煤炭科学开采新理念与技术变革研究谢和平

036专题研究  煤炭科学开采新理念与技术变革研究煤炭科学开采新理念与技术变革研究NewConceptsandTechnologyEvolutionsinScientificCoalMining（1.四川大学，成都610065；2.中国煤炭科工集团有限公司，北京100013；3.煤炭科学研究总院，北京100013；4.天地科技股份有限公司，北京100013；5.中国矿业大学(北京)，北京100083）(1.SichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.ChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCo.,Ltd.,Beijing100013,China;3.ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;4.TiandiScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China;5.ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)摘要：煤炭产业作为我国重要的传统能源支柱产业，在经济发展新常态下也必将发生重大变化，以智能、安全、绿色为特征的科学开采成为趋势。本文基于煤炭科学开采新理念，提出了煤炭技术变革战略路线，论述了2016—2030年不同阶段、不同层次的煤炭变革技术，包括升级与换代技术、拓展与变革技术、引领与探索技术，提出了不同阶段需要重点研发的理论与技术。关键词：煤炭；科学开采；技术变革；战略路线中图分类号：TD821文献标识码：AAbstract:AsapillarinChina’straditionalenergyindustry,coalminingindustrywillchangesignificantlyunderthenewnormaloftheChineseeconomy.Scientificminingbecomesatrendwhichischaracterizedbyintelligence,safetyandgreen.Inthispaper,strategicdirectionofcoalminingtechnologyevolutionsisproposedbasedonscientificcoalminingconcepts.Systematicdiscussionsonthepotentialstagesofthecoalminingtechnologyevolutionsfrom2016to2030arepresented,includingupgradingandupdatingtechnology,developingandtransformingtechnology,leadingandexploringtechnology.Majortheoriesandtechnologiesfordifferentevolutionstagesarealsodiscussed.Keywords:coal;scientificmining;technologyevolution;strategicdirection一、前言随着我国经济由高速增长转为中高速增长、环境问题日益凸显，能源消费强度下降，近10年来年均煤炭消费增长2×108t、年均增速10%左右的发展阶段已经结束。煤炭作为我国主体能源的地位仍难以改变，根据《能源发展战略行动计划（2014—2020）》，到2020年，煤炭占一次能源的比重仍在2015-11-06；2015-11-11谢和平，四川大学，教授，中国工程院院士，长期从事岩石力学与矿山工程理论与技术研究；E-mail:[e-mail]中国工程院咨询项目“中国煤炭能源革命的战略研究”左右；到2030年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比重仍占55%左右，煤炭消费量达到4.5×109~4.8×109t；我国煤为基础、多元发展的能源方针不会改变。2014年，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议提出了推动能源供给、消费、技术、体制革命。煤炭产业作为我国重要的传统能源支柱产业，在经济发展新常态下也必将发生重大变化。煤炭生产必须摒弃长期以来依靠数量增加、速度增长、规模扩张的粗放型发展模式，要转向创新驱动、结构优化、智能转型、绿色发展的集约型模式。行业由增量扩能型向调整存量、做优增量并重的深度结构调整转变，煤炭生产向服务型生产转变，行业发展由生产、销售原煤向销售商品煤、洁净煤转变。产量不再是企业追求的唯一目标，以智能、安全、绿色为特征的科学开采成为趋势，煤炭提质、降本增效、安全生产、保护环境成为煤炭企业共同追求的目标。二、煤炭科学开采新理念科学开采是指以科学发展观引领的与地质、生态环境相协调前提下最大限度地获取自然资源，在不断克服复杂地质条件和工程环境带来的安全隐患前提下进行的安全、高效、绿色、经济、社会协调的可持续开采[1]。科学开采新理念体现到技术层面，主要表现在智能、安全、绿色三个方面，三者是相互关联、相互影响的。例如，采用智能化开采技术与装备可提高开采效率，同时可减少井下作业人员，从而提高安全性；开采保护层、瓦斯抽采等安全技术措施同时是提高资源回收率、能源综合利用的过程。科学开采技术与装备要满足煤炭工业“煤炭提质、降本增效、安全生产、环境友好”的发展新常态，须遵循技术发展的趋势和规律，加快战略调整，实现技术变革。通过煤矿开采技术变革，实现以提升科学产能为目标的科学开采，是经济、社会和行业发展的必然要求，也是科学技术发展到一定阶段的必然成果。当前经济社会发展进入“新常态”，煤炭行业要尽快完成转型升级，煤矿开采技术变革的战略目标、战略路线和研发技术必须与之相适应，从而推动产业结构迈向中高端。通过以科学开采为理念，以技术变革为手段，全面提高煤炭开发利用的科学化水平，建立智能、安全、绿色的社会全面协调的可持续的现代化煤炭工业技术体系，实现采掘作业智能化、煤矿生产安全化、生态环境友好化、职工队伍知识化，支撑和保障国民经济和社会发展的能源需求。三、煤炭技术变革战略路线（一）智能生产技术变革的战略路线——“自动化-智能化-无人化”煤矿建设和生产过程复杂，开采装备系统庞大，由巷道掘进、工作面采煤系统、快速搬家、辅助运输、煤炭提升系统等多达几十种装备组成。各设备作业条件复杂，动作多，且对动作顺序、准确性、响应速度等要求高。20世纪末期以来，高新技术不断地向传统掘采领域渗透，美国、澳大利亚、英国、德国等国家采用了大功率可控传动、微机工况监测监控、自动化控制、机电一体化等先进技术设计和制造的适应不同地质条件的高效掘采大型设备。新型设备在装机功率、工作能力大幅度增加的同时，功能内涵发生重大突破，并实现了主要设备工作过程的自动化控制，为煤矿的建设和生产提供了装备保障。近十年来，随着技术的进步以及更复杂开采地质条件的出现，开采工艺往往要求设备对围岩、环境变化自动适应以及设备间更加快速、准确的配合，这对处于单机自动化、分散控制的煤机装备来说是无法做到的，因而智能化技术逐步被引入并开始应用到实际井下生产过程中。例如，采煤机记忆截割、三维方向自动定位、摇臂自动调高、工作面三机联动等，液压支架跟机移架、自动找直，刮板输送机煤流平衡控制等；在围岩及环境信息获取方面，煤尘监测及自动控制、液压支架支护质量监控、瓦斯及温度监测、水害防治等系统也开始广泛应用。目前，煤炭生产系统整体处于自动化向智能化过渡的时期，一些新的技术、工艺和控制模式也在不断的创新过程中。例如，液压支架电液控制系统由目前的集中式控制方式逐渐向分布式群组协同控制发展，工作面集中控制系统也将由单一的数据汇总、统计功能向具有数据特征挖掘、决策控制功能038专题研究  煤炭科学开采新理念与技术变革研究的基于工业互联网的分布式协同控制平台转变。煤炭生产系统的最终发展方向是无人化。随着煤炭开采深度增加，工人所处工作面的生产环境急剧恶化，深部开采除地质灾害发生率高、偶然性强外，井下工作面温度、湿度大大增加，工人几乎没有办法进入工作面进行作业。因此，在智能化的基础上必须大幅减少井下作业人数，并最终实现无人化开采，才能从根本上解决未来深部资源开采的问题。实现无人化开采可能有许多技术途径，例如研发开采智能机器人，创建精准煤岩界面快速在线识别测试传感方法；研究液压支架群组的自组织推进和协同排队控制机制，建立无人运输系统的自动检测和故障诊断系统，实现远程监测监控和与其他设备的协同联动；创新基于感知系统反馈的动态决策机制，建立系统级别的互联协议和控制机制等。根据煤机装备技术发展和应用的进程，一般每10～15年装备就可全部更新一代。因此，到2025年之前，智能化成套装备就会全面取代现在的自动化装备，到2030年，随着煤炭开采全面进入深部，无人化技术及装备也将成熟。(二)安全生产技术变革的战略路线——“被动安全-主动安全-协同安全”安全是煤矿生产永远的主题，没有人员安全一切都无从谈起。煤矿安全生产技术的发展从理论到实践经历了几个阶段：从单纯显现的岩层垮落、透水、瓦斯突出防治理论到岩层运移规律、矿井水超前探测、煤岩瓦斯动力灾害发生机理的研究，从木垛支护、自然排水、通风等传统防治技术到液压支架自动支护、锚杆锚索联合支护、疏堵结合排水、瓦斯预抽等现代防治技术；再到目前的针对全矿井的煤矿应急通讯、指挥决策系统的建立，安全避险装备的研发等全方位的安全保障；后续还要继续研究灾区侦检探测可视化系统、应急救援模拟仿真与演练系统、灾区探测救援机器人等更为先进的安全保障技术。这些安全生产技术实现了从“被动安全”到“主动安全”的转变，从“事后救灾”逐渐转为“灾害预防”，使得煤矿生产的事故率和死亡率大幅下降。然而，由于安全保障技术和安全投入的不足，以及我国煤矿开采条件的复杂性，我国煤矿每年的死亡人数仍远高于国外发达国家。要从根本上实现煤炭安全生产，还必须从发生灾害的机理入手。煤矿事故发生有一个共同的特点，都是由于原有地质应力场、渗流场、裂隙场原始平衡被打破，能量释放，物质由高势能状态向低势能状态过渡，从而发生冲击地压、煤与瓦斯突出、透水等灾害。若要避免这些灾害，就要想办法使这些处于高势能状态物质的能量通过其他途径得到释放，使矿井状态处于低势能的总体平衡状态。只有这样，才能从源头消除灾害发生的可能，实现矿井的“协同安全”。此外，从开采的角度，无论是煤炭还是其他的天然气、石油等，获取能源是根本目标，而灾害的发生则往往是煤岩体的能量释放，如果我们能在释放过程中将能量收集，则不但消除了灾害，还能够实现获取更多的能源，大幅提高开采效益，而且符合绿色开采的理念。例如，煤与瓦斯共采，地热资源利用，大变形能量释放采集、转化和梯级利用等。目前，安全生产技术整体还处于“被动安全”向“主动安全”过渡阶段。根据安全技术发展和应用的进程，到2025年由智能化、安全避险系统等带来的“主动安全”能够全面实现；而在“协同安全”方面，由于煤系地层及采动影响范围的煤岩体的能源释放和收集利用的理论基础非常缺乏，相应的能量开发利用技术难度和投资都相对较大，要大规模投入生产应用应在2030年以后。（三）绿色生产技术变革的战略路线——“降低损害-生态恢复-采补平衡”绿色生产技术在20世纪90年代被提出来，但由于当时开采强度和规模并不大，造成的地表沉陷、水系破坏，以及矿井内生产环境的污染并不严重，因而没有受到特别的重视。然而，面对近年来接近4×109t的年煤炭开采量，受到影响的范围及影响强度越来越大，严重影响了矿区的生产生活环境，甚至威胁到了人们的生命安全。因此，消除煤炭生产给环境带来的不利影响，实现行业的可持续发展，是科学开采的重要理念。近年来，绿色生产技术经历了从“降低损害”到“生态恢复”的转变。例如，在环境脆弱的华东、东北地区实施保水、充填开采，采取沉陷区治理、地表生态恢复等补救性措施，迅速将采煤对环境的影响降低。统筹安排