110/N00工法原理及关键技术进展

何满潮

(中国矿业大学,北京 102206)

1 煤炭开采面临的挑战

为了在文章中充分讨论煤炭行业的改进,需要明确目前起统治地位的开采方法以及其中存在的问题。只有以问题为导向,才能推动煤炭行业朝着更加健康、更高效的方向发展。在传统煤炭开采方法中,占主导地位的是121工法,这个方法最早由英国人于1706年提出,采用的方式是采一块煤,留一块煤。具体做法是,采出一块煤之后,在原煤层中开挖两条巷道,完成采煤后将巷道封闭,留下一定的煤柱(即安全煤柱);然后再继续开挖第二块煤时,同样需要开挖两条巷道,并留下新的煤柱,这就是121开采方法。然而,这种方法存在一些问题。首先,巷道的开挖过程及其空顶作业、局部通风和独头作业都带来了一定的危险性。这三个方面都会给巷道开挖作业带来一定的风险。

目前煤炭发电占主要发电能源的60%,同时具备10%峰值期的调节能力,这再次证明了煤炭在能源领域的重要性。然而,煤炭生产过程中也带来了一系列问题。

首先是资源浪费。煤炭是一种不可再生的资源,然而在煤炭开采过程中,整体采出率不到50%,去年国家采煤量达到45亿t以上,这也意味着去年至少损失了40亿t的煤炭资源。按照当前的煤价计算,这40多亿t煤炭的损失将对国家的GDP产生很大的影响,相当于扔掉了相应的GDP增长。

第二个问题是安全事故频发。采煤过程中为何需要开挖大量巷道?需要着重关注采煤的核心问题:是否打巷道对采煤的影响并不大?然而,这些巷道的开挖导致了许多安全事故,造成了人员伤亡和资源浪费。

第三个问题是生态破坏。我们追求的是绿色开采,然而留下大量煤柱、浪费煤炭资源和破坏生态并不符合绿色开采的原则。在煤炭资源的开采过程中,采煤一块留煤一块,采出的那块煤要下沉,而留下的煤柱则阻止了下沉过程。这之间形成了一个强大的剪切撕裂带,从采煤地点一直撕裂到地表,破坏了整个生态系统。含水层的水以及浅层地下水,这些是生态系统赖以生存的因素,都受到了破坏。全国生态破坏面积目前已达1.47×104km2,而这仅仅是存量,实际上要超过2×104km2。然而,目前的煤炭开采仍在继续,采用的仍然是121的采煤方法,每年都会留下大量的煤柱。因此,生态破坏问题需要引起高度重视,因为它不仅会影响当前人类的生存,也会对子孙后代产生影响。

2 解决问题的技术思路

解决问题的思路包括安全问题、资源浪费问题和生态问题。需要采取行动来拯救生命、节约资源和保护生态,这是三项重要任务。英国人的先开挖巷道,然后再采矿的方法,在采矿过程中会产生矿压,导致巷道被毁。巷道是人为开挖的,而矿压则是采矿过程中产生的。是否可以利用矿压来打造巷道呢?这需要转变思路。在采矿过程中产生的矿压可以被利用,利用部分矿压来形成巷道空间。这样就可以实现无需开挖巷道,实现无煤柱开采。110工法是真正的无煤无柱开采方法,不需要留下煤柱,煤炭资源可以多采出10%～15%。同时,回到生态问题,绿色开采的定义变得更广泛。无煤柱开采可以实现均匀下沉,并保护含水层和潜水含水层。少开挖巷道,多采出煤炭,同时保护生态,需要抛弃过时的方法,创新出适用于自己的方法。需要开启抢救之旅,拯救生命和生态。

3 110/N00工法原理

采矿过程需要依赖工艺支持和理论基础。为了能够对采矿过程进行定量描述,希望能够以方程的形式表达。在煤炭开采后,覆岩会形成“三带”结构,分别是垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。通过数学方式对第一带(垮落带)进行描述,需要考虑岩石的碎胀特性。同时,覆岩中的弯曲下沉带会引发地表沉陷,首先获得沉陷的体积和下沉量,并且这两者的比值作为第一损伤变量。此外,裂隙带内所有裂隙的体积与下沉量的比值可以作为第二损伤变量。垮落带具有一个非常重要的特性,即碎胀特性,碎胀系数表示1 m的物体碎了以后能够变成1.35 m到1.42 m。然而,要完全充填开采空间,现实情况下可能缺乏足够的材料。例如,每年采出45亿t煤炭资源,就需要45亿t的充填材料,并且要就地取材充填到工作面。垮落带岩石的碎胀特性对于采煤空间的充填非常重要。例如,如果采煤厚度为1 m,顶板垮落后乘以2.6倍系数,可以充填采煤空间;如果采煤厚度为10 m,需要顶板垮落后26 m的顶板充填开采空间。110工法是利用岩石的碎胀特性,将采出量与岩石的碎胀特性相匹配,从而实现无煤无柱自成巷。在相同的理论公式背景下,110工法满足边界条件,因此是可解的,而121工法则无法获得解析解。

110工法通过切顶的方式,即切出冒落带,使岩石充分碎胀,并尽可能保障碎胀岩石上部的完整岩石。通过掌握岩石的碎胀量和切顶量,应用上述的理论和工艺,可以实现工作面采后留下一条巷道。相比之下, 111工法是指常用的沿空留巷方法,虽然号称是无煤柱开采,但实际上仍然存在柱子。柱子的存在导致压力无法完全释放,并且工作面的快速推进也导致工作面开采速度与柱子建设速度工艺难以匹配。而110工法则是真正实现了无煤无柱开采的方法。110工法通过让岩石充分碎胀,并创造条件切开顶板,使其碎胀后自行平衡,然后匹配专门的材料,以满足巷道的留存和使用需求。其主要目的是利用矿压来保留巷道,并且利用矿压还可以减少冲击的发生。

110工法是一种相对重要的工程方法,其最重要的特点在于可以实现N00工法的应用。110工法与传统的留巷方法有所不同,通过利用碎胀效应来消除冲击,并在巷道开挖过程中平衡应力分布。可以说,N00工法是110工法发展的一种高级阶段。相比之下,111工法和121工法在采煤过程中变得越来越复杂。这些方法在一定程度上存在应力集中,这种应力集中到达一定程度时会变得非常危险,从本质上来说并不安全。而像英国的某些煤矿则采用111工法和121工法,在采煤完成后,巷道会被完全破坏,导致巨大的变形。在这种情况下,锚杆等支护措施根本无法承受巨大的变形和应力。

110工法采用特定设计的110工法锚杆,有效解决了径缩的问题,实现更加彻底的切割,使煤岩体能够充分碎胀并填充开采空间。该工法碎胀岩石充填过程中同时形成巷道,从而将煤柱完全采出。110工法的原理是在一个工作面进行开采,同时保留一个巷道,然后再进行下一次开采,无需保留煤柱。传统的工作面通常需开挖两条巷道,而使用110工法时,只需开挖一条巷道。这种方法实现了无煤柱的开采,消除了煤柱产生的应力集中和不均匀下沉等问题。关于1GN00工法,即边界打巷道。这种工法在2016年在陕煤化成功实施。而2GN00工法的目的是去除边界巷道,因为开挖巷道需要耗费大量人力、物力和财力,并且需要强大的物流系统和交通设施来支持,包括大巷和井底车场的建设。2GN00工法实现了无需开挖巷道的简化方案,简化了大巷和井底车场的结构。3GN00工法将进一步改进,实现井下即是工作面的布局,即工作面向前开采,开采完成后留下两条大巷,实现无煤柱。这种方法将整个矿井简化为一个工作面。然而,在实施3GN00工法时仍然需要解决通风、瓦斯和自燃等问题。4GN00工法的目标是去除通风系统,通过去除通风系统解决瓦斯问题。要实现这一目标,需要下定决心将工作面整合智能化,实现无人化运营,不再依赖生命支持系统,因此无需通风。在采煤过程中,煤炭被破碎后,其中的气体得以释放,产生裂隙并增加负压,实现了煤气共采。这样的矿井才能真正实现本质上的安全,因为无需开挖巷道,不受顶板问题困扰,无需通风,也不受煤层自然变化和瓦斯爆炸的影响。这正是煤矿从业者追求的目标。为了实现这些技术创新,将华为的5G技术引入,将井下设备的信息整合并传输到计算机进行信息处理。上述即为这些工法的发展过程以及N00工法的解决方案。

4 110/N00工法关键技术

110/N00工法的成功关键在于新材料和新技术两方面的工作。每次发生塌方都与材料有关。早在18世纪进行的材料拉伸实验中就发现了较小的拉伸会导致径缩现象。而在所有工程范围内的产品中,只有3%～5%的应变。在1870年,圣伟南发现了这个问题,并提出了开发无径缩、不容易断裂且不会导致塌方问题的材料的想法。煤矿巷道实际上是发生大变形破坏的,为了控制大变形破坏,必须采用能够具有大变形能力的材料。该团队花费了19年的时间,开发出了第一代的材料——NPR结构,并在2009年建立了生产线。NPR结构是一种组合了两种材料的结构,它可以在受拉后发生变粗,从而提高其断裂强度。NPR材料的第一个特性就是在受拉后可以变粗。另一个问题是能否制造出受拉后不会发生径缩的钢材。到2020年,也已经建立了相关的生产线。国外进口钢材和高强度钢材受拉后会局部发生变红,而整体变红则不会发生径缩。而能够整体变红的就是NPR钢材。目前,NPR钢材已经实现了工业化生产。该产品的优势在于可以随时计算其达到的强度和吸收的能量。与美国、欧盟和澳大利亚品牌的钢材相比,NPR材料具有最高的屈服强度,大约是它们的两倍。而在最大延伸率方面,它们的数值通常是个位数,而NPR钢材则是两位数。

第二项技术的关键是如何将岩桥消除,并将裂缝切开。在传统方法中,常常使用两个钻孔进行爆破。然而,传统爆破容易导致裂缝出现三维形态,这样无法确保钻孔之间的岩桥被完全消除。因此,需要将这种三维问题压缩到二维,并在二维空间中实现爆破。采用110工法切开巷道顶板,成功将岩桥消除。这是一种针对巷道支护设计的新工法。通过光爆破,可以将缝隙切开,而且缝隙非常小。通过在两个裂缝之间成功消除岩桥,实现了岩石的切割。这种光爆破的技术创新使得110工法成为一种有效的巷道支护方法。

2009年诞生的110工法,标志着一项重要的技术突破。随后,在2016-2017年间,1G110工法的推出进一步提升了该工法的性能。紧接着,2018年出现了2G110工法,以及2020年的3G110工法,这些新的工法不断改进和完善了110工法的实施方式和效果。展望未来,根据预测,在2023-2024年间很可能会出现4G110工法。这意味着110工法将继续演进和创新,以更高效和可靠的方式应用于实际工程中。至于是否会出现5G110工法,这需要科研工作者通力合作,共同努力进行技术研究和探索。科研工作者在不断推动技术的发展过程中起着至关重要的作用。通过深入的研究和实践,他们可以探索新的工法和技术应用,提高现有工法的性能,并探索潜在的技术创新方向。因此,科研工作者需要加强合作,共享知识和经验,以促进工法的发展,并为工程领域的进步做出贡献。

5 110/N00工法技术应用

目前,110工法已经广泛应用于多个矿井,根据估计,全国大约有300～500个矿井采用该工法。这些矿井包括国营矿井、私营矿井以及一些开采深度达到1 200 m的千米矿井。那么,在采用110工法的过程中到底使用了多少能量呢?110工法一刀的采煤宽度大约为0.86 m,采用五刀操作,则达到了大约4 m的采煤宽度。相比之下,如果采用121工法进行采煤,则所测得的能量将升高。这表示了110工法消耗能量,但同时也意味着110工法能够有效减轻冲击的能量。

对于高瓦斯矿井来说,采矿巷道的处理相对较为困难。通常需要进行掘进、抽排、再次掘进和抽排,才能打开巷道,然后再抽排,使工作面能够回采。而110工法实行采留抽的方式,优势在于采煤工作面完成后,巷道可以直接被保留下来,无需再进行巷道的拓展工作,从而永远保留一条巷道用于瓦斯排放。

此外,综放采煤方法也成功地应用了110工法,在该方法下取得了良好的效果。

千米矿井中的冲击矿压一直以来都是一个严峻的问题,因此寻找能够抗冲击和承受高压的解决方案一直是迫切的需求。传统的锚杆锚索方法被应用于这个问题上;而与之相比,NPR锚杆锚索方法在相同冲击条件下进行了对比研究。在实验中,首先使用了10 kg的炸药进行测试,结果表明采用NPR锚杆锚索没有任何问题。进行了另一组实验,使用了11 kg的炸药,并连续进行了10次冲击。结果显示,在使用NPR锚杆锚索的情况下,依然没有出现任何问题。通过这样的实验,可以将其视为相当于在地下1 000 m处引爆一颗重达66 000 t的炸药,炸药位于距地面2 m处,产生了9 200个重力加速度的冲击力。NPR锚杆锚索能够吸收并抵消这9 200个重力加速度。这样的实验结果进一步证明了NPR锚杆锚索能够有效地保护巷道免受冲击地压的影响。

由陕煤化集团进行的1GN00研究,采用了一种岩石碎胀压缩留墙成巷的方法进行处理。以往,这种情况下通常采用顶板再造的方式,但现在巷道帮部的位置也被重新进行了处理。在工作面回采时,不再使用超前支护压力加强支护的方法,而是通过利用压力形成一堵墙。这个墙的形成原本是通过碎块的压缩形成的。上述描述中提到了有边界的1GN00和无边界的2GN00。另外,3GN00是实现整个矿井成为一个工作面,即一个盘区。关于巷道的使用寿命,提到了一个例子是2015年建造的110工法矿井,到目前已经使用了8年的巷道,其中的巷道完全采用了110方法进行建设。现在,该边界区域的资源已经开采完毕,然后重新开启了之前封闭的巷道,8年前建造的巷道在使用要求方面仍然良好,能够满足需要。

目前全国在110与N00工法方面表现出了很高的积极性,但具体的安全情况如何呢?通过对从1949年到2021年的统计数据的研究可以发现,煤炭产量呈非线性增长,并可分为三个阶段:第一阶段为1949年至1988年,这段时间里,煤炭产量的增长主要依靠工人的生命来支撑国家的能源事业;第二阶段为1988年至2008年,这20年间,煤炭产量增加了一倍,但是百万吨死亡率的趋势基本持平甚至略有下降,这说明增加的产量主要靠引进技术实现,缺乏强有力的原始创新技术的支撑;而从2009年到2021年,煤炭产量再次翻了两倍,然而百万吨死亡率却迅速下降。110工法最初在四川实施,对降低百万吨死亡率做出了巨大贡献,但对煤炭产量的贡献较小。现在国家通过发布多项文件,国家知识产权局甚至派遣一位副局长专门负责工法的专利事务,并制定了标准。综合考虑,可以得出结论,110工法安全高效,其中包括减少巷道数量和降低工人劳动强度。真正的110工法是指无煤无柱的工法,与沿空留巷有所不同,后者仍然存在柱子支撑;而真正的110工法是指不存在煤柱,强调无煤无柱的原因在于它可以过渡到N00工法。110工法的关键在于一种新材料和一项新技术。110工法的未来发展是朝着N00工法的无人化矿井方向发展,从而解放工人劳动力,实现煤矿的机械化和全自动化采煤。这将为煤矿带来幸福和光明的未来。