构造、资源赋存、灾害耦合等先天条件以及安全管理、生产经营等后天因素综合影响，煤炭企业几乎面临着同一个难题：煤层复杂难采的特点愈加明显。

难点一：巷道如何支护好?

“深部与复杂巷道围岩控制技术是复杂难采煤层开采的关键技术之一，稳定、畅通的巷道是实现安全高效开采的必要条件。”中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家康红普在全国煤矿复杂难采煤层开采现场会上指出。

我国煤矿赋存条件复杂，呈现出“深、软、碎、冲”四个特点。“深”即开采深度深;“软”即软弱煤岩体，指的是煤层本身强度比较低，岩石遇水易软化、膨胀，见风风化，强度进一步降低;“碎”即破碎岩体，岩块强度并不低，但结构面发育，岩体整体强度低;“冲”即具有明显冲击倾向性的煤岩体，容易引发冲击地压事故。

“这些特点容易诱发深部与复杂巷道围岩变形，甚至呈现巷道米级大变形，时效显著;围岩强度劣化、膨胀、扩容、流变，对应力与环境的变化敏感，可能会发生巷道冲击变形、突然增大、煤岩体抛出等现象。”康红普表示。

河南能源集团最大埋深700米以上的矿井有18处，最大深度达1018米。部分矿井伴有软岩、构造煤、陷落柱、复杂断层等构造，或存在“三下”压煤、近距离突出煤层群等方面的开采难题。

“我们坚持以锚网主动支护为主，开展复杂地质条件锚网支护技术研究，先后破解了深井高地应力弱围岩巷道、‘三软’煤层巷道、底分层破碎顶板巷道、大倾角煤层巷道等锚网支护技术难题，新掘巷道锚网支护率达97%以上。”河南能源集团常务副总经理宋录生表示。

针对偃龙煤田“三软”煤层支护难题，河南能源集团优化形成煤巷“全锚索+U型钢棚”复合支护模式，煤巷长度由150米至180米增加到1000米以上，彻底改变了原“岩巷+分段石门+短煤巷”分段低效开采模式，年巷道返修量减少约3000米，节约巷修成本2000余万元。针对厚煤层底分层巷道顶板松软破碎、稳定性差问题，该集团采用“超前预注浆+高强锚索+双工钢组合梁”锚网索支护技术，每米单价降低3753元。

国家能源集团乌海能源公司主采的9号、10号煤层位于石炭系上统太原组中上部。两个煤层为近距离煤层，采取联合布置方式，下行分煤层开采。局部两个煤层合并。开采10号煤层时，面临顶板破碎、采空区再生顶板、采掘动压相互影响、上部采空区瓦斯水害等困难。

为保证巷道顶板支护安全可靠，乌海能源公司把重点放在选择科学有效的支护工艺及装备上。回采巷道支护方面，9号煤层与10号煤层间距大于4米时，采用11号工字钢梁棚(单腿双梁)+2米螺纹钢锚杆+4.3米锚索支护方式;9号煤层与10号煤层间距小于4米时，采用11号工字钢梁棚(双腿双梁)支护方式;顶板破碎区域采用注浆锚杆、锚索进行加强支护;大断面切眼(回撤通道)支护方面，采用预注加固材料加固顶板，配合“一梁三柱”抬棚+锚杆(索)支护顶板。

“如今，深部与复杂巷道围岩控制难题还未完全解决，需要进一步深入研究不同类型深部与复杂巷道围岩变形机理与控制技术。建议围绕支护—改性—卸压协同控制机理，深入研究围岩及时封闭材料、高强度高延伸率锚杆锚索、微纳米高效注浆材料以及高压劈裂注浆设备、大流量水力压裂装备等。”康红普表示。

难点二：开采如何适应“深”?

记者从全国煤矿复杂难采煤层开采现场会上了解到，我国有47处煤矿开采深度超过1000米，最深1510米(位于山东)。特别是中东部一些老矿区，浅部资源基本开采完毕，深部开采带来的突水、瓦斯涌出、支护、冲击地压、高地温等问题形势严峻。

“随着浅部资源不断枯竭，深部煤炭开采是必然趋势。”中国工程院院士、安徽理工大学校长袁亮指出，在深部高应力、高渗压、高地温的复杂条件下，低瓦斯矿井逐渐向高突矿井演变，冲击倾向性逐渐增加。冲击地压、煤与瓦斯突出互相诱发等复合动力灾害会成为主要灾害。

另外，由浅部开采走向深部开采后，现有适用于浅部煤层群开采灾害治理的传统理论和技术有可能不再适用，甚至被颠覆。

“我们必须思考四个本质问题：深井煤岩非线性行为更加凸显，灾害致灾原理与模型是否仍然适用?高应力和高能级灾害更加凸显，灾害防治技术与装备是否仍然适用?深井煤岩体多场耦合更加凸显，灾害监测与预警手段是否仍然适用?深井岩层移动传导复杂度凸显，低损害开采控制技术是否仍然适用?”袁亮指出。

淮河能源控股集团潘二矿于1989年投产，是该集团投产时间最长的矿井。该矿由潘二矿和潘四东矿整合而成，一矿两井三区，多水平开采，生产系统复杂。该矿已进入深部开采阶段，具有高承压水、高瓦斯、高地温、高地压、埋深大“四高一大”特点，且煤层自然发火期短。

“主采的5号、4号、3号、1号煤层均为突出煤层。恒温带深度30米，温度16.8摄氏度，平均每百米增加3.57摄氏度，井下施工地点最高温度40摄氏度。开采深度逐渐递增，目前最大埋深已达700米。”潘二矿矿长姜自亮介绍。

为此，潘二矿构建起水害、瓦斯治理、火灾防治、顶板治理等综合治理体系。

在水害治理方面，潘二矿构建水害治理“四层网”，即三维地震勘探普查、地面区域超前探查、井下一组灰岩含水层疏水降压、回采期间进行微震监测与预警。如今，该矿地面探查治理已完成7项，治理面积达3.23平方千米，完成投资3.67亿元。

在瓦斯治理方面，潘二矿建立B组煤瓦斯治理模式，即明确首采关键保护层，实现卸压抽采最大化，并建立保护层防突与瓦斯治理技术体系等。同时，潘二矿建立A组煤瓦斯治理模式，即采取“一面三巷”或“一面四巷”瓦斯治理模式。其中，掘进期间，采用底抽巷条带穿层钻孔预抽煤层瓦斯措施;回采期间，采用顶板走向钻孔+底抽巷穿层钻孔+上隅角埋管相结合的综合抽采瓦斯措施。

“把井下治理搬到地面来，用超前治理时间换井下作业空间，用地面工程换井下安全。”姜自亮表示。

另外，潘二矿采用断层带注浆顶板改性、切顶卸压、煤层注水等工艺治理顶板;采用大倾角刚柔联合支护系统治理围岩;安装防倒、防滑、防飞矸设施等。

未来，潘二矿将在水与瓦斯共治创新模式、全方位立体瓦斯治理模式、石门揭煤地面钻井掏煤减突技术、智能化打钻、围岩攻关治理方面探索。

袁亮建议，要解决深井高瓦斯煤层群开采灾害致灾机理及防控理论这个重大科学问题，“攻关深部煤矿瓦斯治理、动力灾害防控技术与装备迫在眉睫”。

难点三：灾害耦合多变怎么办?

中国煤炭工业协会副会长孙守仁在全国煤矿复杂难采煤层开采现场会上指出，目前，全国共有灾害严重的正常生产煤矿1128处(不含高温热害和自燃易自燃情形)，薄煤层、倾斜急倾斜、“三下”开采等复杂地质构造开采应有尽有。

冀中能源集团在河北境内有34处煤矿，水文地质类型极复杂矿井4处、复杂矿井13处，主要集中在邯邢矿区，大部分已进入深部开采。大采深高承压水矿井面临着突水因素复杂、隐伏小型构造及陷落柱探测技术难度增大、上下组煤开采接近或超过“突水系数”规定上限、井下钻探安全难以保证、浅部矿井防治水理论技术不能满足深部开采需要等困难。

冀中能源集团原副总工程师蒋勤明表示，该集团坚持超前主动、区域治理、全面改造、实时监控，建立了薄层灰岩治理、煤系基底厚层灰岩治理、多层立体治理的区域治理基本模式，应用长距离定向钻探技术、自动化多材料注浆系统及注浆改造技术，形成系统化技术标准，最大定向分支孔钻进距离达1800米。

在此基础上，冀中能源集团首次提出底板岩溶水害区域治理新理念，形成华北型煤田深部开采区域防治水理论与成套技术。这套技术被写进《煤矿防治水细则》。

山东能源集团鲁西矿业公司现有煤矿15处，核定年生产能力2842万吨，权属煤矿灾害类型复杂。

鲁西矿业公司总工程师胡兆锋介绍，该公司成立前，权属单位曾发生过多起事故，其中冲击地压事故造成较大影响。因此，该公司建立“1233”冲击地压综合防治模式，即树牢“办矿先治灾”1个工作总基调;防冲工作的全流程防控、精细化管理2项机制;技术分析、风险研判，精准监控、综合施策，服务督导、管控到位3项技能;立足源头防范、合理采掘布局，杜绝数据造假、保障监测有效，强化卸压支护、提高抗冲能力3大基础。

“我们通过日分析、周排查、月总结，建立一体化防冲大数据监管平台、多层次常态化培训机制等，有效遏制冲击地压事故苗头。”胡兆锋表示。自2021年12月鲁西矿业公司成立以来，权属煤矿未发生伤亡事故。

另外，该公司在3处千米以深矿井开展国家煤炭深部安全开采重大灾害治理(冲击地压与围岩控制)试验工程。今年7月至8月，该公司编制完成千米矿井冲击地压与围岩控制工程试验方案，概算总投资18.8亿元。该实验工程正在筹备实施。