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第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY sustainable development; high efficiency mining; Carboniferous-Permian and Jurassic 煤炭工业的快速发展以及煤炭产量的不断增长， 不仅保证了国家生产所需的主体能源和原材料需求， 而且有力地推动了我国经济的发展。但煤炭资源长期 高强度的开采，为矿区带来了浅层资源枯竭的紧迫局 面以及诸多的负面效应[1]，昔日矿区盛景不再，逐渐 衰退沦至老矿区。如何让老矿区焕发新生，延长老矿 区寿命，成为亟待解决的难题。大同矿区作为极具代 表性的老矿区之一， 在浅层侏罗系煤炭资源开采殆尽、 深层石炭–二叠系煤炭资源丰富的条件下，从开发条 件、矿井设计、开采方法、技术突破四方面入手，取 得显著创新成效，形成了同煤老矿区双系石炭–二叠 系和侏罗系煤田矿井建设的独特模式， 体现出煤矿以 ChaoXing 第 3 期 郭金刚 老矿区煤炭资源可持续开发的创新与突破 35 高产高效、绿色环保为特征的发展方向，是煤炭企业 减亏增盈、可持续发展并长期立于市场的必然选择。 本文在同煤集团大同矿区井田规划建设大背景下，介 绍老矿区可持续开发成功模式，对具有代表性的塔山 千万吨级矿井安全高效开采的创新模式进行研究，总 结其在规划、 模式、 技术方面的创新性与前瞻性成果， 为相似背景老矿区可持续开发提供借鉴。 1 煤炭资源可持续开发紧迫性 大同矿区为双纪煤田，浅部早侏罗世煤系与深 部石炭–二叠系煤系重叠交互， 可采煤层数达到十几 层。浅部的侏罗纪煤炭储量日趋枯竭，但深部的石 炭–二叠系煤炭资源丰富，可采储量达到 300 亿 t[2]。 为保证矿井的正常接替，深部煤层的开采成为保证 同煤可持续发展的必由之路。 然而，进入新常态的我国经济增长速度换挡， 能源需求回归平缓至低落， 能源市场行情并不乐观， 对煤炭行业提出了挑战。发展模式从数量、速度、 粗放型增长转为质量、效率、集约型增长，经济增 长驱动动力由要素、投资转变为创新驱动。基于国 家正处在经济增长速度换挡期、结构调整阵痛期、 前期刺激政策消化期“三期叠加”的宏观大环境， 煤炭工业也不可避免地进入增速放缓期、过剩产能 和库存消化期、环境制约强化期、结构调整攻坚期 “四期并存”[3]的新常态发展阶段。 面对井田实际赋存条件和当下煤炭市场的低 迷，同煤集团亟需优化存量资源配置，扩大优质增 量供给，实现供需动态平衡，进行高效开采可持续 矿井的开发建设。基于战略、产业、技术、管理层 面[4]图 1，大同煤矿集团简称同煤集团需对老矿 区进行井田规划创新，着眼长远，走高产出、低污 染的可持续发展道路，扭转煤炭经济不利环境下特 大型煤炭企业效益低的局面。 图 1 老矿区煤炭资源可持续开发创新思路 Fig.1 Innovative thinking about sustainable development of coal resources in old mining area 2 双纪煤田开发战略创新 2.1 大同老矿区石炭–二叠系开采地质条件 a. 地质条件复杂 大同矿区石炭–二叠纪煤系面积 1 739 km2，已探 明的煤炭储量多达 308.3 亿 t。 太原组及山西组山 4 号 煤层是主采煤层，总厚度在 20 m 以上，属于特厚煤 层，结构复杂。深成变质是矿区的主要煤变质类型， 岩浆岩侵入使部分煤层发生矽化，变成了接触变质煤 和天然焦的煤质类型。总体上，山 4 号煤为富灰、中 等挥发分、低硫、低磷、中等发热量的动力用煤。 煤田向斜东南翼煤层埋深较浅，地层倾角大， 一般在 4050， 局部有直立或倒转现象； 发育有次 级小型宽缓褶皱，构造较复杂，断裂多，中、小型 断裂不发育，但岩浆侵入严重。煤田北、西北翼的 构造相对简单，断层、褶皱不多，以单一向斜为主 要特征。煤田中部地层倾角较缓，一般为 37，大 断层少，多为落差 20 m 以下的正断层，岩浆岩侵入 较轻，构造简单。 煤层顶底板稳定性变化大。 煤层瓦斯含量不高， 但存在着煤尘爆炸的风险。 整体水文地质条件一般， 部分地区偏复杂。 b. 下伏煤系开采受限于上部开采破坏 大同矿区的上覆侏罗系曾分布着多个传统国有 煤矿，保有煤炭储量已经不多。其中，多个矿井长期 不安全生产形成了复杂的开采区域，出现同强矿压显 现、覆岩纵向大结构破坏、双系煤层采空区连通、回 采巷道围岩失稳[5]等问题，严重影响矿井安全高效生 产，加大了下伏石炭系的特厚煤层安全开采的难度。 所以，如何克服上部已有煤矿生产导致的苛刻 开采条件， 进一步突破石炭–二叠系特厚煤层开采中 存在的技术难点，并达到资源高度回收、高效生产 及开采安全系数高的目标，属于当务之急。 2.2 大同老矿区大型高效现代化井田规划 依照传统开发规划思路， 下伏石炭–二叠系煤炭 资源开采以原有侏罗系煤层开采矿井为基础，通过 向下进一步的延伸，同时建设多个四百万吨级左右 的矿井，共同开采石炭–二叠系煤炭资源。但是，这 样的开发规划与“安全、高效大型现代化矿井”的 建设目标相悖，不符合矿井建设的发展趋势。 因此，同煤集团转换思路，考察石炭–二叠系煤 炭资源赋存条件及特点，分析整体行业内的技术革 新及发展大趋势，借鉴国内外相关成功经验，最终 决定采用集约高效的理念，对该煤层所有煤炭资源 整体性规划，集中开发。以建设安全高效的大型矿 井为目标，摆脱以原侏罗系煤层为建设基础的思维 定式， 将对石炭–二叠系煤炭资源的开发作为一个全 新且独立工程，重新考虑布局，规划并形成了完全 独立的资源开发体系， 在侏罗系多个矿井下伏石炭– 二叠系中重新规划井田，打造多个安全、高效、绿 色的千万吨级矿井图 2，图 3。 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 2 大同矿区侏罗系井田分布 Fig.2 Distribution of Jurassic mines in Datong mining area 图 3 大同矿区石炭–二叠系井田规划 Fig.3 Planning of Carboniferous-Permian mines in Datong mining area ChaoXing 第 3 期 郭金刚 老矿区煤炭资源可持续开发的创新与突破 37 3 塔山千万吨级矿井建设模式 3.1 塔山井田位置与开采特征 塔山井田位于大同矿区东翼中东部边缘地带， 上 覆侏罗系煤炭资源即将开采殆尽，属于典型的老矿 区。塔山矿主要开采石炭–二叠系山西组和太原组煤 层，地层总厚 86.20177.20 m，平均 157.93 m，含煤 15 层，煤层总厚 38.25 m，平均 19.40 m，含煤系数 24， 主采煤层厚度为 11.131.7 m， 含夹矸 611 层。 煤层自然结构多变，开采技术条件复杂表 1。 塔山矿井是同煤集团建设的首个千万吨级矿井， 也是开采石炭–二叠系煤层首建矿井。作为双纪煤田 矿井建设模式的代表， 同煤集团依据其地质、 开采条 件，不囿于传统开发理念，大胆创新设计理念，提出 先进的开采方法， 利用现代化的生产系统、 围岩控制 与巷道支护技术、 综放工作面布置及回采工艺， 形成 了独特的塔山模式。 目前在全国范围内， 塔山矿井已 发展为同类型生产能力最大的井工矿井， 实现了老矿 区的接续发展和安全高效矿井的建设。 表 1 塔山井田开采条件复杂特征[5] Table 1 Complex mining conditions in Tashan 开采技术条件 地质与水文条件 因素 特征描述 煤层厚度 煤层平均厚度19.4 m，属于特厚煤层 顶底板性质 顶板一般为炭质泥岩、高岭质泥岩和粉砂岩；底板为高岭质泥岩、碎屑高岭岩和粉砂岩 瓦斯含量 属于低瓦斯矿井煤层瓦斯平均含量为1.78 m 3/t，但开拓过程存在瓦斯大量涌出超限问题 煤层倾角 15，属于水平和微倾斜矿体 涌水量 水文地质条件复杂矿井平均涌水量为1 147 m3/d，最大涌水量为1 280 m3/d 主平硐穿过大溶 洞、铝矾土层、松 软煤系底板；特厚 煤层；老采空区、 断层陷落柱 突出危险问题煤尘爆炸，自燃倾向；多处沉陷和裂缝 3.2 矿井设计创新与流程再造 a. 改变建井思路，设计创新 塔山煤矿打破常规矿井设计，在煤层露头地形 平坦处布置工业场地，进行平硐开拓。采用国内外 先进的放顶煤采煤工艺，配备大功率采煤机及工作 面配套设备；主运输采用胶带运输机集中运煤，辅 助运输采用无轨胶轮车辅助运输系统；充分利用现 有工业场地分区开凿风井解决通风机安全避灾井。 根据矿井煤层揭露实际情况，因地制宜，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，实现井下开拓、开采及地面生产系统 最优化。 矿井部分辅助生产、生活系统设施考虑工业园 区布局建设；以岗定岗、以岗定员、精简机构，减 少冗员，使矿井达到少投入、多产出、见效快、效 益好的良性生产经营状态；对原煤进行深加工和综 合利用，提高煤炭产品的附加值，减少环境污染， 实现煤炭生产综合效益最佳化。 b.b. 多元流程再造，绿色发展 作为同煤集团煤炭产业的中坚力量，2014 年， 集团公司对塔山实施了以释放产能为目的的流程再 造[6]，对生产流程与管理流程进行根本性的设计， 实现了矿井从产能、管理、效益上更高的提升。目 前塔山已具备 3 000 万 t 生产能力， 为同煤集团建设 两亿吨煤炭基地奠定了坚实基础。除此之外，对煤 炭产业链进行流程再造，将拓展产业链条至生产性 服务业，实现高附加值的获取和资源的综合利用。 c. 规范管理制度，综合协调 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 集群综合协调管理技术，制定千万吨综放工作面总 体配套技术规范与生产技术管理规范，编制千万吨 级矿井集群工作面装备系列型谱[7]，实现人员、设 备、技术、安全管理的协调性、统一性与标准化。 同时，在针对整合形成千万吨级矿井的模式中，形 成了特有的 “项目安全管理” 、 “项目质量管理” 、 “项 目工期管理” 、 “项目建设管理”等具有同煤特色的 千万吨级矿井建设管理方式。 4 塔山千万吨级矿井建设技术突破 4.1 煤炭资源可持续开采产学研模式 同煤集团原先的技术体系对石炭–二叠系超厚 煤层的巷道支护等没有足够的地质保障，开采工艺 及装备、安全等技术难题较多。集团清晰地认识到 突破煤炭科技问题是完善煤炭科技创新体系、推动 煤炭技术革命的关键所在。通过加强产学研相互合 作，创建企业产学研技术创新平台图 4，结合同煤 集团长期发展战略及矿井现状， 组织关键技术攻关、 重大设备研发、科技发展共性关键技术推广，以实 现煤炭资源科学开发和可持续发展。 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 4 同煤集团煤炭资源可持续开采产学研模式 Fig.4 Industry-university-research cooperation for sustainable mining in Datong Coal Mine Group 4.2 石炭–二叠系特厚煤层安全高效开采综合技 术体系 通过产学研合作，同煤集团成功地构建了双纪 煤系复杂条件下石炭–二叠系特厚煤层安全高效开 采综合技术体系图 5， 为塔山等复杂井田的安全开 采提供了理论和实践指导， 解决了石炭–二叠系特厚 煤层安全开采技术难题。 面对塔山复杂的地质条件，同煤集团在矿井施 工过程中形成了一整套快速、安全、高效的大型智 能化 TBMTunnel Boring Machine全断面施工系 统[8]， 包括适用于大断面的 TBM 全断面掘进系统技 术和大断面解体硐室施工技术，以及快速的掘进机 井下解体和撤退技术，整套系统的采用提高了煤矿 建设效率，增加了巷道原岩的支撑能力，为后续生 产提供了基本保障。 针对塔山煤矿 3-5 号煤层顶煤破坏过程及顶煤 冒放性、顶煤运移规律及机理[9]等进行系统的理论 研究， 开发了大同矿区石炭–二叠纪火成岩侵入条件 下特厚煤层20 m 左右综放开采顶板控制技术，大 力实施掘锚、掘探、掘抽等三位一体化和掘进机械 化技术攻关和设备引进，提高工作面日产量和资源 回收率，以实现高产高效目标。同时，综合实施以 搬撤通道形成与支护技术、搬撤工序控制技术、安 全保障技术[9-10]等为主的特厚煤层综放重型装备安 全快速搬撤技术体系，实现了超厚煤层综放工作面 总重量 7 100 t 的重型装备整体长距离安全搬撤，形 成了一套适合特厚煤层综放重型装备安全搬撤的技 术体系。 图 5 石炭–二叠系特厚煤层安全高效开采综合技术体系 Fig. 5 Comprehensive technology system for safe-efficient mining of Carboniferous-Permian extra-thick coal seams ChaoXing 第 3 期 郭金刚 老矿区煤炭资源可持续开发的创新与突破 39 针对塔山煤矿特厚煤层漏顶区形成原因和机 理，预测冒落形态，研究形成采准巷道的围岩稳定 性控制技术方案[11-12]， 实现各方面技术参数的设计， 形成了全面系统的治理和巷道再造的技术，提升塔 山全煤及软岩条件下大断面硐室开挖和支护水平， 改善了巷道支护的支护效果，降低了巷道顶板、片 帮事故发生的概率。 4.3 矿井生产信息化建设 在系统攻克双纪煤系复杂条件下石炭–二叠系 特厚煤层安全高效开采综合技术体系的同时，塔山 矿的建设生产推进了工业化和信息化“两化融合” ， 增添了同煤现代化矿井建设新动力。 以塔山为代表的数字化矿山，科学配套了 MIS Management Ination System信息管理系统、井 上下作业电视系统、井下人员区域定位系统、高性 能的冗余容错以太网、综合自动化设备监测系统[13] 等信息化系统，都达到了国际领先水平，塔山煤矿 信息化建设与企业发展战略的有机融合，有效增强 了现代企业竞争力。 塔山煤矿自动化监测监控系统使用了先进的 Honeywell 中央监控系统平台 Experion PKS，包括 了 CCTV 视频监控系统、安全生产设备监控系统、 环境监测系统、紧急电话系统、大屏幕显示系统、 电力监控系统、选煤厂系统、报表系统以及联动预 案调度系统[14]的支持。 汇集生产、运输、视频检测、通风、人员定位 等 22 个系统性监测子系统， 所有数据通过服务器做 出分类和运算，确保了信息及时反馈；调度指挥中 心智能系统均实现了三维可视化管理；安全监测监 控系统提高了对水、火、瓦斯等重大事故的预测预 报和应变能力；井下 3G 移动通信系统实现了生产 现场的动态信息传输；矿井入井安检系统，严把安 检关口；员工实现“一卡通” ，方便了员工，降低了 管理成本。 陆续实现手机实时获取安全系统信息，建成综 合安全生产技术三维管理系统及面域化安全监控系 统和全息化矿井信息系统，提高安全数据的分析能 力，实现了“集中管理、分散控制、监控全面，使 用方便”的效果。同时，还建立煤矿辅助运输综合 监控系统和具有国内领先水平的综合信息管理系 统，实现数据采集离散化、设备控制智能化、生产 管理信息化、办公管理自动化的网络管理。 5 结 语 同煤集团塔山煤矿双纪煤田开发模式的探索具 有开创性。这种创新的意义不仅在于通过技术、设 备的提升实现产量的接续及效益的提升，更重要的 是在于开发理念的创新。在实现建设思路突破的基 础上，结合煤炭赋存特征整体规划，实现技术突破， 进行集中开采，将“建设安全高效的大型现代化矿 井”付诸实践。在完成老矿区由粗放型小煤矿生产 向集约型现代化大型矿井转变的同时，成为在煤炭 行业转型的关键时期推动集团经济升级和可持续转 型发展的典范。 参考文献 [1] 黄文辉. 中国北方深部煤层焦煤潜力资源预测[J]. 能源勘探 与开发，2010，284313–325. 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