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晋能控股:深耕采煤 心专一艺

中国煤炭报 作者:吴玲 洪浪 2022-07-14 14:07:13

截至今年7月4日,王亚军来到晋能控股煤业集团同忻煤矿整整10年。如今,他已成长为一名带领智能化综采队伍的技术主管。

“企业做强煤炭主业,坚持走效率高、效益好、单井规模大、智能化水平高、安全保障能力强的发展之路,这给了我更大的发展平台,督促我珍惜机遇,奋力拼搏。”王亚军感慨。

深耕煤炭主业激发的干劲和活力,成为晋能控股煤业集团高质量发展的最大增量。

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厚煤层开采 开源扩煤

随着侏罗纪煤系资源逐渐枯竭,大同地区开采战场由3.5米以下煤层向5米以上厚煤层转移。延续原有的采煤工艺,意味着采储量将会丢失30%以上。但采用传统放顶煤爆破技术,矿井顶板硬、煤层硬(简称“两硬”),难以达到安全高效高回收率的要求。

21世纪伊始,经过广泛调研,晋能控股煤业集团的前身同煤集团决定率先在四老沟煤矿使用国际先进水平的大采高综合机械化采煤方法(以下简称“大采高”),并选拔三批技术骨干远赴重洋前往德国、英国、波兰等学习采煤机、电气设备、高压水力压裂顶板等先进技术。

时任“大采高”队长的马志胜回忆:“‘大采高’累计产煤877.8万吨,多回收煤炭292.6万吨,创直接经济效益11.7亿元,被中国煤炭工业技术委员会评为2003年度中国煤炭工业十大科技成果之一。”

“大采高”的成功应用,增补了国内外煤炭行业“两硬”条件下厚煤层采煤技术研究的空白,也为之后一次性采全高探索出了新路。2003年,国家“十一五”规划重点科技支撑计划项目“特厚煤层大采高综放开采成套技术和装备”正式启动。鉴于“大采高”的成功,同煤集团成为主要承担单位之一。

长期以来,14米以上特厚煤层的开采面临诸多难题:在地下几百米将特厚煤层一次采出,会形成特大的开采空间,岩层稳定性难以控制;厚度14米以上煤层的安全、高效、高回收率机械化井工开采在国内外尚无先例,没有相应的成套采煤装备;煤层比岩石的强度低很多,为了满足通风和大型设备运输的要求,所需巷道断面大,若受到采煤强烈扰动影响,巷道很容易发生大变形或冒顶;高强度开采下,瓦斯和火灾亟须有效解决。

为此,国内外专家学者给出的意见是:放顶煤综放是首选方法。明确了方向,工程技术人员开始会同全国各地专家学者进行针对性的模拟实验,并且创立了特厚煤层大采高综放开采三维放煤理论、围岩控制理论体系,建立特厚煤层大采高综放开采技术标准,解决了特厚煤层大采高综放开采围岩控制、厚顶煤高效与高回收率放出等关键难题。

2010年,该集团在塔山煤矿8105工作面进行了工业性试验,煤层平均厚度18.44米,工作面设备开机率平均92.1%,月产量平均90.76万吨,回收率88.9%,年产量1084.9万吨,实现了瓦斯零超限、无伤亡事故。2012年11月,“特厚煤层大采高综放开采成套技术和装备”成果捧回国家科技进步奖一等奖,成为晋能控股煤业集团(时为同煤集团)自主创新的又一重大科研成果。

强矿压治理 如释重负

大同矿区是国内外典型的厚层坚硬难冒顶板赋存矿区。长期以来,晋能控股煤业集团不断破解“两硬”开采难题,积累了大量技术经验。但随着特厚煤层综放开采力度与深度的不断增加,顶板灾害情况也越来越凸显,甚至出现工作面临空侧巷道变形严重等问题。

“过去,我们在研究顶板来压时,把焦点集中在离煤层较近的区域,但特厚煤层采出空间大,旧的治理手段已经不能适应新的开采方式。”晋能控股山西科学技术研究院公司同大科技研究院副院长刘锦荣介绍。

为此,同大科技研究院联合该集团多家矿井,开展了大规模的顶板岩层断裂特征数据收集。测点布置、覆岩钻孔各关键层、悬露长度及极限跨距、破断高度实测……数百位科研人员和矿井技术人员参与,一项历时2年多的岩层运动规律研究启动了。

“爱迪生发明电灯做了近2000次试验,我们实地测验又何止以千计。巨大的钻孔机带着高清摄像头,从地面打一个470多米的深孔,将煤层上方岩层结构厚度、开采过程中岩层位移变化等各项数据和图像给我们带上来。”同大科技研究院一位年轻的工程师说,2年间他们整日与断裂岩层打交道,无论酷暑还是寒冬,各种环境下的数据都要一一测量核对。

数以万计的测试数据没有白费。刘锦荣带领的课题组发现,离工作面较近岩层断裂对工作面压显现起主要控制作用,较远岩层断裂对巷道围岩、巷道断面径向挤压起主要控制作用,必须远近协同治理,才能解决特厚煤层强矿压带来的顶板难题。

该理论公布后引发了广泛的关注。在数据事实面前,坚硬顶板远近场协同控制技术体系成为大同双系特厚煤层顶板治理的关键理论技术,荣获2016年度中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖。

此后,他们不断深化矿压分析理论和数据,从井下矿压、覆岩运移、地表沉陷3个方面寻找突破点,发明大尺度“三位一体”原位实测成套技术,确立了大空间覆岩“悬臂梁+砌体梁+高位结构”,掌握各层位结构失稳的矿压规律,提出大空间采场坚硬岩层控制理论,建立大空间采场覆岩破断结构力学模型,阐明远、近场结构失稳的矿压作用机制。坚硬顶板复杂结构强矿压作用机理及控制技术为厚煤层强矿压带来的顶板难题奠定更多的理论基础,成为大同双系特厚煤层顶板治理的关键理论技术。该技术获得了2019年度中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖。

老矿区转型 示范引领

在2021年度中国煤炭工业协会科学技术奖获奖项目中,晋能控股煤业集团共有21项科技成果获奖,其中《老矿区科学转型关键技术与工程应用》问鼎特等奖。

大同矿区是全国著名的老矿区,是国家资源型经济转型综改试验区的“排头兵”。大同矿区双系(侏罗系、石炭系)可采煤层多达26层,经百余年开采形成了坚硬顶板多重采空区与煤柱叠加的复杂条件。在国家项目支持下,经过10余年攻关和实践,形成了老矿区科学开采理论与技术体系,使大同矿区成了国际首个亿吨级现代化老矿区。

《老矿区科学转型关键技术与工程应用》主要创新性成果:一是创新了老矿区集约化开采新模式,建成了千万吨级矿井集群高效开采的亿吨级现代化矿区。二是研发了15米至25米特厚煤层综放大空间开采小煤柱沿空掘巷成套技术,实现了千万吨级矿井特厚煤层高回收率开采。三是首创了远近场协同弱化坚硬顶板的强矿压治理技术,保障了双系新老矿井的安全开采。四是研发了老矿区生态修复与资源综合利用集成技术,实现了老矿区的绿色经济开发。

一系列国内首创,世界领先的创新成果相互衔接、相互交织,促成了1+1>2的效果。

留设煤柱是开采完成后用于承重的压力柱,千万吨级矿井大都采用16米至20米特厚煤层综放开采技术,一次采全高后采空区冒落空间大,压力大。要想做到小煤柱,就必须精确掌握特厚煤层综放开采条件下的岩层运动规律,针对性地进行岩层控制,才能减少沿空侧侧向悬顶给巷内支护作用力,降低沿空巷道顶板压力,保证小煤柱的安全实施。

“依靠强矿压治理技术,根据储量、采掘衔接实现多层位、多盘区跳采,避免临空布置工作面,有效避免了采掘交锋,实现源头避压。”时任同煤集团总工程师的鲍永生说,“根据压力分布将顺槽留在卸压区,从煤柱留设上减压、让压,把顺槽的集中压力让到工作面。同时,引进应用自动切顶成巷技术,不留煤柱,切断应力传递,做到真正避压。”

精确的岩层运动规律指导实现了卸压避压,又做到了煤柱留设由38米减小为6米甚至发展到无煤柱,在提高煤炭资源回收率和矿井服务年限的同时,也为矿井安全高效生产提供了有力保障。

2020年,晋能控股煤业集团多采出煤炭512万吨。2021年,116座矿井195个工作面实施停采煤柱优化,共计多回收资源1410万吨。

智能化加持 生产力提升

采煤机、转载机、运输皮带等大型机械联动运转,煤炭源源不断被运往地面……来到同忻煤矿8210智能化工作面井下集控中心,全自动化远程控制的各类设备正在紧锣密鼓地生产。

“你眼见的这些操作,地面也可以同步进行。调度中心早已实现了工作面设备全自动化远程控制、设备关键参数远程监测、工作面全覆盖无死角远程视频显示和‘一键启停’,随着5G网络在井下的全面应用,带来的新变化越来越多。”同忻煤矿综采二队队长梁月伟说,“就拿新上马的5G+全自动化放煤系统来说,我们矿煤层平均厚度13米,采煤机开采3.9米,剩下的全靠放顶煤。过去,一个班需要4名专职放煤工对工作面上100多个放顶煤液压支架进行上万次操作,劳动强度高、工作环境差,放得好不好主要看放煤工的熟练程度和工作经验。”

来到采煤机附近,梁月伟带领笔者近距离体会智能化放煤的全过程:“你看,放煤只需依靠‘超级大脑’分析、对比煤层构造和岩石变化等实时动态数据,就能自己选出最佳方案。如今,放煤工也进了操作室,比以往人工每天还能多放1000多吨原煤。”

什么样的“超级大脑”可以将收集到的实时动态进行分析,并选择出最佳放煤方案呢?

走进山西晋城市金匠园区西南角,由晋能控股集团与华为技术有限公司合作建设的智能矿山创新实验室人工智能计算中心在阳光的照射下熠熠生辉。作为全国煤炭行业首个科研创新人工智能计算中心,这座“超级大脑”包含20PFlops(FP16)算力的人工智能子系统和数据中心基础设施,每秒钟可以进行2亿亿次的计算,相当于2万台个人电脑的计算能力,为能源领域生产系统的自主思考、决策提供算力支持,赋能矿井自动化生产、智能化升级。

“我们选取了塔山煤矿、同忻煤矿、寺河煤矿为采撷样本和应用场景,在井下工作面配套安装视频序列采集器。它就像是一双眼睛,同步采集工作面的掘进支护的视频和图片。”晋能控股装备集团科技信息部副部长刘宏杰说,“这些采集到的样本数据,通过利用计算中心的算力对算法模型进行反复训练和优化,之后再反馈到煤矿的信息化系统当中,可以实时智能监控判断井下工作面的生产流程及人员作业行为的规范情况,从而构建流程知识图谱,实现矿井自动化生产、智能化升级。”

在智能化的助力下,2021年三季度末,晋能控股煤业集团就圆满完成了对全国6个省份和东北地区的2070万吨煤炭保供任务。

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