我國采礦與巖層控制技術有何新變化?深部開采研究有何新進展?綠色開采方面有何新理念?日前召開的第一屆全國采礦與巖層控制學術大會上，專家學者聚焦礦山安全綠色開采、智能發展等話題展開熱烈研討。

井工煤礦開采技術變革成效顯著

中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學家康紅普指出，近年來，我國井工煤礦開采技術變革成效顯著，建成一批國際先進的現代化大型井工煤礦，形成全球規模最大的煤炭技術與裝備研發制造體系，推動煤礦安全生產形勢持續穩定好轉。

“對井工煤礦來說，煤礦開采與巖層控制技術起到核心作用。”康紅普表示，影響煤礦開采與巖層控制的關鍵，在于采煤工藝與裝備、采場巖層控制、巷道掘進技術與裝備以及巷道圍巖控制、巖層采動控制等技術。

近年來，康紅普及團隊提出巖層控制新理念，即應用巷道支護—改性—卸壓“三位一體”協同控制理論技術，突破傳統單一支護難以控制復雜巷道大變形難題。該技術在千米深井——中煤新集公司口孜東礦軟巖強采動巷道進行了驗證。數據顯示，口孜東礦應用該技術后，回采期間，頂板下沉量減少74.9%，兩幫移近量減少72.7%，圍巖大變形得到有效控制;錨桿、錨索破斷率降低90%，綜合經濟成本降低23.34%。

除長壁綜合機械化開采外，綜放開采也是我國煤礦實現安全高效開采的主要采煤方法。2024年，我國井工煤礦煤炭產量36億噸，其中放頂煤產量占20%左右，近7億噸。

我國煤炭主產區——山西、陜西、內蒙古地區的礦井具有特厚煤層+堅硬頂板、大空間采場的開采特征，巖層運動與礦壓作用復雜，易造成沖擊動力災害。

“堅硬頂板是巖層控制的難點，嚴重制約安全高效智能開采。”重慶大學教授于斌指出。

大同礦區主采煤層厚度20米，是堅硬頂板的典型代表。結合大空間覆巖運移實測及破斷特征、大空間采場巖層控制等理論研究，于斌及團隊首創煤礦堅硬頂板地面壓裂控制技術，通過主動弱化卸壓實現堅硬頂板有效控制，構建具有煤礦特色的堅硬頂板地面壓裂技術體系，支撐了大同礦區特厚煤層智能高效開采。

“特厚煤層是我國高效開采的主體，占比大于50%。隨著煤炭資源開發向西部轉移，特厚煤層開采科技引領作用突顯，發展前景廣闊。”于斌表示。

中國礦業大學(北京)教授王家臣指出，我國放頂煤技術不斷在“三軟”厚煤層、堅硬厚煤層、高瓦斯厚煤層、大傾角厚煤層等復雜環境中應用，且能適應的煤層厚度、傾角、頂板條件更廣。如今，綜放開采呈現出新的發展面貌。

“智能放煤技術是實現放頂煤智能開采的核心，但尚無成熟經驗可借鑒，屬于開創性工作。”王家臣介紹。

圍繞準確識別后部刮板機上的煤矸、現場實施精準控制的放煤工藝等智能放煤難題，王家臣及團隊研發出煤矸智能識別技術，在國家能源集團神東煤炭公司保德煤礦81202工作面等進行了應用。

在沖擊地壓防治方面，西安科技大學教授來興平及團隊研發出鉆孔多模態信息采集和頂板全域姿態監測裝置，整合超聲波、電磁波與光學攝像的探查優勢，實現了煤巖變形失穩信息的精準提取。基于此，研發全要素智能礦壓感知防沖預警系統、多模態驅動沖擊地壓智能預警系統、采動圍巖失穩泛在智能感知大模型等，實現沖擊地壓智能感知與預測的信息化。該技術成果助力陜西重點煤企和縣域企業成功解放煤炭205萬噸。

中國礦業大學(北京)教授鞠楊介紹，針對斷層滑移型沖擊地壓難以預測難題，可應用數字光彈法追蹤應力波傳播過程，直觀表現動態應力場演化過程。鞠楊及團隊研發了工程擾動下斷層巷道圍巖動態應力場透明解析實驗系統，以皮秒脈沖激光器為光源，采用“高精度觸發裝置+皮秒級脈沖發生器”的同步控制方案，實現沖擊全過程的光彈條紋圖像同步采集。這為直觀定量揭示動載作用下復雜巖體結構應力傳播規律提供了新手段。

深部開采研究有新進展

如今，我國礦井進入深部開采階段，最深達1510米。高地應力、高地溫、高水壓以及強烈開采擾動，導致深井安全高效開采遇到極大挑戰，需更新深部極端環境開采方法。

武漢大學教授劉泉聲表示，深部開采主要災害為米級大變形，面臨深部巷道米級大變形災變機理認識不清、大變形災害控制缺乏適用理論及有效技術、缺乏深部大變形災變環境安全高效成巷技術等難題。

對此，劉泉聲及團隊研發出深部巷道米級大變形監測模擬技術，揭示出碎脹運動機理;研發了深部巷道碎脹大變形災害分步聯合控制理論及成套技術、深部大變形災變環境下TBM安全高效成巷關鍵技術等。

“以圍巖為主體，通過支護與圍巖耦合，多重手段分步協同，精準介入擾動應力場和巖石破裂碎脹演化過程，實現圍巖控制。”劉泉聲表示，系列成果應用于全國40%以上的千米深井，支撐淮南地區顧橋礦、張集礦和望峰崗井等一批千米深井建設，累計應用超過2000千米深部巷道，有效控制了巷道碎脹大變形災害。

中南大學教授李夕兵指出，深部開采面臨著深部多相多場耦合環境。應力和構造裂隙下的固、液、氣多相耦合，不僅會單獨影響圍巖穩定性，更與滲流場、熱場、化學場等相互耦合，致使原本復雜的巖體結構疊加新的多源不穩定因素。

“深部巖體面臨高應力+爆破或機械開挖擾動的‘動+靜’組合應力狀態，深部巖體工程會呈現巖爆、板裂、分區破裂典型破壞模式。常規巖石力學理論與實驗方法無法解釋深部非常規破壞機制，需對深部巖石破裂特征與前兆規律進行深入認識，實現巖體破壞的前期精準預測。”李夕兵表示。

“高效安全的深地開發，需巖體智能識別、智能災害預警調控與創新型支護技術的深度融合。”李夕兵建議，開展深部開采生產過程與生產系統的無人化研究，實現硬巖開采智能化控制，解決井下采場信息延遲傳輸難題，尋找適用的智能化開采方法等。

徐州工程學院教授張農指出，現有工程條件和應力環境決定了巷道變形破壞不可避免，深部開采巷道掘進和支護需要多樣化的技術支持。

張農表示，深井巷道礦壓呈現巖體參與范圍更大、變形破壞速度更快、調整時間更長的特征。淺部圍巖錨固體出現結構性滑移流變和整體擠入，呈現出松散聯動變形特征。圍巖表面呈現波動性累計變形特征，內部表現為分區聯動式破壞。

“常規的控制思路和支護方法適應性顯著降低，需要新型支護——支護工藝與材料的創新。”張農指出。對此，張農及團隊研發出以厚層錨固為基礎結構的多層連續化加固技術，開發出大規格可接長錨桿與柔性桿體錨桿，使支護強度得到提升。

中鋁寧夏能源集團王洼煤業公司王洼三礦泥質軟巖大斷面巖巷多次返修且持續大變形。對此，張農及團隊采用了厚錨+三級連續化支護新方案，使其頂板離層發育深度降到3米以淺，圍巖變形量減少46%。

綠色低碳開采前景可期

“煤炭行業發展面臨采動損害、固廢處理和碳排放三大難題。”中國工程院院士王雙明說，采動損害造成資源損失、地質損傷、環境損害;煤基固廢堆存量超130億噸，并以每年超15億噸的速度增長。存量資源化利用規模小，增量資源化利用層次低;二氧化碳排放總量大，減排任務重。

王雙明建議，應從煤的減損化開采、廢的功能化利用和碳的封存化處置三方面，破解采動損害、固廢處理和碳排放難題。

“利用煤炭開采形成的地下空間，挖掘煤基固廢的資源屬性，開發二氧化碳的化學活性，構建減損、減污、降碳技術體系，實現煤炭開采、固廢處置、二氧化碳封存協同發展。”王雙明說。

煤的減損化開采方面，可應用綜采架后局部充填、面間煤柱“掘—充—留”一體化等技術;廢的功能化利用方面，可應用全固廢充填材料制備、固鹽骨料制備技術;碳的封存化處置方面，可構建采空區二氧化碳封存空間、創新冒裂區碎漲空間封存技術、研究鉆孔封存地質條件、開展富油煤原位熱解技術試驗、開展深部煤層地下氣化技術試驗等。

國家能源集團教授級高工李全生表示，近年來，煤炭生態開采面臨一些問題。理念上，缺少從開采源頭最大程度減少對地表生境擾動和損傷的認識，主要表現為重植被輕生態環境的修復方式;缺乏煤炭開采生態損傷傳導機理和基于巖層運動精準監測與控制的減損開采基礎理論支撐。技術上，礦區“空天地井”多源監測手段協同性不足，基于時空智能決策的生態修復與開采損傷控制技術缺乏，生態修復成本高。

“亟需通過科技創新，破解煤炭開發與生態環境保護協調發展的難題。”李全生表示。

李全生及團隊提出基于煤炭開采損傷傳導控制與生態要素系統保護修復相結合的生態保護型開采理念，構建了煤炭井工減損開采技術體系，開展了井工開采損傷模擬與監測，研發了煤礦地下水庫安全高效儲水的配式楔形壩體構筑技術，創建了多要素、多尺度“空天地井”煤炭開采生態損傷監測體系和“減損開采、立體保護、系統修復”的露天煤礦生態保護型開采理念等。一系列技術已在生態脆弱區21座大型露天煤礦、55座井工煤礦推廣應用。

中國工程院院士吳愛祥指出，膏體充填是礦山安全綠色開采的重要技術，有助于從源頭遏制采空區和尾礦庫災害，使廢石不出坑、尾礦不入庫、地表不塌陷。

吳愛祥介紹，我國煤礦膏體充填典型工藝流程主要為離層注漿膏體充填、綜采架后膏體充填、條帶式開采膏體充填(連采連充)等模式。近年來，未及時充填(采充失衡)或充填不接頂引發多起礦山事故，而濃度是影響膏體流動性和強度的最重要因素。

蔣莊煤礦架后膏體充填項目是山東能源集團首家實現單個充填工作面月產5萬噸的礦井。該項目設計年產能60萬噸，采用整裝式模塊化破碎系統、礦山智能充填系統、分體式充填隔離支架。優化后的支架架后通道延長至2.4米，充填注漿期間保持后隔離裝置不動，架前可割煤3刀，實現了采、充、支工序平行作業和隔、支、檢平行作業。

“無人化充填是發展趨勢，打造機器人集群和構建遠程運維平臺是無人化充填發展的核心內容。”吳愛祥指出。

中國工程院院士王運敏建議，將大數據、人工智能與資源勘探技術相結合，整合地質、物探等多源數據，通過機器學習構建礦體預測模型，提升勘探成功率。

“礦業開采與生態保護不可對立起來，應遵循在發展中保護、在保護中發展的原則，實現綠色低碳與資源開發利用相協調。”王運敏表示。