寧 宇

（中國煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京 100013）

創(chuàng)新煤炭安全高效開發(fā)技術(shù)支撐特大型礦井建設(shè)

寧 宇

（中國煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京 100013）

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源,特大型礦井的建設(shè)和開發(fā)是提高產(chǎn)業(yè)集中度,保障煤炭穩(wěn)定供給的主要途徑。從分析我國特大型礦井的建設(shè)現(xiàn)狀和趨勢入手,在總結(jié)“十一五”以來煤炭高效開發(fā)技術(shù)與裝備取得成就的基礎(chǔ)上,提出了未來特大型礦井建設(shè)的科技需求與趨勢。

煤炭;高效開發(fā);掘進(jìn);礦井建設(shè)

2009年我國煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量分別為 3.05Gt和 3.02Gt,2010年分別達(dá)到 3.24Gt和 3.12Gt,分別占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)的 77.8%,69.6%和77.3%,68.6%。受資源稟賦條件的限制,我國在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)以煤為主能源結(jié)構(gòu)難以改變。據(jù)預(yù)測,到 2015年我國煤炭需求將達(dá)到 3.8～4.0Gt。因此,煤炭的穩(wěn)定供給直接關(guān)系到我國的能源安全和國民經(jīng)濟(jì)與社會的快速發(fā)展。

1 建設(shè)特大型礦井,提升安全高效礦井生產(chǎn)水平

保持煤炭的穩(wěn)定供給,實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的安全、高效、可持續(xù)發(fā)展,首要任務(wù)是解決產(chǎn)業(yè)集中度過低的問題,只有通過加大特大礦井建設(shè),才能有效帶動安全高效礦井建設(shè)和發(fā)展,提高礦井生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)保障能力。《煤炭工業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》提出要以煤炭整合、有序開發(fā)為重點(diǎn)。對中小煤礦實(shí)施整合改造,實(shí)現(xiàn)資源、資產(chǎn)、技術(shù)、人力等生產(chǎn)要素的整合和重組。在大型煤炭基地內(nèi),一個礦區(qū)原則上由一個主體開發(fā),推進(jìn)企業(yè)整合。鼓勵大型煤炭企業(yè)整合重組和上下游產(chǎn)業(yè)融合,提高產(chǎn)業(yè)集中度。形成 6～8個億噸級和 8～10個 5000萬噸級大型煤炭企業(yè)集團(tuán),煤炭產(chǎn)量占全國的 50%以上。

2005年以來,隨著 14個大型煤炭基地的建設(shè)及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的加快,國有重點(diǎn)煤礦生產(chǎn)能力占全國年產(chǎn)量的比例逐漸提高,安全高效礦井的生產(chǎn)能力和發(fā)展水平得到進(jìn)一步提高。從 2003年的47.11%增長到 2008年的 50.12%,增長了3.01%;2010年,全國 14個大型煤炭基地產(chǎn)量占全國煤炭產(chǎn)量的 87.5%。國有重點(diǎn)煤礦采煤機(jī)械化程度不斷提高,從 2003年的 81.47%增長到2008年的 89.97%,增長了 8.5%;國有重點(diǎn)煤礦百萬噸死亡率大幅下降,從 2003年的 1.07下降到2009年的 0.044,已經(jīng)達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國家水平;我國煤炭行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度、生產(chǎn)效率、機(jī)械化水平低,安全狀況差的局面得到基本改善,同時提高了煤炭行業(yè)國際競爭力。

2 我國特大型礦井建設(shè)的現(xiàn)狀和趨勢

“十一五”期間,隨著技術(shù)與裝備的發(fā)展和進(jìn)步,我國特大型礦井建設(shè)突飛猛進(jìn)。據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,截止 2009年底,全國已建成安全高效礦井 （露天）359處,產(chǎn)煤 1.017Gt,占當(dāng)年全國總產(chǎn)量的 34.2%,安全高效礦井采煤機(jī)械化程度達(dá)到 90%以上,綜采程度達(dá)到 85%以上。大型煤炭企業(yè)集團(tuán)快速發(fā)展壯大,2009年原煤產(chǎn)量超過 0.1Gt的企業(yè)有 2家,原煤產(chǎn)量為 0.396Gt,占全國煤炭產(chǎn)量的 14.4%。原煤產(chǎn)量達(dá)到 10Mt以上的企業(yè) 36家,原煤產(chǎn)量 1.376Gt,占全國原煤產(chǎn)量的 50.05%,其中年產(chǎn) 50Mt以上企業(yè) 7家,年產(chǎn) 40Mt以上企業(yè) 9家。

《煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出煤炭生產(chǎn)將以大型煤炭企業(yè)、大型煤炭基地和大型現(xiàn)代化煤礦為主,基本形成穩(wěn)定供應(yīng)格局,到 2015年,形成 10個億噸級、10個 5000萬噸級特大型煤炭企業(yè);全國煤礦采煤機(jī)械化程度達(dá)到 75%以上,千萬噸級煤礦達(dá)到 60處;重特大事故大幅度減少,安全生產(chǎn)形勢明顯好轉(zhuǎn)。

3 依靠科技,提升特大型礦井建設(shè)科技支撐能力

我國安全高效礦井的建設(shè)是隨著采煤技術(shù)的變革而逐步發(fā)展起來。綜合機(jī)械化采煤技術(shù)經(jīng)歷了摸索探討、規(guī)范發(fā)展和提高推廣等階段,特別是 20世紀(jì) 80年代以來,綜采、綜掘等技術(shù)裝備的升級,厚煤層一次采全高、特厚煤層大采高綜放開采,薄煤層全自動化開采等技術(shù)裝備的突破,礦井提升、運(yùn)輸和裝車自動化、全礦井自動化等信息化技術(shù)的推廣應(yīng)用,有效支撐了我國特大型礦井建設(shè)和發(fā)展。

3.1 厚煤層綜采技術(shù)與裝備

依托國家科技計劃項目和現(xiàn)場工程實(shí)踐,突破了厚煤層綜采關(guān)鍵技術(shù),研制出了一批適應(yīng)我國煤礦條件的厚煤層綜采裝備,關(guān)鍵元部件、設(shè)備的成套性有了重大創(chuàng)新,整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。如功率 1800kW以上的大功率電牽引采煤機(jī),最大裝機(jī)功率可達(dá) 2505kW,最大采高 6.3m,生產(chǎn)能力2500～3500t/h,具有位置檢測和信息網(wǎng)絡(luò)自動化控制功能;大采高強(qiáng)力液壓支架最大支護(hù)高度可達(dá)6.4m、最高工作阻力 13000kN、加載循環(huán)超過50000次,并研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電液控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了雙向鄰架自動控制和成組順序控制,移架速度達(dá)到 6～8s/架;工作面刮板輸送機(jī)鋪設(shè)長度可達(dá)300m以上、總裝機(jī)功率可達(dá) 3×1000kW、運(yùn)量超過 3500t/h,并成功攻克了大功率傳動、工況監(jiān)測監(jiān)控、高強(qiáng)度鑄焊結(jié)合中部槽等技術(shù)難關(guān);膠帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)了大運(yùn)量長距離輸送,最大運(yùn)距可達(dá)7km、最大運(yùn)量可達(dá) 7000t/h,并在液壓自動儲卷帶、高度低阻托輥等技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。目前采用國產(chǎn)成套綜采裝備的工作面年產(chǎn)量已達(dá)到 6Mt,以進(jìn)口采煤機(jī)配套國產(chǎn)液壓支架、刮板輸送機(jī)和大運(yùn)量帶式輸送機(jī)的綜采工作面年產(chǎn)量已超過 10Mt。

在國產(chǎn)厚煤層綜采成套技術(shù)與裝備方面,典型代表為煤科總院、神華集團(tuán)、中煤裝備公司等單位完成的國家發(fā)改委十大裝備研制專項之一 “年產(chǎn)600萬噸大采高綜采成套技術(shù)與裝備”,該設(shè)備在神東礦區(qū)萬利一礦進(jìn)行井下工業(yè)性試驗,2007年工作面單產(chǎn)達(dá)到了 7.62Mt,單臺設(shè)備開機(jī)率均達(dá)到 95%以上,回采工效達(dá)到 398.9t/工,2008年年產(chǎn)量達(dá)到了 10.25Mt,實(shí)現(xiàn)了我國國產(chǎn)成套大采高裝備的飛躍。在關(guān)鍵元部件上,自主研發(fā)了采煤機(jī)高強(qiáng)度搖臂、147mm節(jié)距高強(qiáng)度“齒 -銷”傳動系統(tǒng);刮板機(jī) φ48×152mm刮板鏈、整體鑄焊式中部槽;液壓支架 φ420mm大缸徑立柱和液壓支架電液控制系統(tǒng),目前 80%左右的國產(chǎn)液壓支架全部應(yīng)用國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)。

3.2 厚煤層綜放開采技術(shù)與裝備

“十五”期間兗州礦業(yè)集團(tuán)興隆莊煤礦 “600萬噸綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”創(chuàng)造世界上綜放開采單產(chǎn)、工效和采出率 3項最高記錄,且“兩柱式”綜采放頂煤液壓支架成功出口澳大利亞。2008年,平朔安家?guī)X二號 300m綜放工作面創(chuàng)造了日產(chǎn) 54.1kt、月產(chǎn) 1.18Mt、年產(chǎn) 10.39Mt、人員工效 450t/h的全國綜放紀(jì)錄。目前,配套全部國產(chǎn)裝備綜放工作面可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn) 6～8Mt。潞安礦業(yè)集團(tuán)屯留煤礦采用國產(chǎn) ZF7000/19.5/38型液壓支架,最高日產(chǎn) 24.2kt,最高月產(chǎn) 185.9kt,平均采出率達(dá) 90%。2005年潞安礦業(yè)集團(tuán)王莊煤礦采用成套國產(chǎn)放頂煤裝備,年產(chǎn)量達(dá)到 6.08Mt。

3.3 薄煤層開采技術(shù)與裝備

在薄煤層開采方面,目前已自行研制出最低高度 0.67m的薄煤層液壓支架,可以滿足 1.0m左右薄煤層的開采,開發(fā)了適用于薄煤層的刮板輸送機(jī),基本滿足了中硬以下薄煤層開采需求。大同煤礦集團(tuán)公司采用天地科技股份有限公司上海分公司研制的MG200/450-WD型采煤機(jī),配套國產(chǎn)支架與輸送機(jī),2003年在晉華宮礦實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)原煤超1Mt。棗莊煤業(yè)集團(tuán)與遼源煤機(jī)廠等單位合作,采用MG200-BW2型采煤機(jī)配套 ZY2400/08/19液壓支架、SGZ630/220輸送機(jī),實(shí)現(xiàn)最高日產(chǎn)3.504kt,平均月產(chǎn) 89.636kt,創(chuàng)出了滾筒式薄煤層綜采年產(chǎn)百萬噸的新水平。2008年 10月,平頂山六礦采用MGTY250/600-1.1D采煤機(jī)、SGZ-764/500刮板機(jī)、ZY5000-1.45/3.0D液壓支架等全套國產(chǎn)裝備,實(shí)現(xiàn)了工作面無人跟機(jī)作業(yè)。

3.4 掘進(jìn)技術(shù)與裝備

在掘進(jìn)技術(shù)與裝備方面,我國中型掘進(jìn)機(jī)發(fā)展日趨成熟,重型掘進(jìn)機(jī)大批出現(xiàn),已能夠獨(dú)立研制截割煤層堅固性系數(shù) f≤8、機(jī)重 60t左右、截割功率 160～220kW的重型掘進(jìn)機(jī)。配合巷道錨桿錨索支護(hù)新技術(shù),顯著提高了巷道掘進(jìn)施工的機(jī)械化水平和成巷速度。

此外,礦井建設(shè)方面,特殊鑿井技術(shù)、大直徑反井鉆井技術(shù)、煤巷綜掘技術(shù)及裝備、錨噴支護(hù)技術(shù)等取得突破性進(jìn)展。特殊鑿井法穿過沖積層厚度最大達(dá) 587m,最大凍結(jié)深度 737m;鉆井法最大鉆鑿成井深度達(dá) 660m,最大鉆井直徑為 10.3m;注漿技術(shù)已從注漿材料的 “水泥時代”進(jìn)入了 “黏土?xí)r代”,井筒地面預(yù)注漿最大深度達(dá)到 1048m。大直徑反井鉆機(jī)研制成功,實(shí)現(xiàn)了煤礦風(fēng)井井筒施工技術(shù)的突破。反井鉆機(jī)一次擴(kuò)孔成井,反井鉆井深度達(dá)到 500m,最大擴(kuò)孔直徑達(dá)到 5m。在短壁機(jī)械化開采方面,研制出連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、連續(xù)采煤機(jī)、行走液壓支架、四臂錨桿鉆機(jī)、鏟車、梭車等一系列設(shè)備,在性能和技術(shù)參數(shù)方面已接近國際先進(jìn)水平,某些技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性能甚至超過同類引進(jìn)產(chǎn)品。

4 特大型礦井建設(shè)的科技需求與趨勢

近年來在國家支持和扶持下,煤礦特大型礦井建設(shè)的技術(shù)和裝備得到快速發(fā)展,依托自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)建設(shè)了一批具有國際先進(jìn)水平的現(xiàn)代化示范礦井。我國大型安全高效礦井建設(shè)面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害呈多樣性的趨勢;國產(chǎn)成套裝備研制取得顯著成效,但在關(guān)鍵元部件如采煤機(jī)記憶截割、故障診斷,刮板輸送機(jī)軟啟動,帶式輸送機(jī)多機(jī)功率等方面還依賴進(jìn)口,需要運(yùn)用創(chuàng)新思維進(jìn)一步提升自主研發(fā)能力。

此外,還需在液壓支架、采煤機(jī)等設(shè)備關(guān)鍵元部件的材料、加工工藝等方面進(jìn)行攻關(guān),進(jìn)一步提高設(shè)備的可靠性。

4.1 礦井建設(shè)與巷道掘進(jìn)

在礦井建設(shè)施工方面,煤炭開發(fā)已向西部轉(zhuǎn)移,西部煤礦特點(diǎn)是生產(chǎn)規(guī)模大、斜井多、井筒直徑大,地層為弱膠結(jié)、不穩(wěn)定。已有特殊鑿井技術(shù)不能完全適應(yīng)西部地層條件,特別是斜井凍結(jié)技術(shù)尚屬空白。需要研究斜井凍結(jié)技術(shù)、軟巖鉆進(jìn)技術(shù),以及豎井掘進(jìn)機(jī)井筒機(jī)械化建井技術(shù),滿足大直徑礦井快速建設(shè)的需要。

隨著礦井規(guī)模和工作面單產(chǎn)的進(jìn)一步提高,大批千萬噸現(xiàn)代化礦井的建設(shè),提出了生產(chǎn)能力大、掘進(jìn)效率高的大斷面重型掘進(jìn)機(jī)的需求。且因成巷速度的需求,對掘錨一體化作業(yè)效率提出了更高要求。為加快巖石巷道掘進(jìn)速度,需開展巖巷全斷面綜合掘進(jìn)機(jī)、鉆爆法快速掘進(jìn)關(guān)鍵裝備、硬巖截割技術(shù)、巷道掘進(jìn)粉塵控制技術(shù)在內(nèi)的巖石巷道快速掘進(jìn)技術(shù)及裝備研究。

4.2 煤礦開采技術(shù)與裝備

高效集約化礦井建設(shè)是煤炭工業(yè)的發(fā)展方向,是我國采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、振興煤機(jī)裝備制造業(yè)的重大舉措。我國目前高端采掘設(shè)備在可靠性、自動化監(jiān)測監(jiān)控和生產(chǎn)效率等方面與國外產(chǎn)品還存在較大的差距。此外,我國小煤礦眾多,但機(jī)械化程度普遍偏低;大型露天礦設(shè)備主要依賴進(jìn)口,急需提高設(shè)備的國產(chǎn)化速度。

需開展綜采裝備關(guān)鍵元部件材料、工藝和系統(tǒng)的匹配、成套設(shè)備的可靠性和自動控制、軟啟動和快速搬運(yùn)裝備、深部礦井圍巖控制與巷道掘進(jìn)、支護(hù)技術(shù)、新型高能量蓄電池、大功率防爆柴油機(jī)等關(guān)鍵元部件攻關(guān)。

我國傳統(tǒng)露天開采工藝較為落后,大型裝備國產(chǎn)化程度低,煤炭資源開發(fā)與環(huán)境的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象嚴(yán)重,急需對大型露天煤礦連續(xù)、半連續(xù)采煤技術(shù)及大型裝備、生產(chǎn)智能監(jiān)控與決策系統(tǒng)和邊坡災(zāi)害控制技術(shù)與裝備進(jìn)行深入的研究。

“十一五”科技支撐計劃“特厚煤層大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”項目在大同塔山礦已完成工業(yè)性試驗,項目研制出了適應(yīng)采放高度14～20m特厚煤層綜放開采成套技術(shù)與裝備,工業(yè)性試驗 3個月工作面推進(jìn) 463m,最高日推進(jìn)量8m,累計出煤 2.738Mt,最高日產(chǎn)量達(dá)到 39.4kt,具備年產(chǎn)千萬噸的能力。在綜放工作面及巷道自動化控制以及含厚層不均勻夾矸厚煤層大采高綜放支架等仍需進(jìn)行攻關(guān)。

此外,在短壁機(jī)械化開采技術(shù)與裝備、輔助運(yùn)輸裝備、薄煤層及難采煤層機(jī)械化開采方面均需加強(qiáng)科技攻關(guān),實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

5 結(jié)束語

煤炭是我國的能源基礎(chǔ),以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)相當(dāng)長一段時期內(nèi)不會改變,為保障國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求,大型礦井的建設(shè)和煤炭工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的實(shí)現(xiàn),煤炭科技工作者要不斷努力,從而提高我國煤炭科技的現(xiàn)代化水平。

[1]中國煤炭工業(yè)協(xié)會 .煤炭工業(yè)信息 [R].2010-10,2011-1.

[2]中國煤炭學(xué)會巖石力學(xué)與支護(hù)專業(yè)委員會 .中國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化之路 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

Innovating Safe and High-efficiency Coal Min ing Technology and Supporting Extra-large Mine Construction

N ING Yu
（China Coal Technology&Engineering Group Corp,Beijing 100013,China）

Coal is a foundational energyof China and extra-large coalmine construction ismain approach of improving industry concentration and providing stable coal supply.By analyzing construction status and tendency of extra-large mine of China and concluding improvement of coal high-efficiencymining and equipments developing in 11th Five-year-plan,scientific demand and development tendency of future extra-large mine construction was put forward.

coal;high-efficientmining;driving;mine construction

TD2

A

1006-6225（2011）03-0001-03

2011-04-02

寧 宇 （1956-）,男,河北樂亭人,博士,研究員,中國煤炭科工集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理。

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[責(zé)任編輯:施紅霞 ]