同煤集团千万吨级矿井群建设开发模式研究

2018-04-13郭金刚

中国矿业 2018年4期

郭金刚

(大同煤矿集团有限责任公司，山西大同 037003)

2015年大同煤矿集团公司(简称同煤集团)提出新的千万吨矿井定义，指出千万吨级矿井建设即基于可持续发展、绿色矿山建设与循环经济理论提出的以安全高效绿色开发为核心，以安全生产为前提，以环境保护为制约，以社会、经济效益最大化为目的，由三个及以上年产量不低于10 Mt的矿井组成，其矿井采用两种及以上开拓方式或开采方法，由统一部门对矿井资源集中管理的千万吨级矿井集群。该定义精确了千万吨级矿井内涵，着重突出符合可持续发展、绿色矿山建设与循环经济理论是千万吨级矿井集群的重要标志，体现了我国煤炭工业对矿井认识的进一步提升。根据这一定义，千万吨级矿井除在产量上不低于1 000万t，还应满足安全生产、环保高效、经济社会效益最大化三个现代化高效矿井所必须具备的特点，是同煤集团建设千万吨矿井一直奉行的理念，也为千万吨级矿井未来发展指明道路。

1　千万吨级矿井建设是煤炭行业必由之路

现阶段，煤炭的需求量不断增加，煤炭产业正处于高速发展阶段。我国煤炭的产业结构和工业技术经过调整改造后，市场集中度和竞争力有所提高。但煤炭产业在发展过程中“重产量、轻规划”，后续发展暴露出以下问题：一是人力资源结构失衡，长期以来，我国对煤炭行业认识的局限性造成了煤炭增产仅仅通过增加劳动力的方式来实现[1]，导致我国煤炭企业员工数量高于国外同等规模煤炭企业员工数量，人力资源冗余；二是劳动率较低，按照2015年中国煤炭产量37.5亿t、煤炭行业从业人员600万人来计算的话，中国煤炭行业整体人均煤炭年产量为630 t，而发达国家为1万t，仅相当于发达国家的6.3%；三是盈利空间较小，我国煤炭企业吨煤成本较高，据煤炭工业协会调查数据显示，我国煤炭产量在行业占比69.4%的90家大型煤企在2015年前11个月企业利润只有51.3亿元，利润同比减少500亿元。煤炭企业亏损已经成为煤炭行业发展所面临的最为严峻的问题[3]；四是安全水平较低，相比其他产煤国家，美国是世界第二大产煤国，百万吨死亡率长期保持在0.1以下，近几年该数值更是在0.03左右，是中国的四十分之一[4]。

针对煤炭行业面临的以上诸多问题，煤炭企业在政府的引导下，积极寻求突破，在新时代背景下开辟产业发展的新道路，煤炭行业呈现新的发展趋势。首先，煤炭行业由劳动密集型向技术密集型转变。随着科技进步及煤炭开采思路的变革，煤炭工业由人工挖煤向机械综采进行转变；煤炭技术由低水平向“高精尖”转变，信息技术正在向煤炭行业逐渐渗透。其次，小型煤炭集团向大型能源集团发展。为实现可持续发展，我国主要产煤大省进行煤炭企业的兼并重组，煤炭产业结构发生了重要转变：产能由分散转向集中，煤炭发展更注重集约化、现代化；产业链由中游转向中下游，充分延伸煤炭产业链，实现了煤炭从能源到资源的转化；矿山建设由黑色转向绿色，显示出煤炭行业结构由能源到资源的转换。最后，矿井由十万吨级向千万吨级转变。根据2017年中国工程院组织的“煤炭科学产能”数据调查结果显示(图1)，煤矿的科学产能总分与矿井生产能力具有正相关性，我国在产的千万吨级矿井在“煤炭科学产能”中的三个最重要指标——安全指标、高效指标、绿色指标得分普遍高于十万吨级、百万吨级矿井，这充分证明了千万吨级矿井更具有的安全、高效、绿色属性。发展大矿井、建设千万吨级矿井是我国煤炭工业提质增效的必由之路。

图1　2017年科学产能百强矿产能与科学产能总分关系图(资料来源：2017煤炭科学产能数据调查)

2　千万吨矿井建设的难点

千万吨级矿井的设计、建设是一个复杂的系统工程，煤炭开采生产既受煤层赋存情况、地质构造、水文条件、瓦斯含量等自然条件与机械化水平、生产管理组织结构等企业条件的内在因素的约束，同时也受市场环境、外运通道、企业竞争和地企关系等外部条件影响，以上种种因素都会影响煤田是否具有生产千万吨能力。

2.1　老矿区建设千万吨级矿井的难点

同煤集团大同矿区为双系煤田，即侏罗系煤田系和石炭二叠系煤系重叠赋存。由于大幅度开采，侏罗系煤田已全部开采利用，没有建新井的可能性。为稳定生产，同煤集团提出对现有侏罗系煤层精采细采，同时推进石炭系煤层平稳过渡交替。由于多个矿井同时开采侏罗系煤层群，突破上部已有矿井开采的条件限制，对技术要求高，形成完全独立的资源开发体系较困难，主要难点表现为以下几方面。

1) 近距离煤层群联合开采。近距离煤层群联合开采。在近距离煤层条件下,由于上部煤层的开采，下部煤层顶板将会受损破坏,且下部工作面巷道的矿压将因上部煤层开采残留煤柱集中应力的影响而加剧。

2) 强矿压显现、岩层压力。大同矿区石炭系特厚煤层综放开采具有强矿压显现规律。开采过程中出现了顶板不易垮落、冲击载荷显现、动载系数大，严重时出现了冲击地压等动力现象。

3) 大断面掘进与巷道支护。大同矿区煤层厚度较大，由于千万吨级矿井开采强度较大，塔山煤矿、同忻煤矿等均采用大采高综放开采技术，为满足设备运输和通风要求，需扩大巷道掘进断面，由此增加了巷道支护困难程度。

4) 覆岩纵向大结构破坏。由于特厚煤层、双系两硬的特殊条件，开采石炭二叠系煤层的同忻煤矿在生产过程中多次遇到了上覆岩层大结构破坏导致的强烈的矿压显现，阻碍高产高效生产同时也对井下人员安全有着巨大威胁。

5) 井筒穿越采空区施工困难。在穿越采空区的井筒施工领域，目前还未有成熟的理论技术体系支撑，对岩层移动变形规律及其对井筒稳定性的影响机理尚未完全掌握，造成施工困难。

6) 巷道横向运输与矿井提升运输。主井皮带输送机担负着矿井运输的艰巨任务，是矿井高效生产的主动脉，但千万吨级矿井生产压力大，允许检修时间短，胶带更换工作面临工期短、任务重的双重难题。

7) 大断面复杂硐室软弱围岩控制。随着采掘深度的加深，深部软岩问题将日益突出，而软岩巷道围岩控制问题尤其是大断面复杂硐室软弱围岩控制依然是目前世界矿建行业的难题。

2.2　外部建设影响条件与制约因素

千万吨级矿井的建设遇到的难点不仅在于矿井自身的建设方面，外部环境条件也对其产生了一定的制约。

市场环境严峻。受经济减速、结构调整的影响，能源消耗增速相对减缓，煤炭市场出现价格下滑、销售不畅、回款困难等问题。与此同时，用户结构单一、转型产业发展相对缓慢、人力资源结构失衡等问题也阻碍了同煤集团的发展。

企业竞争激烈。煤炭经济下行，市场需求逐渐缩小导致了煤炭市场内各大企业的竞争越发激烈。通过与国内大型煤炭企业进行对比，可以看出同煤集团综合实力高于淮南矿业集团，远低于神华集团，与中国中煤能源集团有限公司相比稍低。目前煤炭行业强手林立，竞争日趋激烈。

3　同煤千万吨矿井整体规划建设模式

2001年起，以神华神东煤炭集团公司大柳塔煤矿为代表开辟了我国千万吨级矿井建设的先河，形成了具有“神东特色”的以大柳塔煤矿、榆家梁煤矿为代表的神东模式；2003年，兖矿集团的济宁三号井作为千万吨级立井煤矿首例为煤炭行业所标榜；随后，中国中煤能源集团有限公司安家岭煤矿步入千万吨级矿井的行列，开创“平朔模式”；同煤集团塔山煤矿紧紧随其后，积极探索发展具有同煤特色的千万吨级矿井建设开发模式。将同煤集团千万吨级矿井建设模式与神东模式、平朔模式进行比较，见表1。

表1　千万吨级矿井群建设开发模式比较

基于对国内外千万吨级矿井建设的分析，历经技术突破、管理体制改革创新的沉淀，同煤集团不断克服自身条件限制，因地制宜，深入贯彻千万吨级矿井理念，积极创新千万吨级矿井开发模式，针对不同煤层赋存情况[5]，形成了双系煤田(如塔山煤矿、同忻煤矿)、整装煤田(如麻家梁煤矿)、整合矿井(如铁峰煤矿)等三种开发模式。

3.1　双系煤田矿井建设模式

煤炭企业的可持续发展的基础是合理开发石炭二叠系煤田资源。同煤集团建立大型煤电能源企业的重要措施是建设现代化高产高效特大型矿井，首建的塔山煤矿，资源回收率高达85%以上；采用先进的大功率采煤机，运行平稳性得到提升[6]；配备现代化的安全监测、监控系统，实现实时监测和远程集中监控。通过7年多的开发，塔山煤矿变革传统煤业的发展道路，积极突破创新大型安全高效矿井建设的发展模式。

3.1.1双系煤田矿井建设基础

同煤集团塔山煤矿在考虑资源赋存条件的前提下，以人才、资金、技术及装备等条件为基础，以同煤集团雄厚的资金力量为支撑，以高新技术为保障[7]，利用双系煤田矿井建设模式，建设成为特大型现代化矿井，建设成为现代化安全高效矿井。

3.1.2双系煤田矿井建设模式

塔山煤矿作为目前国内生产能力最大的井工矿井[8]，塔山煤矿的建设基础、设计理念、开发条件、开采方法及创新技术形成了同煤双系煤田矿井建设的独特模式(图2)。

图2　塔山矿井建设模式示意图

塔山煤矿设计理念创新。塔山煤矿建设设计理念打破常规思路，跳出思维定式，从观念上寻求新的突破。塔山煤矿改革传统矿井设计，在煤层露头平原处布置工业场地，平硐开拓，采用带式输送机直接搭接、不设缓冲环节主运输和无轨胶轮辅助运输，以及充分利用现有工业场地分区开凿风井，使矿井形成集中出煤、集中运输设备及材料、分区通风的分区开拓布局，为大型现代化矿井的建设提供了系统保障。

塔山煤矿开采方式创新。由于煤层厚度较大，塔山煤矿为克服井工开采存在的煤层上部送巷难、顶板控制难等困境,创新提出“一综放采全高”的开采方式以实现双系煤田矿井建设中的开采环节的正常乃至高效地实施。

塔山煤矿建设技术创新。塔山煤矿开创TBM系统施工技术，提高了建设效率，早于原计划一年投产。同时在矿井建设中创造应用到的冒落松散煤岩体中大断面巷道再造技术等均是塔山煤矿根据理论基础结合实际情况进行的创新与应用，为双系煤田的建设开辟了崭新的道路。

3.2　整装煤田矿井建设模式

同煤集团依靠科技创新，采用先进的技术与设备，运用高效科学的建设模式对整装煤田进行合理开发，其中麻家梁煤矿井建设中的探索，代表着同煤集团乃至整个行业对整装煤田建设开采模式的探索与实践[9]。

资源赋存条件优势。麻家梁煤矿煤层资源量比较集中，全井田资源量445 340万t，储量丰富，构造简单，便于开采，同时井田内各主要可采煤层层位稳定或比较稳定，虽然厚度有变化但规律性较强，因此，矿井具有良好的资源条件进行开发。

谋前瞻性策略，建高标准矿井。矿井采用立井双水平开拓，初期布置主立井、副立井、回风立井三个井筒，一个开采水平。布置两个生产采区，装备两个综采放顶煤工作面和两个连续采煤机工作面，引进世界先进的工作设备和生产技术，实现高产高效。

大采高综采放顶煤开采。针对开采阶段的设计，同煤集团麻家梁矿井发明了14～20 m特厚煤层大采高综采放顶煤开采方法，提出大采高综放工作面控制及提高回收率的技术；开发出“低瓦斯赋存，高瓦斯涌出”的大采高综放工作面瓦斯治理技术，实现了14～20 m特厚煤层一次采全厚安全、高效、高回收率开采。

技术设备创新。在麻家梁煤矿的建设过程中，突破建设及生产规模的前提是技术突破。同煤集团成为了行业内首次应用立井矿井提升机“全载半速”新功能，同时研制出的成套装备以及我国首台可实现掘进、支护一体化的带轨道式锚杆钻臂系统的大断面煤巷掘进机等设备。

3.3　整合矿井建设模式

资源整合是实现资源更加合理高效利用的必由之路，同煤集团通过对小矿井兼并重组实现煤炭资源整合。铁峰煤矿是同煤集团整合矿井形成千万吨级矿井建设模式的代表性煤矿。

煤矿整合矿井理念。同煤集团坚持“总量适度、优化布局、改善结构、提升水平”和“关小上大、产能置换、有序建设”的原则，通过“挂账控股、利润抵资”和“现金出资整合”等方式，开创山西省资源整合的“同煤模式”，从根本上解决了山西省小煤矿生产安全管理差、煤炭回采率低的现状，是实现煤炭工业可持续发展的重大举措。

整合矿井管理模式创新。矿井的兼并重组，目的是实现整合后资源的合理高效利用。但除了资源的整合，矿井管理上的重组是整合矿井能否成功的关键。重组后的质量、安全、建设及进度等方面的管理创新也是实现矿井高效运转的重要条件。

4　千万吨矿井建设模式创新点及成效分析

4.1　创新点

根据同煤集团所在区域的不同煤田的赋存条件，以创新求变的发展思路，形成了双系煤田、整装煤田以及整合矿井三种千万吨级矿井的建设模式，其建设模式的主要创新点[10]有以下四点。

1) 矿井建设优化设计理念创新。同煤集团根据不同煤田的煤质赋存条件，打破传统建井的思路，以实现千万吨级矿井建设为目标，把“新”突出在如何在不同条件下实现千万吨级矿井的建设。针对三种不同的条件形成了三种千万吨级矿井建设的“同煤”模式。

2) 矿井开采方式创新。根据矿井设计理念，进行了相应开采方式创新。完善煤矿开采技术同时加以创新，为同煤千万吨级矿井建设打下坚实基础，同时也契合当前我国科学合理的开采煤矿的发展主题。

3) 矿井建设技术应用创新。同煤集团锁定“技术创新、优质高效”的矿建理念，通过作业、支护、设计三个方面的技术创新，开发了千万吨级矿井群煤炭资源条件分类协调开采技术。

4) 矿井管理方式创新。同煤集团在千万吨级矿井建设管理层面开发了以人员、设备、技术、安全为核心的千万吨级矿井群综合协调管理技术，形成了具有同煤特色的千万吨级矿井建设管理方式。

4.2　成效分析

本文采用多位雷达态势分析对时下同煤集团千万吨级矿井集群实施效果进行评价。结合截至2017年8月底同煤集团的调研数据，得出同煤集团千万吨级矿井集群的多维指数集数据,见表2。

表2　同煤集团千万吨级矿井对标评价结果

资料来源：截至2017年8月底同煤集团调研数据。

通过以上数据分析，同煤集团应该抓住当前煤炭产业调整转型的机遇，进一步发挥同煤集团的企业优势，持续按照同煤集团“十三五”战略规划制定的战略路线，坚定不移的走同煤集团千万吨级矿井集群建设发展的必由之路。

通过同煤集团千万吨级矿井集群的对标指标雷达图可以看出(图3)，同煤集团各个指标都基本达到了预期水平。其中在技术高新、本质安全等方面处于优秀水平，达到了集团千万吨级矿井集群的设计期望。在日后生产过程中，同煤集团应着重提高资源回收利用率和节能水平，提高绿色洁净和低碳循环指标水平，继续保持全面发展态势，同步提升其他指标水平。