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防治水害显中国特色 培魂育根现工匠精神

文/胡月

煤炭是工业时代重要的生产能源,世界上有四个国家煤炭储量最为丰富,分别是中国、美国、俄罗斯和德国,其中,中国是世界上煤产量最高的国家。

中国对煤炭的开采可以追溯到公元前1122年,周朝时已经正式的专业煤炭开采机构是中国历史上最早对于煤炭开采的尝试。当前,中国煤炭开采行业已进入工业化大生产阶段,数据表明,2021年11月份以来,我国整体煤炭日产量达到了1153万吨,较同年10月初增加了超80万吨,而巨大产量的背后,矿井水害问题的产生、治理与预防同样需要特别关注,值得一提的是,在防治矿井水害方面,中煤科工集团西安研究院有限公司有一位大国工匠,他的名字叫郑士田。

郑士田是中煤科工集团西安研究院有限公司一级首席专家,多年来主要从事矿山水害抢险救援治理、水害超前区域治理的理论创新与工程应用等工作,个人曾获全国能源化学地质系统“大国工匠”、中煤科工集团“最美煤科人”等荣誉。2021年,“郑士田创新工作室”成立,郑士田任负责人,曾带领团队荣获国家科技进步二等奖1项、国家科技成果1项等国家级科技奖项。

中国煤炭开采行业发展分期

中国煤炭开采行业发展至今主要经历了探索发展阶段、动荡发展阶段、恢复发展阶段、稳定发展阶段、快速发展阶段、高速发展阶段、转型升级阶段七个历史发展阶段。

1878至1930年是中国煤炭开采行业的探索发展阶段。1876年,中国闽浙总督沈葆桢奏请承办台湾基隆煤矿,标志中国煤炭行业正式进入探索发展阶段。这一时期中国尚未掌握煤炭机械制造及开采技术,所用设备及专业人员均引致英法德等欧美国家。伴随着中国开始对煤矿进行规模化开采探索,大量国际企业进入中国市场,中国本土煤炭企业受制于技术、资金等短缺问题,市场占有率不到20%。至1930年为止,中国共建成五万吨以上煤矿61个,年总产量2,800万吨。这一时期中国民营资本对煤炭的规模化开采,对中国煤炭工业的形成具有一定推动作用。

1930至1948年是中国煤炭开采行业的动荡发展阶段。由于第二次中日战争的爆发,东北、华东等地区煤矿深受战争影响,而战后中国煤矿开采也基本处于停产或半停产状态,因此该时期中国煤炭行业发展基本处于停滞状态。

1949中国煤炭开采行业迎来了稳定发展阶段。1949年10月,中国社会恢复稳定发展状态。中国政府相继制定了多个五年发展计划,中国煤炭行业得到快速恢复及进一步发展。

改革开放后,中国煤炭开采行业进入了市场引入阶段。1978年12月,中国开始实行“对内改革、对外开放“政策,宏观经济快速发展,中国煤炭产业链下游需求快速扩大。中国政府大力发展煤炭生产,集中实施行业调整。这一时期中国煤炭企业获得部分自主经营权,企业可按当年承包指标,自主安排季度、月度生产计划,企业自销煤炭部分可自行定价。中国煤炭行业随市场调节机制的引入进入快速发展阶段。

此后,在1993年、2002年,中国煤炭开采行业分别进入了快速发展阶段和高速发展阶段;2016年2月,国务院发布《关于煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》指出,从2016开始,用三至五年时间推出煤炭产能五亿吨左右,适度减少煤矿数量,化解煤炭行业产能过剩现象,维持市场供需平衡。中国煤炭行业进入转型升级阶段。

煤矿生态危机——矿井水害

矿井水害是煤矿常见的主要灾害之一,指在矿井建设和生产过程中,地面水和地下水通过各种通道涌入矿井,当矿井涌水超过正常排水能力时,就会造成矿井水灾。一旦发生透水,不但影响矿井正常生产,而且有时还会造成人员伤亡,淹没矿井和采区,危害十分严重。所以做好矿井防水工作,是保证矿井安全生产的重要内容之一。

一些煤矿井道出口在设计和施工建设时,没有充分考虑水位上涨时的应对问题,一旦出现特大暴雨后就会很容易引发泥石流灾害和山体滑坡灾害。由于大范围采掘所引发的地表坍塌难题也没有获得妥善解决,在特大暴雨的影响下,各种煤矿安全事故出现的几率大幅度提升,阻碍了煤炭资源生产活动的正常进行,同时也降低了煤炭资源生产的效率和质量。通常来讲,煤层的开采会对煤层底板和底板造成破坏产生大量裂隙,也很容易由于采后地层应力重分布造成断层的活化,这时地下水极有可能通过断层和裂隙涌入矿井中,使煤炭资源的开采环境变得更加恶劣,阻碍了煤炭资源生产活动的顺利推进,严重时还会提升了水灾害发生的频率。所以,对煤矿开采流程的规范性加以重视,规避裂隙问题和断层问题的扩展,可以充分降低煤矿水灾害出现的频次。

2009年12月1日起,中华人民共和国中央人民政府颁布的《煤矿防治水规定》(以下简称《规定》)正式施行。《规定》表示“矿井应当分井、分水平设观测站进行涌水量的观测,每月观测次数不少于3次。对于出水较大的断裂破碎带、陷落柱,应当单独设立观测站进行观测,每月观测1—3次。对于水质的监测每年不少于2次,丰、枯水期各1次。涌水量出现异常、井下发生突水或者受降水影响矿井的雨季时段,观测频率应当适当增加。”

矿井发生突水事故前也会有一些预兆,如煤岩壁发潮发暗、煤岩壁挂汗、巷道中气温降低煤壁变冷出现雾气、顶板压力增大淋水增大、底板鼓起有渗水出现压力水流等现象。由于矿井水害会对煤矿安全生产造成很大的影响,轻则增加生产成本、降低生产效率,严重时还可能造成人员伤亡,而预防及有效治理矿井水害也面临不少困难。

矿井水害防治——面临困境

在对煤矿进行开采时,会出现不同程度的积水,这些水有的以渗透的形式出现、有的以涌进的形式出现。如果矿井下的积水量超越了煤矿排不的水平,井下环境极易形成水害,同时降低了煤炭资源生产的安全程度。水害问题给井下环境带来较大干扰,严重时还会诱发瓦斯燃爆事故、水淹矿井以及硫化氢浓度过高导致的人员中毒事故等事故,造成巨大的损失。

截止2017年底,我国煤矿共7662座,总产能53.08亿吨。从产能大小来看,产能≥120万吨的总产能25.20亿吨,占比总产能47.48%,煤矿数仅为1170座。从安全生产标准化等级来看,我国一级安全生产标准化煤矿876座,产能21.13万吨,二级安全生产标准化煤矿1430座,产能7.96亿吨,三级安全生产标准化煤矿1663座,产能3.42亿吨。从开采方式来看,井工矿7223座,产能43.86亿吨,露天矿439座,产能9.22亿吨。从生产状态来看,正常生产煤矿3892座,产能32.64亿吨,改扩建与新建煤矿1600座,产能15.18亿吨,长期停产停建煤矿2170座,产能5.26亿吨。

根据以上数据,和大型煤矿相比,中型煤矿和小型煤矿更容易出现水灾事故,主要是因为中小型和中型的煤矿企业在地质环境的勘测上不够全面和严格,且更加注重煤矿的经济效益,同时由于资金有限,所装配的勘测设施也不够先进完善,致使在煤矿采掘期间未能准确划分施工界限和积水区域,导致出现严重的过界开采问题,在很大程度上提升了煤矿出现水灾害的几率。

目前,部分小型和中型的煤矿企业存在水文地质勘测人才缺失的问题,水治理的策略和技术也不够先进,从而使得煤矿水治理活动很难快速有效的开展。另外,由于部分企业的水治理观念不够先进,专业的水灾害监控设备欠缺,也无法进行科学预测和合理预防。

矿井水害防治——走出困境

矿井水害防治工作面临一系列困境,将会大大削弱生产力,身为矿井水害防治领域专家的大国工匠郑士田带领团队长期坚守在矿山水害的防治第一线,并创下了年均出差超300天的记录,经过数十年如一日的坚守、研发与实践验证,团队创立了多项国内水害治理独有技术,包括:“突水陷落柱阻水塞快速建造技术”“高压动水大流量下巷道快速截流技术”“地面定向孔快速堵源技术”“地面顺层孔超前区域治理技术”“复杂介质大型帷幕建造技术”“断层及破碎围岩超前治理技术”“自燃煤层快速灭火技术”等。

以“矿井突水淹矿快速截流堵水技术体系”为例,郑士田掌握了“突水陷落柱阻水塞快速建造技术”“高压动水大流量下巷道快速截流技术”“地面定向孔快速堵源技术”三项关键技术,并先后在皖北煤电、徐矿集团、新疆建设兵团、淮北矿业、淮南矿业、冀中能源、陕煤集团、山东能源、中国黄金、马钢集团、大冶有色等数十个矿井的突水抢险治理中成功应用,堵水率100%, 缩短堵水时间60%,实现了矿山大型突水的高效截流封堵。

此外,我国中东部地区的华北型煤田煤层底板灰岩含水层具有层数多、富水强的特点,随着采深加大,突水危险性将会增加。郑士田通过数十年的水害治理和思考,率先研发了“地面顺层孔超前区域探查治理技术”,该技术切断了煤层与下部含水层的水力联系,消除突水隐患;黄河北煤田拥有高达40亿吨的优质煤炭储量,但下组煤开采面临顶底板双重强富水灰岩含水层威胁,被视为煤矿防治水领域的禁区,2016年,郑士田将“地面顺层孔超前区域探查治理技术”引入邱集煤矿,并针对邱集煤矿的水害特征首创了“顶底板双层灰岩水超前区域治理技术”,实现了黄河北煤田历史性的突破,该技术随后在邱集煤矿大规模展开并推广至赵官煤矿等黄河北煤田。

截止目前,郑士田已累计完成钻探进尺60.1万米,注水泥150.7万吨,解放煤炭储量5000余万吨,减少矿井涌水60%,为治理矿井带来直接经济效益数百亿元。

“一带一路”建设为中国与各方形成合作共赢关系创建良好平台,为中国煤炭企业获得了更多的合作机会,中国煤炭行业大有可为。同时,郑士田也将继续带领团队,坚守矿井水害防治一线,守护多方矿井安全,创新矿井水害防治技术体系,搭建智能化开采平台,怀揣工匠精神继续打磨水害防治“疑难杂症”,带领团队走出一条具有中国特色且安全高效的开矿之路。

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