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邱集煤矿:攻克世界性“水患”难题 让2亿吨下组煤安全开采成为现实

邱集煤矿:攻克世界性“水患”难题 让2亿吨下组煤安全开采成为现实

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发布时间:
2021/01/07
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导语:山东能源临矿集团邱集煤矿成功破解双重灰岩承压水威胁煤层开采的世界难题,为黄河北煤田下组煤开发提供了新路径

新年伊始,地处德州北部齐河县境内的邱集煤矿传来喜讯:截至目前,山东能源临矿集团邱集煤矿累计施工钻孔40余组,完成治理面积2.0km²,解放优质资源储量1700万吨;2020年1-12月,商品煤产量、营业收入同比增长46.5%、47.6%,利润同比增长90%以上。一举扭转邱集煤矿长期以来亏损、微利的被动局面,实现了安全开采、效益开采和可持续发展。

邱集煤矿下组煤的成功开采,破解了双重灰岩承压水威胁煤层开采的世界难题,闯出了黄河北煤田下组煤开发的新路子,为国内同类矿井开采提供了有益借鉴和可行样本。

艰难抉择,历经坎坷志不移

黄河北煤田有着百亿余吨的储量,早在1978年就开始筹建的邱集煤矿,下组煤储量近2亿吨,但是由于受顶板四五灰、底板徐奥灰岩溶承压水威胁,筹建过程一波三折。直到2003年12月才建成投产。

2004年,临矿集团接管邱集煤矿后,把治水作为重中之重。同年,开始施工地面首个水文观测孔。2005年,与中煤科工集团西安院合作进行矿井四五灰放水试验。2006年,11煤石门距四五灰垂距5.5m处发生底板突水。由于突水通道难以查清,于2007年施工挡水墙进行了封闭。初试宣告失败。

执着不屈的临矿人没有被困难和失败所吓倒,攻克下组煤的信念矢志不移。为了邱集矿的未来,物探、钻探、注浆、放水试验的节奏始终不乱、探索攻坚的脚步依然铿锵。然而,由于受装备、技术水平等方面的制约,11煤注浆改造工程始终没有获得突破。寒来暑往,几经周折,个中滋味只有邱煤人的体会最深。

几度风雨,几度春秋。2016年上半年,邱煤煤矿到了生死边缘,经济可采储量已不足50万吨,并被列入“僵尸企业”。如不尽快在下组煤治水上取得突破、释放储量,矿井将被关停。

经过探测发现,11层煤平均厚度2米以上,地质储量在6000万吨以上,是优质的炼焦配煤,热量是气肥煤的近两倍,经济价值可观。然而,一道天大的难题——水患,始终没能攻克,成为横亘在邱集矿和临矿集团决策者们面前的“拦路虎”。由于受顶、底板承压水威胁,水害防治成为制约矿井可持续发展的重大瓶颈。仅靠传统治水办法难以为继且根本行不通。

生死关头,何去何从?考验着临矿决策者的智慧和胆略。

如果按照“僵尸企业”关井,一关了之,那么一千多名职工怎么办?6000万吨优质焦煤以及受水患威胁的11层、13层近2亿吨储量岂不白白浪费,更何况所处的黄河北煤田赋存的下组煤优质资源百亿吨之多。

“这种地质条件开采下组煤,没有先例,不可能成功。”“在两层水中间采煤,风险太大了,这不是天方夜谭吗!”……种种议论和反对声音不绝于耳。

一道迫切需要解决的“生死难题”,摆在临矿决策层面前。时间不等人,下组煤开采迫在眉睫!

为了邱集的未来,为了再造一个“新邱集”,为了黄河北煤田的资源解放,临矿集团领导经过审慎研究,最终拍板决定:组织各方力量向“11煤”发起挑战。

一场决定邱集煤矿生死存亡的“攻坚战”就此打响,一场制服水患、根治隐患的“阻击战”从此展开……

探寻“缚虎”术,为安全开采提供“护身符”

临矿集团当机立断,从集团层面成立专班,邱集煤矿成立了以总工程师武善元为首的水害治理攻关组,打破传统惯性思维,以全新思路攻坚,全力攻克“水患”这一“拦路虎”。

攻关组首先对前期防治水工作和相关地质资料进行全面总结梳理,多次外出调研考察,经过反复研究商讨、权衡风险,决定采用地面顺层水平定向钻探+高压注浆技术对下组煤进行超前区域治理。

2016年7月,随着D8孔第一钻嵌入地层,一场艰苦卓绝的治水攻坚战正式打响。

钻硬岩、过软岩,优方案、精注浆……,治水工程有条不紊,接续进行。攻关小组成员发扬“5+2、白+黑”精神,顶烈日、冒酷暑、战严寒,为了一个共同目标,顽强拼搏、日夜坚守。  

地测专业出身的时任邱集煤矿总工程师武善元顶着巨大压力,为了保住一千多名职工的饭碗,为了解放了11煤的使命,实现再创一个“新邱煤”的目标,他与攻关团队一道争分夺秒赶进度,不分节假日,没白没黑奋战在生产一线、拼搏在钻探现场,先后主持完成3次大型放水试验,攻克了一个又一个难啃的“硬骨头”。

队员刘磊面对S5-5分支孔有可能会出现类似塌孔现象,与施工人员盯守现场,吃喝在工地,几天不回家,与钻探人员一道分析地层、岩粉、定向轨迹等情况,反复测试钻探泥浆的性能,最终探索出用高标号水泥固结和非定向钻探穿越泥岩段的方法,大大提高了钻探效率。

11煤水文地质条件极为复杂,主要受顶板四五灰及底板徐灰、奥灰含水层水害威胁。通过D8试验孔初步区域治理,未能达到切断徐奥灰与四五灰垂向联系的目的。为此,攻关组对地质条件特征进行再分析,开创性地提出并实施双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法,对顶、底板灰岩同时加固,打破只对底板注浆治理的传统思维,通过将两层灰岩改造为弱含水层或相对隔水层,从源头上解决了顶底板双重灰岩含水层的问题。

他们还创新实施“梅花式”探查,持续完善探查治理标准,实施一段一策、一孔一策,实现了“精准注浆”。为解决扇状水平钻孔布置中钻孔间距不均一、顺层距离短、浆液扩散不均衡等问题,攻关组创新并实施的浅埋深等距水平孔技术,达到国内领先水平。为解决顶板四五灰硬度大、难垮落,大面积垮落会增大对底板的破坏深度,他们创新实施顶板灰岩全闭合预裂卸压开采技术,并取得重大成功,这在国内外尚属首次。

巷道顺利揭露下组煤后,出现了底板孔水量大、地面注浆孔与巷道距离近等突出问题,于是,井上下联合立体式治理新模式在攻关组的挑灯夜战下应运而生。

2018年年初,经放水、压水试验、钻探等手段证实初期的顶板四五灰帷幕效果不佳,有可能对井下采掘工程产生影响,此时各种沉寂的质疑声又浮出“水面”。停,前期工作打水漂;干,国内没有可借鉴的经验。知之甚易,行之弥坚。攻关组统筹时间、效能、治理效果等因素,提出了对顶板四五灰帷幕补强的方案,继续对其进行探查和注浆,封堵和加固边界区域,进而达到治理效果。经过近三个月的工程实践,效果初显。半年后基本上解决了帷幕治理效果的问题,为试采工作面安全评价奠定基础。

11煤开采几经艰辛和波折,取得了一个个阶段性成果。在地面区域治理工程实践结束和安全性评价的基础上,2017年9月,首次安全揭露11煤层,是华北型煤田山东黄河北煤田第一次揭露下组煤,同时为整个黄河北煤田百亿余吨资源储量找到了一条安全可行的开发途径,全力保障鲁北区域煤炭供应。在地面区域治理和井下多次探查后,2018年12月,1102试采工作面顶底板岩溶水害超前治理效果评价顺利通过以武强院士为组长的专家论证。2019年4月,在工作面完成设备安装、调试等一系列准备工作后,11煤第一个采煤工作面1102试采工作面开始安全试采,开启了黄河北煤田下组煤安全开发的序幕;同年5月,第一个智能化工作面1101工作面正常开采。 

4年来,通过创新先后实施以顶底板同注、浅埋深地面顺层等距离分支钻孔和定向钻进精准注浆技术“三大”核心技术,形成了“地质分析、区域治理、探注结合、动态预警、综合防护”为核心的“五位一体”防治水技术管理体系,实现了黄河北煤田受顶底板双重灰岩威胁煤层的安全开采,为国内类似条件下煤层开采提供了有益的借鉴、参考,产生了良好的经济效益、社会效益。

这一项项成果、一个个首创,伴随着不断刷新的钻探记录,相继转化成一项项国家专利,共同构建成下组煤安全开采的“铜墙铁壁”。

截至今年11月,已完成四个块段的治理,施工钻孔40余组,完成钻探进尺12万米以上,注浆量70多万吨,治理面积2.0km2,解放资源储1700万吨,并建成了黄河北煤田首个智能化工作面。

至此,敢为人先的邱煤人以创新思维、工匠精神,咬定目标、百折不挠,一举攻克了顶底板承压水治理开采世界性难题,下组煤开采取得了历史性突破,矿井实现了可持续发展。

智能化开采,如虎添“翼”

经历了“生死劫难”“起死回生”的邱煤人清醒地认识到,依靠科技创新治水让邱集获得新生,要想实现矿井高质量发展,更需要科技兴矿、科技保安,走智能化开采的路子。

借助于临矿集团强力推进的工业3.0+升级改造重点工程和新旧动能转换项目,邱集煤矿领导班子将敏锐的目光聚焦到智能矿山建设上。

“按照能源集团‘一提双优’工作部署,我们把智能化建设作为‘一号工程’,着力构建工艺现代化、生产自动化、运行集控化、管理信息化、队伍专业化新型生产模式,匠心打造智能化工作面”。临矿集团副总经理、总工程师赵仁乐说。

2019年,该矿引进首套智能化工作面装备,全力打造1101智能化工作面。智能化工作面集成了液压支架电液控系统、采煤机智能化系统、语音通信系统、工作面视频辅助系统与顺槽集控自动化系统。工作面试运行后,整个系统达不到智能化推采要求,根据存在的诸多问题,矿成立了以机电矿长为组长的智能化工作面技术攻关研究小组,全面负责智能化工作面存在问题处理、生产工艺优化、系统操作及维护人员培训等;技术攻关小组通过现场对不同生产工序连续跟踪写实,总结制定了处理问题和优化系统的有效方法,解决了跟机移架丢架、不能双向进刀、三角煤无法自动记忆截割等关键性技术问题,并在国内外首次创新实施复合灰岩顶板全闭合预裂切顶卸压及自成巷技术,实现了“以工作面自动控制为主,远程干预控制为辅,一键启停、记忆截割、自动跟机移架,工作面有人巡视、无人操作”的智能化生产新模式,达到了较薄煤层行业先进水平。

然而,去年年初,在治水“突围”的关键时期,突如其来的疫情给邱集煤矿“当头”一击,打乱了既定的治理节奏。严峻的疫情形势并没有吓倒坚定的邱集人。矿班子成员、各部门主要负责人大年初二、初三全部返矿、靠前指挥,全面部署矿区防疫和复工复产工作,打响了矿井战“疫”保卫战、钻探治水攻坚战。目前,该矿安全开采四个工作面,已采出煤量75多万吨,实现了黄河北煤田下组煤开采由“0到1”的历史性突破。

“针对疫情形势变化,我们坚持机制不变、力度不减,着力推动疫情防控工作由应急状态向常态化防控转变,实现了矿井安全稳定有序生产。”邱集煤矿党委副书记、工会主席李东说。

为确保安全开采,打造工作面的“铜墙铁壁”,注浆环节尤为关键。“我们目前已掌握了核心技术,通过优化钻探设计和浆液配比,研发新型注浆材料,多煤层联合开发,并引入竞争机制,科学压缩工程招标单价等一系列有效措施,吨煤注浆成本大幅度下降,不仅实现技术上可行、安全上可靠,而且做到了经济上合理,注浆改造成本跑赢了煤炭市场变化。”邱集煤矿党委书记、矿长王永宝介绍。

“无人则安、少人更稳”。该矿大力实施“三减三提”工程,努力打造自动化、智能化、少人化和无人化的“新四化”矿井。通过技术攻关和经验摸索,人机匹配、设备操控熟练度大幅提升,人工干预率降到10%以下,单班实现常态化连续记忆割煤,打造形成了真正意义上的智能化工作面。工作面正常生产期间2人作业,同比减少14人;人工效率同比提高195.9%,达到国内同行业、同类型煤层先进水平。

“我们将在当前防治水技术基础上,继续加强对新技术的吸收、探索和应用,持续增强技术治理、科技保安能力,实现生产效率、矿井效益的革命性提升,着力打造黄河北煤田安全集约高效全国防治水样板矿井和全智能化样板矿井。”临矿集团党委书记、董事长张圣国表示。

风雨多经志弥坚,关山初度路犹长。踏着新动能的铿锵节拍,邱煤人正以创新的锐志、跨越的激情,勇立潮头、奋勇向前,奋力谱写新时代邱煤崭新篇章。

(文/崔鑫  图/闫之喜  作者单位:山东能源临矿集团)

(责任编辑:邵冰锋)

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