新疆大型煤炭基地科學采礦的內涵與展望
新疆煤炭資源豐富，預測資源量 2.19 萬億 t，占全國陸地資源總量的三成以上，居全國之首。自治區(qū)在“十二五”規(guī)劃期間，將堅持“統(tǒng)籌規(guī)劃、環(huán)保優(yōu)先、集約高效、有序發(fā)展”的原則，以準東、吐哈、伊犁、庫拜四大煤田為重點，高起點、高標準、高效益規(guī)劃建設國家第 14 個現(xiàn)代化大型煤炭基地;并進一步明確，準東煤田、吐哈煤田以優(yōu)先建設特大型現(xiàn)代化露天煤礦為主，伊犁煤田重點建設千萬噸級礦井為主，庫拜煤田優(yōu)先建設大型現(xiàn)代化礦井和安全高效礦井，“十二五”末規(guī)劃產能達到 4.2 億 t。新疆煤炭基地將成為我國 21 世紀十分重要的能源基地接替區(qū)和戰(zhàn)略能源儲備區(qū)。新疆四大煤田普遍賦存厚煤層，而我國厚煤層儲量占總儲量的 50%以上，產量也主要來源于厚煤層的開采(約占 80%)。近 30 a 的厚煤層開采理論與實踐探索，取得了豐厚的研究成果和成功經驗[1-6]，極大地推動了我國厚煤層開采技術與裝備水平的提升，出現(xiàn)了年產千萬噸、采高 7.5 m 的大采高綜采工作面，年產超 600 萬 t 的常規(guī)綜放工作面和年產超 800 萬 t 的大采高綜放工作面、一次最大開采厚度達 20 m[1-3]。新疆礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、煤層賦存形態(tài)以特 /巨厚、急傾斜厚煤層為主的特征，決定了傳統(tǒng)的采礦理論與技術以及現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境保護性開采經驗與方法無法系統(tǒng)、有效地解決新疆大規(guī)模煤炭資源開發(fā)與減少其對生態(tài)環(huán)境的損害(主要體現(xiàn)在地表沉陷、水資源流失和矸石堆放)這一矛盾[7-8]。必須創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境保護性高效開采的理論與方法，以徹底解決開采帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題。因此，本文重點對新疆四大整裝煤田的科學開采難題、內涵、目標、特色等內容，提出初步構想。
1 新疆煤炭資源的稟賦特征
1) 優(yōu)質資源分布集中度高新疆煤炭資源總體稟賦條件好，構造簡單，資源分布集中，且多為整裝煤田，非常適合建設特大型礦井。區(qū)內共有 24 個預測資源量超過 100 億 t 的煤田，共占總量的 98%;其中 5 個煤田預測資源量超過 1 000 億 t，共占全區(qū)預測資源量的 60%。 2) 埋藏淺、煤厚大且含煤層數多新疆煤層埋藏深度，平均不足 200 m，最大未超過 400 m;特厚/巨厚煤層在新疆各煤田中廣泛賦存，如新疆東部沙爾湖煤田煤層總數達 25 層，單層厚度最大可達 217.14 m，為全國之冠、世界第 2;中國乃至世界上最大的整裝煤田——準東煤田單層厚度可達 80 m，平均厚度為 43 m。 3) 大傾角/急傾斜煤層儲量大主要集中在庫拜煤田和準噶爾煤田附近礦區(qū)。僅烏魯木齊礦區(qū)急傾斜煤層儲量占我國急傾斜煤層儲量的 1/4 以上;3.5~8 m 厚、35°~50°大傾角/急傾斜煤層約占新疆大傾角煤田儲量的 40%以上，大部分集中在烏魯木齊礦區(qū)、阜康礦區(qū)、溫宿礦區(qū)和拜城礦區(qū)等，涉及礦井在 66 對以上。
2 新疆煤炭資源科學開采面臨的挑戰(zhàn)
新疆煤炭資源科學開采，除采礦人才欠缺等因素外，主要面臨： 1) 大型現(xiàn)代化礦區(qū)建設與傳統(tǒng)生產礦井效率低、安全事故多的挑戰(zhàn)新疆傳統(tǒng)煤炭企業(yè)多采用落后采煤方法與工藝，機械化程度低，造成資源浪費嚴重、安全事故頻發(fā)、勞動強度大。以伊犁煤田為例，該地區(qū)有煤礦 100 多家，60%以上的礦井采用倉儲式和巷道式采煤方法;據統(tǒng)計，全疆鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦平均資源回收率僅 10%~15%，國有地方煤礦只有 30%;另據不完全統(tǒng)計，2010 年新疆國有重點煤礦煤炭生產百萬噸死亡率為 0.44，國有地方煤礦煤炭生產百萬噸死亡率高達 6.72。 2) 內地進疆的大型企業(yè)帶來的先進技術與新疆具體條件適應性的挑戰(zhàn)近年來，神華、魯能、新汶、中煤、潞安、兗礦、徐礦、華能、中電投等 40 多家大型企業(yè)集團進駐新疆開發(fā)煤炭資源，同時帶來了先進的采礦技術與裝備。但新疆幅員遼闊，4 大煤田的地形地貌、覆巖結構、水文地質及煤層賦存條件等差異較大，與東部礦區(qū)更不同。為提高先進技術的適用性，應開展對開采造成的地表沉陷規(guī)律、覆巖移動規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、采煤工藝方式與參數選擇等相關基礎研究，為先進技術與裝備的改進和改造提供理論支持和方法指導。 3) 新疆煤炭資源安全高效開采與生態(tài)環(huán)境保護相矛盾的挑戰(zhàn) 2012 年新疆煤炭產量 1.4 億 t，要達到 4.2 億 t 的規(guī)劃目標，此后 3 a 將年平均遞增近 1 億 t。為此，必須依靠先進采煤技術與裝備，建設特大型/大型現(xiàn)代化礦區(qū)，走集約化高效生產之路;然而，在伊寧礦區(qū)，采用先進的綜放開采技術(一次采全厚 20 m) 和大采高綜采技術(一次采全厚 5 m)，已出現(xiàn)地表沉陷和水土流失現(xiàn)象。由于新疆煤炭資源埋藏淺、厚度大，井下開采可導致更為嚴重的生態(tài)環(huán)境損害，為化解新疆煤炭高效開采與生態(tài)環(huán)境保護的兩大壓力，急需建立以“生態(tài)環(huán)境損害最小化”為目標的新的開采理論與方法。
3 新疆大型煤炭基地科學采礦研究內涵
3.1 主要研究內容擬重點以新疆伊犁、準東、吐哈及庫拜 4 大煤田的典型煤層賦存條件為研究對象，研究現(xiàn)有厚煤層綜采技術的適應性、生態(tài)環(huán)境容量制約下的高效開采技術的選擇性、保水開采與充填開采的可行性以及巨厚煤層與急傾斜厚煤層綜采技術的原創(chuàng)性，開展覆巖移動與地表沉陷規(guī)律、采動裂隙動態(tài)演化與空間分布規(guī)律、含水層與地表水體采動運移規(guī)律、保水開采機理、充填開采與巖層控制機理等基礎研究。具體研究內容闡述如下： 1) 煤層覆巖組成與力學結構特征。調研四大煤田典型煤層水文地質條件、煤層賦存條件及地形地貌特征，分析覆巖的巖層組成及力學性能，找出含水層、隔水層及關鍵層的空間關系，判定不同煤田的覆巖力學結構特征。為整個項目開展研究奠定基礎。 2) 高效開采覆巖移動與采動應力場變化規(guī)律�；诓煌母矌r結構，研究開采參數(采高、推進度、工作面長度等)的變化對頂板破斷、覆巖移動及地表沉陷規(guī)律的影響，分析采動應力場變化特征。重點是巨厚煤層開采覆巖重復移動時，采動裂隙場與應力場的分布規(guī)律;大傾角/急傾斜(35°~55°)厚煤層 (3.5~8.0 m)開采時，頂板垮落特征、底板滑移規(guī)律及采動應力傳遞規(guī)律。為巖層控制、保水開采和充填開采的機理研究提供支撐。 3) 采動區(qū)域水資源流失機理及其控制。主要開展覆巖采動裂隙“固-液”耦合效應、地表水體與含水層水流運移力學模型建立、含水層和隔水層與關鍵層的耦合機理、淺埋煤層地表水體與含水層的破壞機理與控制等研究，確定出礦區(qū)生態(tài)保持的最小水位、保水開采機理及其適用條件分類，為采高控制開采和固體廢棄物充填開采的實施提供技術支持。
3.2 主要研究目標針對新疆煤炭資源高效開采極易導致地表生態(tài)環(huán)境劣化的難題，基于新疆煤炭資源稟賦特征，以系統(tǒng)解決煤炭開采造成的矸石堆放、水土流失、地表沉陷等環(huán)境損害問題為目的，研究和掌握采動應力分布特征、圍巖破裂機理、巖層運動及地表沉陷規(guī)律，建立相應的采動覆巖運動及含水層水流運移力學模型，揭示煤炭開采中的水資源流失與控制機理和矸石充填中充填體-覆巖-地表協(xié)調變形機理，創(chuàng)立生態(tài)環(huán)境保護性高效開采的新理論和方法，提出能夠顯著解決新疆提高煤炭開采效率與資源采出率、保護礦區(qū)土地和水資源的創(chuàng)新技術途徑，為探索新疆大型煤炭基地建設綜合效益最大化的新模式提供理論基礎與技術指導。具體目標： 1) 揭示東部礦區(qū)先進高效開采理論與技術在新疆礦區(qū)應用的適應性，明確技術改進和裝備改造的方向; 2) 創(chuàng)立新疆巨厚煤層和急傾斜厚煤層高效開采的理論和方法，指導相應的成套技術與裝備的研發(fā); 3) 創(chuàng)建伊犁“綠洲”礦區(qū)高效保水開采理論與技術體系，打造新疆乃至全國的保水開采示范基地; 4) 完善固體廢棄物井下充填開采與機械化采煤一體化的理論和方法，建立新疆矸石井下處理技術體系，實現(xiàn)礦區(qū)矸石零堆放; 5) 形成一套“新疆厚煤層生態(tài)環(huán)境保護性高效開采理論與方法”，并在新疆 4 大煤田分期進行工業(yè)性試驗。
4 需解決的關鍵科學問題與特色
需解決的關鍵科學問題主要有：1) 生態(tài)環(huán)境容量控制下的厚煤層高效開采方法選擇;2) 利用矸石實施長壁充填開采的機理及其巖層控制;3) 干旱半干旱礦區(qū)保水開采機理及其適用條件分類;4) 巨厚煤層開采理論與急傾斜厚煤層開采圍巖控制。新疆大型煤炭基地科學采礦的最大特色就是在國家推行綠色礦業(yè)、發(fā)展循環(huán)經濟、建設“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”礦區(qū)的政策背景下，在自治區(qū)一切資源開發(fā)必須堅持“環(huán)境優(yōu)先、生態(tài)立區(qū)” 的原則下，在我國最大的煤炭基地和生態(tài)環(huán)境極其脆弱的干旱半干旱地區(qū)，如何重新評估采用國內先進開采技術的適應性、引進綠色開采技術的適用性、開發(fā)巨厚煤層與急傾斜厚煤層開采技術的獨創(chuàng)性和生態(tài)環(huán)境承載力控制下高效開采技術的選擇性，為新疆資源優(yōu)勢轉換戰(zhàn)略的科學實施和新疆煤炭工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的科學基礎。
5 已取得的初步研究成果
作者帶領的研究團隊針對新疆特有的巨厚煤層條件下采動覆巖移動規(guī)律、伊犁綠洲礦區(qū)保水開采機理以及進行了初步的研究，并取得一定成果。
5.1 巨厚煤層開采覆巖活動規(guī)律為研究巨厚煤層分層開采在“大尺度開采空間”和“多次開采重復擾動”條件下頂板穩(wěn)定性控制的問題，基于新疆準東煤田典型巨厚煤層 BM 煤層賦存特征，通過數值計算、物理模擬及理論分析等方法，分析了巨厚煤層開采覆巖結構穩(wěn)定性特征，并揭示了巨厚煤層覆巖“結構突變失穩(wěn)”的產生機理(如圖 1 所示)。研究結果表明：巨厚煤層的開采造成采空區(qū)空間大幅度增加，采場采動影響具有較大的波及范圍，使得工作面覆巖的活動空間更大，易造成大范圍巖體結構失穩(wěn)破壞;關鍵層穩(wěn)定結構在工作面開切眼和終采線處容易失穩(wěn)，穩(wěn)定結構一旦失穩(wěn)，在后續(xù)開采過程中難以重新鉸接形成穩(wěn)定結構[7]。
5.2 伊犁綠洲礦區(qū)保水開采機理基于伊犁一礦地質條件，研究認為覆巖上位含水層底部第 1 隔水層、覆巖中位阻隔巖層(組)以及下位煤層基本頂的相互作用，共同控制著采動裂隙的擴展與分布、層間與層內導水裂隙與通道的發(fā)育深度與廣度，只有從開采的角度，對采煤方法和工藝參數(如煤層開采厚度、工作面推進速度等)進行優(yōu)選，通過控制上位第 1 隔水層、中位阻隔層和下位基本頂的變形破壞，才能實現(xiàn)保水開采效果的有效控制[8]。
5.3 “一硬兩軟”大傾角厚煤層綜放開采技術基于阿克蘇地區(qū)博孜墩煤礦 31101 綜放工作面地質條件研究了“一硬兩軟”大傾角厚煤層綜放開采技術。該工作面煤層厚度(3.5~8.0 m)，傾角 35°~55°，煤質松軟，手抓即碎;頂板礫巖天然狀態(tài)下其單軸抗壓強度為 92.1~153.0 MPa，RQD 值為 87%~93%，頂板不易垮落;底板粉砂巖天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為 13.7~23.5 MPa、抗拉強度為 2.5~3.0 MPa，RQD 值為 37%~48%，軟化系數為 0.10~0.21<<0.75，屬軟巖。頂板來壓、底板滑移、架前冒頂和煤壁片幫是該條件下必須解決的問題，課題組研究分析了頂底板活動規(guī)律，構建了該類條件支架-圍巖關系，開發(fā)出新型聚酯高分子聚合物進行煤巖體加固，并對液壓支架頂梁進行了改造以控制架前冒頂和煤壁片幫，取得良好的應用效果，如圖 2 所示。
6 結束語與展望
縱觀我國近 30 a 的厚煤層高效開采理論與技術的發(fā)展成果以及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理的成功經驗[7-15]，煤炭資源高效開采與生態(tài)環(huán)境保護相協(xié)調已成為社會各界的共識，并成為理論研究和工程實踐的難點和熱點。國內先進的厚煤層高效開采技術與裝備，在新疆特有的煤層稟賦條件下，能否取得安全高效的預期成效，需對其適用條件重新認定，應進行相關基礎理論研究;新疆獨具的巨厚煤層開采，無論是在理論方法上，還是在工程實踐上，目前都是空白，急需進行前瞻性研究;新疆急傾斜厚煤層(3.5~8.0 m) 的機械化開采一直沒有得到很好的解決，國內也沒有太多經驗可借鑒，為指導巖層穩(wěn)定性控制和成套裝備革新，也需加強基礎研究;尤其是在生態(tài)環(huán)境容量約束時，如何實施保水開采、如何推行矸石充填開采、如何科學選擇先進高效開采方法、如何優(yōu)化配置充填開采和保水開采等，并最終創(chuàng)立大型礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護性高效開采整體設計理論與技術體系，這些都處于該領域的研究前沿，迫切需要系統(tǒng)而深入地開展基礎研究和方法創(chuàng)新，以滿足國家需求和社會要求。因此，研究與探討“新疆大型煤炭基地生態(tài)環(huán)境保護性高效開采”這一科學問題，是一項開拓性的工作，研究成果將為新疆“資源節(jié)約、環(huán)境友好型”礦區(qū)建設和“資源開發(fā)可持續(xù)、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)”的戰(zhàn)略實施提供理論基礎和方法指導。
參考文獻：
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《新疆大型煤炭基地科學采礦的內涵與展望》來源：《采礦與安全工程學報》，作者：張東升 1,2，劉洪林 1,3，范鋼偉 2 ，王旭鋒 2
