煤炭开采技术变革呈现哪些新趋势？

　　井工煤矿开采技术变革成效显著

　　中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家康红普指出，近年来，我国井工煤矿开采技术变革成效显著，建成一批国际先进的现代化大型井工煤矿，形成全球规模最大的煤炭技术与装备研发制造体系，推动煤矿安全生产形势持续稳定好转。

　　“对井工煤矿来说，煤矿开采与岩层控制技术起到核心作用。”康红普表示，影响煤矿开采与岩层控制的关键，在于采煤工艺与装备、采场岩层控制、巷道掘进技术与装备以及巷道围岩控制、岩层采动控制等技术。

　　近年来，康红普及团队提出岩层控制新理念，即应用巷道支护—改性—卸压“三位一体”协同控制理论技术，突破传统单一支护难以控制复杂巷道大变形难题。该技术在千米深井——中煤新集公司口孜东矿软岩强采动巷道进行了验证。数据显示，口孜东矿应用该技术后，回采期间，顶板下沉量减少74.9%，两帮移近量减少72.7%，围岩大变形得到有效控制;锚杆、锚索破断率降低90%，综合经济成本降低23.34%。

　　除长壁综合机械化开采外，综放开采也是我国煤矿实现安全高效开采的主要采煤方法。2024年，我国井工煤矿煤炭产量36亿吨，其中放顶煤产量占20%左右，近7亿吨。

　　我国煤炭主产区——山西、陕西、内蒙古地区的矿井具有特厚煤层+坚硬顶板、大空间采场的开采特征，岩层运动与矿压作用复杂，易造成冲击动力灾害。

　　“坚硬顶板是岩层控制的难点，严重制约安全高效智能开采。”重庆大学教授于斌指出。

　　大同矿区主采煤层厚度20米，是坚硬顶板的典型代表。结合大空间覆岩运移实测及破断特征、大空间采场岩层控制等理论研究，于斌及团队首创煤矿坚硬顶板地面压裂控制技术，通过主动弱化卸压实现坚硬顶板有效控制，构建具有煤矿特色的坚硬顶板地面压裂技术体系，支撑了大同矿区特厚煤层智能高效开采。

　　“特厚煤层是我国高效开采的主体，占比大于50%。随着煤炭资源开发向西部转移，特厚煤层开采科技引领作用突显，发展前景广阔。”于斌表示。

　　中国矿业大学(北京)教授王家臣指出，我国放顶煤技术不断在“三软”厚煤层、坚硬厚煤层、高瓦斯厚煤层、大倾角厚煤层等复杂环境中应用，且能适应的煤层厚度、倾角、顶板条件更广。如今，综放开采呈现出新的发展面貌。

　　“智能放煤技术是实现放顶煤智能开采的核心，但尚无成熟经验可借鉴，属于开创性工作。”王家臣介绍。

　　围绕准确识别后部刮板机上的煤矸、现场实施精准控制的放煤工艺等智能放煤难题，王家臣及团队研发出煤矸智能识别技术，在国家能源集团神东煤炭公司保德煤矿81202工作面等进行了应用。

　　在冲击地压防治方面，西安科技大学教授来兴平及团队研发出钻孔多模态信息采集和顶板全域姿态监测装置，整合超声波、电磁波与光学摄像的探查优势，实现了煤岩变形失稳信息的精准提取。基于此，研发全要素智能矿压感知防冲预警系统、多模态驱动冲击地压智能预警系统、采动围岩失稳泛在智能感知大模型等，实现冲击地压智能感知与预测的信息化。该技术成果助力陕西重点煤企和县域企业成功解放煤炭205万吨。

　　中国矿业大学(北京)教授鞠杨介绍，针对断层滑移型冲击地压难以预测难题，可应用数字光弹法追踪应力波传播过程，直观表现动态应力场演化过程。鞠杨及团队研发了工程扰动下断层巷道围岩动态应力场透明解析实验系统，以皮秒脉冲激光器为光源，采用“高精度触发装置+皮秒级脉冲发生器”的同步控制方案，实现冲击全过程的光弹条纹图像同步采集。这为直观定量揭示动载作用下复杂岩体结构应力传播规律提供了新手段。

　　深部开采研究有新进展

　　如今，我国矿井进入深部开采阶段，最深达1510米。高地应力、高地温、高水压以及强烈开采扰动，导致深井安全高效开采遇到极大挑战，需更新深部极端环境开采方法。

　　武汉大学教授刘泉声表示，深部开采主要灾害为米级大变形，面临深部巷道米级大变形灾变机理认识不清、大变形灾害控制缺乏适用理论及有效技术、缺乏深部大变形灾变环境安全高效成巷技术等难题。

　　对此，刘泉声及团队研发出深部巷道米级大变形监测模拟技术，揭示出碎胀运动机理;研发了深部巷道碎胀大变形灾害分步联合控制理论及成套技术、深部大变形灾变环境下TBM安全高效成巷关键技术等。

　　“以围岩为主体，通过支护与围岩耦合，多重手段分步协同，精准介入扰动应力场和岩石破裂碎胀演化过程，实现围岩控制。”刘泉声表示，系列成果应用于全国40%以上的千米深井，支撑淮南地区顾桥矿、张集矿和望峰岗井等一批千米深井建设，累计应用超过2000千米深部巷道，有效控制了巷道碎胀大变形灾害。

　　中南大学教授李夕兵指出，深部开采面临着深部多相多场耦合环境。应力和构造裂隙下的固、液、气多相耦合，不仅会单独影响围岩稳定性，更与渗流场、热场、化学场等相互耦合，致使原本复杂的岩体结构叠加新的多源不稳定因素。

　　“深部岩体面临高应力+爆破或机械开挖扰动的‘动+静’组合应力状态，深部岩体工程会呈现岩爆、板裂、分区破裂典型破坏模式。常规岩石力学理论与实验方法无法解释深部非常规破坏机制，需对深部岩石破裂特征与前兆规律进行深入认识，实现岩体破坏的前期精准预测。”李夕兵表示。

　　“高效安全的深地开发，需岩体智能识别、智能灾害预警调控与创新型支护技术的深度融合。”李夕兵建议，开展深部开采生产过程与生产系统的无人化研究，实现硬岩开采智能化控制，解决井下采场信息延迟传输难题，寻找适用的智能化开采方法等。

　　徐州工程学院教授张农指出，现有工程条件和应力环境决定了巷道变形破坏不可避免，深部开采巷道掘进和支护需要多样化的技术支持。

　　张农表示，深井巷道矿压呈现岩体参与范围更大、变形破坏速度更快、调整时间更长的特征。浅部围岩锚固体出现结构性滑移流变和整体挤入，呈现出松散联动变形特征。围岩表面呈现波动性累计变形特征，内部表现为分区联动式破坏。

　　“常规的控制思路和支护方法适应性显著降低，需要新型支护——支护工艺与材料的创新。”张农指出。对此，张农及团队研发出以厚层锚固为基础结构的多层连续化加固技术，开发出大规格可接长锚杆与柔性杆体锚杆，使支护强度得到提升。

　　中铝宁夏能源集团王洼煤业公司王洼三矿泥质软岩大断面岩巷多次返修且持续大变形。对此，张农及团队采用了厚锚+三级连续化支护新方案，使其顶板离层发育深度降到3米以浅，围岩变形量减少46%。

　　绿色低碳开采前景可期

　　“煤炭行业发展面临采动损害、固废处理和碳排放三大难题。”中国工程院院士王双明说，采动损害造成资源损失、地质损伤、环境损害;煤基固废堆存量超130亿吨，并以每年超15亿吨的速度增长。存量资源化利用规模小，增量资源化利用层次低;二氧化碳排放总量大，减排任务重。

　　王双明建议，应从煤的减损化开采、废的功能化利用和碳的封存化处置三方面，破解采动损害、固废处理和碳排放难题。

　　“利用煤炭开采形成的地下空间，挖掘煤基固废的资源属性，开发二氧化碳的化学活性，构建减损、减污、降碳技术体系，实现煤炭开采、固废处置、二氧化碳封存协同发展。”王双明说。

　　煤的减损化开采方面，可应用综采架后局部充填、面间煤柱“掘—充—留”一体化等技术;废的功能化利用方面，可应用全固废充填材料制备、固盐骨料制备技术;碳的封存化处置方面，可构建采空区二氧化碳封存空间、创新冒裂区碎涨空间封存技术、研究钻孔封存地质条件、开展富油煤原位热解技术试验、开展深部煤层地下气化技术试验等。

　　国家能源集团教授级高工李全生表示，近年来，煤炭生态开采面临一些问题。理念上，缺少从开采源头最大程度减少对地表生境扰动和损伤的认识，主要表现为重植被轻生态环境的修复方式;缺乏煤炭开采生态损伤传导机理和基于岩层运动精准监测与控制的减损开采基础理论支撑。技术上，矿区“空天地井”多源监测手段协同性不足，基于时空智能决策的生态修复与开采损伤控制技术缺乏，生态修复成本高。

　　“亟需通过科技创新，破解煤炭开发与生态环境保护协调发展的难题。”李全生表示。

　　李全生及团队提出基于煤炭开采损伤传导控制与生态要素系统保护修复相结合的生态保护型开采理念，构建了煤炭井工减损开采技术体系，开展了井工开采损伤模拟与监测，研发了煤矿地下水库安全高效储水的配式楔形坝体构筑技术，创建了多要素、多尺度“空天地井”煤炭开采生态损伤监测体系和“减损开采、立体保护、系统修复”的露天煤矿生态保护型开采理念等。一系列技术已在生态脆弱区21座大型露天煤矿、55座井工煤矿推广应用。

　　中国工程院院士吴爱祥指出，膏体充填是矿山安全绿色开采的重要技术，有助于从源头遏制采空区和尾矿库灾害，使废石不出坑、尾矿不入库、地表不塌陷。

　　吴爱祥介绍，我国煤矿膏体充填典型工艺流程主要为离层注浆膏体充填、综采架后膏体充填、条带式开采膏体充填(连采连充)等模式。近年来，未及时充填(采充失衡)或充填不接顶引发多起矿山事故，而浓度是影响膏体流动性和强度的最重要因素。

　　蒋庄煤矿架后膏体充填项目是山东能源集团首家实现单个充填工作面月产5万吨的矿井。该项目设计年产能60万吨，采用整装式模块化破碎系统、矿山智能充填系统、分体式充填隔离支架。优化后的支架架后通道延长至2.4米，充填注浆期间保持后隔离装置不动，架前可割煤3刀，实现了采、充、支工序平行作业和隔、支、检平行作业。

　　“无人化充填是发展趋势，打造机器人集群和构建远程运维平台是无人化充填发展的核心内容。”吴爱祥指出。

　　中国工程院院士王运敏建议，将大数据、人工智能与资源勘探技术相结合，整合地质、物探等多源数据，通过机器学习构建矿体预测模型，提升勘探成功率。

　　“矿业开采与生态保护不可对立起来，应遵循在发展中保护、在保护中发展的原则，实现绿色低碳与资源开发利用相协调。”王运敏表示。(中国煤炭报)