煤矿安全高效开采技术现状与展望

采矿学科前沿进展—煤矿安全高效开采技术现状与展望摘要：阐述了我国煤矿开采技术发展的现状和存在的问题，指出我国在煤矿生产过程中没有从根本上控制顶板、瓦斯、冲击地压、透水等重大事故和留设煤柱造成的严重开采资源损失。阐述了我国煤矿安全高效技术取得的成就并对其发展方向阐明了观点。关键词：开采技术；发展现状；发展方向能源是人类生存和发展的基础，能源与我们的生产、生活息息相关。煤矿是我国化石能源的主体，煤矿储量在化石能源中所占比重为97.9%。2010年已探明的地质储量为1.5万亿t，居世界第3位，预计储量4万亿t。近十年来，煤矿产量增长迅猛，由2001年的13.81亿t增长到2010年的33亿t，年均增加1.9亿t，“十二五”末规划38亿t，增长24.6%。然而，在煤矿生产过程中，顶板、瓦斯、冲击地压、透水等重大事故没有从根本上（即在依靠正确的理论指导和现代装备、管理手段的基础上）得到控制，严重影响我国煤矿安全生产。开采沉陷环境灾害严重，采用留设煤柱护巷和控制地表沉陷传统开采方法造成的煤矿资源损失比例超过40%。实现煤矿安全高效开采，有效地控制环境灾害，最大限度地采出煤矿资源是我国能源安全和国民经济发展保障体系建设中的重中之重。1我国煤炭开采技术发展的现状和存在的问题1.1发展现状目前我国“实用矿山压力控制理论”，从研究的系统性、深度、体系的完整性，以及用以指导开采实践取得的成就已经走在世界的前列；我国建立、发展并逐步完善了以“采动覆岩运动和支承压力分布”为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控制决策结构力学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模型的建设；我国通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与生产现场“采场结构模型”建设关系的研究基础上，在推进重大事故控制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展；我国了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异，了解了瓦斯事故灾害实现条件有采动空间聚集的瓦斯浓度超限，有充足的氧气和有明火引爆（三者缺一不可）。目前国有大型企业赋存条件好的薄及中厚煤层综采技术进入国际先进行列，厚煤层综放开采技术及经济指标处于国际领先地位。但中小型矿井综采工作面比例很低，开采技术与装备水平比较落后。大部分矿井仍存在采掘工作面推进引发的采场重大事故，没有从根本上控制高应力区掘巷引发重大事故和留设煤柱造成的严重开采资源损失，冲击地压、水害等重大事故多发局面依然存在。1.2存在的问题（1）顶板、瓦斯、冲击地压、透水、突水等重大事故，还没有从根本上也就是在正确的理论指导和可靠的生产和监控手段保证的条件下得到有效地控制；（2）采用留设煤柱护巷，控制相关事故和留设煤柱控制环境灾害造成的煤炭资源采出率不足60%；（3）保证低成本运行，有效控制环境灾害的“绿色开采理论和技术”有待取得新的创造性突破；（4）开采沉陷和重大透水、突水事故等造成了地表塌陷和水资源流失等重大环境灾害。2我国煤矿安全高效开采技术发展的成就（1）综合机械化技术取得重大突破，产量、效益、安全生产状况进入国际领先水平。机采高度突破7m；成功的制造和使用了世界最高的液压支架（6.2m支架成功的在神东、晋城等矿区使用，年产量超过1000万t）；神东矿区工作面最大长度达到400m，年产超过1500万t，全员效率达到140t，是美国、澳大利亚等发达采煤国家的1.5到2倍，百万吨死亡率0到0.01，世界最低。（2）综采放顶煤安全高效开采技术和装备已形成体系，继续处于国际领先地位。山西同煤集团塔山矿综采放顶煤的厚度突破20m（机采高度已达6m，可以满足1：3的采放比的控制目标）；采用每小时3000t的放煤运输机，实现了工作面高速推进，年产突破1000万t的水平。随着放煤运输机能力的提高和新型放顶煤支架研制和使用的成功，实现了工作面长300m，年产突破1500万t的目标；构建了防止瓦斯、顶板、火灾等重大事故的安全开采的理论和技术体系（新型巷道布置系统、瓦斯抽排技术装备、工作面和巷道顶板控制技术和装备等）。（3）煤与瓦斯无煤柱同采成套技术实现了瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出以及火灾等重大事故一体化控制的新突破。相关技术包括：回采工作面高效综采综放开采技术；机械化巷旁充填锚网支护高效无煤柱留巷技术；回采工作面前、后方瓦斯同时抽排和通风系统一体化技术。（4）煤炭开采的环境控制技术、开采沉陷控制技术取得了重要成就，如井下矸石充填的技术和装备，取得实用性突破并进行大面积推广；开采伴生的废弃物再利用技术取得了重要突破，已成功的进入使用阶段。3我国煤矿安全高效开采技术发展方向3.1发展方向煤矿事故有效控制的途径有：实现生产过程机械化和自动化，重点突破适应各种地质开采技术条件的数字信息控制机电一体化装备，提高煤矿生产机械化和自动化生产水平；实现煤矿安全高效开采决策和实施管理的信息化、智能化、可视化和自动化。针对面临的问题，煤炭安全高效开采技术发展的方向及相关技术突破的重点包括三个方面：一是在顶板控制设计理论指导下“量体裁衣”，实现采掘工作面生产综合机械化、自动化，从根本上解决顶板事故灾害控制问题。二是在“实用矿山压力控制理论”指导下，以机械化采集井下矸石为主体的绿色高强充填材料。实现无煤柱充填开采，控制瓦斯、冲击地压、水害等重大事故和环境灾害问题。三是提高煤矿现代化管理水平，实现煤矿安全开采和环境灾害控制信息化、智能化、可视化。3.2安全高效开采技术突破的重点（1）深化回采工作面顶板控制理论，研制出智能综采支架和智能挖底充填综掘机，实现操作过程的实时遥控，装备薄及中厚煤层回采工作面，避免重大事故发生，并有效缓解中小型煤矿采用传统综采的高成本、低效益的局面。（2）深化巷道矿压控制理论，研制出巷道智能挖底充填综掘机，保证杜绝老塘（采空区）透风，有利于瓦斯抽放、注氮防火工艺实施，实现“无煤柱护巷开采”成套技术的智能化。（3）深化实用矿山压力控制理论，建立“智能化开采指挥中心”，集事故预测、实施监控、控制决策、人身防护功能于一体，并可满足无线通讯和电液遥控操作距离的要求，方便工作人员及时进入工作地点视事，完成相关信息采集系统和决策软件开发任务。（4）完成重大事故预测和控制决策及其实施监控支持系统建设的实用性突破。融合事故预测和控制决策模型和相关信息基础建设于一体的决策支持系统，包括采前预测和控制决策，以及实施过程中，根据监测仪表手段采集的岩层运动和应力场应力分布等动态信息，判断事故控制效果，提出新的控制决策实施方案等2个部分。4结语煤炭产量在我国能源结构中比重超过65%,是国民经济发展和国力保障的重要基础。虽然经过数十年的发展完善，顶板、瓦斯、冲击地压、透水等重大事故仍然没有从根本上（即在依靠正确的理论指导和现代装备、管理手段的基础上）得到控制，严重影响我国煤炭安全生产形象。煤炭安全高效开采技术取得的突破所产生的经济和社会效益已经显现，但要突破传统管理模式的束缚，实现煤矿安全高效生产和环境灾害控制决策和实施监控的信息化、智能化和可视化，最大限度地采出煤炭资源，还需要持续进行依靠正确的思想理论指导和现代高新技术的安全高效智能化开采的理论科学研究，这将是当前乃至今后一个时期的主要工作。参考文献：[1]钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术[J]，中国矿业大学学报，2003，32（4）：343－347．[2]钱鸣高，缪协兴，许家林，等．论科学采矿[J]，采矿与安全工程学报，2008，25（1）：1－10．[3]钱鸣高．煤炭的科学开采[J]，煤炭学报，2010，35（4）：529－534．[4]王金华．我国煤矿开采机械装备及自动化技术新进展[J]，煤炭科学技术，2013，41（1）：1－4．