申寶宏,雷 毅

（中國煤炭科工集團有限公司,北京 100013）

我國煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

申寶宏,雷 毅

（中國煤炭科工集團有限公司,北京 100013）

在分析“十一五”煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上,提出了 “十二五”期間煤炭科技面臨的挑戰(zhàn),指出了煤炭科技發(fā)展的目標方向,對于保障煤炭工業(yè)實現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展,具有重要的戰(zhàn)略意義。

煤炭;科技;現(xiàn)狀;趨勢

煤炭工業(yè)是關系國家經(jīng)濟命脈的重要基礎產(chǎn)業(yè),支撐著國民經(jīng)濟持續(xù)快速健康發(fā)展。在我國一次能源生產(chǎn)和消費結構中,煤炭的比重分別達到77.3%和 70.4%,煤炭在相當長時期內仍將是我國的主體能源?！翱茖W技術是第一生產(chǎn)力”,煤炭科技是實現(xiàn)煤炭高效、安全、潔凈開發(fā)和利用,促進煤炭工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要保障。“十一五”期間,煤炭行業(yè)相關科研機構、高等院校、生產(chǎn)企業(yè),注重產(chǎn)學研用相結合,廣泛開展煤炭科技創(chuàng)新,在基礎理論研究、關鍵技術研發(fā)、重大裝備研制、先進成果推廣等方面取得了重要進展,有力促進了煤炭科技的快速發(fā)展?！笆濉逼陂g,煤炭科技也面臨一系列新問題和新挑戰(zhàn),要不斷完善煤炭科技創(chuàng)新體系,搭建科技支撐平臺,全面提升行業(yè)科技水平和核心競爭力。

1 我國煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀

“十一五”期間,煤炭科技創(chuàng)新的步伐明顯加快,涉及煤炭資源開發(fā)與利用的共性、關鍵性技術難題攻關取得突破性進展。在煤田地質勘探、煤炭資源高效開采和清潔加工利用、煤礦重大災害防治、礦區(qū)節(jié)能減排、環(huán)境保護和循環(huán)經(jīng)濟建設等方面涌現(xiàn)出一大批具有先進水平的科技創(chuàng)新成果。

1.1 煤炭資源勘探和煤礦地質保障體系初步形成

開展了盆地構造、含煤地層、巖相古地理、煤巖煤質、資源評價等多學科綜合研究,從整體上把握了煤盆地演化和煤炭資源賦存與分布規(guī)律?！耙缘卣鹬鲗?多手段配合,井上下聯(lián)合”的立體式綜合勘探體系逐漸成熟,地面勘探與井下探測結合,物探、鉆探、巷探相結合,基本能夠探明開采地質條件。以高分辨三維地震勘探為核心的物探技術得到應用,可以查出 1000m深度以內落差 3～5m以上的斷層和直徑 20m以內的陷落柱,極大地提高了煤炭綜合勘查的效率。煤礦井下水平定向鉆進技術及設備完成國產(chǎn)化配套,鉆機能力達到1000 m。無線電波透視技術、直流電法含水體超前探測技術、瑞利波超前探測技術、煤層底板音頻電透視技術得到推廣應用。聲發(fā)射、微震、電磁輻射等監(jiān)測技術為礦井災害預警提供了技術支撐,井上下一體、采前采中配合的煤礦地質保障技術體系初步形成。

1.2 深厚沖積層大型礦井建設達國際先進水平

鉆井法施工形成了 “轉盤拖動、減壓鉆進、一次超前、分次擴孔、泥漿護壁、反循環(huán)洗井、懸浮下沉預制井壁和水泥漿壁后充填固井”的施工工藝。研制的大型鉆機最大鉆徑達到 13m、最大鉆深達到 700m以上;最大鉆鑿成井深度達 660m,最大鉆井直徑為 10.3m。凍結法鑿井技術穿過沖積層厚度達到 587m,最大凍結深度 737m。地面預注漿材料從 “水泥時代”進入“黏土時代”,井筒地面預注漿最大深度達到 1048m。凍結—注漿—鑿井主動三平行鑿井技術成為深井快速施工的一項重要手段。我國的凍結、鉆井、注漿等特殊鑿井技術達到國際領先水平。大直徑反井鉆機研制成功,反井鉆井深度達 500m,最大擴孔直徑達 5m。

1.3 綜采技術和成套裝備研發(fā)取得新進展

自主研制了大功率電牽引采煤機、刮板輸送機和電液控制液壓支架等工作面成套裝備,適應煤層厚度 3～6m,綜采工作面可實現(xiàn)年產(chǎn) 6～8Mt。綜放工作面在煤層厚度 13m條件下,年產(chǎn)煤10391kt,刷新綜放工作面年產(chǎn)世界記錄。采用連續(xù)采煤機、掘錨一體化等技術,煤巷月成巷突破千米大關,大多數(shù)礦井綜掘成巷速度在 300～500m/月,水平高的礦井可達 700～800m/月。國有重點煤礦的煤巷錨桿支護率達到 60%,有些礦區(qū)超過90%,甚至達到 100%。

開發(fā)了系列防爆柴油機無軌運輸車輛,無軌輔助運輸系統(tǒng)在大型煤礦得到廣泛應用。研發(fā)出連續(xù)采煤機、履帶行走支架、錨桿鉆機、給料破碎機等短壁機械化開采設備。開發(fā)了薄煤層采煤機等工作面裝備,實現(xiàn)了 0.9m極薄煤層條件下的自動化開采,最高月產(chǎn)達到 36720t。創(chuàng)建了薄煤層刨煤機無人工作面安全高效開采技術模式,使 0.8～2.0m煤層高瓦斯工作面真正實現(xiàn)了完全自動化開采。

1.4 煤與煤層氣協(xié)調開發(fā)技術取得重要進展

深入開展了地面煤層氣開發(fā)和煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)的理論、技術和裝備研究,初步揭示了不同煤階煤層氣富集規(guī)律、成藏機理,探索了典型條件下的煤與煤層氣協(xié)調開發(fā)模式;初步形成以綜合地球物理探測及有利區(qū)預測為核心的煤層氣勘探技術,開發(fā)了煤層氣欠平衡鉆井、多分支水平井鉆井等關鍵技術,基本形成煤礦區(qū)煤層氣抽采與利用技術體系;開發(fā)了井下水平長鉆孔裝備、松軟突出煤層螺旋鉆進施工工藝與裝備、突出煤層鉆孔遙控鉆機,井下水平長鉆孔成孔深度達 1046m、松軟突出煤層成孔深度達到 168m;開發(fā)了低透氣性高瓦斯煤層群無煤柱快速留巷 Y型通風煤與瓦斯共采關鍵技術與配套設備,使采動卸壓煤層透氣性增加 600～1000倍,形成以沿空留巷鉆孔法連續(xù)抽采卸壓瓦斯與綜采工作面采煤同步實施的煤與瓦斯共采技術體系。煤層氣地面開發(fā)與井下抽采相結合的示范工程建設取得顯著成效。

1.5 煤礦災害預警和控制技術取得重要突破

煤與瓦斯突出機理研究取得了新進展,提出了“煤與瓦斯突出的力學作用機理”學說;得出了煤巖動力災害演化過程的地球物理響應規(guī)律,對多種爆炸物質共存井巷網(wǎng)絡條件下最低著火溫度、最小點火能量等爆炸條件和瓦斯煤塵爆炸致災機理有了新認識;提出了礦井突水的水文地質結構模式及形成條件,初步形成了采動巖體滲流規(guī)律與突變機理;形成了煤礦采動影響區(qū)應力場、裂隙場和瓦斯流動場的形成特征和分布規(guī)律。為煤礦災害預測預報新技術、新裝備研發(fā)應用提供了理論依據(jù)。

開發(fā)出了基于工業(yè)以太網(wǎng) +現(xiàn)場總線的新一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了煤礦井下多系統(tǒng)融合和重大災害預警;研制出了防爆大透視距離無線電波透視系統(tǒng)和礦井多波地震儀,實現(xiàn)了對礦井地質小構造的高精度探查;實現(xiàn)了對工作面前方 120m范圍的地質構造探測。

1.6 礦區(qū)環(huán)境保護探索出新途徑

發(fā)展了巷道矸石充填、膏體充填技術,試驗了矸石不上井、地面不建矸石山,為實現(xiàn)煤炭開采與環(huán)境保護同步進行奠定了技術基礎。發(fā)展了充填復墾、挖深墊淺、疏排降法復墾以及塌陷區(qū)地基處理等技術。生態(tài)復墾已將景觀生態(tài)學、恢復生態(tài)學等應用到沉陷區(qū)治理中,主要產(chǎn)煤省份礦區(qū)環(huán)境保護和污染治理取得初步進展。

1.7 煤炭提質加工技術取得新進展

重介選煤工藝得到全面推廣,重介質旋流器技術指標達到國際先進水平;實現(xiàn)了主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動測控和全廠集中控制;國產(chǎn)選煤成套設備能力達到 4Mt/a;選煤廠模塊式建設方式得到推廣。開發(fā)了煤泥水澄清、循環(huán)利用和煤泥回收技術體系,推進了節(jié)水型選煤技術的發(fā)展。水煤漿技術具備設計制造水煤漿設備及施工建設水煤漿廠的完整能力;水煤漿專用鍋爐及燃煤鍋爐改燒水煤漿技術取得突破;氣化水煤漿的原料煤范圍進一步擴展。

1.8 煤炭氣化、液化技術取得長足進步

灰熔聚煤氣化技術、多噴嘴對置式水煤漿氣化爐、航天爐、兩段式干煤粉加壓氣化技術得到推廣。建成煤炭直接液化 6t/d中試裝置和 1Mt/a工業(yè)示范裝置,開發(fā)成功煤直接液化納米級高效催化劑;煤炭間接液化技術實現(xiàn)工業(yè)示范,先后建成160kt/a和 180kt/a裝置,研發(fā)成功高、低溫煤間接液化成套技術,4Mt/a間接液化廠正在籌建。煤制天然氣技術及產(chǎn)業(yè)化處于初期發(fā)展階段,蒸汽 -純氧氣化/甲烷化技術最為成熟,加氫氣化和蒸汽催化氣化技術尚在研發(fā),第 1條 1.3Gm3/a生產(chǎn)線基本建成。煤基炭材料方面,功能型煤基吸附材料及電極炭、磁性炭方面取得豐碩成果,為工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎。我國已成為世界上最大的煤制化學品生產(chǎn)國,煤制合成氨、甲醇和電石產(chǎn)量位居世界第一。煤氣化制甲醇、IGCC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、大型煤化工系統(tǒng)與循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行技術、中低熱值燃料燃氣輪機燃燒技術方面取得了重大突破。首次在工程上完成了運行特性差異大、結構復雜的子系統(tǒng)在運行上的動態(tài)融合,運行可用率和可靠性達到并超過同類工業(yè)生產(chǎn)子系統(tǒng),突破了受制于國外壟斷的 40MW級中低熱值燃料重型燃氣輪機的燃燒室關鍵技術。

2 我國煤炭科技面臨的挑戰(zhàn)

隨著煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展對資源、安全和環(huán)境等方面的要求不斷提高,煤炭科技也面臨一系列新問題和新挑戰(zhàn)。

（1）煤炭資源開發(fā)基礎理論研究相對滯后,亟待攻關。一方面,我國煤炭資源稟賦條件復雜、自然災害眾多,大量重大共性、關鍵技術需要攻關;另一方面,煤炭產(chǎn)量增長、大規(guī)模開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展,迫切需要解決煤炭綠色開采與潔凈利用科學問題。

（2）煤炭開發(fā)重心逐步西移,新的科技問題需要研究。我國東部資源日漸枯竭,深部開采技術亟待解決;中部資源富集區(qū)開發(fā)強度大,但生態(tài)環(huán)境脆弱,資源開發(fā)與環(huán)境協(xié)調需要研究;西部資源豐富,但遠離消費區(qū),煤炭轉化、轉運技術、特厚煤層開采、易自燃煤層火災防治技術等急需攻關。

（3）煤炭產(chǎn)業(yè)結構調整,提升煤礦現(xiàn)代化水平對煤炭科技創(chuàng)新提出新要求。綜采綜掘裝備制造能力、國產(chǎn)化率以及煤礦管理信息化、安全監(jiān)控現(xiàn)代化水平仍需提高。資源稟賦條件決定了中小煤礦的長期存在,實現(xiàn)中小煤礦的安全開采必須解決機械化開采問題。小型煤礦、難采煤層和小塊段煤炭開發(fā)技術亟待攻關。

（4）節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展,對煤炭科技創(chuàng)新提出更高要求。我國煤炭資源綜合精細勘查技術和裝備相對落后,地質保障水平亟待提高;保水開采、采煤沉陷治理、粉塵與噪聲治理、熱害防治與地熱利用、地下水利用等亟待攻關;煤層氣開發(fā)、煤礦瓦斯災害形成機理和監(jiān)控監(jiān)測預警與治理、井下充填和煤礦 “三下”采煤,特別是礦井帶高壓水威脅開采以及預測與防治等一系列重大關鍵技術和裝備均需要開展研究。

3 我國煤炭科技發(fā)展趨勢

“十二五”期間,要進一步加強科技對煤炭工業(yè)發(fā)展的支撐作用,逐步建立以企業(yè)為主體、市場為導向,產(chǎn)、學、研結合的煤炭工業(yè)技術創(chuàng)新體系。通過科技創(chuàng)新,攻克一批制約行業(yè)生產(chǎn)力水平的重大關鍵技術。煤炭科技發(fā)展主要方向:

（1）煤炭資源開發(fā)地質保障 煤炭資源精細勘探和多源地質災害探測是煤炭資源安全高效開發(fā)的基礎。提高戈壁、黃土塬、采空區(qū)等地區(qū)煤炭資源與地質條件的勘探精度,在煤礦井下增強多源地質災害全方位、可視化超前預測預報能力,為實現(xiàn)安全高效開采提供技術支撐。

（2）特殊地層大型礦井建設 煤炭開發(fā)戰(zhàn)略逐步西移,西部煤礦呈現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模大、斜井多、井筒直徑大的特點,且地層為弱膠結、不穩(wěn)定?，F(xiàn)有特殊鑿井技術不完全適應西部地層條件,斜井凍結技術尚屬空白。亟需研究斜井凍結技術、軟巖鉆進技術及豎井掘進機井筒施工技術,滿足大直徑礦井快速建設的需要。為加快巖石巷道掘進速度,需開展巖巷全斷面綜合掘進機、鉆爆法快速掘進裝備、硬巖截割技術、巷道掘進粉塵控制技術的研究。

（3）煤炭資源高效開采 煤炭高效集約化開采是煤炭工業(yè)發(fā)展方向,目前我國高端采掘設備在可靠性、自動化水平等方面與國外產(chǎn)品尚有差距。此外,我國中小煤礦機械化程度較低;大型露天礦設備主要依賴進口,國產(chǎn)化程度亟待提高。需開展綜采成套設備可靠性以及自動控制、軟啟動、新型高能量蓄電池、大功率防爆柴油機等關鍵元部件攻關;研究中小煤礦機械化開采、0.9m以下極薄煤層開采、急傾斜薄煤層開采以及西部保水開采和生態(tài)修復技術;改善大型露天開采裝備長期依賴進口的現(xiàn)狀,對大型露天煤礦連續(xù) （半連續(xù)）采煤技術及裝備、生產(chǎn)智能監(jiān)控與決策系統(tǒng)以及邊坡災害控制技術與裝備進行研究。

（4）煤礦信息化與管理現(xiàn)代化 信息化與物聯(lián)網(wǎng)是國家優(yōu)先發(fā)展和重點支持領域,煤礦通訊、監(jiān)控系統(tǒng)是安全生產(chǎn)的重要保障。目前煤礦信息系統(tǒng)存在可靠性和及時性差、缺乏礦用產(chǎn)品全過程管控、無法實現(xiàn)人機環(huán)閉鎖等問題,需要在高可靠性全礦井綜合監(jiān)控、煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術和煤礦一體化通信技術方面開展研究,實現(xiàn)礦區(qū)物物相連,信息相通,應急聯(lián)動和災害預警等。此外,面對國際國內新的能源形勢,需要深入研究煤炭經(jīng)濟政策和改革措施、煤炭開采業(yè)新會計準則、基于物聯(lián)網(wǎng)技術的煤礦成本管理、全國煤炭物流方向戰(zhàn)略選擇和大型儲備基地布局、煤礦安全培訓關鍵技術在內的煤礦現(xiàn)代化管理技術等。

（5）煤與煤層氣協(xié)調開發(fā) 我國煤層氣資源豐富,但賦存條件復雜、抽采難度大且抽采量偏低。急需開展不同煤階、不同深度的煤系地層煤層氣富集成藏規(guī)律研究;研究多分支水平井技術、煤儲層保護技術、井壁穩(wěn)定技術、分層連續(xù)壓裂技術及煤層氣低壓集輸工藝和監(jiān)控技術;研發(fā)礦區(qū)煤層氣高效抽采技術與裝備、煤與煤層氣一體化開發(fā)技術。強化煤層氣開發(fā)與煤炭開采工程緊密結合,建立不同賦存條件的煤層氣開發(fā)與煤炭開采協(xié)調發(fā)展模式,為煤層氣產(chǎn)業(yè)化提供先進技術與裝備。

（6）煤礦動力災害預測與防治 隨著礦井開采深度加大和開采條件的變化,煤與瓦斯突出危險性日益增加,自然火災、瓦斯煤塵爆炸等熱動力災害頻發(fā),重特大突出事故尚未得到有效遏制。針對深部煤巖動力災害的特征,需要重點開展煤巖動力災害多因素耦合致災機理、前兆信息探測分析與監(jiān)測預警技術、煤與瓦斯突出及綜合防治技術、隱蔽火源探測技術等關鍵技術的研究,從而建立和完善深部礦井煤巖動力災害防治技術體系,提升煤礦動力災害的綜合防治技術水平。

（7）煤礦應急救援 急需開展災變條件下高可靠性搜救偵測技術及裝備、地面大直徑救生專用鉆機與救援破拆工器具、快速安裝的大流量成套排水系統(tǒng)裝備、井下移動式大型避難設備及固定式避險硐室系列設施和個體防護裝備;研發(fā)快速生成救援方案及實現(xiàn)計算機應急救援輔助決策系統(tǒng),建立適合我國國情和煤炭行業(yè)的煤礦災害事故風險管理與分級控制的標準管理體系。

（8）煤礦職業(yè)危害防治 開展以呼吸性粉塵為主的塵害防治關鍵技術以及粉塵預警、粉塵濃度傳感器和實時監(jiān)測等關鍵技術的研究。隨著開采深度的增加,礦井地溫不斷升高,且機械設備放熱也已成為井下重要熱源之一,我國熱害礦井數(shù)量明顯增加。針對現(xiàn)有降溫技術與裝備集成化低、制冷效率差,運行費用高等問題,急需進行深部礦井熱害預測與防治技術及裝備的研究。

（9）煤炭加工提質與高效潔凈轉化 煤炭清潔利用是改善環(huán)境、積極應對國際氣候變化的重要舉措。煤炭洗選、低階煤提質、水煤漿制備等先進加工技術是煤炭清潔利用的主要基礎。此外,發(fā)展以煤炭氣化液化為主線的煤潔凈轉化技術,補充石油儲量,對促進煤炭產(chǎn)業(yè)結構調整、實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略及國家能源安全意義重大。針對我國大型選煤設備可靠性差、壽命短、自動化水平低的現(xiàn)狀,需加強對大型選煤廠成套技術與裝備、井下選煤技術、深度脫硫及其有害重金屬元素脫除技術以及在線監(jiān)測技術的研究。針對水煤漿制備設備處理能力小、專用性差的問題,需要對水煤漿生產(chǎn)裝備的大型化進行攻關,進一步拓寬制漿煤種、研發(fā)配套水煤漿添加劑以及利用各種工業(yè)廢水、污水、污泥制漿技術攻關。褐煤提質方面,干燥技術尚未完全成熟且工業(yè)化裝置規(guī)模偏小,干餾技術及裝備仍處于研發(fā)階段,需加強褐煤干燥、改性、熱解等提質技術開發(fā)和大型關鍵設備攻關。

（10）節(jié)能減排與資源綜合利用 在煤層氣利用方面,針對煤層氣抽采濃度較低及利用率偏低的現(xiàn)狀,亟待開發(fā)低濃度煤層氣高效分離及濃縮技術,裝備的大型化及自動化是重點解決的技術問題。此外,還需要在低 （劣）質煤潔凈燃燒,高效煤粉鍋爐供料、燃燒與煤粉安全制備、配送,煙氣脫硫脫硝一體化及專用活性焦生產(chǎn),礦井水規(guī)?；h(huán)利用與高礦化度礦井水零排放處理,600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機組成套技術,礦井回風熱能、礦井水、坑口電廠冷卻水在內的礦井低溫熱能利用,高嶺土、油頁巖及高度富集 Ga,Nb,Ta,Zr,Hf和稀土元素在內的煤系伴生資源綜合利用等方面進行技術攻關。

針對以上煤炭科技發(fā)展主要方向,要重點強化與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調的資源開發(fā)、煤礦重大災害防治、煤炭轉化等方面的基礎研究,大力攻克資源整合煤礦與礦井多源地質災害防治、西部大型礦井建設、高效輔助運輸、中小煤礦高效充填開采、露天煤礦安全高效開采、應急救援處置、千萬噸級高效選煤、低階煤提質與綜合利用等一系列關鍵技術,著力構建高承壓深部礦井防治水、千萬噸礦井高效自動化開采、綠色生態(tài)礦山建設、煤礦物聯(lián)網(wǎng)、煤層氣開發(fā)利用、井下高效選煤廠、大規(guī)模褐煤物理干燥技術、大型煤炭間接液化等示范工程。大力推廣科技成果,加強科技成果轉化,促進高新技術產(chǎn)業(yè)化,提高煤炭生產(chǎn)技術與裝備的應用水平。

[1]國家能源局綜合司 .煤炭工業(yè)潔凈煤工程技術研究中心[R].能源數(shù)據(jù),2010.

[2]范維唐,盧鑒章,申寶宏,等 .煤礦災害防治的技術與對策[M].中國礦業(yè)大學出版社,2007.

Chinese Coal Technology Development Status and Tendency

SHEN Bao-hong,LEI Yi
（China Coal Technology&Engineering Group Corp,Beijing 100013,China）

On the basis of analyzing coal science and technology development status of Chinese 11th Five-year-plan,challenge of coal science and technology in 12th Five-year-plan was put forward.Development target and tendencywas pointed out.It is strategically significant for realizing healthy and sustainable development of coal industry.

coal;science and technology;current status;tendency

T-1

A

1006-6225（2011）03-0004-04

2011-04-21

申寶宏 （1956-）,男,安徽鳳陽人,研究員,博士生導師,現(xiàn)任中國煤炭科工集團有限公司副總工程師兼科技發(fā)展部部長。

[責任編輯:施紅霞 ]