发布机构: 山西省科学技术厅能源处 发布日期: 2021-11-02 17:39:27

王彦军、党媛:“110工法”助推采煤方式变革,为实现“双碳”目标做贡献


近年来,干旱、台风、高温热浪、寒潮、沙尘暴等极端天气频繁发生,生态环境破坏,人与自然失调。而这一切的根本原因是人类行为导致全球变暖,气候系统不稳定性加剧。在此背景下,2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。实现“碳达峰、碳中和”是我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的重大战略决策,是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。

中国作为人口大国,在能源消费结构中,煤炭作为主体,依然是保障我国国民经济建设又好又快发展的主体能源,在一次性能源结构中占据不可替代的重要地位。据中国工程院预测,2050年中国煤炭占一次能源消费比例还将保持在50%左右,煤炭仍将长期在能源体系中发挥稳定器和压舱石功能。山西省作为我国的能源大省,煤炭资源更是经济支柱,支撑着全省的转型发展之路,在过去、现在和将来都将一直为我省的经济发展做出巨大贡献,但随之而来的环境污染以及煤炭开采过程中带来的大量能源和材料耗费,特别是碳的排放不容忽视,因此实现煤炭开采的高效节能,也是响应国家实现双碳目标的必经之路,我们要兼顾能源安全性和经济性,积极谋划,先立后破,稳妥推进“双碳”工作。

从上个世纪开始,我国煤炭开采技术一直以“121工法”为主,121顾名思义——每回采1个工作面,需要掘进2条巷道、留设1个煤柱。然而,这种采煤工艺存在着两条巷道掘进量大、采掘成本高,掘进过程中事故易发,回采率低、煤柱资源大量浪费,地表破坏、环境损伤严重等问题。何满潮院士曾提出目前我国普遍使用的传统煤炭开采技术方法,煤炭资源损失高达20%至25%,矿井平均采出率不到50%。每年因矿井留设煤柱造成的煤炭损失高达34.5亿多吨,价值2万多亿元,传统支柱能源开采技术亟待升级换代。

何满潮院士在传统121开采工法基础上提出了一项原始创新的先进技术,以“切顶短臂梁”理论为基础,实现无煤柱自成巷110工法开采。与121工法对应,110工法每回采1个工作面,只需要掘进1条巷道、留设0个煤柱,故又称为无煤柱自成巷110工法见图1。该工法被业界称为第三次矿业技术革命,在回采巷道将要形成的采空区侧定向预裂,切断顶板的应力传递路径,缩短顶板悬臂梁的长度,减少采空区侧煤体受到回采动压的影响,工作面回采后,顶板沿预裂位置滑落形成巷帮,该巷道作为下工作面的运输巷。

                                            

1 “110”及“121”工法对比图

无煤柱自成巷110工法关键技术包括顶板预裂切缝技术、NPR恒阻大变形锚索支护技术、碎石帮控制技术、矿压远程实时监测及预警技术——实现切的开、吊的住、下得来、护得好。该工法成功克服了现行开采体系的问题,实现了井下资源的高效回收,提高了煤炭回收率,有利于生产集中化和高产高效。该工法在切顶卸压后,降低了工作面一定范围内的周期压力和巷道内的压力,从而提高了生产安全性;该工法由于采出煤柱能有效的降低采空区的不均匀沉降,能有效的减少采空区的地表裂缝,保护采空区的生态环境,实现煤炭的绿色智能开采;该工法挽救了煤炭资源浪费极大的局面,同时少掘一条巷道也减少人工的伤亡,减轻了对地面环境的破坏。具体价值如下:

一、经济价值

1.回收煤柱,利国利企。工作面留煤柱按宽30米×高4米×长1000米计算,市场价格平均为1000元/吨,每个工作面回收煤柱价值为1.68亿元。

2.每个工作面减少50%巷道掘进,减少投入,提高效率。巷道按5000元/米的掘进成本计算,对于1000米的巷道,可减少投入500万元。

二、安全价值

掘进巷道是煤矿事故高发区,所以减少50%的巷道掘进,可大大降低煤矿安全事故率。另外,无煤柱自成巷110工法大大减少了由于留设煤柱导致高应力集中诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等工程灾害,保障了煤矿安全。

三、生态环保价值(减碳)

110工法可提高煤炭资源回收率20%左右,从而大大降低了煤炭开采的碳排放量;减少50%巷道掘进,相应地减少了掘进过程中的碳排放;采用110工法平衡开采,可以实现采空区均匀沉降,大大降低地表裂缝宽度及落差,明显减少地下煤炭开采对生态环境的破坏,推进煤炭工业绿色可持续发展。

撰写专家王彦军深部岩土力学与地下工程国家重点实验室山西银锋分中心主任

                       党媛深部岩土力学与地下工程国家重点实验室山西银锋分中心科研人员



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