[摘 要]“管理、装备、培训”三并重是搞好煤矿安全的一条基本原则。管理是强矿之源,科技是兴矿之根。白集煤矿进入深部后,面临许多难题：采深与水压大、地温与地压高、通风系统阻力大、提升运输能力低。但白集煤矿紧紧依靠科技进步、逐步攻克了这些技术难关,达到了安全高效开采的目的。本文以白集煤矿为例，用事实阐述煤矿企业求生存、谋发展的必由之路在于科技进步。
[关键词]煤矿企业 必由之路 科技进步
作者简介：陈赟（1968—），男，中国地质大学工程学院工业（安全）工程硕士，从事煤矿安全管理多年，已发表论文多篇，现就职于连云港市煤炭工业公司。
一、引言
白集煤矿位于徐州市贾汪区潘家庵煤田范围内,井田处于F5及F10两条东西向大断层之间的狭长地带,东西长约3.2Km、南北宽约1.33Km；地面标高约+30m,最大采深达-960m,分为-200m以上、-200m～-500m、-500m～-810m、-810m～-960m四个开采水平。主采二叠系下石盒子组3层煤,平均煤厚4.5m,倾角5°～70°不等。随着白集煤矿开采水平不断向深部转移,地压大、地温高、通风系统阻力大、提升系统能力偏小等难题逐步凸现出来,另外还有深部瓦斯赋存、积聚机理不清和F5、F10两大断层水的防治等问题,给煤炭生产和安全管理带来很大的困难。但作为连云港市煤炭工业公司唯一矿井,白集煤矿不断依靠科技进步,逐步解决了上述难题，避免了生存危机，同时也壮大了企业经济实力。
二、深部开采的支护问题
随着矿井的不断延深,重力场rH对地压的影响也愈加明显：-200m水平以上的井巷压力还不算大，转入-500m水平以后地压明显增大：煤巷用工字钢棚梁支护变形很快；岩巷采用单料石砌璇不到三个月、改用双料石砌璇半年后就发生变形破坏，预计转入－810m水平及以下支护将更加困难，深部下石盒子组3层煤这种“三软”煤层的支护问题也是一个急需攻克的技术难关。但白集煤矿通过与有关科研院所进行广泛的合作研究，基本解决了上述支护难题。
（一）松软破碎围岩大断面硐室支护技术
因受边界和屯头系灰岩水的限制,白集煤矿-500m主要巷道和硐室只能布置在3层煤底板到7层煤之间的砂质页岩、砂岩、泥质页岩及煤线中。经岩样测试证实该区域属易崩解、易风化、并具有一定膨胀性的破碎软岩。而-500m主绞房断面大(净宽8.7m、净高5.85m),且巷道密度较大,采用常规支护难以奏效。
为此,我们与淮南矿院进行合作攻关,采用了“锚喷网拱形棚联合支护”方式使问题得以解决。即当巷道掘砌成型后,立即喷射100mm厚混凝土封闭围岩、防止风化和浸水崩解；接着按500×500mm间隔打1.6m长锚杆、并挂8#波纹状铁丝编成50×50mm的方格状铁丝网；经一段时间卸压后,再架设φ12圆钢焊成尺寸2×2m、孔距200×200mm方格状钢筋网,再每隔1m用2m长锚杆加固；然后再架设11#工字钢制成带反拱棚底(防止底鼓)的拱形棚,并与杆、网作“三位一体”焊接,形成封闭支护圈、提高整体支护强度；最后再复喷厚约450mm混凝土形成联合支护,使问题得以解决。《白集煤矿-500m松软破碎围岩大断面硐室支护设计与施工研究》99年获省煤炭科技进步三等奖。
（二）存在交互影响的极软围岩主副井筒破裂带的支护技术
白集煤矿三水平主副暗斜井(-500m～-810m)围岩处于构造复杂的高应力极软岩区域,且施工扰动造成井筒间存在稳定性的交互影响。2004年与中国矿大合作,运用先进的地质雷达探测技术,测试并确定了极软围岩井筒的破裂带(松动圈),在围岩松动圈和动态支护理论的指导下,提出了一套合理的支护方案和参数，应用锚网喷-锚注配和锚网喷-锚索等成套支护技术进行动态加固；即在采用锚网-锚杆、锚网-锚索联合喷浆支护的同时,根据极软围岩的特点,在井筒巷邦浇筑约1m厚的混凝土对破裂带进行加固,提高围岩的整体性和支护结构的自承载能力,有效解决了支护和围岩的长期稳定问题。《深部极软岩层主副斜井稳定性的交互影响及控制技术研究》2005年获省煤炭工业科技进步一等奖。
（三）深井三软极难维护煤巷的支护技术
整个白集煤矿井田范围内的煤层走向呈一个反“S”形,深部(-810m以下)煤层倾角虽然较小,适于提高产量；但采用工字钢棚梁支护时,往往巷道尚未掘到位,人员进出就已很困难。为此我们与中国矿大合作研究,采用了较为先进的锚杆、锚索、锚网加钢筋托梁的联合支护方式,基本解决了这一难题,《白集煤矿深井三软极难维护煤巷支护技术研究》99年获省科技进步三等奖(因该技术目前应用已较广泛,本文不再详述)。目前,我们又开展了科研项目《千米深井回采巷道围岩移动规律及综合控制技术研究》。
三、急倾斜坚硬顶板松软厚煤层安全高效回采技术
对于急倾斜煤层,国内大多采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法,但不太适应白集煤矿二、三水平煤层倾角大(45°～60°)、厚度变化大、煤质松软、顶板坚硬、断层多等复杂地质条件。98～99年,我们与淮南矿院、江苏煤研所等开展合作攻关,根据3123工作面矿压显现规律,通过伪府斜布置和支柱穿铁鞋、用钢丝绳整体联结、棚档间加装挡煤板、在老塘侧架设两排一梁二柱倾向架棚等方法,保证支护整体稳定；并在放上部区段煤柱充填采空区的同时,在工作面铺底笆加打木锚杆,防止了下分层松软煤体自行滑脱。采用此法产量高、坑木消耗低,安全性高,能适应复杂的地质变化。科研成果《白集煤矿急倾斜坚硬顶板松软厚煤层安全高效回采技术》获2000年省科技进步三等奖。
四、深部水害的防治问题
地质资料表明,进入深部开采后,靠近F5断层的奥陶纪灰岩水对深部煤炭的开采存在一定的威胁,因此,必须对该区域的地质构造、导含水特性、突水危险性予以查清探明,并合理留设隔离煤柱才能确保深部煤炭开采的安全生产。另外,随着矿井开采周期的加长,煤炭资源将会逐渐枯竭,而在建设新的接替矿井之前,寻找生产矿井煤炭开采的新资源、延长矿井服务年限,无疑是十分必要的。经勘查表明,白集煤矿井田范围内的屯头系17、20、21等太原组薄煤层储量达上百万吨,具有一定的开采价值,但屯头系太原组薄煤层灰岩、奥陶系中上部灰岩的含水性及其水力联系较为复杂,因此,也必须对该区域的地质构造和导含水性能予以查清探明,以便为开采屯头系煤层做准备。
（一）高水压大断层防治水综合超前探测技术
深部采区北部边界的F5断层落差达700m,使断层的下盘奥陶纪灰岩抬起,直接与上盘的煤系接触,水压高达8.2mpa；且F5断层具有一定摆动和有羽状分支断层存在的可能。在这种高水压、大断距、强富水、埋藏深的恶劣地质条件下,临近F5断层进行采掘活动,具有很大的安全风险。99年我们与西安煤科分院合作,以煤层水文地质、地球物理场相结合的“同源异场”预报理论及G.E.T探测技术为指导,进行非接触、非破坏式超前探测和近距离定性定量相结合的综合探测,查清了F5断层和伴生构造的摆动位置及导、含水特性,依此合理留设了F5断层防(隔)水煤柱,并超前探测巷道前方50m范围内潜在的含、突水构造,极大限度的防治高水压突水,保证了安全生产。科研成果《白集煤矿高水压大断层防治水综合超前探测技术研究》获2001年省煤炭工业科技进步二等奖。
（二）高分辨率瞬变电磁(简称TEM)探测技术
为避免开采屯头系的突水危险,2001～2002年继续与西安煤科分院合作,采用地面高分辨率瞬变电磁(简称TEM)探测技术,基本探明了测区内太原组薄层灰岩富水区位置,并基本查清20煤顶板上30m至21煤底板下150m范围内太原组薄层灰岩、奥陶系中上部灰岩的含水性及其水力联系,从而为开采屯头系煤层做准备。《白集煤矿屯头系富水性TEM(高分辨瞬变电磁测深技术)法勘探成果报告》2004年5月经国家局鉴定达国内领先水平。
该技术基于导电介质在介跃变化的激励磁场激发下产生涡流场的原理,当探测地下良导电地质体时,往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流,在回线中间及周围一定区域内便产生稳定磁场,一次磁场随一次电流的突然切断而消失,磁通量的变化使良导电地质体内产生感应电动势,在其中产生的二次涡流又因焦尔热消耗而不断衰减,其二次磁场也随之衰减。地质体的导电性越好、二次场衰减越慢,导电性越差、二次场衰减越快。通过研究二次场的衰变规律达到探测地下地质异常体的目的。
五、深部通风、瓦斯及热害防治问题
进入深部开采后,矿井通风阻力急剧增加,并出现了高温高湿的热害环境问题,而原来的主通风机可调节的富余风量已不大；对深部煤层的瓦斯赋存、涌出特征和瓦斯地质状况也不够了解；成为矿井深部开采的当务之急。
（一）深部通风关键技术
该技术通过对通风阻力和主通风机性能测定及分析,采用扩巷降阻,并对原离心式主通风机不改变机壳尺寸、仅增加转速和叶片数量、改变叶片角度,以提高风压和风量,适当提高了深部开采前期矿井富余风量调节空间。《深部开采通风关键技术研究》于2001年获省煤炭科技进步三等奖。
（二）深部瓦斯的防治技术
针对深部开采可能出现的瓦斯问题,2000年利用等温吸附解吸仪、微孔结构分析仪、瓦斯含量测定仪进行压力测定,结合地质构造特征分析,弄清了深部瓦斯赋存、涌出特征；同时利用单元分析原理,实测分析工作面瓦斯涌出规律,将瓦斯涌出量的大小随工作面推进划分为四个变化区域,指出瓦斯涌出增加区和高峰区是搞好瓦斯防治工作的重点区域；根据实测资料,得出以分子扩散为主的近壁底层区是巷道中瓦斯运移扩散的“瓶颈”、易于形成局部瓦斯集聚的结论；从而掌握了深部开采瓦斯的运移、积聚规律,形成了一整套适合深部煤层开采的瓦斯治理技术,有效地解决了工作面上隅角的瓦斯积聚和盲巷排放瓦斯问题。《白集煤矿深部煤层瓦斯问题研究》于2003年获省煤炭工业科技进步三等奖。
（三）深部开采热害环境改善通风理论及技术研究
热害环境是很多进入深部开采矿井都会遇到的一个难题。白集煤矿最大采深约千米,也在一定程度上存在热害环境问题；为此,从2004年起与中国矿大开展深部开采热环境改善理论及技术研究；在理论上建立了增风风机区域回风流中瓦斯、粉尘浓度和有毒有害气体的变化方程,以及该风机风量、风压与主要通风机风量、风压相互关系的变化方程；并在-590研制安装了一套带有风流热湿处理及风电自动闭锁功能的可控循环风系统；该系统用井下天然冷水供冷,由喷淋装置、挡水板、过滤网和空气冷却器组成,具有除尘净化和降温减湿作用；从而达到增加工作面的供风量、改善其热湿环境状况的目的；也为类似矿井的深部煤层开采提供了成功的范例。《白集煤矿深部开采热害环境改善通风理论及技术研究》2005年经国家总局鉴定达国内领先水平。
2007年,又根据矿井通风的实际状况,再次维修扩大了巷道通风断面,合理选用了BD-II-N018型高效大流量轴流式风机、升级改造了矿井监测监控、装配了安全卫士和智能调度指挥系统,形成了一整套科学合理、经济适用和安全可靠的深部开采通风安全保障综合配套技术,目前《白集煤矿深部开采通风安全保障综合配套技术研究》正在申报科技进步奖。
六、提升能力问题
为解决多水平提升环节多、提升能力低的问题(原二、三水平主井为单滚筒提升,提升能力最大只有18万吨左右),我们在二、三水平主井采用双滚筒提升机、四水平井筒至工作面溜子道采用胶带输送机进行改造,使提升能力接近40万吨；对副井提升选用XRC-18/6型替代XRC-10/6型人车,既缓解了运人紧张局面、又提高了提升系统效率。
在改造期间,为解决原二、三水平主井筒单钩提升、断面小的问题,我们又按照《煤炭工业矿井设计规范》的有关规定,利用“同步旋转法”经计算设置了30米长的错车场,以减少井筒扩建量；并配合网络图和计算机动态规划法,对所有工序进行优化设计,最大限度的利用平行作业缩短了停产改造时间。同时,还通过优化设备布置、将提升机液压站与操作台并列布置的方式,减少了设备占用面积和硐室开拓量,减轻了破碎围岩大断面硐室支护难度。《白集煤矿二水平主提升系统改造方案研究》还获得了省煤炭科技进步三等奖。
事实上,白集煤矿近年来在深部开采过程中,所开展的科技进步活动及应用的科技成果远不止这些。我们还采用了提升机后备保护仪、变频调速装置、工作面溜子急停和智能通话装置、智能高压漏电报警仪、高低压真空开关等新技术装备,使矿井的科技水平也不断提高；并通过优化劳动组合、由三采三掘改为一采一掘和一个维护区队等途径集中生产,使原煤产量由18万吨提高到约30万吨/年,因此，不但避免了企业生存危机，而且还壮大了企业经济实力。