張吉雄，張 強，巨 峰，周 楠，李 猛，張衛(wèi)清

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

煤炭資源是我國的主體能源，在當前及未來相當長一段時間內不會改變[1]。但長期以來，煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞，導致地表沉降、地下水資源破壞、礦區(qū)環(huán)境損傷等，資源綠色化開采需求尤為迫切。隨著淺部煤炭資源的長期持續(xù)高強度開采以及中東部地區(qū)煤炭資源的日漸枯竭，導致煤炭開采深度逐漸加大，以及接續(xù)資源多在深部和優(yōu)質資源多在西部并存的現(xiàn)狀，形成“壓縮東部、限制中部和東北部、優(yōu)化西部”的全新煤炭生產格局。深部與西部開采成為煤炭工業(yè)發(fā)展與資源開發(fā)中的新常態(tài)。深部開采面臨的矸石排放、復雜開采環(huán)境等問題，西部開采面臨的生態(tài)脆弱礦區(qū)環(huán)境保護等問題，成為當前煤炭行業(yè)發(fā)展的主要矛盾。

國家一直十分重視資源開采與環(huán)境保護的協(xié)調發(fā)展，在21世紀初就提出“綠色礦山”理念[2]，組織簽訂《綠色礦山公約》[3]，通過《中國礦業(yè)聯(lián)合會綠色礦業(yè)公約》[4];隨后著名采礦工程專家錢鳴高院士提出綠色開采[5]概念，并給定綠色開采技術體系;最近國家“十三五”規(guī)劃綱要作出“大力推進綠色礦山和綠色礦業(yè)發(fā)展示范區(qū)建設”[6]的統(tǒng)籌部署，到十九大主席報告提出全黨全國貫徹綠色發(fā)展理念[7]。因此，建設綠色礦山、發(fā)展綠色礦業(yè)、推行綠色開采[8]勢在必行，必須從創(chuàng)新開采方法的源頭來實現(xiàn)近零生態(tài)損害開發(fā)、近零污染物排放利用[9]的綠色化開采自主創(chuàng)新之路。

充填開采技術在巖層失穩(wěn)防控、采動誘導災變治理、煤矸石等固廢減排、地表沉陷控制及煤炭資源采出率提高等方面具有顯著的技術優(yōu)勢[10]，是煤礦綠色化開采的核心技術;逐漸發(fā)展成熟的煤矸井下分選技術進一步拓展了綠色化開采的發(fā)展方向。

針對我國煤炭資源的開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，筆者所在團隊于2001年研究矸石地面排放帶來的環(huán)境問題及矸石井下處理技術;2008年開始矸石直接充填綜采巖層移動控制及其應用[11]的研究工作;2012年獲得國家技術發(fā)明二等獎[12]，形成了固體充填采煤技術;2014年基于礦井實現(xiàn)綠色開采、資源開發(fā)與環(huán)境協(xié)調發(fā)展的現(xiàn)實需求，分析了實施煤矸井下分離的緊迫性與意義，提出井下煤矸分離與充填采煤系統(tǒng)設計的基本原理[13];2015年構建了采選充一體化集成系統(tǒng)，并建立現(xiàn)場工程示范;2016年成功研發(fā)“采選抽充采”集成型煤與瓦斯綠色共采技術[14];2017年在總結分析深部充填開采面臨主要技術難題的基礎上，提出深部煤炭資源采選充綠色化開采構想，并初步形成深部煤炭資源采選充綠色化開采的系列理論與技術體系[15];2018年8月，基于煤矸分選與井下就地充填的研究主題獲批國家重點研發(fā)計劃深地資源勘查開采重點專項立項。

本文將在上述研究的基礎上，系統(tǒng)地提出煤炭資源“采選充+X”的綠色化開采新理念。

1 “采選充+X”綠色化開采技術內涵

1.1 “采選充+X”概念與框架

為了從開采方法的源頭實現(xiàn)低生態(tài)環(huán)境損害開采，基于煤層安全開采、煤炭高效開采、地下水環(huán)境保護、地表沉陷控制、矸石近零排放及瓦斯近零排放的工程需求，研發(fā)了“采選充+X”綠色化開采技術。采選充是指實現(xiàn)少矸開采、煤矸分選與矸石充填一體化，而X具體指的是巖層移動主動控制(控)、沿空留巷(留)、瓦斯抽采(抽)、災害防治(防)及保水開采(保)等。

基于“采選充+X”綠色化開采技術的基本內涵，形成了采選充+控、采選充+留、采選充+抽、采選充+防、采選充+保等多種形式的關鍵技術(圖1)，在井下進行煤炭開采、煤矸分選、矸石就地充填的同時，一并實現(xiàn)與工程需求所對應的地表沉陷控制、堅硬頂板控制、采場礦壓控制、生態(tài)環(huán)境保護、資源高效回收、伴生資源共采、頂板災害防治、隔水巖層控制、礦區(qū)固廢處理及礦井產能提升等多重目標，從而構建“采選充+X”綠色化開采技術體系。

圖1 “采選充+X”技術框架Fig.1 Technical framework of mining-dressing-backfilling+X

1.2 “采選充+X”的演化歷程

煤礦“采選充+X”綠色化開采技術體系是以充填采煤技術為核心而建立起來，該體系的構建起始于2000年初，然而事實上充填開采在國際上已有數(shù)百年的發(fā)展歷史，其最早起源于金屬礦山開采中，煤礦充填開采技術的發(fā)展也已有半個世紀，但由于無法克服實施充填所需的空間、通道和動力等技術難點，制約了充填開采技術在煤礦中的發(fā)展。直到2004年，中國礦業(yè)大學成功開發(fā)出了具有完全獨立自主知識產權的綜合機械化固體充填采煤技術與成套裝備，歷經近20 a的發(fā)展，通過4代技術演變，最終形成了現(xiàn)代綠色化的煤礦“采選充+X”新格局，部分應用煤礦如圖2所示。具體過程:

第1代，2002—2008年，該階段主要針對煤矸石大量地表排放帶來了十分嚴重的安全與環(huán)境問題，研發(fā)目標為矸石減排。矸石井下處理的充填技術得到快速發(fā)展，成功應用于許廠煤礦、泉溝煤礦、邢臺煤礦、興隆莊煤礦等。

第2代，2008—2012年，充填技術已不能滿足采煤工作面高生產效率的要求，該階段研發(fā)目標轉變?yōu)殚_發(fā)高效綠色化的采充技術。在五溝煤礦、平煤十二礦、楊莊煤礦、花園煤礦和濟三煤礦等礦井建立了與現(xiàn)代化系統(tǒng)相匹配的采充一體化技術，有效推動了充填開采技術的發(fā)展。

第3代，2012—2016年，深部開采勢在必行，尤其在東部資源枯竭型礦區(qū)更加嚴重，該階段研發(fā)目標為煤礦充填開采面臨的深部開采的低環(huán)境損傷問題。結合矸石井下分選及就地充填的工程需求，采選充一體化在綜合機械化充填采煤技術快速發(fā)展的基礎上從藍圖變成了現(xiàn)實，并成功應用于我國唐山煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦等，實現(xiàn)了矸石零排放和巖層移動地表沉陷有效控制的低環(huán)境損傷目標。

第4代，2016年以后，低生態(tài)環(huán)境損害成為該階段的主要研發(fā)目標，采選充一體化技術不斷延伸至提高煤炭資源采出率的無煤柱沿空留巷、無保護層高瓦斯低滲透煤層煤與瓦斯開采、堅硬頂板災害防控和水資源保護性開采等技術領域。在我國翟鎮(zhèn)煤礦、平煤十二礦等礦井成功應用，初步構建了低生態(tài)環(huán)境損害的“采選充+X”綠色化開采體系。

2 “采選充+X”綠色化開采技術

根據(jù)地表沉陷控制、資源高效回收、伴生資源共采、頂板災害防治、隔水巖層控制等工程需求，研發(fā)的“采選充+X”綠色化開采核心技術包含采選充+控、采選充+留、采選充+抽、采選充+防、采選充+保等多種形式。

圖2 “采選充+X”技術發(fā)展歷程Fig.2 Development history of mining-dressing-backfilling+X

2.1 “采選充+控”綠色化開采技術

我國傳統(tǒng)的煤炭開采造成了大面積的地面塌陷和嚴重的生態(tài)破壞，同時還有堅硬頂板災害、高強開采下的強礦壓顯現(xiàn)等系列問題，如何實現(xiàn)煤炭資源的綠色化開采成為煤礦亟待解決的重大工程難題?！安蛇x充+控”技術在解決上述工程問題上有著顯著的優(yōu)勢。

“采選充+控”技術是指在采選充技術基礎上，結合關鍵巖層的主動控制而形成的集成技術。其技術原理(圖3):通過布置少矸化的煤炭開采系統(tǒng)、煤矸分選系統(tǒng)以及充填采煤系統(tǒng)，實現(xiàn)煤矸分選與就地充填，同時，通過充填方法的優(yōu)選、充填工藝的科學實施、巖層位態(tài)準確設計以及充填效果的有效保障等手段，實現(xiàn)不同工程需求對應控制對象的不同控制要求。

圖3 “采選充+控”原理Fig.3 Schematic of mining-dressing-backfilling+control

“采選充+控”綠色化開采技術的設計工藝流程:首先布置少矸化的煤炭開采系統(tǒng);然后根據(jù)分選要求選擇合適的井下煤矸分選方法;再根據(jù)礦井地質、生產條件、巖層控制等要求選擇合適的充填方法;根據(jù)矸石排放要求和控制指標利用理論計算、模擬和實驗反算充實率;再由充實率確定充填工藝、分選工藝;最終通過充實率控制指標反饋調節(jié)充填工藝及分選工藝參數(shù)。

該技術具有以下技術優(yōu)勢:適用的工程類型多樣，可以是針對地表沉陷的關鍵層控制，可以是針對堅硬頂板動力災害的頂板破斷控制，還可以是弱化礦壓顯現(xiàn)的采場礦壓控制等。

“采選充+控”綠色化開采技術的實施仍需要解決一些難點:① 技術的適用性:我國煤層賦存地質條件復雜，針對不同控制目標所運用的控制方法存在差異，需要建立更加普適性的控制方法來實現(xiàn)“采選充+控”技術對于多種地質條件的適應性。② 技術的保障條件:該技術實現(xiàn)的保障在于對關鍵巖層運動的準確控制，需要針對不同的控制對象并結合具體工程條件建立更加具體和系統(tǒng)化的巖層控制理論。

“采選充+控”綠色化開采技術的關鍵設備包括充填采煤關鍵設備、井下煤矸分選設備以及充實率控制設備。其中充填采煤設備有采煤機、刮板輸送機、充填采煤液壓支架、多孔底卸式輸送機及壓實機構等;分選設備由具體分選方法確定，一般分為重力分選法、跳汰分選法和重介質分選法等相關設備;充實率控制設備包括頂板動態(tài)監(jiān)測儀、充填體應力監(jiān)測設備以及充采質量比監(jiān)控設備等。

“采選充+控”綠色化開采技術在“三下”開采、堅硬頂板動力災害防控、采場礦壓弱化控制及生態(tài)環(huán)境保護等方面具有顯著的技術優(yōu)勢與工程應用前景。

2.2 “采選充+留”綠色化開采技術

為了減少區(qū)段間的煤柱損失，近年來我國各礦區(qū)都在條件適宜的工作面推廣無煤柱沿空留巷開采技術。采空區(qū)密實充填后，采場礦壓明顯弱化，為實施沿空留巷提供了有利的條件。

“采選充+留”綠色化開采技術是指在采選充技術基礎上衍生的集處理矸石、提高煤炭資源采出率和控制工作面端頭礦壓為一體的開采技術，其技術原理(圖4)為:將沿空留巷技術有效銜接在采選充系統(tǒng)內，在充填采煤過程中實施沿空留巷。在實施采選充的同時，實現(xiàn)了無煤柱沿空留巷開采，既實現(xiàn)矸石無廢排放，又有效提高了資源的采出率。

圖4 “采選充+留”技術原理Fig.4 Mining-dressing-backfilling+retain technical principle

“采選充+留”綠色化開采技術的設計工藝流程為:根據(jù)煤礦的生產能力，確定充填工作面的矸石充填物料需求量以及確定井下煤矸分選系統(tǒng)的能力;同時布置少矸化的煤炭開采系統(tǒng);以及確定煤矸分選工藝;最后根據(jù)分選工藝和生產條件，并行實施充填采煤工藝和沿空留巷工藝。

該技術具有以下技術優(yōu)勢:① 該技術是采選充一體化技術的延伸，形成采選充留開采方法完整的工藝循環(huán)，提高了煤炭資源的采出率，實現(xiàn)了無煤柱開采;② 該技術能控制工作面端頭及兩巷超前礦壓，由于充填體支撐作用，該技術能控制工作面端頭及兩巷超前礦壓。

“采選充+留”綠色化開采技術的實施仍需要解決的難點:充填沿空留巷工作面采充留一體化工藝的快速實施與整體的效率有待提升。

“采選充+留”技術的關鍵設備包括充填采煤關鍵設備、煤矸分選設備和實施沿空留巷關鍵設備等。

“采選充+留”技術在深部無煤柱充填開采及采掘接替緊張礦井的采掘接替緩解等方面具有顯著的技術優(yōu)勢與工程應用前景。

2.3 “采選充+抽”綠色化開采技術

隨著煤炭生產規(guī)模的日益擴大，礦井開采水平不斷延伸，高瓦斯低透氣性煤層的比例逐步擴大，對于不具備開采保護層條件的煤層，如何解決新形勢下的卸壓增透及提高礦井瓦斯抽采率，實現(xiàn)煤與瓦斯高效安全共采，同時深部礦井產生的矸石等固體廢棄物的提升嚴重制約煤炭的提升，如何實現(xiàn)矸石零排放，實現(xiàn)煤及伴生資源的綠色開采，成為該類礦井的重大難題。

“采選充+抽”綠色化開采技術是采選充技術+瓦斯卸壓抽采技術的集成，是一種針對不具備常規(guī)煤層保護層[16-18]的高瓦斯低透煤層開采技術，其技術原理(圖5)為:首先進行非常規(guī)保護層開采，實現(xiàn)下伏被保護層瓦斯增透卸壓;同時在保護層、被保護層布置瓦斯立體抽采系統(tǒng)進行瓦斯抽采;保護層開采產生的高含矸率原煤經井下煤矸分選系統(tǒng)分選，產生的矸石同步運輸至下伏被保護層充填協(xié)同垮落式工作面進行充填，整體實現(xiàn)深部高瓦斯低滲透煤層的安全綠色高效開采。

圖5 “采選充+抽”技術原理Fig.5 Mining-dressing-backfilling+extraction technical principle

“采選充+抽”綠色化開采技術的設計工藝流程(圖6)為:根據(jù)地質條件，選擇距被保護層煤層上方合理間距且含有薄煤線的巖層作為保護層進行卸壓開采;并布置分選硐室，用于分選保護層的高含矸率原煤;隨后在保護層、被保護層設計瓦斯立體抽采系統(tǒng)進行瓦斯抽采;根據(jù)主采面產能要求、巖層控制要求以及充填能力要求確定充填段長度，根據(jù)頂板垮落高度、應力影響范圍等確定過渡段長度，從而整體確定協(xié)同工作面的開采參數(shù)。

該技術具有以下技術優(yōu)勢:① 實施非常規(guī)保護層開采，進行瓦斯卸壓增透，拓展了保護層開采技術，解決了不具備常規(guī)煤層保護層的高瓦斯低滲透煤層的增透卸壓難題;② 杜絕了矸石地面排放造成的環(huán)境污染問題，以及緩解千米礦井輔助運輸壓力，節(jié)約輔助運輸成本;③ 研發(fā)的垮落協(xié)同充填式開采技術，可解決傳統(tǒng)純固體充填難以保障主采面產能的難題;④ 整體實現(xiàn)高瓦斯低透氣性煤層的安全綠色高效開采，實現(xiàn)煤與瓦斯共采。

圖6 “采選充+抽”技術設計流程Fig.6 Design flow chart of mining-dressing-backfilling+extraction technology

“采選充+抽”綠色化開采技術的實施仍需要解決以下難點:① 對于一些瓦斯含量高、滲透率低、抽放率低的煤層，卸壓增透的難度更大;② 非常規(guī)保護層的科學設計問題，包括層位選擇、上保護層或下保護層設計、瓦斯立體抽采系統(tǒng)、卸壓效果檢驗等;③ 被保護層實現(xiàn)矸石處理的同時，主采面工作面的產能必然受到影響。

“采選充+抽”技術的關鍵設備在采選充的基礎上，增加了瓦斯抽采設備，適用于深部高瓦斯低滲透煤層的安全高效開采。

2.4 “采選充+防”綠色化開采技術

我國西部礦區(qū)初期主要采用柱式開采方法，通過在采空區(qū)內留設大量煤柱來控制頂板，雖然采后能保持頂板及煤柱暫時穩(wěn)定，但在上覆巖層長期重力載荷作用下，極易發(fā)生失穩(wěn)，造成采空區(qū)頂板大面積冒落，引發(fā)礦區(qū)地震、采空區(qū)颶風、地表突然塌陷、山體崩塌、滑坡及泥石流等頂板災害及其衍生地質災害，嚴重威脅礦區(qū)安全，制約了煤炭資源與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。

基于此，本文提出了以采選充技術為主體，并結合采空區(qū)頂板災害防治技術的集成型的“采選充+防”綠色化開采技術(圖7)，其技術原理為:在井下布置煤矸分選系統(tǒng)，用于分選工作面回采的煤炭資源，并將分選矸石運輸至充填泵站，制成充填料漿后泵送至柱式開采工作面的采空區(qū)，充填柱式采空區(qū)間，利用充填體的支撐力分擔煤柱所受壓力，與煤柱噴漿加固及頂板加強支護等防治措施相結合，維護煤柱與頂板的穩(wěn)定，從而防止采空區(qū)頂板災害的發(fā)生;在此基礎上，可以在保證頂板穩(wěn)定的前提下，逐步以充填體代替煤柱支撐頂板，從而實現(xiàn)柱式采空區(qū)煤柱回收的目的。

圖7 “采選充+防”技術原理Fig.7 Mining-dressing-backfilling+prevention technical principle

“采選充+防”綠色化開采技術的設計工藝流程為:根據(jù)煤炭資源采出量、煤質等分選要求選擇合適的分選方式;根據(jù)工作面地質條件，結合煤巖體力學特性測試，計算煤柱極限破壞強度，確定充填體強度要求，并設計采空區(qū)煤柱及頂板加固方案;然后進行材料配比優(yōu)化，測試膠結充填材料的力學特性，確定充填材料最優(yōu)配比;隨后分析充填體齡期強度增長規(guī)律，進行數(shù)值模擬分析，得出充填與煤柱回收循環(huán)步距;計算充填回收煤柱后回收區(qū)前方應力變化規(guī)律，確定煤柱加固區(qū)范圍及加固措施;回收采空區(qū)煤柱并將回收煤炭資源運至分選硐室;監(jiān)測采后充填體及頂板穩(wěn)定性，確定頂板安全系數(shù)并選擇合適的防治措施進一步加固。

該技術具有以下技術優(yōu)勢:① 利用充填料漿固結形成的充填體代替煤柱支撐頂板，消除了煤柱失穩(wěn)自燃、頂板災害、礦區(qū)地震等安全隱患，極大程度的提高了工作面安全系數(shù);② 通過充填采空區(qū)后，減小采空區(qū)預留煤柱數(shù)量，提高煤炭資源采出率。

“采選充+防”綠色化開采技術的實施仍需要解決以下難點:① 開采初期留設的煤柱不規(guī)則，煤柱穩(wěn)定性評估困難;② 充填材料成本高;③ 通常采用連采機和梭車進行回采，回采速度慢，連續(xù)性較差。

“采選充+防”綠色化技術的關鍵設備包括地面充填材料制備設備和井下選充設備，地面設備有:材料存儲設備、配料機、攪拌機和充填泵;井下選充設備有:煤矸分選設備、破碎機、連采機等。

“采選充+防”在西部礦區(qū)柱式開采法(房柱式采煤法、巷柱式采煤法、旺格維利采煤法等)采空區(qū)頂板災害防治及煤柱回收方面具有顯著的應用前景。

2.5 “采選充+?！本G色化開采技術

據(jù)相關統(tǒng)計資料顯示，我國47.5%以上的重點煤礦煤炭開采受地表水源、地下水源及老空區(qū)積水威脅，礦井突水已成為繼瓦斯災害之后的第二大煤礦災害。隨著我國煤炭資源開發(fā)戰(zhàn)略的轉變，西部生態(tài)脆弱礦區(qū)與中東部深地煤炭資源保水開采問題將變得愈加突出。一方面受第四系富水性含水層及厚風積沙覆蓋層等特殊開采地質條件影響，西部礦區(qū)淺埋煤炭資源開采過程中，極易引發(fā)含水層結構破壞、水土流失、突水潰沙等地質災害，加重當?shù)厮Y源短缺與生態(tài)環(huán)境脆弱;另一方面受深部復雜開采環(huán)境影響，中東部深地礦區(qū)隔水關鍵巖層在滲流場、溫度場、裂隙場、應力場耦合作用下，圍巖易發(fā)生大變形破壞，引發(fā)強突水災害。在此背景下，本文提出了“采選充+保”綠色化開采技術。

“采選充+?！本G色化開采技術是指以采選充一體化為基礎，與保水開采技術相結合，以消除礦井水害威脅和保護礦區(qū)水資源為目標的一種集約化綠色開采技術(圖8)，其技術原理為:工作面采出的原煤于井下進行分選，分選出的矸石運送至需要保水開采的工作面進行采空區(qū)充填，使其作為永久承載體支撐頂?shù)装宓膸r層，減少防水煤柱尺寸或者帷幕注漿規(guī)模，從而有效控制隔水關鍵層的裂隙萌生與發(fā)育，抑制突水通道的形成，使其不發(fā)生系統(tǒng)滲流失穩(wěn)。因此，在相同的開采條件下，“采選充+?！奔夹g能夠有效的減小防水煤柱的尺寸和帷幕注漿的規(guī)模，從而能夠提高回采上限和降低施工成本，實現(xiàn)煤矸石井下處理與含水層的安全保護，維護礦區(qū)水資源生態(tài)體系的良性循環(huán)，達到井下煤炭分選、矸石處理及保水采煤的整體目標。

“采選充+?！本G色化開采技術的設計工藝流程為:首先確定導水裂隙帶發(fā)育的影響因素、分析導水裂隙帶最大發(fā)育高度和深度;然后計算開采高度和充采比;隨后確定防水煤柱尺寸和帷幕注漿規(guī)模;接著布置少矸化的煤炭開采系統(tǒng)、并根據(jù)分選要求選擇合適的井下煤矸分選方法，根據(jù)礦井地質、生產條件、巖層控制要求選擇合適的充填方法;最后通過工程實測和覆巖破壞監(jiān)測反演計算開采高度和充采比以及防水煤柱尺寸和帷幕注漿規(guī)模。

該技術具有以下技術優(yōu)勢:由于充填體有效支撐作用，減小了防水煤柱尺寸和帷幕注漿規(guī)模，能夠提高回采上限和降低施工成本。該技術將充填采煤技術與保水采煤技術有效融合，其技術創(chuàng)新與基礎理論的深入研究契合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大需求，能夠有效解決西部水資源短缺生態(tài)脆弱礦區(qū)及中東部深地礦區(qū)水體下及承壓含水層上煤層的安全開采問題，具有廣泛的應用前景。

“采選充+?！本G色化開采技術的實施仍需要解決一些難點:① 我國不同礦區(qū)工程地質和水文地質條件具有差異性和復雜性，含(隔)水巖層的賦存特征具有明顯差異性，進而導致充填方法與充填材料的選擇也不盡相同，因此對“采選充+?！奔夹g的廣泛適用性提出了更高要求。② 采用“采選充+?！奔夹g，需要增加充填物料制備、輸送，充填設備購置等成本，從一定程度上限制了技術的應用性。

“采選充+保”綠色化開采技術的關鍵設備與“采選充+控”應用范圍類似。該技術在我國缺水的西北礦區(qū)及東部進入深部開采的礦區(qū)具有很好的應用前景。

3 綠色化開采技術工程實踐

3.1 “采選充+控”工程實踐

開灤集團唐山礦業(yè)分公司地處唐山市中心，密集建筑物下壓煤量(5層煤)占礦井剩余可采儲量的比例高達79.7%，同時礦井地面年排放的80萬t煤矸石帶來了嚴重的生態(tài)環(huán)境破壞問題。

為解決上述問題，采用了“采選充+控”技術，在井下建立跳汰法大流量煤矸分離系統(tǒng)，分選出來的矸石經帶式輸送機輸送至采空區(qū)充填，采用四柱支撐式充填采煤液壓支架實現(xiàn)采空區(qū)機械化充填，通過充采比的嚴格控制及現(xiàn)場監(jiān)測反饋進行巖層移動與地表沉陷的有效控制。該技術已在唐山礦業(yè)公司T3281N和T3282N工作面進行了工程實踐。該項研究得到了“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAB131303)的支持。

“采選充+控”綠色化開采技術取得較好的成果:① 實現(xiàn)了“三下”壓煤的成功開采，解放了大量的煤炭資源;② 實現(xiàn)了地面矸石處理，消耗了大量廢棄矸石。通過采用該項技術，唐山礦業(yè)分公司采區(qū)采出率提高了40%以上，延長了礦井服務年限，實測地面最大下沉控制在Ⅰ級變形范圍以內，確保了地表建筑群的安全使用，取得了良好的經濟效益和社會效益。

3.2 “采選充+留”工程實踐

新汶礦業(yè)集團翟鎮(zhèn)煤礦面臨建筑物下壓煤問題嚴峻、固體廢棄物地面排放造成環(huán)境污染與破壞、地質條件復雜、開采深度不斷加大，運輸提升壓力明顯等諸多工程難題。為解決上述問題，研發(fā)了深部“采選充+留”技術，將井下所有采面及掘進面的煤流在井下進行煤矸分離，分離出來的矸石在井下充填面進行就地充填;同時在充填面實施矸石袋壘砌矸石墻的充填沿空留巷技術，實現(xiàn)無煤柱充填開采。具體在7202E工作面進行了工程實踐(埋深546.1～606.8 m，地表對應建(構)筑物為村莊、公路、農田以及流經礦區(qū)的河流等)。

通過實施“采選充+留”綠色化開采技術:一是避免了矸石由主井提升到地面揀選后再由副井下井充填造成的浪費，同時提高了主井提升的原煤煤質;二是實施了矸石井下就地無煤柱沿空留巷充填技術，處理了矸石，減少了煤柱留設，創(chuàng)造了顯著的經濟效益。

3.3 “采選充+抽”工程實踐

平煤集團十二礦己15煤層，埋深1 005～1 166 m。己15煤原始瓦斯含量高達15.3 m3/t，瓦斯壓力1.78 MPa，透氣性系數(shù)僅0.078 m2/(MPa2·d);己15煤上覆己14煤層賦存不穩(wěn)定，煤厚僅0.5 m。主采己15煤層開采面臨四大技術難題:① 開采深度超過1 100 m，輔助提升困難、嚴重影響正常生產;② 瓦斯含量高，滲透率及抽放率低，潛在危險嚴重，安全開采受到嚴峻挑戰(zhàn);③ 上覆己14煤層賦存不穩(wěn)定，不具備常規(guī)保護層開采條件;④ 礦井主要開采“三下”壓煤，無法保障煤炭產量。

為解決上述問題，研發(fā)了深部“采選充+抽”技術[19-21]，將己14煤層的己1431030工作面作為非常規(guī)保護層進行開采，產生的高含矸率原煤直接井下煤矸分選，矸石充填至被保護層己1531010充填協(xié)同垮落式工作面;同時在保護層、被保護層中布置瓦斯立體抽放系統(tǒng)(圖9)進行瓦斯抽采，通過采動影響增加被保護層瓦斯的透氣性，提高瓦斯抽放率，實現(xiàn)低透氣高瓦斯煤層及瓦斯的安全高效共采。

圖9 瓦斯立體抽采系統(tǒng)Fig.9 Three-dimensional gas drainage system

通過實施“采選充+抽”綠色化開采技術:一是實現(xiàn)了矸石井下分選與矸石就地充填的無固廢生產，實現(xiàn)低生態(tài)損害的綠色開采;二是實施立體化瓦斯抽放系統(tǒng)，瓦斯壓力降幅達80.0%，回采期間，被保護層己1531010工作面抽采率達66.0%，實現(xiàn)高瓦斯低滲透煤層安全開采;三是實施了垮落式協(xié)同充填工藝，確保處理矸石的主采面220萬t/a的產能要求，實現(xiàn)深部煤炭高效開采。同時，創(chuàng)造了煤矸分選系統(tǒng)分選矸石而導致煤質提升產生的煤質提升效益、節(jié)省了煤炭地面分選的成本和煤流矸石輔助提升成本以及立體抽采的瓦斯進行地面發(fā)電而節(jié)省的電費等顯著經濟效益。

4 “采選充+X”發(fā)展構想

未來“采選充+X”綠色化開采技術的發(fā)展方向并不局限于采選充+控、采選充+留、采選充+抽、采選充+防、采選充+保等方面，應更多地與我國高速發(fā)展的工業(yè)、農業(yè)、能源和環(huán)境等行業(yè)高度融合起來，發(fā)揮其在工業(yè)固體廢棄物處理、智能化開采、功能材料研發(fā)及伴生資源開采等方面的潛力，進一步創(chuàng)新與發(fā)展“采選充+X”綠色化開采技術體系。

(1)”采選充+處“綠色化開采技術。

全國工業(yè)固體廢棄物在2017年排放量達到29.4億t，但綜合利用率僅為48%，若不加妥善處置剩余的工業(yè)固體廢棄物，將會嚴重污染大氣、水體和土壤等環(huán)境，危害人體健康。而采選充技術可為工業(yè)固體廢棄物在井下處理提供良好的空間，既能實現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物井下有效處理，又能控制巖層移動與地表沉陷，實現(xiàn)采選充+工業(yè)固體廢棄物處理。但工業(yè)固體廢棄物種類繁多，甚至包括腐蝕性、放射性等有毒有害廢物，因此，在井下進行充填處理必須解決以下難題:① 工業(yè)固體廢棄物的井下運輸問題，解決易于腐蝕破壞運輸設備的難題;② 工業(yè)固體廢棄物的封存與固化，防止有毒有害物質的遷移與釋放。

(2)“采選充+智”綠色化開采技術。

《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》提出到2030年實現(xiàn)煤炭智能化開采，《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出加快煤炭綠色安全無人開采關鍵技術攻關。由此可見，智能化開采可實現(xiàn)煤炭資源的安全高效開采，是煤炭工業(yè)技術革命和升級發(fā)展的必然要求。目前充填開采單工作面最大生產能力約為150萬t/a，并且與傳統(tǒng)垮落法相比，增加了井下分選系統(tǒng)和井下充填需要的人員，因此，采選充+智可進一步實現(xiàn)充填工作面的無人化和自動化以及井下分選系統(tǒng)的智能化，從而提升采選充技術的整體效率。但采選充+智技術需要解決以下關鍵問題:① 研發(fā)智能化采煤與充填裝備及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)采煤與充填智能化;② 發(fā)展模塊化的井下分選模式，開發(fā)完全智能化的井下分選集控系統(tǒng)。

(3)“采選充+功能材料研發(fā)”綠色化開采技術。

深部資源開采逐漸成為資源開發(fā)新常態(tài)。但開采深度每增加100 m，地溫將平均升高3 ℃，尤其在開采深度達到1 000 m后，地溫普遍高于40 ℃，嚴重制約著煤炭資源安全與高效開采。而對于深部充填開采，充填材料的功能必將由傳統(tǒng)的支撐頂板向蓄能、降溫等功能性方向轉變，以應對深部資源開采的高地溫環(huán)境所引發(fā)的一系列難題。采選充+功能材料研發(fā)可實現(xiàn)在采選充一體化的基礎上，豐富傳統(tǒng)材料的應用范圍，擴展充填材料的功能性。但目前關于地熱利用型功能材料方面的研究還尚處于起步階段。因此，采選充+功能材料研發(fā)綠色化開采技術未來需解決以下關鍵問題:① 研究吸熱-蓄能型充填材料，建立充填材料內部熱能提取方法;② 研發(fā)充填材料內部熱能提取裝置，確定裝置的熱能提取范圍。

(4)“采選充+伴生資源”綠色化開采技術。

我國煤系共伴生礦產資源豐富，種類繁多，品質優(yōu)良，分布廣泛，具有較高的開采價值。其中，煤系地層共伴生礦產資源多是以煤層夾矸、頂板、底板或單獨成層的方式存在，傳統(tǒng)的開采方法不能兼顧煤系共伴生資源的共同開發(fā)與利用。因此，將研發(fā)采選充+伴生資源綠色化開采技術，即結合現(xiàn)有采選充技術，可直接開采煤炭及煤系地層共伴生資源，利用煤矸洗選系統(tǒng)，對煤系共伴生礦產資源進行分選，將分選后煤及有用礦產資源運至地面，而矸石與廢石在井下就地充填，實現(xiàn)采選充+伴生資源開采。但煤系共伴生資源存在形式較多，開采系統(tǒng)較為復雜，因此，在煤系共伴生資源開采中需要重點解決以下難題:① 需要根據(jù)不同的伴生資源設計不同的井下分選系統(tǒng)，實現(xiàn)煤系共伴生資源的高效分選;② 構建采選充+伴生資源開采一體化體系，研發(fā)相應的開采工藝、裝備等。

5 結 論

(1)綠色化開采勢在必行，但面臨全新的機遇與挑戰(zhàn)，提出的“采選充+X”技術可為實現(xiàn)煤炭及伴生資源綠色化開采提供了可靠的技術支持。

(2)“采選充+X”開采的基本構想是將井下采煤、分選和充填作為一個整體。根據(jù)不同礦井不同工程需求，創(chuàng)新相關技術工藝，形成了“采選充+控”、“采選充+留”、“采選充+抽”、“采選充+防”、“采選充+保”等為代表的系列“采選充+X”開采技術，實現(xiàn)了煤炭及伴生資源的安全、高效及綠色開采。

(3)煤炭資源“采選充+X”綠色化開采技術已應用于多個礦井，后續(xù)將繼續(xù)著力于煤炭資源綠色化開采的研究主題，深入研究X所隱含的更多內涵，構建系統(tǒng)化全面化的煤炭資源“采選充+X”綠色化開采理論與技術體系，真正從創(chuàng)新開采方法的源頭實現(xiàn)低生態(tài)環(huán)境損害的煤炭綠色化開采自主創(chuàng)新。

致謝論文得到開灤(集團)有限責任公司唐山礦業(yè)分公司、山東泰山能源有限責任公司翟鎮(zhèn)煤礦、平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十二礦等多家單位的大力支持，在此一并表示感謝！