陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿（简称黄陵一号煤矿）核定生产能力600万t/a，可采煤层为2号煤层，井田面积184km2，地质储量3.59亿t，可采储量2.81亿t，矿井采用平硐开拓，单水平开采，分区抽出式通风，综合机械化长壁后退式采煤；主运输采用带式输送机，辅助运输采用无轨胶轮车，煤层自燃倾向性为Ⅱ类，属于水文地质类型中等的高瓦斯矿井。
2013年，黄陵一号煤矿在全国范围内率先完成全国产装备智能化开采技术研究与应用，首创了地面远程操控采煤模式，实现了地面采煤作业的常态化，填补了我国煤矿智能化无人综采技术的空白，整体技术达到国际领先水平；随后，黄陵一号煤矿持续创新推进智能采煤、智能掘进、生产辅助系统远程监控、巡检机器人及安全生产信息共享管理平台、4G+5G+WiFi立体化通信网络等系统建设和提升；2020年，黄陵一号煤矿被列入国家首批智能化示范煤矿建设名单，矿井智能化建设步入快速发展轨道，根据《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》整体要求，先后建成智能综合管控云平台、万兆连接数的云计算平台、矿井云GIS系统、Al+NOSA智能风险管控系统、智能化开采技术与切顶卸压无煤柱自成巷工艺融合、智能掘进管控平台、生产辅助智能化升级系统、智能洗选系统等智能化建设项目，构建形成了“1个智能管控云平台引领、1个数据中心支撑、N个子系统保障”的“1+1+N”智能化矿井建设模式。
2021年，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》对碳达峰、碳中和路线图做了一系列规划部署，国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》明确提出要推动我国工业领域绿色低碳发展，这对我国能源和相关矿产供需格局及以矿业为主的传统行业产生深远影响。绿色低碳发展是煤矿智能化建设中的必由之路和核心动能，煤矿智能化建设是煤炭行业高质量绿色发展的必然要求，是世界煤炭技术革命的新方向。煤矿企业通过拓展内部循环经济体，构建水、瓦斯、矸石等清洁利用体系，建设绿色矿山是未来煤矿发展的重要内容，围绕矸石充填机器人、瓦斯综合利用、老空水处理复用、矸石山治理、沿空留巷支护装备及搬运机器人等领域的智能化技术将是推动矿山绿色高质量发展的重要途径。近年来，黄陵一号煤矿为践行绿色发展理念，开展了煤矿采空涌水井下深度处理利用技术与煤矿沿空留巷支护装备及搬运机器人技术的研究与实践，取得了显著成效。
文章来源：《智能矿山》2024年第2期理事会特刊“智能示范矿井”专栏
作者简介：薛国华，正高级工程师，现任陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿矿长
作者单位：陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿
引用格式：薛国华.黄陵一号煤矿绿色低碳发展技术创新与实践应用[J].智能矿山，2024，5（2）：36-43.
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黄陵一号煤矿通过在北一盘区现场调研，探明采空区涌水水质指标特征，随后开展煤矿采空区涌水井下深度处理利用技术的理论分析，提出“JDL混凝分离+RO分离技术+次氯酸钠消毒”的水处理工艺，设计构建了煤矿采空涌水复用水仓的防渗、防漏、防围岩变形控制技术，研制应用了煤矿采空涌水井下复用智能化控制成套装备系统，实现了煤矿采空涌水井下复用系统的常态化无人值守。将煤炭开采引起的流失水源及生产污水通过在井下进行净化、过滤，再次用于井下生产，实现了矿井水循环使用，符合当前我国矿业绿色发展趋势和可持续发展要求，为西部缺水矿区水资源保护提供了新途径。
（1）处理工艺
受限于井下复杂环境、设备众多等多种因素的制约和影响，黄陵一号煤矿井下水循环利用系统的建设和运维，综合考虑了进水水质复杂、建设用地狭长、宽度高度受限、施工难度大、操作管理要求高、安全防护要求高等难点，制定了切实可行、经济合理的处理工艺。目前，矿井水处理主流的“多级过滤+RO”和“混凝分离+RO”2种处理工艺对比见表1。
表1 “多级过滤+RO”和“混凝分离+RO”工艺对比
综上，黄陵一号煤矿井下水处理系统采用“JDL混凝分离+RO工艺”处理煤矿采空区涌水，对比可知，该系统由调节系统、混凝分离系统、RO膜系统以及回用水系统组成，具有工艺流程简单、设备少、后期运维方便简单等显著优点，黄陵一号煤矿“混凝分离+RO”处理工艺流程如图1所示。
图1 黄陵一号煤矿混凝分离+RO处理工艺流程
（2）水处理流程
黄陵一号煤矿矿井水采用“混凝分离+RO”处理工艺，矿井水经管道收集后进入污水处理站调节池，在调节池内均匀水质水量后进入混凝分离系统，在混凝分离系统前端加药调节pH值，再经混凝分离池进行固液分离，通过膜的过滤作用将水中的各类污染物去除，保证出水水质。混凝分离系统出水进入中间水池，出水通过中转泵泵入保安过滤器，再经高压泵泵入RO系统，RO系统产水进入成品水池，回收用于主供水系统，成品水进入主供水管网，由变频恒压、远程流量监测控制，与主供水管网可切换控制使用。RO系统浓水进入浓水池再排入中央水仓沉淀后外排至地面污水处理站二次处理复用。工艺流程与混凝分离系统应用现场分别如图2、图3所示。
图2 工艺流程
图3 混凝分离系统应用现场
（3）消毒灭菌工艺
RO反渗透膜可以将水中的悬浮物、细菌、病毒、胶体、有机物、溶解性盐类等过滤干净，产水水质优良。为保障产水余氯满足要求，需在产水出水端设置加氯消毒。综合考虑井下安全防护、药剂运输及储存、消毒能力等因素，最终确定采用食品级次氯酸钠溶液作消毒药剂，其具有杀菌广谱高效、用量少、操作安全、使用方便、易于储存、对环境无毒害、不存在跑气泄漏等特点，经过加氯消毒后的水质指标可达GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》要求。
（4）井下工程建设
井下工程建设内容包括调节池、混凝分离系统、RO膜系统、成品水池、浓水池的土建施工、电气及自控、管道及设备安装等。由于井下建设施工条件狭小受限，各构筑物池体顺应地势高低落差建设，尽量减少池体挖深，池底设计为阶梯式，最大限度利用井下空间。施工建设方案如图4所示。
图4 施工建设方案
通过理论计算试验场所主要支护参数，设计了煤矿采空涌水复用水仓围岩控制技术体系，充分考虑水池的防腐蚀和抗渗透需求，采用具有良好防腐性能、透明性、耐久性的“五布七涂工艺（五道布料：1道隔离层、1道底膜、1道史膜、1道防腐层和1道面膜，七遍涂料：1遍底漆、2遍面漆、2遍底漆加强层和2遍防腐层）”防腐层，实现了煤矿采空区涌水复用水仓的防渗、防漏、防围岩变形，为煤矿采空区涌水地下处理提供了安全可靠的场所。各项设计参数及结构如图5所示。
图5 各项设计参数及结构
黄陵一号煤矿通过搭建采空区涌水复用自动控制管控系统实现了生产过程的自动控制、报警、自动保护、自动操作、自动调节，以及各工艺流程中的重要参数、设备工况等实时监测，实现了煤矿采空区涌水复用系统常态化无人值守作业。矿用复用水集成控制系统架构如图6所示。
图6 矿用复用水集成控制系统架构
黄陵一号煤矿井下采空区涌水复用项目于2022年7月10日正式安装，2022年9月20日主要设备安装完毕，2022年9月底完成了系统所有功能调试，随即进行了为期3个月的工业试验。运行后，北一盘区系统及三盘区采空区自流水，经过北一复用水处理站处理后，每天可处理成品水900m3，成水投入北一盘区生产系统用水，有效缓解了井下一号中央水泵房的排水压力及地面污水处理站水处理压力。
为解决我国煤炭开采过程中存在的安全风险高、开采成本大和煤炭采出率低3大瓶颈和突出问题，何满潮院士于2008年提出无煤柱自成巷力学理论，继而在现场进行了应用实践，形成了无煤柱自成巷开采体系，较传统的开采工艺简单、易行、安全。但受限于煤矿井下运输及安装巷道狭窄、灯光昏暗、路况条件较差等不良因素的影响，尾巷的支护存在工序复杂、液压支架的移动操作繁琐、安全系数低等问题。
为满足“建设智慧矿山和智能化开采”的需要，实现沿空留巷段安全高效作业，黄陵一号煤矿开展了沿空留巷支护装备及搬运机器人研究与实践，通过研制单元支架及代替传统单体+铰接梁支护方式，研制了以单轨吊独立乳化液泵站为动力来源，以激光雷达、自动控制为基础的矿用井下巷道液压支架搬运机器人替代人工进行支架搬运作业；解决了单元式支架拆除、安装、支护过程中自动“拔”和“插”液压进回液管路的难题；定制的端头特殊支护支架既能推动机头又可以有效保护顶板锚索支护设施。
通过对黄陵一号煤矿1009及1010工作面沿空留巷支护工艺关键参数分析，设计了ZQ1700/16/32型单柱垛式单元支架对尾巷进行加强支护，采用单轨吊配机械手搬运机器人进行循环搬架支护作业。垛式支架搬运机器人及ZQ1700/16/32型单柱垛式单元支架设备参数见表2、表3。
表2 垛式支架搬运机器人
表3 ZQ1700/16/32型单柱垛式单元支架设备参数
（1）垛式单元支架巷尾加强支护
1009辅运巷尾主体采用ZQ1700/16/32型垛式单元支架支护，根据1009及1010工作面10m/d的采煤速度，留巷支护长度300m，每班需移动单柱跺式支架为13~18架（取决于靠煤壁侧支架的密度），垛式单元支架1排2架，每排支架间距2400mm，切缝侧支架排距1200mm，距切缝侧巷帮800mm处支设，实体侧支架排距2400mm，距实体侧巷帮1200mm。垛式单元支架随工作面推进前移直至最后一排，期间始终保持尾巷主体支护长度300m。尾巷内支架布置如图7所示。
图7 尾巷内支架布置
（2）垛式支架搬运机器人结构及作业流程
结构组成：垛式支架搬运机器人由支架搬运装置、驱动系统、液压动力系统、乳化液动力系统、电气控制系统、电缆卷线装置等组成，采用单轨吊的行走方式，为垛式支架提供动力源并完成供液时管路自动对接，具备对垛式支架的取架、运架、摆架、防倒功能。垛式支架搬运机器人系统整体结构如图8所示。
图8 垛式支架搬运机器人系统整体结构
支架搬运装置由承载主体、撑顶装置、回转装置、推移装置、提升装置、机械臂等组成，同时集成了激光雷达测距仪、接近开关、位移传感器、倾角传感器、监控摄像机等多种监测仪器。支架搬运装置主要结构如图9所示。
图9 支架搬运装置主要结构
搬运作业流程：工作时，通过设置在搬运装置顶部两侧的激光测距仪的信号反馈，控制系统指挥单轨吊推动搬运装置运行到最后一架支架处停止，随后撑顶千斤顶推出接顶使机器手固定，机械臂旋转90°后水平推进至支架下方、机械臂垂直提升、安装在机械臂的进回液管喷射高压水射流清洁支架顶梁接头及自身接头表面，两接头对接，支架放液同时收缩，机械臂下降后水平收回再回转90°，撑顶千斤顶收回，单轨吊推动搬运装置将支架运至最前端，放架、安装，单轨吊拉动机械手退回至最后一架支架处，完成一个支架搬运循环。搬运机器人搬运工作实景如图10所示。
图10 搬运机器人搬运工作实景
单架移动距离按300m计算，考虑巷道顶底板起伏等因素，单轨吊移动速度取1.0m/s计算，则支架移动往返时间为10min；取架时间为6min；支架充/放液时间为3min。取送1架单柱跺式支架用时约为19min，18架共需342min，完全满足现有采煤工作面采煤进度的需要。
（3）端头特殊支护装备
1009工作面靠近运输巷道侧原配置4台ZYT7800/17/32D端头支架（支架宽度1500mm），设备占1009运输巷道宽度达66.7%以上，支架宽度超过锚索间距（1000mm）移架时会破坏支护锚索，影响留巷效果。为此，取消机尾2台ZYT7800/17/32D端头支架，在第159架处布置1台、第160架处布置前后连接的2台ZT3200/20/38J特殊支架（支架底座1200mm，顶梁650mm），确保不破坏支护锚索。ZT3200/20/38J型特殊支架如图11所示。
图11 ZT3200/20/38J型特殊支架
（1）垛式单元支架替代单体支柱+铰接梁支护尾巷，满足无煤柱自成巷开采对尾巷非稳定区的支护需求，相较于传统支护方式可节约单体支柱、铰接梁、柱鞋、钢丝绳等材料近75%的投入。
（2）ZQL2×3200/18/35型巷道超前支护液压支架作为端头特殊支护支架代替传统159#端头液压支架，可在保证推动机头的情况下，有效保护顶板的锚索支护，锚索失效率降低40%。
（3）以单轨吊独立乳化液泵站为动力来源的智能支架搬运机器人，采用带自锁功能的快插接头替代U型卡快插接头，替代人工进行支护设备的拆除、搬运、安装，大幅减轻了无煤柱自成巷开采的留巷段支护作业强度，每班减少4人。
（4）构建了煤矿沿空留巷尾巷支护智能化操控系统，支架搬运机器人可实现自动识别支架的精确位置，通过机械手臂搬运、定位运输、自动化安装，实现了现场环境感知、规范化数据集成、实时可视化展现并通过网络实现视频监控、远程监控，实现了无煤柱自成巷开采模式下尾巷支护及搬运的智能、安全、高效作业。
煤矿智能化是“十四五”乃至今后一段时期国家煤炭科技发展的主体方向，是煤炭工业技术进步的必然要求。煤矿井下水资源管理与利用，对煤矿企业进一步提升矿井水资源利用、绿色开采管理提供了有力借鉴；煤矿沿空留巷支护装备及搬运机器人的成功应用，开创了我国沿空留巷支护及搬运技术装备的新篇章，为无煤柱自成巷开采积累了宝贵的理论和实践经验，对加快煤矿企业安全、高效、绿色的智能化建设，推动矿山绿色高质量发展具有重要意义。
助理编辑 | 江振鹏
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