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攻克水患難題 智取黃河北煤田

作者:記者 高文靜 通訊員 崔鑫 閆之喜 2021-01-21 14:17:52

地處山東德州北部齊河縣境內的山東能源臨礦集團邱集煤礦近日傳來好消息,該礦下組煤實現成功開采,破解了雙重灰巖承壓水威脅煤層開采的世界難題,為國內同類煤礦開采提供了借鑒和可行樣本。

截至2020年底,該礦累計施工鉆孔40余組,完成治理面積2平方公里,解放優質煤炭資源1700萬噸,利潤同比增長90%。

艱難抉擇,歷經坎坷志不移

黃河北煤田擁有煤炭資源百億余噸,邱集煤礦下組煤儲量近2億噸。2004年,臨礦集團接管邱集煤礦后,將治水工作定為該礦的重中之重。同年,該礦開始施工地面首個水文觀測孔。2005年,該礦與中國煤炭科工集團西安研究院合作,開展礦井四五灰放水試驗。2006年,該礦11號煤石門距離四五灰垂距5.5米處發生底板突水。由于突水通道難以查清,該礦于2007年施工擋水墻進行封閉,但初試失敗。

隨后,該礦進行了一系列物探、鉆探、注漿、放水試驗,但是受裝備、技術水平制約,11號煤注漿改造工程始終沒有獲得突破。

2016年上半年,該礦可采儲量已不足50萬噸,被列入“僵尸企業”名單。如不盡快在下組煤治水上取得突破、釋放煤炭資源,該礦將被關停。由于受頂板、底板承壓水威脅,水害防治工作成為制約該礦可持續發展的瓶頸,僅靠傳統治水的辦法行不通。

“這種地質條件開采下組煤,沒有先例,不可能成功。”“在兩層水中間采煤,風險太大了,這不是天方夜譚嗎?”……種種反對聲在該礦此起彼伏。

為此,臨礦集團領導經過分析研究,最終拍板決定:組織各方力量,支持邱集煤礦向11號煤發起挑戰。

探尋“縛虎”術,為安全開采提供護身符

邱集煤礦11號煤水文地質條件極為復雜,主要受頂板四五灰、底板徐灰、奧灰含水層水害威脅。

臨礦集團成立專班,邱集煤礦成立了以時任該礦總工程師武善元為首的水害治理攻關組,打破傳統慣性思維,以全新思路,全力解決水患難題。

前期,攻關組對防治水工作和相關地質資料進行全面總結梳理,多次外出調研考察,經過反復研究商討,決定采用地面順層水平定向鉆探+高壓注漿技術對下組煤進行超前區域治理。

2016年7月,隨著D8鉆孔第一鉆嵌入地層,該礦治水攻堅戰正式打響。鉆硬巖、過軟巖,優方案、精注漿……該礦的治水工程有條不紊,接續進行。

地測專業出身的武善元頂著巨大壓力,與攻關組成員一道爭分奪秒趕進度,先后主持完成了3次大型放水試驗,解決了一個又一個技術難題。攻關組成員劉磊面對S5—5分支孔有可能會出現塌孔現象,與施工人員盯守現場,與鉆探人員一道分析地層、巖粉、定向軌跡等,反復測試鉆探泥漿的特性,最終探索出用高標號水泥固結和非定向鉆探穿越泥巖段的方法,大大提高了鉆探效率。

然而,D8鉆孔在區域初步治理中未能達到切斷徐奧灰與四五灰垂向聯系的目的。為此,攻關組對這一區域的地質條件特征再次進行分析后,開創性地提出并實施了雙層多分支順層鉆孔注漿改造頂板、底板雙重灰巖含水層的方法,同時加固頂板、底板灰巖,將兩層灰巖改造成弱含水層或相對隔水層,從源頭上解決了頂板、底板雙重灰巖含水層的問題。

此外,攻關組還創新實施了“梅花式”探查,持續完善探查治理標準;實施了“一段一策、一孔一策”方案,實現了精準注漿。為解決扇狀水平鉆孔布置中存在的鉆孔間距不均一、順層距離短、漿液擴散不均衡等問題,攻關組創新實施了淺埋深等距水平孔技術;為解決頂板四五灰硬度大、垮落難,大面積垮落會增加對底板破壞程度的問題,他們創新實施了頂板灰巖全閉合預裂卸壓開采技術。巷道順利揭露下組煤后,該礦又出現了底板鉆孔水量大、地面注漿孔與巷道距離近等突出問題,于是,攻關組建立了井上井下聯合立體式治理新模式。

在地面區域治理工程實踐結束和安全性評價的基礎上,2017年9月,該礦首次安全揭露了11號煤。經過地面區域治理和井下多次探查,2018年12月,該礦1102試采工作面頂板、底板巖溶水害超前治理效果評價順利通過評審組專家論證。2019年4月,在完成設備安裝、調試等一系列準備工作后,該礦11號煤第一個采煤工作面1102試采工作面開始安全試采,同年5月,第一個智能化工作面1101工作面正常開采。

4年來,攻關組先后實施了頂板、底板同注,淺埋深地面順層等距離分支鉆孔和定向鉆進精準注漿三大核心技術,形成了地質分析、區域治理、探注結合、動態預警、綜合防護“五位一體”防治水技術管理體系,實現了黃河北煤田受頂板、底板雙重灰巖承壓水威脅煤層的安全開采,為國內類似條件下煤層開采提供了借鑒、參考。

截至2020年11月,該礦已完成4個塊段的治理,施工鉆孔40余組,完成鉆探進尺12萬米以上,注漿量達70多萬噸,治理面積2平方公里,解放優質煤炭資源1700萬噸,并建成了黃河北煤田首個智能化工作面。

智能化開采,如虎添翼

借助臨礦集團強力推進的工業3.0+升級改造重點工程和新舊動能轉換項目,邱集煤礦領導班子將目光聚焦到智能礦山建設上。

“按照山東能源集團‘一提雙優’工作部署,我們把智能化建設作為‘一號工程’,著力構建工藝現代化、生產自動化、運行集控化、管理信息化、隊伍專業化新型生產模式,全力打造智能化工作面。”臨礦集團副總經理、總工程師趙仁樂說。

2019年,該礦引進了首套智能化工作面裝備,打造了1101智能化工作面。該智能化工作面集成了液壓支架電液控系統、采煤機智能化系統、語音通信系統、工作面視頻輔助系統和順槽集控自動化系統。

但是,該礦技術人員發現,該智能化工作面試運行后,整套系統并沒有達到智能化開采要求。根據存在的諸多問題,該礦成立了以機電副礦長為組長的智能化工作面技術攻關小組,全面負責解決智能化工作面存在的問題、優化生產工藝及系統操作、培訓維護人員等。

與此同時,技術攻關小組通過跟蹤不同生產工序,總結制定了處理問題和優化系統的有效方案,解決了跟機移架丟架、不能雙向進刀、三角煤無法自動記憶截割等關鍵技術問題,并實施了復合灰巖頂板全閉合預裂切頂卸壓及自成巷技術,實現了“以工作面自動控制為主,遠程干預控制為輔,一鍵啟停、記憶截割、自動跟機移架,工作面有人巡視、無人操作”的智能化生產模式。

為確保安全開采,打造工作面的“銅墻鐵壁”,該礦增加了注漿環節。“我們目前已掌握了注漿核心技術,通過優化鉆探設計和漿液配比,研發新型注漿材料,多煤層聯合開發,并通過競標降低了噸煤注漿成本,不僅實現技術上可行、安全上可靠,而且做到了經濟上合理。”該礦黨委書記、礦長王永寶介紹說。

此外,該礦大力實施“三減三提”工程,努力打造自動化、智能化礦井。通過技術攻關和經驗摸索,人工干預率降到10%以下,單班實現常態化連續記憶割煤,打造形成了真正意義上的智能化工作面。該工作面正常生產期間只需要2人作業,同比減少14人,人工效率同比提高195.9%。

“下一步,我們將在當前防治水技術的基礎上,繼續加強對新技術的吸收、探索和應用,持續提升技術治理、科技保安能力,實現生產效率、礦井效益雙提升,著力打造黃河北煤田安全集約高效防治水樣板礦井和全智能化樣板礦井。”臨礦集團黨委書記、董事長張圣國表示。(記者 高文靜 通訊員 崔鑫 閆之喜)

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