神东东胜矿区补连塔煤矿煤炭资源绿色开发潜力评价

卞贵金

(国家能源集团神东煤炭集团，内蒙古鄂尔多斯 017209)

0 引言

补连塔煤矿是国家能源集团神东煤炭集团开发建设的目前世界第一大单井井工矿井，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，处于神东东胜矿区的南部，乌兰木伦河畔一级阶地西缘，南侧与上湾矿井连接，西侧与察哈素井田相邻，北侧与李家塔井田接壤。井田面积为106.5km2。

煤炭资源是国家的基础性能源，其开发和消费不仅会带动区域的经济增长，促进当地经济空间结构和格局的演变，也给区域资源环境和生态安全带来巨大的压力[1]。袁亮院士首次提出了“绿色煤炭资源”的概念[2]，绿色煤炭资源是指在当前先进技术条件下, 资源禀赋条件适宜, 能够实现安全高效开采、生态环境友好, 能被清洁高效利用, 具有经济竞争力的煤炭资源[3]。

煤炭作为不可再生资源，对其进行资源潜力开发评价，制定合理的绿色开采方案，提高资源利用率，避免浪费，保障资源战略安全，促进煤矿可持续开发具有重要意义[4]，煤矿绿色开采的核心是智能化开采[5]。

本文将对国家能源集团下属主力矿井补连塔煤矿进行资源绿色开发潜力评价，对其建设世界一流智能化特大型矿山具有重要意义。

1 煤炭资源潜力评价体系

1.1 资源开发潜力评价体系结构

本研究选用层次分析法构建评价指标体系，定量评价煤炭资源开发潜力。层次分析法把判断各要素的相对重要性的步骤留给了大脑，只保留人脑对要素的印象，化为简单的权重进行计算。这种思想能处理许多用传统的最优化技术无法着手的实际问题[6]。

根据我国主要煤炭资源的赋存特点，评价指标主要有煤层赋存的地质条件、煤炭品质、开采技术条件、生态地质等方面组成[7-8]。

本次评价体系将煤炭资源绿色开发潜力综合评价定为目标层，资源禀赋潜力、生态环境潜力、开采利用潜力3个方面组成条件层，11项指标组成指标层，39个参数组成参数层。

1.1.1 资源禀赋潜力

资源赋存潜力条件层包括3项指标，分别是地质条件、煤质煤类、开采技术条件。其下参数层有18项参数，分别是构造复杂程度、煤层倾角、煤层稳定性、煤层厚度、煤层结构、岩浆活动、煤类、灰分、硫分、发热量、有害元素、水文地质条件、工程地质、瓦斯、冲击地压、煤尘爆炸性、煤层自燃、地温。

1.1.2 生态环境潜力

生态环境潜力条件层包括2项指标，分别是植被与气候、恢复治理。其下参数层有5项参数，分别是地貌条件、植被类型、气候干旱程度、环境自身修复能力、矿山环境恢复治理难易。

1.1.3 开采利用潜力

开采利用潜力条件层包括7项指标，分别是经济消费、建设条件、安全开采、绿色开采、科学管理、生产能力、资源回采。其下参数层有16项参数，分别经济区位、煤炭消费需求、供水水源保障、电力条件、运输条件、矿井伤亡、事故率、安全技术保障、技术人员数量及层次、质量标准化程度、科技创新能力、实际生产能力、采煤工艺、自动化水平、服务年限、剩余可采储量、回采率。

1.2 评价因子的权重定量

通过分析各类指标对煤炭资源开发的影响程度，综合研究各类参数的量化，进行科学赋值。主要评价因子按照其范围、等级，结合最新国家标准或行业标准等，分别进行权重划分，详见图1。

图1 煤炭资源绿色开发潜力评价体系示意图

各项指标赋值范围为0～100分。总得分越高代表资源开发潜力越高。对评价结果设定四个级别，即绿色优先开发区(90～100分)，绿色可开发区(80～90分)，绿色难开发区(70～80分)，非绿色开发区(<70分)(表1)。

表1 煤炭资源绿色开发潜力评价结果分级

2 煤炭资源开发潜力指标评价及结果

采用综合指数评价法，基于煤炭资源潜力开采评价指标体系及其指标权重，根据补连塔煤矿现状实际对各评价指标进行赋值，然后对各指标得分进行加权，得出该矿煤炭资源开采综合评价分值。

2.1 地质条件

2.1.1 构造复杂程度、倾角、岩浆活动

矿区基本构造形态为一向南西倾斜的单斜构造，岩层倾角1°～3°，局部伴有宽缓的波状起伏，东部稍有隆起；整体构造复杂程度属简单构造类型。区内无岩浆岩活动。

2.1.2 煤层稳定性、厚度、结构

矿区内含煤地层为中下侏罗统延安组(J1-2y)，共含1～5个煤组，煤层自然厚度10.65～27.34m，平均19.35m，含煤系数9.95%。主要可采煤层分别为1-1、1-2、2-2、3-1、4-2上、4-2下、5-2上号煤层，目前矿井主采1-2和2-2煤层，煤层分布及厚度变化见图2、图3。可采煤层分布面积广，可采面积较大，赋存较稳定，连续性较好，厚度变化有一定规律，结构简单，不含夹矸或偶含1～3层夹矸。

图2 补连塔煤矿12煤分布范围及厚度变化示意图

图3 补连塔煤矿22煤分布范围及厚度变化示意图

2.2 煤质煤类

2.2.1 灰分、发热量、硫分、有害元素

各计量煤层原煤灰分平均值(Ad)为6.99%～14.00%，差距较小。1-1和5-2下号煤层属低灰煤(LA)，其他各煤层属特低灰煤(ULA)。各煤层浮煤灰分平均值为3.04%～6.44%，差距微小，比原煤降低较多，这表明核实区各煤层灰分易于洗去。

各可采煤层原煤干燥基高位发热量(Qgr,d)平均值为27.22～30.74MJ/kg。按原煤干燥基高位发热量进行分级，区内各可主要可采煤层均为高发热量煤(HQ)。

煤层中硫和有害元素的研究对煤炭开采、煤层气开发具有重要意义[4]。各煤层原煤全硫平均值变化为0.32%～1.28%，经洗选后，其硫分含量大幅下降，各煤层浮煤平均值变化为0.19%～0.57%。1-2上、1-2上、2-2上、3-1、4-2上和4-2下号煤层原煤为低硫煤(LS),其余煤层均为特低硫煤(SLS)。

各煤层原煤磷分平均含量变化为0.00～0.04%，均以低磷煤为主，特低磷煤次之。

各煤层原煤氯含量平均值变化为0.01%～0.10%，以特低氯煤为主，低氯煤少量。

各煤层原煤氟含量平均值变化为74.10～200μg/g，1-2上和1-2号煤层属于特低氟煤(SLF)，2-2号煤层属于低氟煤(LF)。

各煤层中原煤砷含量平均值为0.04～4.04μg/g，1-1号煤层属于低砷煤(As-2)，其余煤层为特低砷煤(As-1)。

2.2.2 煤类

以浮煤干燥无灰基挥发分、黏结指数和透光率作为依据进行分类，各可采煤层浮煤挥发分平均为30.70%～35.51%，多数值在37%以下，煤的黏结指数为0，透光率80%以上。各煤层属低—特低灰、中高挥发分、中—特低硫、低—特低磷、低—特低氯、高发热量、化学反应性较强、热稳定性较高、高强度、易磨、较低软化温度灰、富油、易选-极易可选、强结渣性、无黏结性的不黏煤。

2.3 开采技术条件

2.3.1 水文及工程条件

水文地质勘查类型为第二类、第一型，即以裂隙含水层为主的裂隙充水矿床，直接充水含水层单位涌水量q<0.1L/(s·m)的水文地质条件简单矿床。矿井水文地质类型确定为中等类型。

工程地质勘查类型划分为第三类第二型，即层状岩类工程地质条件中等型的矿床。开采后工程地质条件未发生变化，仍为工程地质条件中等型。

2.3.2 瓦斯、煤层自燃、爆炸性、地压、地温

矿井绝对瓦斯涌出量远低于40m3/min，属低瓦斯矿井。煤层具有煤尘爆炸危险性，煤层自燃等级为Ⅰ—Ⅱ级，自燃倾向性为自燃—容易自燃，无冲击地压显现，无地温异常区，未发现天然放射性异常。

2.4 植被与气候

矿井位于乌兰木伦河一级阶地的西缘，大部分地区表面为风积沙覆盖，植被稀少，沿乌兰木伦河的河谷区及其支流形成河流堆积类型，西部地形较平坦、开阔，主要为沙漠、滩地；东部梁峁起伏，沟谷密集，主要为黄土丘陵沟壑。矿井范围内多数地区呈风沙地貌，被流动沙丘和固定沙丘所覆盖。

气候属温带大陆性半干旱气候，冬季严寒，夏季炎热，春季多风，秋季凉爽，全年少雨，昼夜温差大。

2.5 修复与治理

温带大陆性半干旱气候，年降水量为226.40～540.5mm，平均372.4mm，且多集中于7、8、9三个月内，结冰期一般为10月初至次年4月底，所以利于植被生长时间较短，植被的再生环境自我修复能力一般。

水土流失补偿费在每年矿井成本中单独列支，用于环境治理，每年春季开展植树造林工程，并配套专用的灌溉系统，保证植被成活率，治理效果明显，有效改善地表生态环境。

2.6 经济消费

伊金霍洛旗立足资源禀赋、产业基础和发展条件，规划建设了工业园区、物流园区、产业园区等，形成了煤炭、煤电、煤化工、装备制造、全域旅游、现代物流等多元发展、多极支撑的现代化产业新体系，县域经济实力显著增强，全国百强县。乌兰木伦镇是国家能源集团煤炭主采区，共有国家能源集团神东煤炭集团公司、神东天隆公司、神华鄂尔多斯煤制油分公司、国华电厂等国有独资及股份制企业26家，工矿企业较多。

2.7 建设条件

矿井生活用水由矿区水源统一供给。目前，补连塔矿生活用水主要由考考赖水厂提供。该水厂及净水厂已经建成并投入使用，可净化周边矿井井下废水，能满足地区生活用水需要。以往施工的水源井，可作为矿井的备用水源，工业生产及绿化用水主要为补连塔煤矿矿井水处理后重复利用。

核实区地面设有35kV变电站5座。南风井35kV变电站主要为主通风机和井下2号变电所供电，补连塔矿工业广场35kV变电站主要为工业广场、2号主井及井下1号变电所供电，补连塔洗煤厂35kV变电站主要为补连塔洗煤厂和装车站供电，四盘区35kV箱变主要为1-2煤5号变电所供电，煤液化35kV变电站主要为井下2-2煤3号变电所和皮带机头供电。

伊金霍洛旗地处呼—包—鄂“金三角”区域，境内贯穿有阿大一级公路、包茂高速、包神铁路、包西铁路和鄂尔多斯飞机场，已形成集公路、铁路、航空于一体的立体交通网络，交通条件便利。

2.8 安全开采

补连塔煤矿坚持以人为本的安全管理理念，深入推进本安型矿井建设，在全国煤炭行业首家引进推行世界先进的NOSA五星安健安管理体系[9]，并获得NOSA四星级的煤矿。截至2019年底，安全生产达19周年，是目前神东煤炭集团公司安全生产周期最长矿井。

2.9 生产能力

矿井生产能力核定为28.0Mt/a，2019年实际产量为28.0Mt，是目前世界上单井生产能力最大的井工煤矿。

补连塔煤矿采用平硐、斜井开拓方式，生产布局一井两面，连续采煤机掘进，装备了世界上最先进的大功率采煤机和高阻力液压支架，采取长臂后退式综合机械化采，实现主运系统皮带化，辅助运输胶轮化，生产系统远程自动化控制和安全系统监测监控系统自动化。主运系统部分已实现远程可视化监视、无人值守。2007年建成6.3m大采高工作面，2010年建成7m大采高工作面，2016年底，使用TBM工法施工的补连塔煤矿2号辅运平硐正式投用，2017年世界首个8m大采高工作面在补连塔煤矿建成投产，矿井整体技术装备水平居于世界先进水平。

2.10 资源回采

该煤矿勘查开发程度勘探；总资源量约22.7亿t，剩余可采储量19.3亿t，剩余服务年限49.1 a。2019年矿井回采率83.11%，补连塔煤矿采区回采率统计表均远高出国家标准(表2)。

表2 补连塔煤矿采区回采率统计表

3 评价结果

综上，补连塔煤矿的煤炭资源开发利用潜力综合评价分值为94.4分(表3)，根据煤炭资源开发潜力评价结果，补连塔煤矿评定为一类区绿色优先开发区。说明补连塔煤矿属于资源禀赋潜力高、生态环境潜力高、开采利用潜力高的国家绿色优先开采矿井。为补连塔煤矿建设现代化、智能化、国际先进水平的绿色特大型矿井提供有力的综合评价依据。

表3 补连塔煤矿煤炭资源开发潜力综合评分表

4 开发能力发展态势预测

补连塔井田内地质构造简单，资源储量丰富，开采技术条件优越，具备可持续高产量绿色开采的先天优良条件。但随着矿井浅部优质煤层资源的逐步开采完毕，未来将进入深部下分层煤层开采，会遇到在采空区下采煤的各类问题，给开采带来一定困难，预计补连塔煤矿有10～15a持续高产量生产的黄金期，之后产量将开始逐渐下滑。为了保证产量需进一步加大开采的技术及成本投入。

矿井开采煤种为长焰煤与不黏煤，属特低灰—低灰、特低硫—低硫、特低磷—低磷，中高发热量煤的优质动力煤、化工和冶金煤，被誉为“绿色环保煤炭”。所产优质煤炭由国家能源集团统一调配混煤销售，产品系列主要为神混系列，神混系列发热量16～24MJ/kg，销售区域遍布全国，洁净煤主要销售区域为京津冀、华东以及粤港澳地区的燃煤电厂和燃煤工业锅炉。矿井依托国家能源集团煤电路港航一体化运营[10]的产业优势，以及统一运销的优势，本矿井产煤具有可靠的销路和较高的经济效益。