我國(guó)采礦與巖層控制技術(shù)有何新變化？深部開(kāi)采研究有何新進(jìn)展？綠色開(kāi)采方面有何新理念？日前召開(kāi)的第一屆全國(guó)采礦與巖層控制學(xué)術(shù)大會(huì)上，專家學(xué)者聚焦礦山安全綠色開(kāi)采、智能發(fā)展等話題展開(kāi)熱烈研討。

井工煤礦開(kāi)采技術(shù)變革成效顯著

中國(guó)工程院院士、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家康紅普指出，近年來(lái)，我國(guó)井工煤礦開(kāi)采技術(shù)變革成效顯著，建成一批國(guó)際先進(jìn)的現(xiàn)代化大型井工煤礦，形成全球規(guī)模最大的煤炭技術(shù)與裝備研發(fā)制造體系，推動(dòng)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)。

“對(duì)井工煤礦來(lái)說(shuō)，煤礦開(kāi)采與巖層控制技術(shù)起到核心作用?！笨导t普表示，影響煤礦開(kāi)采與巖層控制的關(guān)鍵，在于采煤工藝與裝備、采場(chǎng)巖層控制、巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備以及巷道圍巖控制、巖層采動(dòng)控制等技術(shù)。

近年來(lái)，康紅普及團(tuán)隊(duì)提出巖層控制新理念，即應(yīng)用巷道支護(hù)—改性—卸壓“三位一體”協(xié)同控制理論技術(shù)，突破傳統(tǒng)單一支護(hù)難以控制復(fù)雜巷道大變形難題。該技術(shù)在千米深井——中煤新集公司口孜東礦軟巖強(qiáng)采動(dòng)巷道進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)據(jù)顯示，口孜東礦應(yīng)用該技術(shù)后，回采期間，頂板下沉量減少74.9%，兩幫移近量減少72.7%，圍巖大變形得到有效控制；錨桿、錨索破斷率降低90%，綜合經(jīng)濟(jì)成本降低23.34%。

除長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開(kāi)采外，綜放開(kāi)采也是我國(guó)煤礦實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采的主要采煤方法。2024年，我國(guó)井工煤礦煤炭產(chǎn)量36億噸，其中放頂煤產(chǎn)量占20%左右，近7億噸。

我國(guó)煤炭主產(chǎn)區(qū)——山西、陜西、內(nèi)蒙古地區(qū)的礦井具有特厚煤層+堅(jiān)硬頂板、大空間采場(chǎng)的開(kāi)采特征，巖層運(yùn)動(dòng)與礦壓作用復(fù)雜，易造成沖擊動(dòng)力災(zāi)害。

“堅(jiān)硬頂板是巖層控制的難點(diǎn)，嚴(yán)重制約安全高效智能開(kāi)采?！敝貞c大學(xué)教授于斌指出。

大同礦區(qū)主采煤層厚度20米，是堅(jiān)硬頂板的典型代表。結(jié)合大空間覆巖運(yùn)移實(shí)測(cè)及破斷特征、大空間采場(chǎng)巖層控制等理論研究，于斌及團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)煤礦堅(jiān)硬頂板地面壓裂控制技術(shù)，通過(guò)主動(dòng)弱化卸壓實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板有效控制，構(gòu)建具有煤礦特色的堅(jiān)硬頂板地面壓裂技術(shù)體系，支撐了大同礦區(qū)特厚煤層智能高效開(kāi)采。

“特厚煤層是我國(guó)高效開(kāi)采的主體，占比大于50%。隨著煤炭資源開(kāi)發(fā)向西部轉(zhuǎn)移，特厚煤層開(kāi)采科技引領(lǐng)作用突顯，發(fā)展前景廣闊。”于斌表示。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）教授王家臣指出，我國(guó)放頂煤技術(shù)不斷在“三軟”厚煤層、堅(jiān)硬厚煤層、高瓦斯厚煤層、大傾角厚煤層等復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用，且能適應(yīng)的煤層厚度、傾角、頂板條件更廣。如今，綜放開(kāi)采呈現(xiàn)出新的發(fā)展面貌。

“智能放煤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)放頂煤智能開(kāi)采的核心，但尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，屬于開(kāi)創(chuàng)性工作。”王家臣介紹。

圍繞準(zhǔn)確識(shí)別后部刮板機(jī)上的煤矸、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施精準(zhǔn)控制的放煤工藝等智能放煤難題，王家臣及團(tuán)隊(duì)研發(fā)出煤矸智能識(shí)別技術(shù)，在國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭公司保德煤礦81202工作面等進(jìn)行了應(yīng)用。

在沖擊地壓防治方面，西安科技大學(xué)教授來(lái)興平及團(tuán)隊(duì)研發(fā)出鉆孔多模態(tài)信息采集和頂板全域姿態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，整合超聲波、電磁波與光學(xué)攝像的探查優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了煤巖變形失穩(wěn)信息的精準(zhǔn)提取?；诖?，研發(fā)全要素智能礦壓感知防沖預(yù)警系統(tǒng)、多模態(tài)驅(qū)動(dòng)沖擊地壓智能預(yù)警系統(tǒng)、采動(dòng)圍巖失穩(wěn)泛在智能感知大模型等，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓智能感知與預(yù)測(cè)的信息化。該技術(shù)成果助力陜西重點(diǎn)煤企和縣域企業(yè)成功解放煤炭205萬(wàn)噸。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）教授鞠楊介紹，針對(duì)斷層滑移型沖擊地壓難以預(yù)測(cè)難題，可應(yīng)用數(shù)字光彈法追蹤應(yīng)力波傳播過(guò)程，直觀表現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程。鞠楊及團(tuán)隊(duì)研發(fā)了工程擾動(dòng)下斷層巷道圍巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)透明解析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以皮秒脈沖激光器為光源，采用“高精度觸發(fā)裝置+皮秒級(jí)脈沖發(fā)生器”的同步控制方案，實(shí)現(xiàn)沖擊全過(guò)程的光彈條紋圖像同步采集。這為直觀定量揭示動(dòng)載作用下復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳播規(guī)律提供了新手段。

深部開(kāi)采研究有新進(jìn)展

如今，我國(guó)礦井進(jìn)入深部開(kāi)采階段，最深達(dá)1510米。高地應(yīng)力、高地溫、高水壓以及強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)，導(dǎo)致深井安全高效開(kāi)采遇到極大挑戰(zhàn)，需更新深部極端環(huán)境開(kāi)采方法。

武漢大學(xué)教授劉泉聲表示，深部開(kāi)采主要災(zāi)害為米級(jí)大變形，面臨深部巷道米級(jí)大變形災(zāi)變機(jī)理認(rèn)識(shí)不清、大變形災(zāi)害控制缺乏適用理論及有效技術(shù)、缺乏深部大變形災(zāi)變環(huán)境安全高效成巷技術(shù)等難題。

對(duì)此，劉泉聲及團(tuán)隊(duì)研發(fā)出深部巷道米級(jí)大變形監(jiān)測(cè)模擬技術(shù)，揭示出碎脹運(yùn)動(dòng)機(jī)理；研發(fā)了深部巷道碎脹大變形災(zāi)害分步聯(lián)合控制理論及成套技術(shù)、深部大變形災(zāi)變環(huán)境下TBM安全高效成巷關(guān)鍵技術(shù)等。

“以圍巖為主體，通過(guò)支護(hù)與圍巖耦合，多重手段分步協(xié)同，精準(zhǔn)介入擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和巖石破裂碎脹演化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)圍巖控制?！眲⑷暠硎荆盗谐晒麘?yīng)用于全國(guó)40%以上的千米深井，支撐淮南地區(qū)顧橋礦、張集礦和望峰崗井等一批千米深井建設(shè)，累計(jì)應(yīng)用超過(guò)2000千米深部巷道，有效控制了巷道碎脹大變形災(zāi)害。

中南大學(xué)教授李夕兵指出，深部開(kāi)采面臨著深部多相多場(chǎng)耦合環(huán)境。應(yīng)力和構(gòu)造裂隙下的固、液、氣多相耦合，不僅會(huì)單獨(dú)影響圍巖穩(wěn)定性，更與滲流場(chǎng)、熱場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等相互耦合，致使原本復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)疊加新的多源不穩(wěn)定因素。

“深部巖體面臨高應(yīng)力+爆破或機(jī)械開(kāi)挖擾動(dòng)的‘動(dòng)+靜’組合應(yīng)力狀態(tài)，深部巖體工程會(huì)呈現(xiàn)巖爆、板裂、分區(qū)破裂典型破壞模式。常規(guī)巖石力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法解釋深部非常規(guī)破壞機(jī)制，需對(duì)深部巖石破裂特征與前兆規(guī)律進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)巖體破壞的前期精準(zhǔn)預(yù)測(cè)?！崩钕Ρ硎?。

“高效安全的深地開(kāi)發(fā)，需巖體智能識(shí)別、智能災(zāi)害預(yù)警調(diào)控與創(chuàng)新型支護(hù)技術(shù)的深度融合。”李夕兵建議，開(kāi)展深部開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程與生產(chǎn)系統(tǒng)的無(wú)人化研究，實(shí)現(xiàn)硬巖開(kāi)采智能化控制，解決井下采場(chǎng)信息延遲傳輸難題，尋找適用的智能化開(kāi)采方法等。

徐州工程學(xué)院教授張農(nóng)指出，現(xiàn)有工程條件和應(yīng)力環(huán)境決定了巷道變形破壞不可避免，深部開(kāi)采巷道掘進(jìn)和支護(hù)需要多樣化的技術(shù)支持。

張農(nóng)表示，深井巷道礦壓呈現(xiàn)巖體參與范圍更大、變形破壞速度更快、調(diào)整時(shí)間更長(zhǎng)的特征。淺部圍巖錨固體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性滑移流變和整體擠入，呈現(xiàn)出松散聯(lián)動(dòng)變形特征。圍巖表面呈現(xiàn)波動(dòng)性累計(jì)變形特征，內(nèi)部表現(xiàn)為分區(qū)聯(lián)動(dòng)式破壞。

“常規(guī)的控制思路和支護(hù)方法適應(yīng)性顯著降低，需要新型支護(hù)——支護(hù)工藝與材料的創(chuàng)新?！睆堔r(nóng)指出。對(duì)此，張農(nóng)及團(tuán)隊(duì)研發(fā)出以厚層錨固為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的多層連續(xù)化加固技術(shù)，開(kāi)發(fā)出大規(guī)格可接長(zhǎng)錨桿與柔性桿體錨桿，使支護(hù)強(qiáng)度得到提升。

中鋁寧夏能源集團(tuán)王洼煤業(yè)公司王洼三礦泥質(zhì)軟巖大斷面巖巷多次返修且持續(xù)大變形。對(duì)此，張農(nóng)及團(tuán)隊(duì)采用了厚錨+三級(jí)連續(xù)化支護(hù)新方案，使其頂板離層發(fā)育深度降到3米以淺，圍巖變形量減少46%。

綠色低碳開(kāi)采前景可期

“煤炭行業(yè)發(fā)展面臨采動(dòng)損害、固廢處理和碳排放三大難題。”中國(guó)工程院院士王雙明說(shuō)，采動(dòng)損害造成資源損失、地質(zhì)損傷、環(huán)境損害；煤基固廢堆存量超130億噸，并以每年超15億噸的速度增長(zhǎng)。存量資源化利用規(guī)模小，增量資源化利用層次低；二氧化碳排放總量大，減排任務(wù)重。

王雙明建議，應(yīng)從煤的減損化開(kāi)采、廢的功能化利用和碳的封存化處置三方面，破解采動(dòng)損害、固廢處理和碳排放難題。

“利用煤炭開(kāi)采形成的地下空間，挖掘煤基固廢的資源屬性，開(kāi)發(fā)二氧化碳的化學(xué)活性，構(gòu)建減損、減污、降碳技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采、固廢處置、二氧化碳封存協(xié)同發(fā)展。”王雙明說(shuō)。

煤的減損化開(kāi)采方面，可應(yīng)用綜采架后局部充填、面間煤柱“掘—充—留”一體化等技術(shù)；廢的功能化利用方面，可應(yīng)用全固廢充填材料制備、固鹽骨料制備技術(shù)；碳的封存化處置方面，可構(gòu)建采空區(qū)二氧化碳封存空間、創(chuàng)新冒裂區(qū)碎漲空間封存技術(shù)、研究鉆孔封存地質(zhì)條件、開(kāi)展富油煤原位熱解技術(shù)試驗(yàn)、開(kāi)展深部煤層地下氣化技術(shù)試驗(yàn)等。

國(guó)家能源集團(tuán)教授級(jí)高工李全生表示，近年來(lái)，煤炭生態(tài)開(kāi)采面臨一些問(wèn)題。理念上，缺少?gòu)拈_(kāi)采源頭最大程度減少對(duì)地表生境擾動(dòng)和損傷的認(rèn)識(shí)，主要表現(xiàn)為重植被輕生態(tài)環(huán)境的修復(fù)方式；缺乏煤炭開(kāi)采生態(tài)損傷傳導(dǎo)機(jī)理和基于巖層運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與控制的減損開(kāi)采基礎(chǔ)理論支撐。技術(shù)上，礦區(qū)“空天地井”多源監(jiān)測(cè)手段協(xié)同性不足，基于時(shí)空智能決策的生態(tài)修復(fù)與開(kāi)采損傷控制技術(shù)缺乏，生態(tài)修復(fù)成本高。

“亟需通過(guò)科技創(chuàng)新，破解煤炭開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的難題?！崩钊硎?。

李全生及團(tuán)隊(duì)提出基于煤炭開(kāi)采損傷傳導(dǎo)控制與生態(tài)要素系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)相結(jié)合的生態(tài)保護(hù)型開(kāi)采理念，構(gòu)建了煤炭井工減損開(kāi)采技術(shù)體系，開(kāi)展了井工開(kāi)采損傷模擬與監(jiān)測(cè)，研發(fā)了煤礦地下水庫(kù)安全高效儲(chǔ)水的配式楔形壩體構(gòu)筑技術(shù)，創(chuàng)建了多要素、多尺度“空天地井”煤炭開(kāi)采生態(tài)損傷監(jiān)測(cè)體系和“減損開(kāi)采、立體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)”的露天煤礦生態(tài)保護(hù)型開(kāi)采理念等。一系列技術(shù)已在生態(tài)脆弱區(qū)21座大型露天煤礦、55座井工煤礦推廣應(yīng)用。

中國(guó)工程院院士吳愛(ài)祥指出，膏體充填是礦山安全綠色開(kāi)采的重要技術(shù)，有助于從源頭遏制采空區(qū)和尾礦庫(kù)災(zāi)害，使廢石不出坑、尾礦不入庫(kù)、地表不塌陷。

吳愛(ài)祥介紹，我國(guó)煤礦膏體充填典型工藝流程主要為離層注漿膏體充填、綜采架后膏體充填、條帶式開(kāi)采膏體充填（連采連充）等模式。近年來(lái)，未及時(shí)充填（采充失衡）或充填不接頂引發(fā)多起礦山事故，而濃度是影響膏體流動(dòng)性和強(qiáng)度的最重要因素。

蔣莊煤礦架后膏體充填項(xiàng)目是山東能源集團(tuán)首家實(shí)現(xiàn)單個(gè)充填工作面月產(chǎn)5萬(wàn)噸的礦井。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)年產(chǎn)能60萬(wàn)噸，采用整裝式模塊化破碎系統(tǒng)、礦山智能充填系統(tǒng)、分體式充填隔離支架。優(yōu)化后的支架架后通道延長(zhǎng)至2.4米，充填注漿期間保持后隔離裝置不動(dòng)，架前可割煤3刀，實(shí)現(xiàn)了采、充、支工序平行作業(yè)和隔、支、檢平行作業(yè)。

“無(wú)人化充填是發(fā)展趨勢(shì)，打造機(jī)器人集群和構(gòu)建遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)是無(wú)人化充填發(fā)展的核心內(nèi)容。”吳愛(ài)祥指出。

中國(guó)工程院院士王運(yùn)敏建議，將大數(shù)據(jù)、人工智能與資源勘探技術(shù)相結(jié)合，整合地質(zhì)、物探等多源數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建礦體預(yù)測(cè)模型，提升勘探成功率。

“礦業(yè)開(kāi)采與生態(tài)保護(hù)不可對(duì)立起來(lái)，應(yīng)遵循在發(fā)展中保護(hù)、在保護(hù)中發(fā)展的原則，實(shí)現(xiàn)綠色低碳與資源開(kāi)發(fā)利用相協(xié)調(diào)。”王運(yùn)敏表示。