从20世纪90年代至今,我国井工煤矿开采技术不断进步,取得了突飞猛进的发展,近年来由高产高效逐渐向安全高效转变。
厚煤层开采技术发展
我国井工矿厚煤层开采技术经历了炮采机采综采的发展历程,综采技术也经历了由试验到研发、由研发到升级的转变,20世纪90年代以来,我国煤炭行业实现由建设高产高效矿井向建设安全高效矿井转变,我国厚煤层开采技术也达到国际领先水平。
根据煤层开采的主要工艺不同,对我国30年来厚煤层开采技术的发展历程进行了以下总结。
(一)分层开采技术工艺及装备
20世纪七八十年代,我国厚煤层大多采用分层开采的方式,即先开采上分层(或者第一分层),然后铺设金属网,待形成人工假顶后再开采下一个分层,分层厚度一般为2.5~3.0m,工作面产量普遍为100~200万t/a。如晋煤集团古书院矿缓倾斜6m厚煤层分2层开采,综采工作面产量180万t/a;开滦矿务局唐山煤矿9~11m厚煤层分3~4层开采,综采工作面产量超过100万t/a。
20世纪90年代后,随着厚煤层开采技术发展,特别是高产高效矿井建设和安全管理要求的提高,分层开采存在的巷道掘进量大、材料消耗和动力消耗大、巷道布置和生产系统复杂、对于煤层自然发火难以控制等不足逐步显现,制约了厚煤层开采的高产高效发展,分层开采逐渐被放顶煤开采和一次采全高工艺替代。
进入21世纪后,在特厚煤层开采中,由于受到单层开采厚度限制,也常应用分层开采,但分层厚度较大,基本属于分层放顶煤开采或者分层一次采全高工艺系列,因此分层开采部分不再叙述。
(二)一次采全高技术工艺及装备
我国厚煤层一次采全高工艺是在中厚煤层综采基础上逐步发展起来的。在地质条件与煤层开采条件相对简单的情况下,一次采全高工作面产量一般可达分层开采的1.5~2.5倍,因此得到广泛推广应用。但受综采技术与装备发展的制约,以及应对煤层与开采条件的经验不足,一次采全高综采工作面的最大机采高度均未能突破5.0m。
20世纪90年代,从高产高效矿井要求出发,我国厚煤层开采技术发展主要表现在对工作面主要生产设备进行改造提高和更新换代上,使综采设备在研发制造时更突出强调综采的整体配套性,其典型代表就是“八五”国家攻关项目“日产7000t综采成套设备的研制”。
21世纪初,我国大采高一次采全高技术和装备有了进一步突破,至此,大采高一次采全高工艺有了突飞猛进的发展,成为厚度7m以下厚煤层开采的首选工艺。
近10年来,我国煤炭行业开展了一系列技术攻关,取得了年产千万吨级大采高综采成套技术与装备等一批重大成果,其中厚煤层开采高度突破7m是这个阶段的最大亮点,且开采高度节节攀升,不断刷新世界纪录。
(三)综采放顶煤技术工艺及装备
在总结厚煤层分层开采经验教训的基础上,20世纪八九十年代,我国以阳泉、潞安、兖州等厚煤层矿区为代表,逐步试验应用综采放顶煤工艺。综采放顶煤工艺具有单产高、效率高、成本低、效益好等优势,特别是高产高效成为煤矿扭亏增盈的主要技术措施之一。但试验应用初期由于工艺设备不完善,放顶煤经验不足,也暴露出综放开采采出率普遍偏低,对瓦斯、火、粉尘等安全隐患治理难度大等问题,特别是由于个别企业急功近利地采用综放开采技术,造成一定煤炭资源损失。在此基础上,经过多年不断探索研究,放顶煤技术工艺和设备不断完善,综采放顶煤技术日渐成熟,成为厚煤层开采的重要手段之一,并逐步走向世界。
作为典型代表之一,山东兖矿集团采用国产技术装备,在综采放顶煤发展的20~30年间,放顶煤开采高产高效矿井建设推动了全行业技术进步,也带动了世界开采技术发展。2004年兖矿集团以其先进的防灭火技术和综采放顶煤技术竞标成功,将综放技术引入澳大利亚,建立了采用中国技术的第1个国外综放开采示范基地,使综放开采技术设备走向世界,为世界采矿业做出了贡献。
进入21世纪,综放开采工艺向着“高大上”方向发展,采高加大,采出率提高,单产和工效大大提升。由于受到《煤矿安全规程》中“缓倾斜、倾斜厚煤层的采放比大于1∶3且未经行业专家论证的,严禁采用放顶煤开采”的限制,我国厚度12m以上厚煤层放顶煤开采也受到较大程度制约。因此提高开采高度相应加大放煤高度成为进一步研究攻关方向。经过多年研发,成功攻克了大采高综采放顶煤开采关键技术工艺、“采运支”等主要工作面装备、工作面大断面巷道支护技术和装备、辅助运输设备、大采高安全保障等技术难题。
(四)安全高效现代化矿井建设
4.1高产高效向安全高效矿井的转变
过去的30年间,我国现代化矿井建设由20世纪90年代的“高产高效矿井”,实现了向21世纪“安全高效矿井”的转变。根据1995年原煤炭工业部出台的《关于加快高产高效矿井建设的决定》,高产高效矿井重在“高产”和“高效”,即“依靠科学技术进步,深化改革,挖掘潜力,采用新技术、新装备、新工艺、新材料,实现高度合理集中生产;以提高经济效益为中心,以扭亏增盈为目标,加快高产高效矿井建设”。
2007年,我国从转变煤炭行业发展理念出发,为突出安全第一、安全生产理念,将原“高产高效矿井”建设更名为“安全高效矿井”建设。“安全”替代“高产”,体现了“以人为本”的科学发展观,不仅从产量及效益方面,而且从安全生产、采掘机械化程度、信息化建设和环境保护等方面,对安全高效矿井建设标准提出了更严格和更全面的要求,纠正了单纯依靠高产来达到高效的片面发展思路。
4.2安全高效矿井建设
从20世纪90年代起,按照高产高效向安全高效现代化矿井转变的方向进行建设,我国相继诞生了许多代表世界先进水平的现代化煤矿。
至2000年前后,我国已建成各类高产高效矿井超过100处,极大提高了矿区生产技术程度和单产水平。如神华集团榆家梁煤矿、大柳塔煤矿,兖矿集团兴隆庄煤矿、东滩煤矿等均达到国际领先和先进技术水平,主要技术经济指标创造了新的世界纪录。
在过去的30年间,随着我国设计建设水平的提高,复杂地质条件下深井建设也达到国际领先水平,一批具有世界水平的“一井一面”模式、一次采全高或者综采放顶煤采煤工艺的特大型安全高效现代化矿井相继建设投产。
最近几年来,智能化工作面成功应用并推广,为安全高效矿井建设再上台阶增添羽翼,再次提高了我国安全高效矿井建设领先水平。