新疆大型煤炭基地科学采矿的内涵与展望
新疆煤炭资源丰富，预测资源量 2.19 万亿 t，占全国陆地资源总量的三成以上，居全国之首。自治区在“十二五”规划期间，将坚持“统筹规划、环保优先、集约高效、有序发展”的原则，以准东、吐哈、伊犁、库拜四大煤田为重点，高起点、高标准、高效益规划建设国家第 14 个现代化大型煤炭基地;并进一步明确，准东煤田、吐哈煤田以优先建设特大型现代化露天煤矿为主，伊犁煤田重点建设千万吨级矿井为主，库拜煤田优先建设大型现代化矿井和安全高效矿井，“十二五”末规划产能达到 4.2 亿 t。新疆煤炭基地将成为我国 21 世纪十分重要的能源基地接替区和战略能源储备区。新疆四大煤田普遍赋存厚煤层，而我国厚煤层储量占总储量的 50%以上，产量也主要来源于厚煤层的开采(约占 80%)。近 30 a 的厚煤层开采理论与实践探索，取得了丰厚的研究成果和成功经验[1-6]，极大地推动了我国厚煤层开采技术与装备水平的提升，出现了年产千万吨、采高 7.5 m 的大采高综采工作面，年产超 600 万 t 的常规综放工作面和年产超 800 万 t 的大采高综放工作面、一次最大开采厚度达 20 m[1-3]。新疆矿区生态环境脆弱、煤层赋存形态以特 /巨厚、急倾斜厚煤层为主的特征，决定了传统的采矿理论与技术以及现有的生态环境保护性开采经验与方法无法系统、有效地解决新疆大规模煤炭资源开发与减少其对生态环境的损害(主要体现在地表沉陷、水资源流失和矸石堆放)这一矛盾[7-8]。必须创新生态环境保护性高效开采的理论与方法，以彻底解决开采带来的一系列生态环境问题。因此，本文重点对新疆四大整装煤田的科学开采难题、内涵、目标、特色等内容，提出初步构想。
1 新疆煤炭资源的禀赋特征
1) 优质资源分布集中度高新疆煤炭资源总体禀赋条件好，构造简单，资源分布集中，且多为整装煤田，非常适合建设特大型矿井。区内共有 24 个预测资源量超过 100 亿 t 的煤田，共占总量的 98%;其中 5 个煤田预测资源量超过 1 000 亿 t，共占全区预测资源量的 60%。 2) 埋藏浅、煤厚大且含煤层数多新疆煤层埋藏深度，平均不足 200 m，最大未超过 400 m;特厚/巨厚煤层在新疆各煤田中广泛赋存，如新疆东部沙尔湖煤田煤层总数达 25 层，单层厚度最大可达 217.14 m，为全国之冠、世界第 2;中国乃至世界上最大的整装煤田——准东煤田单层厚度可达 80 m，平均厚度为 43 m。 3) 大倾角/急倾斜煤层储量大主要集中在库拜煤田和准噶尔煤田附近矿区。仅乌鲁木齐矿区急倾斜煤层储量占我国急倾斜煤层储量的 1/4 以上;3.5~8 m 厚、35°~50°大倾角/急倾斜煤层约占新疆大倾角煤田储量的 40%以上，大部分集中在乌鲁木齐矿区、阜康矿区、温宿矿区和拜城矿区等，涉及矿井在 66 对以上。
2 新疆煤炭资源科学开采面临的挑战
新疆煤炭资源科学开采，除采矿人才欠缺等因素外，主要面临： 1) 大型现代化矿区建设与传统生产矿井效率低、安全事故多的挑战新疆传统煤炭企业多采用落后采煤方法与工艺，机械化程度低，造成资源浪费严重、安全事故频发、劳动强度大。以伊犁煤田为例，该地区有煤矿 100 多家，60%以上的矿井采用仓储式和巷道式采煤方法;据统计，全疆乡镇煤矿平均资源回收率仅 10%~15%，国有地方煤矿只有 30%;另据不完全统计，2010 年新疆国有重点煤矿煤炭生产百万吨死亡率为 0.44，国有地方煤矿煤炭生产百万吨死亡率高达 6.72。 2) 内地进疆的大型企业带来的先进技术与新疆具体条件适应性的挑战近年来，神华、鲁能、新汶、中煤、潞安、兖矿、徐矿、华能、中电投等 40 多家大型企业集团进驻新疆开发煤炭资源，同时带来了先进的采矿技术与装备。但新疆幅员辽阔，4 大煤田的地形地貌、覆岩结构、水文地质及煤层赋存条件等差异较大，与东部矿区更不同。为提高先进技术的适用性，应开展对开采造成的地表沉陷规律、覆岩移动规律、矿压显现规律、采煤工艺方式与参数选择等相关基础研究，为先进技术与装备的改进和改造提供理论支持和方法指导。 3) 新疆煤炭资源安全高效开采与生态环境保护相矛盾的挑战 2012 年新疆煤炭产量 1.4 亿 t，要达到 4.2 亿 t 的规划目标，此后 3 a 将年平均递增近 1 亿 t。为此，必须依靠先进采煤技术与装备，建设特大型/大型现代化矿区，走集约化高效生产之路;然而，在伊宁矿区，采用先进的综放开采技术(一次采全厚 20 m) 和大采高综采技术(一次采全厚 5 m)，已出现地表沉陷和水土流失现象。由于新疆煤炭资源埋藏浅、厚度大，井下开采可导致更为严重的生态环境损害，为化解新疆煤炭高效开采与生态环境保护的两大压力，急需建立以“生态环境损害最小化”为目标的新的开采理论与方法。
3 新疆大型煤炭基地科学采矿研究内涵
3.1 主要研究内容拟重点以新疆伊犁、准东、吐哈及库拜 4 大煤田的典型煤层赋存条件为研究对象，研究现有厚煤层综采技术的适应性、生态环境容量制约下的高效开采技术的选择性、保水开采与充填开采的可行性以及巨厚煤层与急倾斜厚煤层综采技术的原创性，开展覆岩移动与地表沉陷规律、采动裂隙动态演化与空间分布规律、含水层与地表水体采动运移规律、保水开采机理、充填开采与岩层控制机理等基础研究。具体研究内容阐述如下： 1) 煤层覆岩组成与力学结构特征。调研四大煤田典型煤层水文地质条件、煤层赋存条件及地形地貌特征，分析覆岩的岩层组成及力学性能，找出含水层、隔水层及关键层的空间关系，判定不同煤田的覆岩力学结构特征。为整个项目开展研究奠定基础。 2) 高效开采覆岩移动与采动应力场变化规律。基于不同的覆岩结构，研究开采参数(采高、推进度、工作面长度等)的变化对顶板破断、覆岩移动及地表沉陷规律的影响，分析采动应力场变化特征。重点是巨厚煤层开采覆岩重复移动时，采动裂隙场与应力场的分布规律;大倾角/急倾斜(35°~55°)厚煤层 (3.5~8.0 m)开采时，顶板垮落特征、底板滑移规律及采动应力传递规律。为岩层控制、保水开采和充填开采的机理研究提供支撑。 3) 采动区域水资源流失机理及其控制。主要开展覆岩采动裂隙“固-液”耦合效应、地表水体与含水层水流运移力学模型建立、含水层和隔水层与关键层的耦合机理、浅埋煤层地表水体与含水层的破坏机理与控制等研究，确定出矿区生态保持的最小水位、保水开采机理及其适用条件分类，为采高控制开采和固体废弃物充填开采的实施提供技术支持。
3.2 主要研究目标针对新疆煤炭资源高效开采极易导致地表生态环境劣化的难题，基于新疆煤炭资源禀赋特征，以系统解决煤炭开采造成的矸石堆放、水土流失、地表沉陷等环境损害问题为目的，研究和掌握采动应力分布特征、围岩破裂机理、岩层运动及地表沉陷规律，建立相应的采动覆岩运动及含水层水流运移力学模型，揭示煤炭开采中的水资源流失与控制机理和矸石充填中充填体-覆岩-地表协调变形机理，创立生态环境保护性高效开采的新理论和方法，提出能够显著解决新疆提高煤炭开采效率与资源采出率、保护矿区土地和水资源的创新技术途径，为探索新疆大型煤炭基地建设综合效益最大化的新模式提供理论基础与技术指导。具体目标： 1) 揭示东部矿区先进高效开采理论与技术在新疆矿区应用的适应性，明确技术改进和装备改造的方向; 2) 创立新疆巨厚煤层和急倾斜厚煤层高效开采的理论和方法，指导相应的成套技术与装备的研发; 3) 创建伊犁“绿洲”矿区高效保水开采理论与技术体系，打造新疆乃至全国的保水开采示范基地; 4) 完善固体废弃物井下充填开采与机械化采煤一体化的理论和方法，建立新疆矸石井下处理技术体系，实现矿区矸石零堆放; 5) 形成一套“新疆厚煤层生态环境保护性高效开采理论与方法”，并在新疆 4 大煤田分期进行工业性试验。
4 需解决的关键科学问题与特色
需解决的关键科学问题主要有：1) 生态环境容量控制下的厚煤层高效开采方法选择;2) 利用矸石实施长壁充填开采的机理及其岩层控制;3) 干旱半干旱矿区保水开采机理及其适用条件分类;4) 巨厚煤层开采理论与急倾斜厚煤层开采围岩控制。新疆大型煤炭基地科学采矿的最大特色就是在国家推行绿色矿业、发展循环经济、建设“资源节约型、环境友好型”矿区的政策背景下，在自治区一切资源开发必须坚持“环境优先、生态立区” 的原则下，在我国最大的煤炭基地和生态环境极其脆弱的干旱半干旱地区，如何重新评估采用国内先进开采技术的适应性、引进绿色开采技术的适用性、开发巨厚煤层与急倾斜厚煤层开采技术的独创性和生态环境承载力控制下高效开采技术的选择性，为新疆资源优势转换战略的科学实施和新疆煤炭工业健康可持续发展奠定坚实的科学基础。
5 已取得的初步研究成果
作者带领的研究团队针对新疆特有的巨厚煤层条件下采动覆岩移动规律、伊犁绿洲矿区保水开采机理以及进行了初步的研究，并取得一定成果。
5.1 巨厚煤层开采覆岩活动规律为研究巨厚煤层分层开采在“大尺度开采空间”和“多次开采重复扰动”条件下顶板稳定性控制的问题，基于新疆准东煤田典型巨厚煤层 BM 煤层赋存特征，通过数值计算、物理模拟及理论分析等方法，分析了巨厚煤层开采覆岩结构稳定性特征，并揭示了巨厚煤层覆岩“结构突变失稳”的产生机理(如图 1 所示)。研究结果表明：巨厚煤层的开采造成采空区空间大幅度增加，采场采动影响具有较大的波及范围，使得工作面覆岩的活动空间更大，易造成大范围岩体结构失稳破坏;关键层稳定结构在工作面开切眼和终采线处容易失稳，稳定结构一旦失稳，在后续开采过程中难以重新铰接形成稳定结构[7]。
5.2 伊犁绿洲矿区保水开采机理基于伊犁一矿地质条件，研究认为覆岩上位含水层底部第 1 隔水层、覆岩中位阻隔岩层(组)以及下位煤层基本顶的相互作用，共同控制着采动裂隙的扩展与分布、层间与层内导水裂隙与通道的发育深度与广度，只有从开采的角度，对采煤方法和工艺参数(如煤层开采厚度、工作面推进速度等)进行优选，通过控制上位第 1 隔水层、中位阻隔层和下位基本顶的变形破坏，才能实现保水开采效果的有效控制[8]。
5.3 “一硬两软”大倾角厚煤层综放开采技术基于阿克苏地区博孜墩煤矿 31101 综放工作面地质条件研究了“一硬两软”大倾角厚煤层综放开采技术。该工作面煤层厚度(3.5~8.0 m)，倾角 35°~55°，煤质松软，手抓即碎;顶板砾岩天然状态下其单轴抗压强度为 92.1~153.0 MPa，RQD 值为 87%~93%，顶板不易垮落;底板粉砂岩天然状态下单轴抗压强度为 13.7~23.5 MPa、抗拉强度为 2.5~3.0 MPa，RQD 值为 37%~48%，软化系数为 0.10~0.21<<0.75，属软岩。顶板来压、底板滑移、架前冒顶和煤壁片帮是该条件下必须解决的问题，课题组研究分析了顶底板活动规律，构建了该类条件支架-围岩关系，开发出新型聚酯高分子聚合物进行煤岩体加固，并对液压支架顶梁进行了改造以控制架前冒顶和煤壁片帮，取得良好的应用效果，如图 2 所示。
6 结束语与展望
纵观我国近 30 a 的厚煤层高效开采理论与技术的发展成果以及矿区生态环境综合治理的成功经验[7-15]，煤炭资源高效开采与生态环境保护相协调已成为社会各界的共识，并成为理论研究和工程实践的难点和热点。国内先进的厚煤层高效开采技术与装备，在新疆特有的煤层禀赋条件下，能否取得安全高效的预期成效，需对其适用条件重新认定，应进行相关基础理论研究;新疆独具的巨厚煤层开采，无论是在理论方法上，还是在工程实践上，目前都是空白，急需进行前瞻性研究;新疆急倾斜厚煤层(3.5~8.0 m) 的机械化开采一直没有得到很好的解决，国内也没有太多经验可借鉴，为指导岩层稳定性控制和成套装备革新，也需加强基础研究;尤其是在生态环境容量约束时，如何实施保水开采、如何推行矸石充填开采、如何科学选择先进高效开采方法、如何优化配置充填开采和保水开采等，并最终创立大型矿区生态环境保护性高效开采整体设计理论与技术体系，这些都处于该领域的研究前沿，迫切需要系统而深入地开展基础研究和方法创新，以满足国家需求和社会要求。因此，研究与探讨“新疆大型煤炭基地生态环境保护性高效开采”这一科学问题，是一项开拓性的工作，研究成果将为新疆“资源节约、环境友好型”矿区建设和“资源开发可持续、生态环境可持续”的战略实施提供理论基础和方法指导。
参考文献：
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《新疆大型煤炭基地科学采矿的内涵与展望》来源：《采矿与安全工程学报》，作者：张东升 1,2，刘洪林 1,3，范钢伟 2 ，王旭锋 2
