1 井工开采技术井工开采技术的创新与的创新与发展发展 吴嘉林 辛德林 （中煤科工集团武汉设计研究院，武汉 430070） 【摘【摘 要】要】 总结了近年来我国井工开采技术的发展与创新，探 讨了我国井工煤矿开采技术的发展方向。指出通过理念创新、技术创 新、制度创新、管理创新，建设以“集约高效、智能安全、生态和谐、 科学发展”为特征的高产高效大型矿井，全面提升煤炭行业可持续发 展水平，对确保国家能源供应安全具有重要的战略意义和现实意义。 【关键词】【关键词】 井工开采；开采技术；发展趋势 0 0 引言引言 煤炭是我国的主体能源， 在一次能源结构中占 70%左右。 在未来 相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系 国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。国家能源中长期发展规 划纲要（20042020 年） 中已经确定，中国将“坚持以煤炭为主体、 电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略” 。由于我国约 90% 的煤炭是通过井工开采生产的， 因此对井工煤矿开采技术的现状和发 展趋势的探讨有着重要的意义。 1 1 我我国井工开采技术国井工开采技术的的发展发展与创新与创新 1.1 1.1 大型大型现代化现代化矿井矿井建设水平再上新台阶建设水平再上新台阶 随着我国煤炭工业中长期发展规划的不断实施， 企业兼并重组步 伐加快， 煤炭产业集中度提高， 以煤为基础的企业多元产业快速发展， 产业结构调整取得明显进步。企业实力增强，管理水平提高，依托技 术进步，建设现代化大型矿井，转变煤炭工业发展方式是煤矿建设的 必然趋势。 我国千万吨级矿井数量 2012 年达到 47 处， 产量增长到 6.0 亿吨， 2 占到全国煤炭产量的 16.6%。千万吨矿井总体经济技术指标达到国际 领先水平，并在综采工作面单产、工效、综掘进尺指标等方面突破多 项世界纪录。进入 21 世纪以来，神东矿区形成以“生产规模化、技 术现代化、队伍专业化、管理信息化”为特征的新型集约化安全高效 千万吨矿井群生产模式，代表了世界上最先进的煤炭生产水平。带动 了全国各大煤炭企业集团、各大矿区大型矿井建设的快速发展。神东 矿区拥有 15 个矿井，2011 年原煤和商品煤总量均突破 2 亿吨，成为 世界上最大的千万吨矿井群。 中煤科工集团武汉院设计的中国神华布 尔台煤矿设计生产能力 2000 万吨/年 ，地面同步建设入选四矿来煤 的群矿选煤厂设计生产能力 3100 万吨/年，是国内外一次设计、连续 施工、单井设计生产能力最大的井工煤矿和群矿型选煤厂。该项目设 计以优越的煤层赋存条件和良好的开采技术条件为基础， 集成国内外 最先进的技术装备优势和生产管理经验，积极探索高科技、集约化、 规模化矿井生产模式，创造了多项企业创新纪录，是世界煤炭工业最 先进生产力的集中展现。 1.2 1.2 煤矿综合机械化煤矿综合机械化开采技术和开采技术和装备水平显著提高装备水平显著提高 薄煤层综合机械化开采技术及装备。1.3 米以下薄煤层综合机械 化开采主要通过薄煤层滚筒采煤机或刨煤机配套装备实现安全高效 开采。铁法矿务局与 DBT 公司合作装备了国内首个薄煤层刨煤机自 动化生产工作面，配套国产支架等设备，工作面达到了年产 150 万吨 /年的水平。实践表明，科学合理的综合机械化配套设备在采高较小 的煤层条件下，同样能够取得良好的技术经济效果。目前，国内厚度 1 米左右的薄煤层配套合理设备，产能可达到 100 万吨/年左右。 中厚煤层综合机械化开采技术及装备。 1.33.5 米中厚煤层综合 机械化开采技术在国内外均已非常成熟，通过配套合理的综采装备， 生产能力可到达 200600 万吨/年。神东公司榆家梁煤矿 4 -3煤，平 均厚度 1.85 米，通过配套大功率采煤机及自动化配套装备，实现了 工作面自动化生产，工作面具备了 300 万吨/年能力，布尔台煤矿 2 -1 3 煤,平均厚度 2.8 米,综合机械化开采,年产稳定在 500 万吨以上。 厚及特厚煤层综合机械化开采技术及装备。 3.57.0 米的厚煤层 一次采全高综采技术是井工生产技术及装备重点领域， 也是创造高产 高效矿井最多的煤层。近几年来，我国的大采高综采煤机装备制造领 域也取得了长足发展，在电牵引采煤机、液压支架、大型刮板输送机 及大运量、大运距带式输送机开发上取得了突破。神华神东昌汉沟煤 矿（原万利一矿）在煤层 4.8 米，全国产设备的情况下，实现了一井 一面年产 1025 万吨的成绩。目前我国井下在用的两柱大采高液压支 架工作阻力最大达到 18800 千牛，支架最大高度达到 7.2 米，并已研 制成功 MG1150/3000-WD 电牵引采煤机，ZY18800/36/80D 两柱掩护式 液压支架， 成果表明我国综采一次采全高技术及装备制造技术已跃上 新的台阶。 通过近 30 年发展，综采放顶煤开采在厚煤层和特厚煤层开采方 面也表现出很好的适应性， 已成为厚及特厚煤层实现安全高效开采的 主要采煤方法之一。兖州矿区、潞安、阳泉等均是以放顶煤开采为主 的大型高产高效矿区。 “十一五”期间，国家科技支撑计划“特厚煤 层大采高综放开采成套技术与装备研发” 项目针对特厚煤层大采高综 放开采，研制成功年产千万吨大采高综放开采技术及配套装备，项目 在山西大同塔山煤矿进行试验和集成示范， 工作面实现年产千万吨能 力，研究成果达到国际领先水平。目前，配套全部国产装备的综放工 作面可实现年产 6001000 万吨能力。 鄂尔多斯地区神华集团布尔台 煤矿、柳塔矿应用放顶煤综采，在结构复杂，断层发育、平均厚度 6 米的中硬煤层中也都实现了年产 700 万吨的生产能力。 1.3 1.3 井井巷施工技术和装备水平巷施工技术和装备水平不断创新不断创新 目前，我国煤炭资源的开采逐渐由浅部转入深部，煤矿开采深度 以 812 米/年的速度增加。据不完全统计，全国千米深井已有近 50 处。目前，全国开采最深的矿井是新汶矿业集团孙村煤矿，其开采深 度已达到 1501 米。在深井建设需要面临的巷道支护、高温热害、冲 4 击地压、煤与瓦斯突出、高压突水等诸多问题中，井筒设计施工水平 的显著提高无疑是最重要的一环。 2000 年以前，我国的井筒冻结深度尚在 500 米以内，进入新世 纪随着资源开发的需要，伴随着多圈孔冻结技术、冻结温度场检测技 术、 钻孔偏斜控制技术、 高强度混凝土、 复合井壁结构技术等的应用， 促进了井筒冻结技术的快速发展。据统计，2001 年以来，冻结深度 超过 600 米的井筒已达 40 多个，冻结深度超过 800 米的井筒已达 11 个。其中武汉院设计的甘肃省宁正矿区华能核桃峪煤矿副立井，净直 径 9 米，冻结深度达到了 955 米，创造了国内外煤矿建井历史上的新 纪录，对复杂地层深井建设提供了参考实例。 武汉院设计的神华新街台格庙一井主、副斜井，斜长均为 6600 米，倾角 6 度，创造性地引入 TBM 施工，开创了全断面隧道掘进机在 煤矿建设应用的新局面。该台 TBM 总长 238 米，总重超过 1200 吨， 开挖直径 7.62 米，集斜井施工开挖、衬砌、出渣、运输、通风、排 水等功能于一身， 是成套的斜井施工设备。 具有盾构和 TBM 两种模式， 通过模块的快速转换，可穿越软岩、硬岩和复合地层等复杂地层。每 天可掘进 30 米以上，是国家在大型高端装备制造领域协同创新的重 大突破，开创了一种全新的施工方法。该工法安全、环保、快速，施 工断面大，将煤矿井筒公路隧道化，使设备和人员可快捷直达开采煤 层，将改变我国乃至世界煤矿的建设模式，推动煤矿建井技术升级， 是煤矿建井模式的革命性变革。 神华新街台格庙一井立风井施工同时引入了垂直 TBM 施工和钻 井法施工的论证工作， 预计将为西部地区立井施工开创全新的技术途 径。 在内蒙古锡林浩特五间房矿区建设中， 武汉院采用全封闭型钢支 架双层钢筋网喷射混凝土复合支护， 显著提高了极软弱地层中斜 井井筒、硐室与巷道的施工安全性和长期稳定性，大大降低了巷道施 工中冒顶等安全事故发生的可能性，降低了工人的劳动强度，同时提 高了施工速度， 成功解决了白垩系软岩复杂地层的支护这一世界性难 5 题。 对于我国煤矿越来越突出的复杂地层条件下的软岩巷道支护难题 的解决具有十分重大的意义，具有较好的推广应用价值。 随着锚杆支护理论的不断完善和掘描一体机、 连采机等综合机械 化快速掘进设备的广泛应用，井下巷道的施工速度大幅提高，矿井建 设周期显著缩短。井下最高月掘进进尺达 1986 米。 1.41.4 大型大型矿矿井井集中集中布局，规模布局，规模化化经营经营 随着企业兼并重组和大型煤炭基地建设的不断推进， 矿区开发主 体减少，资源集中度提高，为大型矿井集中布局形成矿井群创造了可 能。 神华集团在万利矿区以神华布尔台煤矿为核心， 周边四个大型矿 井（设计能力分别为布尔台 2000 万吨、柳塔 500 万吨、寸草塔一矿 300 万吨、寸草塔二矿 300 万吨）地面共建一个工业场地，统一布置 储、 装、 洗选及运输系统设施、 配套专业化服务和设备维修辅助设施， 地面生产系统和群矿选煤厂生产能力 3100 万吨/年，设计规模均居世 界第一，实现了规模经营，综合效益十分明显。 神华新街台格庙矿区是资源整装配置、开发主体单一的示范矿 区，矿区总体规划以打造“集约高效、智能安全、生态和谐、科学发 展”的现代化特大型示范矿区为目标，将该亿吨级矿区规划为六个井 田， 仅有两处集中工业场地， 形成两个煤炭生产、 加工、 储运生产区， 集中布置，统一运营管理，大大减少了土地、资源损失，节约了管理 成本。与传统的各井田独立开发相比，节省占地 53约 1500hm2；减 少煤柱损失 44%约 13.4 亿吨，减少矿区投资约 85 亿元。 1.51.5 矿井开拓系统简单化，生产合理集中化矿井开拓系统简单化，生产合理集中化 1.51.51 1 矿井开拓系统简单化矿井开拓系统简单化 由于主、 辅运输方式和技术的不断进步， 为适应大型矿井的需要， 矿井开拓方式也日趋简单化。 6 斜井开拓的应用范围逐步扩大。由于强力带式输送机的快速发 展，大型矿井多采用胶带输送机连续运输，斜井胶带机铺设长度理论 上已不受限制。武汉院设计的布尔台煤矿主斜井皮带小时运量 7000 吨，倾角 13 度，是正在运行的煤矿中的最大运量，满足年 4000 万吨 的运输能力； 甘肃省宁正矿区华能核桃峪煤矿主斜井长度达 6000 米， 倾角 7 度，皮带运量 3300 吨/小时；武汉院设计的新街台格庙一井主 斜井斜长 6582 米，垂直深度约 700 米，倾角 6 度，皮带运量 5500 吨 /小时，是正在实施的最长的主斜井。 无轨胶轮车在大型矿井中的成功应用，使大型矿井的井筒公路 （隧道）化，人流、物流直达工作面，极大地简化了矿井辅助运输环 节，采用斜井开拓的矿井深度已经突破 400m。神华新街台格庙矿区 南部四个矿井共用一个工业场地，煤层埋深 550m800 米，全部采用 斜井开拓，斜井井筒长度达到 61046725 米。如前所述，该井筒圆 形断面，净直径 6.6 米，倾角 6 度，采用 TBM 工法施工，设计将主 斜井井筒隔为上下两层， 上层布置 2.2 米宽的大运量皮带， 下层行车， 一个矿井施工二条井筒，形成三个运输通道，辅助运输可单向运输， 实现了安全高效运营。 在内蒙、陕西、山西、新疆等煤层赋存条件较好的特大型矿井采 用斜井开拓或主斜井+副立井的综合开拓方式是优先选择的方案。 采用立井开拓的高产高效特大型矿井， 箕斗容量最大已达 54 吨， 副井为满足矿井大运量连续化运输的要求 副井井筒需满足整体升降 大型设备（包括液压支架、无轨运输车辆等） ，均装备大型超宽副井 罐笼，井筒净直径最大达到 9.5 米，最大掘砌荒径 13.5 米。 1.51.52 2 矿井生产合理集中化矿井生产合理集中化 近年来，随着煤矿