西安科技大学教授王晓利带领其团队研发的煤矿柔模复合材料支护安全高回收开采成套技术与装备，让采区煤炭完全开采、“三下”压煤完全开采、废弃矿井或生产矿井遗弃资源再开采变为现实
●本报记者 孙枫凯
通讯员 刘忠平
边角煤无法完全开采、留设煤柱无法有效回采等一直是煤炭开采面临的难点。顺应资源节约和生态环境保护的新要求，煤炭资源损失成为煤炭工业不得不面对的重大课题。
在1月8日召开的2018年度国家科学技术奖励大会上，一项获得国家科学技术进步奖二等奖的项目——煤矿柔模复合材料支护安全高回收开采成套技术与装备，让采区煤炭完全开采、“三下”压煤完全开采、废弃矿井或生产矿井遗弃资源开采变为现实。
这一项目是西安科技大学教授王晓利团队研发的。早在2007年，王晓利就提出了煤炭完全开采理念，并建立了以无煤柱开采、充填开采和再开采为主的完全开采技术体系。
经过10余年的发展，王晓利团队的煤炭完全开采技术体系更加成熟且得到了有效应用。此前，这一成果还获得陕西省人民政府、中国煤炭工业协会颁发的科技奖项，并获得发明专利13项、实用新型专利27项。
建柔模混凝土连续墙，置换煤柱
“我国无煤柱开采技术经历了半个多世纪的探索。因为巷旁支护速度慢、密闭与支护效果差，直接制约了采区煤炭安全高效回收开采。仅因区段煤柱留设，每年就损失煤炭资源超过3亿吨。”王晓利说，“为此，我们团队研发了柔模混凝土巷旁支护沿空留巷、沿空掘巷、沿空留回撤通道和沿空留切眼无煤柱开采技术。其特点是在巷旁建造柔模混凝土连续墙，支撑顶底板，封闭采空区，置换煤柱，实现采区煤炭完全开采。”
为了顺利实施柔模无煤柱开采技术，保障巷旁作业安全，王晓利团队研制了沿空留巷成套围护装备，包括具有躲避锚头和架尾自动铺网功能的端头围护支架，具有挡矸切顶和遥控自移功能的采空区围护支架。目前，该装备已在矿区投入应用12套，其支撑范围在0.9米至6米之间，工作阻力最高达4万千牛，顶梁支护长度范围在5米至16.5米之间，采用电液控制系统，无线遥控操作。
沿空留巷成套围护装备的成功研制，保障了薄煤层工作面、高瓦斯矿井综放工作面和千万吨级工作面安全高效无煤柱开采。
2008年至今，柔模无煤柱开采技术已在厚度在1米至6米之间的煤层一次采全高工作面、厚度在5米至8米之间的煤层综放工作面、日推进15米的千万吨级工作面、容易自燃煤层工作面、煤与瓦斯突出煤层工作面、薄基岩工作面、“三软”煤层工作面、厚硬顶板工作面等工程条件下成功应用。
近3年来，柔模无煤柱开采技术又在东部千米深井、西部35度至42度大倾角煤层等复杂条件沿空留巷无煤柱开采工作面成功应用，进一步拓展了无煤柱开采的适用范围。
复合材料返井充填，释放“三下”压煤
“建筑物下、水体下和铁路下‘三下’压煤量大，中东部地区‘三下’压煤量约占可采储量的50%。实现‘三下’压煤开采的主要途径是采空区充填开采，流体充填具有管道输送便捷、减沉效果好等优点，但流体材料在采空区堆积成型及接顶难，充填速度慢。”王晓利告诉记者。
为此，王晓利团队研发了综采条带、巷采条带和综采完全充填等系列化柔模复合材料充填开采技术，将固体废弃物返井充填，实现了“三下”压煤绿色完全开采。
为了提高充填效率，该团队进一步完善了柔模充填开采技术，研发出综采充填兼留巷技术，研制出尾部带有铺模、夹模机构和充填工作间的综采充填支架，人员全部在充填支架掩护下作业，创造性地利用透水不透浆柔模自动封闭采空区，并对流体材料进行脱水，流体材料凝固时间缩短逾25%，密实度高逾4%，地表下沉系数降至0.015。
这一项新技术不仅攻克了流体充填不适合水平和俯斜开采技术难题，还攻克了充填工作面推进速度慢的难题，为规模化回收“三下”压煤提供了新方法。
复杂条件可支护，遗弃资源再开采
据王晓利介绍，目前，我国废弃矿井或生产矿井遗弃资源再开采已迫在眉睫，开采过后形成的复杂条件制约着煤炭再开采，复杂条件巷道支护成为再开采的薄弱环节。
为此，王晓利团队研发出条带碹、双层可缩碹、管棚碹等不同结构的柔模混凝土锚碹支护技术，破解了松软地层、破碎围岩、高地压大变形等复杂条件巷道支护难题。其中，柔模混凝土管棚碹支护技术能够攻克松散破碎岩体下快速成巷工程技术难题，为煤矿安全快速穿越采空区巷道和特殊地质构造巷道提供了新途径，为废弃矿井或生产矿井遗弃资源再开采提供了安全通道。
同时，王晓利团队还研发了遗弃资源安全回采新技术，实现了遗弃资源再开采。
“未来5年，我们将继续完善煤矿柔模复合材料支护安全高回收开采成套技术与装备这一成果，向着完全开采的发展方向不断创新，包括完善无煤柱开采和充填开采作业线，实现自动化完全开采；开发煤矸石、煤泥、粉煤灰等固体废弃物低成本快速充填技术，保水减损，实现煤炭绿色完全开采；研发再开采成套技术及装备，实现煤炭完全开采。”王晓利说。
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