孟祥軍，李 偉

(山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引 言

山東能源集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱“山能”)是山東省委、省政府于2020年 7月聯(lián)合重組兗礦集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱“兗礦集團(tuán)”)、原山東能源集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱“原山能”)2家省屬重要骨干企業(yè)，組建成立的大型能源企業(yè)集團(tuán)。山能是以礦業(yè)、電力、高端化工、高端裝備制造、新能源新材料、現(xiàn)代物流貿(mào)易為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的能源產(chǎn)業(yè)國(guó)有資本投資公司。擁有兗礦能源等30多個(gè)二級(jí)企業(yè)，產(chǎn)業(yè)主要分布在國(guó)內(nèi)山東、內(nèi)蒙古、新疆、陜西、貴州、甘肅、海南、上海等19個(gè)省(區(qū)、市)以及澳大利亞、加拿大、泰國(guó)、拉美等9個(gè)國(guó)家和地區(qū)。2021年實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入7 520億元、年末資產(chǎn)總額7 510億元，位居2021年世界500強(qiáng)第70位。

作為煤炭行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，山能以產(chǎn)業(yè)實(shí)際為主體，發(fā)展戰(zhàn)略為導(dǎo)向，解決煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)瓶頸為目標(biāo)，以技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，形成了產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新的科技創(chuàng)新體系，在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中處于國(guó)際領(lǐng)先地位。其中，在煤炭安全智能高效開采、高端裝備制造、水煤漿氣化、煤間接液化、建井技術(shù)等領(lǐng)域的共性關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。從優(yōu)化開拓布局、巷道布置與重大災(zāi)害防治關(guān)系入手，探索出全新的災(zāi)害防治技術(shù)模式，成功突破區(qū)段平巷超前支護(hù)、遠(yuǎn)距離供電供液[1]、智能化綜采等關(guān)鍵技術(shù)；先后研發(fā)了適用于不同埋深、不同煤層賦存條件的大采高、超大采高綜采(放)成套技術(shù)與裝備，不斷刷新我國(guó)綜采(放)開采高度；自主研發(fā)的掩護(hù)式綜采放頂煤支架，達(dá)到歐美標(biāo)準(zhǔn)，先后向德國(guó)DBT公司和美國(guó)比塞洛斯國(guó)際公司實(shí)施許可，成為卡特彼勒全球供應(yīng)商，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)煤炭行業(yè)對(duì)外技術(shù)輸出零的突破；在礦井建設(shè)技術(shù)方面，創(chuàng)新了立井凍結(jié)、大硐室施工、錨噴支護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，加速了深部礦井建設(shè)的步伐；煤化工核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大型高端化發(fā)展，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)，成功完成4 000 t水煤漿氣化技術(shù)示范工程；1 500 t/a高溫費(fèi)托合成催化劑工業(yè)化裝置綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤液化產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

筆者系統(tǒng)地論述了山能取得的重大科技創(chuàng)新成果，回顧了重要領(lǐng)域在理論、技術(shù)和設(shè)備等方面取得的進(jìn)展，總結(jié)了在技術(shù)創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展方面的經(jīng)驗(yàn)，明確了山能未來科技創(chuàng)新發(fā)展方向。

1 山能煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展總體布局

1.1 山能產(chǎn)業(yè)布局

山能依托產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，由規(guī)模拼組式產(chǎn)業(yè)組合向有機(jī)整合式產(chǎn)業(yè)組合升級(jí)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)更加科學(xué)、協(xié)同更加有力的“一基兩鏈三新”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

“一基”以煤炭為基干產(chǎn)業(yè)提升可持續(xù)發(fā)展能力，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)國(guó)際資源布局，夯實(shí)煤炭發(fā)展基礎(chǔ)，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式，凸顯價(jià)值支撐功能；“兩鏈”做強(qiáng)做大煤電聯(lián)營(yíng)產(chǎn)業(yè)鏈和煤化一體產(chǎn)業(yè)鏈，抓住政策機(jī)遇壯大煤電聯(lián)營(yíng)規(guī)模，提升煤化工產(chǎn)業(yè)鏈高附加值環(huán)節(jié)占比，實(shí)現(xiàn)煤炭?jī)r(jià)值衍生；“三新”依托產(chǎn)業(yè)特色優(yōu)勢(shì)，拓展高端裝備制造、新能源新材料、現(xiàn)代物流貿(mào)易三大新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，拓展高質(zhì)量增長(zhǎng)空間，打造重要增長(zhǎng)極；同時(shí)，依托金融、科技、資產(chǎn)管理、綜合服務(wù)等專業(yè)力量，整合打造金融投資、科技創(chuàng)新、資產(chǎn)管理、綜合保障4類專業(yè)服務(wù)，助力主業(yè)發(fā)展。

在新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)下，煤炭是推動(dòng)跨越發(fā)展的基礎(chǔ)；煤電、煤化工是戰(zhàn)略性發(fā)展業(yè)務(wù)，是發(fā)展的重要增長(zhǎng)極；高端裝備制造、新能源新材料是培育性業(yè)務(wù)，是支撐中長(zhǎng)期發(fā)展的重要增長(zhǎng)極；現(xiàn)代物貿(mào)是業(yè)績(jī)規(guī)模與質(zhì)量的重要保障，是綜合影響力的有力支撐；金融投資、科技創(chuàng)新、資產(chǎn)管理、綜合保障四類專業(yè)服務(wù)，以專業(yè)能力、專業(yè)人才、專業(yè)服務(wù)助力主業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1.2 山能區(qū)域布局

依據(jù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化區(qū)域戰(zhàn)略布局，打造“一核心三基地五平臺(tái)”的區(qū)域結(jié)構(gòu)，即山東—戰(zhàn)略核心；陜甘蒙、澳洲、新疆—產(chǎn)業(yè)支撐保障基地；濟(jì)南、青島、上海、海南、歐洲—?jiǎng)?chuàng)新集聚平臺(tái)。

山能發(fā)揮多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同、總部戰(zhàn)略引領(lǐng)優(yōu)勢(shì)，打造成推動(dòng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、引領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略核心。產(chǎn)業(yè)方面，多點(diǎn)布局打造省內(nèi)產(chǎn)業(yè)集群，在濟(jì)南、濟(jì)寧、青島、棗莊、日照、菏澤等區(qū)域建設(shè)一批重點(diǎn)項(xiàng)目，推動(dòng)煤炭精細(xì)發(fā)展、煤電煤化工高端發(fā)展、高端裝備制造集聚發(fā)展、新能源新材料規(guī)模發(fā)展、現(xiàn)代物流貿(mào)易高效協(xié)同發(fā)展。能源保障方面，提高能源供應(yīng)掌控力，加強(qiáng)全球資源調(diào)配，統(tǒng)籌推進(jìn)全省能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建全省能源運(yùn)輸、銷售和服務(wù)體系，保障區(qū)域能源總量安全、結(jié)構(gòu)安全。礦區(qū)轉(zhuǎn)型方面，充分借鑒國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)及政策機(jī)遇，推進(jìn)后煤礦時(shí)代產(chǎn)業(yè)體系接續(xù)，盤活礦區(qū)存量資產(chǎn)，打造資源型企業(yè)向新能源型企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的示范標(biāo)桿。

陜甘蒙、澳洲、新疆，發(fā)揮煤電煤化聯(lián)動(dòng)、省外資源統(tǒng)籌優(yōu)勢(shì)，打造成行業(yè)領(lǐng)先、助力省內(nèi)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)支撐保障基地。

1)陜甘蒙基地：依托豐富的資源儲(chǔ)備，以煤為基礎(chǔ)構(gòu)建煤電、煤化、新能源多元產(chǎn)業(yè)體系；煤炭方面，抓住政策機(jī)遇，加大兼并重組力度，最大限度釋放增量潛能，打造全國(guó)一流示范礦井群；煤化工方面，積極推動(dòng)項(xiàng)目建設(shè)，構(gòu)建從“原料到終端”的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，培植新的價(jià)值增長(zhǎng)點(diǎn)，形成高端化工園區(qū)集群；煤電及新能源方面，加快推進(jìn)一批煤電、風(fēng)電、光伏項(xiàng)目建設(shè)，打造成核心的外電入魯基地。

2)澳洲基地：充分發(fā)揮澳洲基地海外運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，積極實(shí)施優(yōu)質(zhì)煤炭資源兼并重組，擴(kuò)大資源儲(chǔ)備，瞄向南亞東南亞國(guó)家，拓展銷售市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)“資源儲(chǔ)備、資源開發(fā)、資源轉(zhuǎn)化”的新跨越；同步實(shí)施多元化發(fā)展策略，由單一煤炭經(jīng)營(yíng)橫向擴(kuò)展到基礎(chǔ)金屬、能源礦產(chǎn)、天然氣等其他領(lǐng)域，縱向延伸到可再生能源發(fā)電、能源貿(mào)易、能源零售、能源科技等新能源業(yè)務(wù)領(lǐng)域，建設(shè)成國(guó)際一流的大型綜合能源基地。

3)新疆基地：協(xié)同煤炭資源開發(fā)，抓住建設(shè)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)的機(jī)遇，把握開發(fā)節(jié)奏、謀劃發(fā)展策略，有序推進(jìn)新疆資源開發(fā)利用，培育建設(shè)煤化一體化綜合發(fā)展基地，支撐中長(zhǎng)期發(fā)展。在三大產(chǎn)業(yè)支撐保障基地建設(shè)同時(shí)，穩(wěn)步推進(jìn)加拿大、南美等礦權(quán)和礦業(yè)資產(chǎn)的開發(fā)及運(yùn)作，增強(qiáng)非煤礦業(yè)對(duì)煤炭產(chǎn)業(yè)的對(duì)沖、協(xié)同功能，培育成海外業(yè)務(wù)重要增長(zhǎng)極。

濟(jì)南、青島、上海、海南、歐洲，發(fā)揮物流、貿(mào)易、金融、科技、人才等資源要素集聚優(yōu)勢(shì)，打造模式領(lǐng)先、合作開放的創(chuàng)新集聚平臺(tái)。濟(jì)南：發(fā)揮總部?jī)?yōu)勢(shì)，整合內(nèi)部電商平臺(tái)，建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)字化供應(yīng)鏈平臺(tái)，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)思維覆蓋大宗商品貿(mào)易流通領(lǐng)域的長(zhǎng)尾市場(chǎng)，打造物流貿(mào)易線上線下創(chuàng)新運(yùn)作的新平臺(tái)。青島：借力區(qū)位優(yōu)勢(shì)和自貿(mào)區(qū)政策優(yōu)勢(shì)，依托物流貿(mào)易產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，打造油氣全產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)際能源交易中心，建立世界級(jí)油氣儲(chǔ)運(yùn)、銷售和交易的大市場(chǎng)。上海：充分利用貿(mào)易、金融、科技創(chuàng)新人才資源，發(fā)揮上海中期牌照優(yōu)勢(shì)，積極升級(jí)物流貿(mào)易商業(yè)模式，同時(shí)，整合金融服務(wù)資源，打造以融助產(chǎn)的金融服務(wù)平臺(tái)，建設(shè)貿(mào)易金融科技創(chuàng)新發(fā)展平臺(tái)。海南：積極對(duì)接海南自貿(mào)港的建設(shè)，構(gòu)建智慧供應(yīng)鏈為基礎(chǔ)的能源大宗商品現(xiàn)貨交易平臺(tái)，拓展供應(yīng)鏈集成服務(wù)，積極對(duì)接國(guó)內(nèi)外的大宗商品期貨交易所，打造具有國(guó)際影響力的能源定價(jià)中心。歐洲：集聚歐洲先進(jìn)企業(yè)煤炭、高端化工、高端裝備制造、新能源、新材料的先進(jìn)技術(shù)資源，加強(qiáng)技術(shù)合作、產(chǎn)業(yè)合作，建設(shè)一批高端產(chǎn)業(yè)研究及技術(shù)創(chuàng)新中心，打造科技創(chuàng)新海外平臺(tái)。

2 兗礦集團(tuán)技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與山能技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)

2.1 兗礦集團(tuán)技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和成效

兗礦集團(tuán)歷來高度重視技術(shù)創(chuàng)新工作，集團(tuán)內(nèi)部通過建設(shè)創(chuàng)新管理體系、創(chuàng)新機(jī)制、創(chuàng)新平臺(tái)和創(chuàng)新人才及團(tuán)隊(duì)建設(shè)，不斷激發(fā)集團(tuán)內(nèi)部創(chuàng)新活力和創(chuàng)造潛能。在創(chuàng)新體系建設(shè)方面，健全并完善了以技術(shù)委員會(huì)為決策層、專家委員會(huì)為咨詢層、技術(shù)中心為管理層、專業(yè)技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)為開發(fā)層、高等院校和科研院所為支持層的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新運(yùn)行體系。

兗礦集團(tuán)在發(fā)展過程中，不斷健全了技術(shù)創(chuàng)新管理制度，制訂并不斷完善《科技創(chuàng)新工作管理辦法》《專利工作管理辦法》《科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)辦法》《標(biāo)準(zhǔn)化工作管理辦法》《縱向課題管理辦法》《重大專項(xiàng)管理制度》等關(guān)鍵性管理機(jī)制，從技術(shù)創(chuàng)新立項(xiàng)、實(shí)施、評(píng)價(jià)和推廣應(yīng)用全過程所涉及的項(xiàng)目論證、資金使用、過程控制及研發(fā)成果、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面強(qiáng)化制度保障。

山能還先后與高等院校、科研院所合作，充分發(fā)揮國(guó)家級(jí)技術(shù)中心、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、博士后工作站等研發(fā)平臺(tái)在人才引進(jìn)、培養(yǎng)中的作用，注重引進(jìn)高層次領(lǐng)軍人才。2015年，相繼引進(jìn)兩位國(guó)家“千人計(jì)劃”專家。以科研課題為載體，推進(jìn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)，在科技攻關(guān)中培養(yǎng)人才、錘煉隊(duì)伍。綜采放頂煤開采技術(shù)等31個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)被認(rèn)定為集團(tuán)公司級(jí)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。山能獲國(guó)家獎(jiǎng)情況見表1。

經(jīng)過兗礦集團(tuán)長(zhǎng)期的研發(fā)和攻關(guān)，形成了以大型礦井建設(shè)、厚煤層綜放開采、煤礦防滅火、薄煤層綜采、水煤漿氣化、粉煤加壓氣化、煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)、煤炭間接液化為核心的煤炭安全高效開采與潔凈利用技術(shù)體系，并實(shí)現(xiàn)了由引進(jìn)消化吸收到技術(shù)引領(lǐng)的根本性轉(zhuǎn)變，支撐和引領(lǐng)了煤炭高效開采、煤化工產(chǎn)業(yè)、大型鋁合金型材制造等行業(yè)發(fā)展方向。

1)礦井建設(shè)技術(shù)方面。創(chuàng)新了立井凍結(jié)、大硐室施工、錨噴支護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，兗州礦區(qū)工程建設(shè)施工新技術(shù)榮獲1992年度國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，加速了我國(guó)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的步伐。2006年，千米埋深礦井建設(shè)技術(shù)再次榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。兗礦集團(tuán)牽頭實(shí)施的“煤礦深井建設(shè)與提升基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)示范工程”課題被列入國(guó)家2016年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。

2)綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)方面。自主開發(fā)綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)，采煤工作面效率提高8倍以上，獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)(1998年)。成功研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、支護(hù)效率高、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、便于電液程序控制的兩柱掩護(hù)式綜采放頂煤液壓支架，技術(shù)先后向德國(guó)DBT公司和美國(guó)比塞洛斯國(guó)際公司實(shí)施許可，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)煤炭行業(yè)對(duì)外技術(shù)輸出零的突破。以兩柱掩護(hù)式綜采放頂煤液壓支架為關(guān)鍵設(shè)備的“自動(dòng)化放頂煤關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)及其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用”項(xiàng)目，獲2009年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

3)厚煤層開采防滅火技術(shù)方面。成功開發(fā)了煤層自燃液態(tài)二氧化碳防滅火技術(shù)、火災(zāi)隱患識(shí)別及控制新技術(shù)、煤層自燃隱蔽火源紅外成像探測(cè)技術(shù)，松軟煤層綜放面自然火災(zāi)預(yù)測(cè)及防治技術(shù)、基于粉煤灰資源化的礦井防滅火成套技術(shù)及裝備。多項(xiàng)成果獲山東省和煤炭工業(yè)科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)，使兗礦集團(tuán)的煤礦防滅火技術(shù)走在行業(yè)前列。

4)極薄煤層綜采技術(shù)方面。通過對(duì)薄煤層機(jī)械化開采關(guān)鍵裝備與工藝技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，首次實(shí)現(xiàn)了1 m以下含堅(jiān)硬夾矸與硫化鐵硬結(jié)核薄煤層的安全高效綜合機(jī)械化開采?！耙幻滓韵潞瑘?jiān)硬夾矸薄煤層安全高效綜采成套裝備與技術(shù)”獲2010年度中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。

5)水煤漿氣化技術(shù)方面。自主開發(fā)了水煤漿加壓氣化及氣體凈化制合成氨新工藝，榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)(1995年)。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，該技術(shù)獲2007年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。依托具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，承擔(dān)并完成了國(guó)家“十一五”863計(jì)劃“日處理2 000 t煤新型水煤漿氣化技術(shù)”課題。2014年7月，國(guó)家“十二五”863計(jì)劃3 000 t級(jí)超大型化水煤漿氣化技術(shù)示范裝置在兗煤鄂爾多斯能化榮信化工公司投產(chǎn)?！案咝Т笮退簼{氣化技術(shù)”研究成果獲得2015年度山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)及2016年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

6)煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)技術(shù)方面。承擔(dān)完成國(guó)家“863”計(jì)劃“煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”課題，首次實(shí)現(xiàn)了高效煤氣化發(fā)電與甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)行，打破了國(guó)外壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，該成果獲2009年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

7)在煤間接液化技術(shù)方面。歷經(jīng)10余年堅(jiān)持不懈的研究與攻關(guān)，承擔(dān)6項(xiàng)國(guó)家973、863等重大課題，成功完成了高低溫費(fèi)托合成煤間接液化制油技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究、中試研究和產(chǎn)業(yè)化示范，取得發(fā)明專利33項(xiàng)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤間接液化制油技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，是我國(guó)煤清潔高效利用技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上重要的里程碑，對(duì)保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源多元化發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。

2.2 山能技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)

山能按照“對(duì)標(biāo)接軌、放管結(jié)合、分級(jí)管理”原則，構(gòu)建了以集團(tuán)公司、二級(jí)公司、三級(jí)單位為主體的三級(jí)研發(fā)體系，充分激發(fā)各級(jí)創(chuàng)新活力和創(chuàng)造潛能，山能科技創(chuàng)新制度體系如圖1所示。

圖1 山能科技創(chuàng)新制度體系

打破原有研發(fā)機(jī)構(gòu)組織設(shè)置，組建集科技管理、生產(chǎn)技術(shù)管理、重大技術(shù)研發(fā)及成果轉(zhuǎn)化為一體的集團(tuán)總部研發(fā)機(jī)構(gòu)(技術(shù)研究總院)，填補(bǔ)了在重大技術(shù)研發(fā)、重大災(zāi)害治理和成果轉(zhuǎn)化等創(chuàng)新服務(wù)職能上的空白，進(jìn)一步促進(jìn)人才、平臺(tái)、項(xiàng)目、資金等資源要素集約高效配置。

3 厚煤層放頂煤技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐

3.1 厚煤層綜采放頂煤發(fā)展歷程

我國(guó)厚煤層約占煤炭總儲(chǔ)量的45%，厚煤層過去一直沿用分層開采方法，存在巷道掘進(jìn)率高、工序復(fù)雜、效率低和成本高的問題[2-4]。兗礦集團(tuán)自1992年開始進(jìn)行綜采放頂煤技術(shù)實(shí)踐，取得了巨大的成功，使之成為6 m以上厚煤層安全高效采煤方法。但綜放開采普遍采用人工操作，用人多、效率低、安全隱患大[5]，嚴(yán)重制約了綜放開采技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)出口。

1996年兗礦集團(tuán)承擔(dān)了煤炭行業(yè)“九五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目“緩傾斜特厚煤層高產(chǎn)高效綜放開采成套技術(shù)與裝備研究”項(xiàng)目，對(duì)綜放開采工藝與成套設(shè)備進(jìn)行了一系列卓有成效的研究與開拓創(chuàng)新，其中包括地質(zhì)條件適應(yīng)性、技術(shù)裝備、綜掘配套技術(shù)、開拓系統(tǒng)、采場(chǎng)與回采巷道礦壓控制技術(shù)、煤炭采出率控制技術(shù)成套設(shè)備與工藝研究，針對(duì)兗州礦區(qū)綜放工作面存在的問題，研制成功適用于緩傾斜厚煤層綜放開采放頂煤液壓支架、可放煤排頭支架；研制配套成功綜放工作面前后部刮板輸送機(jī)及區(qū)段巷道運(yùn)輸系統(tǒng)。使綜放工作面整體配套綜合生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn)400萬t以上，體現(xiàn)出了技術(shù)先進(jìn)、國(guó)產(chǎn)設(shè)備成套性強(qiáng)、生產(chǎn)能力大、質(zhì)量可靠、安全性好的特點(diǎn)，是當(dāng)時(shí)我國(guó)最先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)綜機(jī)設(shè)備，填補(bǔ)了我國(guó)高性能參數(shù)綜采設(shè)備的空白。

隨后“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“600萬t綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”首次將電液控核心技術(shù)應(yīng)用于綜放液壓支架，使興隆莊煤礦日產(chǎn)突破了2萬t。新型高效兩柱式綜采放頂煤液壓支架獲得了行業(yè)首個(gè)國(guó)際專利，在澳大利亞建成了第一個(gè)全自動(dòng)化綜放工作面，并完成向德國(guó)DBT公司、美國(guó)Bucyrus公司的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，實(shí)現(xiàn)我國(guó)向發(fā)達(dá)國(guó)家輸出采煤技術(shù)裝備零的突破。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)煤炭工業(yè)綜采放頂煤技術(shù)及裝備升級(jí)，達(dá)到了“一礦一井一面”安全高效生產(chǎn)格局。

3.2 厚煤層綜采放頂煤主要技術(shù)創(chuàng)新

經(jīng)過近20多年的開拓創(chuàng)新，使得綜放開采這種有爭(zhēng)議的開采方法成為一種技術(shù)成熟、高產(chǎn)高效的先進(jìn)開采方法，從而使我國(guó)進(jìn)入一個(gè)全新發(fā)展的時(shí)期。事實(shí)證明，放頂煤開采技術(shù)和方法是我國(guó)煤層開采方法的一次革命，是我國(guó)厚煤層開采實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效、低耗和安全生產(chǎn)的有效途徑。兗礦集團(tuán)在綜采放頂煤技術(shù)取得成就體現(xiàn)在自動(dòng)化放煤、兩柱掩護(hù)式綜采放頂煤液壓支架、綜放開采截割工藝與半刀截割工藝、區(qū)段平巷超前液壓支架制造、負(fù)壓降塵等5個(gè)方面。

1)自動(dòng)化放頂煤開采方法。以電液控支架和采煤機(jī)之間聯(lián)動(dòng)為核心，通過工控機(jī)實(shí)現(xiàn)綜放工作面配套設(shè)備和外圍系統(tǒng)的高效聯(lián)動(dòng)，建立了自動(dòng)化、信息化綜放工作面安全高效運(yùn)行控制體系；開發(fā)了綜放工作面采煤機(jī)自動(dòng)記憶切割、支架自動(dòng)跟機(jī)移架、前部刮板輸送機(jī)和后部刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)的自動(dòng)推移、自動(dòng)化放頂煤工藝、煤流自動(dòng)平衡監(jiān)控、工作面工況自動(dòng)監(jiān)控以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊等自動(dòng)化技術(shù)(圖3)，實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤工作面自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖3 厚煤層放頂煤開采工藝

2)兩柱掩護(hù)式綜采放頂煤液壓支架。在興隆莊煤礦首次將電液控制系統(tǒng)應(yīng)用于綜放液壓支架，并發(fā)明了適宜自動(dòng)化開采的兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，實(shí)現(xiàn)了綜放自動(dòng)化開采技術(shù)的重大突破；與天地科技股份有限公司合作，推動(dòng)電液控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架專利成功轉(zhuǎn)讓德國(guó)DBT公司，并在澳大利亞得到應(yīng)用，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)煤炭開采技術(shù)向世界先進(jìn)采礦國(guó)家技術(shù)輸出的先例。

3)綜放開采截割工藝與半刀截割工藝。開發(fā)了適應(yīng)智能開采的18段截割工藝，在傳統(tǒng)采煤機(jī)截割工藝基礎(chǔ)上，通過傳感系統(tǒng)的精度和可靠性提升，實(shí)現(xiàn)全作業(yè)循環(huán)的自動(dòng)化智能截割[6]；創(chuàng)新試驗(yàn)半刀截割工藝，通過中部半刀截割，端頭全刀截割，簡(jiǎn)化端頭三角煤截割過程，滿足智能高效開采需求。

4)綜放工作面端頭和區(qū)段平巷超前液壓支架支護(hù)系統(tǒng)。提出了端頭與超前巷道半卸載聯(lián)合支護(hù)原理，創(chuàng)新研發(fā)了新型工作面端頭液壓支架和區(qū)段平巷超前液壓支架支護(hù)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了工作面端頭和區(qū)段平巷超前機(jī)械化支護(hù)作業(yè)，填補(bǔ)了我國(guó)區(qū)段平巷超前支護(hù)采用液壓支架的空白，實(shí)現(xiàn)了端頭液壓支架與刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)部及轉(zhuǎn)載機(jī)之間的高效協(xié)調(diào)作業(yè)，解決了工作面出口和超前支護(hù)段的安全，提高了端頭和區(qū)段平巷超前支護(hù)的效果，實(shí)現(xiàn)了綜采設(shè)備的成套性和回采工藝的連續(xù)性，圖4為東灘煤礦自動(dòng)化綜放工作面。

圖4 東灘煤礦自動(dòng)化綜放工作面

5)綜放工作面負(fù)壓二次降塵技術(shù)。揭示了噴霧降塵的多種聯(lián)合作用機(jī)理，研制了合適孔徑的噴嘴并選定了相應(yīng)的噴霧供水壓力；優(yōu)選了綜放工作面支架噴霧降塵裝置的現(xiàn)場(chǎng)配套設(shè)計(jì)方案，發(fā)明了綜放工作面負(fù)壓二次降塵方法，開發(fā)研制了采煤機(jī)高壓水霧吸塵裝置、兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架高壓自動(dòng)噴霧引射降塵和工作面架間沖塵技術(shù)。

4 8.2 m超大采高智能綜采技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐

在大采高開采方面，傳統(tǒng)綜采工作面開采高度為3.2 m；早在2005年，為滿足3號(hào)煤聯(lián)合開采需求，兗礦集團(tuán)研發(fā)出4.0、3.8 m大采高支架，并在興隆莊、東灘煤礦進(jìn)行試驗(yàn)。2010年以來，兗礦集團(tuán)煤炭開采向陜蒙基地拓展，陜蒙煤炭基地煤層賦存的條件優(yōu)越，具有厚度穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)致密、整體性強(qiáng)、硬度大、瓦斯低、埋深淺等優(yōu)點(diǎn)，但采用綜采放頂煤開采存在頂煤冒放性差、采出率低等問題，大采高綜采是最理想的開采方法。圍繞建設(shè)“千人千萬噸”安全高效示范礦井，針對(duì)陜蒙基地礦井地質(zhì)條件，兗礦集團(tuán)先后研發(fā)應(yīng)用了適于不同埋深、不同煤層賦存條件的3～4、5.5、6.0、6.8、8.2 m大采高和超大采高綜采技術(shù)與成套裝備(表2)。

表2 安全高效開采技術(shù)裝備

金雞灘煤礦一盤區(qū)東西長(zhǎng)11.5 km，南北寬5.1 km，埋深210～287 m，在中間布置大巷，分為東、西兩翼開采。西翼煤層厚度5.5～8.5 m，東翼煤層厚度9～13 m，煤層平均普氏系數(shù)2.8，屬于典型堅(jiān)硬、特厚煤層。金雞灘礦積極承接了8.2 m超大采高綜采智能開采的可行性項(xiàng)目，并在西翼進(jìn)行了超大采高綜采配套技術(shù)及裝置的研究開發(fā)與智能控制技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)8 m厚煤層大采高一次采全厚綜采；形成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超大采高綜采成套工藝技術(shù)及裝置，大幅提高了工作面開采效率和資源采出率，取得巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，引領(lǐng)了世界大采高綜采技術(shù)與裝備的發(fā)展(圖5)。在金雞灘煤礦成功應(yīng)用，達(dá)到日產(chǎn)5.7萬t，月產(chǎn)150萬t以上水平，具備了年產(chǎn)2 000萬t能力。

圖5 8.2 m超大采高綜采技術(shù)及成套裝備

4.1 超大采高綜采技術(shù)及裝備

1)液壓支架與圍巖耦合狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)方法。液壓支架與圍巖力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制是超大采高綜采需解決的首要難題，為此發(fā)明液壓支架與圍巖耦合(圖6)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)方法，實(shí)時(shí)獲取、分析支架與圍巖的耦合狀態(tài)[7]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的失穩(wěn)傾向，快速控制支架采取措施保持頂板、煤壁的穩(wěn)定力學(xué)狀態(tài)，解決超大采高工作面穩(wěn)定性控制的技術(shù)難題。

N—立柱數(shù)量；K—立柱剛度；β—立柱傾角；E1—頂?shù)装鍘r體彈性模量；Lk—控頂距；d—水平合力與底板的距離；b—煤壁片幫深度；α1—巖層破斷角；H1—煤壁高度；E2—煤體彈性模量；I—慣性矩；P—工作面壓力；α2—煤層傾角；B—支架寬度；f1—支架與頂板摩擦因數(shù)；f2—支架與底板摩擦系數(shù)；H2—支架高度；h—支架中心高度；W—支架重力；F—液壓支架工作阻力

2)適用于超大采高工作面的采煤機(jī)以及開采方法。針對(duì)普通采煤機(jī)無法滿足超大采高工作面割煤效率、尺寸、可靠性及生產(chǎn)工藝要求的難題，發(fā)明適用于7～10 m厚煤層的三滾筒采煤機(jī)以及開采方法改變傳統(tǒng)的雙滾筒采煤機(jī)截割方式，將7～10 m厚煤層分為上部、中部、下部3部分截割，并通過與刮板輸送機(jī)、超大采高液壓支架配套實(shí)現(xiàn)端部斜切進(jìn)刀，實(shí)現(xiàn)7～10 m厚煤層高效回采。

4.2 超大采高綜采圍巖控制理論

針對(duì)超大采高工作面礦山壓力顯現(xiàn)具有明顯的動(dòng)載沖擊及大小周期來壓的特征，建立了超大采高工作面頂板巖層的“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)模型[8-10]及煤壁片幫的“拉裂滑移力學(xué)模型”，解決了超大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制難題。

針對(duì)超大采高工作面動(dòng)載礦壓及超高煤壁特征，提出了超大采高液壓支架合理工作阻力確定的“雙因素控制法”，即同時(shí)考慮液壓支架對(duì)頂板與煤壁的控制(圖7)，臨界護(hù)幫力不僅是支架護(hù)幫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，也是工作面是否需要采取額外防片幫措施的判據(jù)。

圖7 超大采高工作面圍巖-支架結(jié)構(gòu)模型

4.3 超大采高液壓支架

1)大缸徑能量耗散抗沖擊立柱及三級(jí)協(xié)動(dòng)護(hù)幫裝置。為滿足超大采高工作面動(dòng)載礦壓支護(hù)要求，基于能量耗散原理，發(fā)明了增容緩沖抗沖擊雙伸縮立柱；發(fā)明了超大采高液壓支架三級(jí)協(xié)動(dòng)護(hù)幫裝置，采用伸縮梁與護(hù)幫板分體結(jié)構(gòu)型式，護(hù)幫高度可以達(dá)到4.0 m以上，大幅提高了護(hù)幫板對(duì)煤壁的護(hù)幫效果。

2)高強(qiáng)度超大采高液壓支架研發(fā)。研發(fā)了煤機(jī)裝備用Q890～Q1150高強(qiáng)度易焊接結(jié)構(gòu)鋼，創(chuàng)新焊接機(jī)器人多層多道焊接工藝；首次進(jìn)行支架大結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力測(cè)試，開發(fā)不完全退火消除殘余應(yīng)力的工藝技術(shù)，超大采高液壓支架結(jié)構(gòu)件減重15%以上，整體可靠性與使用壽命大幅提升。

3)液壓支架三維動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。針對(duì)超大采高液壓支架承受動(dòng)載沖擊加劇的情況，發(fā)明了大缸徑增容緩沖抗沖擊立柱(圖8)，支架承載峰值壓力下降20%，有效克服了大采高工作面的動(dòng)載效應(yīng)；建立支架與圍巖動(dòng)力學(xué)耦合模型，得出了支架在動(dòng)載沖擊工況下的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)，進(jìn)而確定支架薄弱受力點(diǎn)和高敏感區(qū)；將支架所受的非線性時(shí)變載荷作為支架強(qiáng)度校核、穩(wěn)定性計(jì)算的外載，開發(fā)了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，將國(guó)內(nèi)外普遍采用的靜載計(jì)算升級(jí)為動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算。

圖8 液壓支架三維動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

4.4 超大采高刮板運(yùn)輸系統(tǒng)

1)超大采高煤量自適應(yīng)智能變頻集中控制的刮板運(yùn)輸系統(tǒng)，創(chuàng)新研發(fā)了基于變頻調(diào)速的SGZ1400/3×1600重型刮板輸送機(jī)主從控制、主控速度、多電動(dòng)機(jī)功率協(xié)同的智能變頻控制技術(shù)[11]，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無級(jí)軟啟動(dòng)，大幅降低了機(jī)械沖擊及電網(wǎng)沖擊，極大改善設(shè)備啟動(dòng)、運(yùn)行過程中的各項(xiàng)性能。

2)超大規(guī)格鏈傳動(dòng)系統(tǒng)。研制了?56 mm×187 mm、?60 mm×181/197 mm緊湊型高強(qiáng)度圓環(huán)鏈，鏈條的破斷強(qiáng)度、疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)均達(dá)到國(guó)際水平；研制出軋焊一體結(jié)構(gòu)的中部槽體、超長(zhǎng)雙向?qū)ΨQ模鍛刮板，大幅提高槽體及刮板的強(qiáng)度及壽命，如圖9所示。

圖9 超大規(guī)格鏈傳動(dòng)系統(tǒng)和大塊煤連續(xù)破碎裝置

3)齒輥式大塊煤連續(xù)破碎裝置。針對(duì)超大采高工作面在過渡段易發(fā)生大塊煤堵塞問題，創(chuàng)新研發(fā)了重型刮板輸送機(jī)卸載區(qū)電直驅(qū)齒輥式連續(xù)破碎裝置，解決了工作面輸送機(jī)卸載點(diǎn)和轉(zhuǎn)載機(jī)入口點(diǎn)大塊煤堵塞難題，保證了工作面連續(xù)快速推進(jìn)。

4.5 超大采高綜采成套設(shè)備配套系統(tǒng)

1)超大采高綜采“大梯度+小臺(tái)階”短緩過渡配套方式。創(chuàng)新了超大采高工作面大梯度過渡配套方式，通過特殊設(shè)計(jì)的大側(cè)護(hù)板過渡液壓支架，實(shí)現(xiàn)由工作面中部(高8.0 m)到上、下兩端頭巷道(高4.5 m)的“大梯度+小臺(tái)階”直接過渡(圖10)，解決了工作面端頭三角煤損失問題，單個(gè)工作面可多回采煤炭超過40萬t。

圖10 “大梯度+小臺(tái)階”方法

2)超大采高工作面支護(hù)系統(tǒng)群組協(xié)同控制方法。在單架穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)上，采用分布式控制策略進(jìn)行液壓支護(hù)系統(tǒng)群組協(xié)同控制，大幅提升系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)超大采高液壓支架支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖的自適應(yīng)控制。

3)超大采高工作面集成配套技術(shù)及裝置。發(fā)明了適用于超大采高的開切眼及區(qū)段平巷超前支護(hù)、智能噴霧、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、快速折疊輸送帶自移系統(tǒng)及超大流量高壓自動(dòng)補(bǔ)償快速移架系統(tǒng)等工作面集成配套技術(shù)及裝置，支撐超大采高工作面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化開采。

5 7 m超大采高智能綜放開采方法和工藝體系

西部特厚硬煤開采實(shí)踐表明，采用3～5 m普通綜放和大采高綜采等工藝，因煤層硬度大、完整性好、頂煤不易垮落，存在懸頂和易成拱等問題，提高頂煤冒放性與控制煤壁穩(wěn)定性協(xié)調(diào)采放空間的矛盾突出。實(shí)現(xiàn)西部礦區(qū)特厚硬煤層的高產(chǎn)、高效和高采出率開采是目前亟需解決的重大難題，主要面臨3大科學(xué)技術(shù)問題：①特厚硬煤層高效開采理論和工藝；②特厚煤層綜放開采高效采-運(yùn)-支-放成套裝備開發(fā)與配套；③智能化放煤理論與控制策略。

兗礦能源集團(tuán)股份有限公司金雞灘煤礦在西翼8.2 m超大采高綜采成功后，如何對(duì)東翼9～13 m煤層安全高效開采成為新的研究課題。2017—2018年，針對(duì)金雞灘煤礦東翼9～13 m堅(jiān)硬、特厚煤層，研制了7 m超大采高綜放開采成套技術(shù)及裝備，成套裝備可滿足年產(chǎn)2 000萬t。經(jīng)過近10 a的技術(shù)儲(chǔ)備與持續(xù)攻關(guān)，山能自主創(chuàng)新4項(xiàng)核心技術(shù)和工程保障體系，通過開采理論、成套裝備、開采工藝和智能化系統(tǒng)等創(chuàng)新研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界首套超大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備。

5.1 超大采高綜放圍巖控制理論

1)采-支-運(yùn)-放協(xié)同優(yōu)化的“四位一體”采放比優(yōu)化方法。提出了加大割煤高度、增強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度、增大頂煤破碎度、提高采出率的特厚硬煤超大采高綜放開采方法；首創(chuàng)了7 m超大采高綜放開采工藝，為西部煤炭基地9 m以上特厚硬煤高效、高采出率開采提供了新的技術(shù)途徑。揭示了不同采放比時(shí)頂煤塑性破壞范圍、破裂強(qiáng)度和放煤空間的變化規(guī)律；創(chuàng)立了超大采高綜放工作面煤壁穩(wěn)定性與頂煤采出率協(xié)同控制的超大采高、小采放比開采工藝。提出了主動(dòng)支撐降負(fù)重、水平分力抑位移、擴(kuò)大防護(hù)增穩(wěn)定的煤壁穩(wěn)定性控制方法。確定了適應(yīng)金雞灘煤層賦存條件的采放比1∶0.5～1∶1，割煤高度6～7 m，放煤高度3～7 m。

2)超大采高綜放支架-圍巖耦合協(xié)調(diào)采放空間控制方法。建立了支架-圍巖近場(chǎng)初次耦合模型，發(fā)現(xiàn)了支架主動(dòng)支撐次數(shù)和強(qiáng)度與頂煤預(yù)裂的規(guī)律，揭示了主動(dòng)增裂提高頂煤冒放性的機(jī)理；建立了遠(yuǎn)場(chǎng)圍巖組合懸臂梁結(jié)構(gòu)與不穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)交替的支架-圍巖二次耦合力學(xué)模型；揭示了遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)破碎頂煤的機(jī)理，提出了通過增大礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度提高頂煤破碎度的采放空間控制方法。

5.2 超大采高綜放開采工藝

1)超大采高綜放頂煤瀑布式運(yùn)移規(guī)律。研究了掩護(hù)梁傾角、長(zhǎng)度、摩擦系數(shù)對(duì)頂煤運(yùn)移的影響，揭示了超大采高綜放頂煤“瀑布式”運(yùn)移規(guī)律(圖11)，從拉架被動(dòng)放煤變成主動(dòng)滑移冒落，減少了煤矸混層，提高頂煤采出率。根據(jù)煤矸滑落至放煤口的時(shí)間差，確定最佳放煤口動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了頂煤混矸率小于5%的控制目標(biāo)。改變了傳統(tǒng)“見矸關(guān)門”作業(yè)方式。

圖11 超大采高綜放頂煤瀑布式運(yùn)移規(guī)律

2)超大采高綜放“馬鞍形”開采工藝。根據(jù)采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律，首次提出并應(yīng)用了“馬鞍形”開采工藝(圖12)，提高了煤炭采出率。綜合考慮煤壁穩(wěn)定性及頂煤冒落塊度，確定中部采高6.0～6.5 m；因端部懸頂不易垮，增加過渡段采高至7 m，應(yīng)用此工藝首采工作面多采出煤炭約6萬t。

圖12 超大采高綜放“馬鞍形”開采工藝

5.3 超大采高綜放液壓支架

1)研制了世界首套7 m超大采高綜放液壓支架。開發(fā)世界最大高度、最高工作阻力ZFY21000/35.5/70D兩柱掩護(hù)式超強(qiáng)力綜放液壓支架；發(fā)明了帶彈性薄壁圓筒的530 mm大缸徑增容緩沖抗沖擊立柱，沖擊峰值壓力下降20%，有效克服超大采高綜放工作面沖擊載荷的動(dòng)載效應(yīng)。

2)綜放工作面大梯度過渡液壓支架。研發(fā)了綜放工作面大梯度過渡液壓支架，改善了支架受載狀態(tài)，便于工作面兩巷端頭液壓支架管理。減少了工作面上、下兩端部過渡段頂部三角煤損失，首采工作面可多回采三角煤40萬t。兩巷采用超前液壓支架，運(yùn)輸巷首創(chuàng)在破碎機(jī)前端布置超前支架，有效減少了轉(zhuǎn)載機(jī)的長(zhǎng)度。

3)研制了液壓支架狀態(tài)精確監(jiān)控系統(tǒng)。建立了放頂煤液壓支架空間位姿與受力狀態(tài)解算模型，攻克惡劣工況下信號(hào)傳輸及供電、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)難題，研制了液壓支架狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，具有支架高度、姿態(tài)和受力監(jiān)測(cè)功能，為液壓支架姿態(tài)精確感知提供了保障，為超大采高綜放多應(yīng)力場(chǎng)耦合圍巖穩(wěn)定性智能控制和智能放煤提供基礎(chǔ)。

5.4 超大采高綜放成套裝備配套系統(tǒng)

1)開發(fā)了國(guó)產(chǎn)IMOSS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IMOSS慣性導(dǎo)航技術(shù)，并能實(shí)現(xiàn)5G傳輸，消除國(guó)內(nèi)智能化開采核心部件對(duì)國(guó)外敏感產(chǎn)品的依賴，如圖13所示。通過慣導(dǎo)成套系統(tǒng)獲取采煤機(jī)三維運(yùn)行曲線，結(jié)合自主研發(fā)的智能零速校正、偏轉(zhuǎn)差角補(bǔ)償和軌跡擬合等算法，通過聯(lián)動(dòng)電液控對(duì)液壓支架推移進(jìn)行單獨(dú)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)工作面取直動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖13 自主研發(fā)的IMOSS慣性導(dǎo)航定位裝置

2)發(fā)明地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)群組自組織協(xié)同控制方法。根據(jù)工作面不同區(qū)域支護(hù)策略，發(fā)明了基于“自適應(yīng)穩(wěn)定性控制+隊(duì)列保持推進(jìn)” 2個(gè)控制線程的液壓支架群組穩(wěn)定支護(hù)和高效推進(jìn)協(xié)同控制方法；與IMOSS慣性導(dǎo)航技術(shù)配合保證了工作面設(shè)備間的有序運(yùn)行。

3)開發(fā)多點(diǎn)多級(jí)破碎自適應(yīng)超大運(yùn)力運(yùn)輸系統(tǒng)。研發(fā)了3 000 kW+2 000 kW(2個(gè)電動(dòng)機(jī))后部交叉?zhèn)刃豆伟遢斔蜋C(jī)，研制了多點(diǎn)多級(jí)煤流預(yù)破碎裝置；開發(fā)了以刮板輸送機(jī)運(yùn)行電流為主，煤量、采煤機(jī)位置和方向?yàn)檩o的智能調(diào)速方法，基于多電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡等控制，實(shí)現(xiàn)智能判斷、主動(dòng)適應(yīng)和固定調(diào)速區(qū)間的自動(dòng)調(diào)速。

6 中厚煤層工作面年產(chǎn)千萬噸智能開采創(chuàng)新實(shí)踐

我國(guó)大部分礦區(qū)的主采煤層是中厚煤層，綜合機(jī)械化生產(chǎn)是當(dāng)前最主要的生產(chǎn)方式[12]。國(guó)外從20世紀(jì)90年代開始研發(fā)煤礦自動(dòng)化技術(shù)，并在地質(zhì)條件較好的礦區(qū)實(shí)現(xiàn)了高效自動(dòng)化開采；我國(guó)從21世紀(jì)初開始了自動(dòng)化的探索，2000年兗礦集團(tuán)在國(guó)內(nèi)首次使用了液壓支架電液控制系統(tǒng)，2006—2013年研發(fā)國(guó)內(nèi)首套年產(chǎn)600萬t自動(dòng)化、信息化綜放成套裝備，并在東灘煤礦成功應(yīng)用；同期與德國(guó)DBT公司合作，在澳大利亞澳思達(dá)煤礦成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化綜放開采；2007年，國(guó)內(nèi)研制出首套替代進(jìn)口的液壓支架電液控制系統(tǒng)，奠定了綜采自動(dòng)化系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化最重要的基礎(chǔ)[13-15]。中厚煤層要達(dá)到年產(chǎn)千萬噸的產(chǎn)能還存在至少3個(gè)方面的技術(shù)難題：首先是采煤機(jī)割煤速度慢，以往國(guó)內(nèi)采煤機(jī)割煤速度普遍在10 m/min以下；其次是液壓支架自動(dòng)跟機(jī)過程中存在丟架、錯(cuò)位現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工作面快速連續(xù)推進(jìn);再者綜采裝備可靠性差，開機(jī)率普遍較低[14,16]。針對(duì)上述存在的3個(gè)難題，根據(jù)轉(zhuǎn)龍灣煤礦3～4 m中厚煤層的賦存條件，開發(fā)了煤礦成套綜采智能控制系統(tǒng)和智能化開采工藝，形成了綜采智能化技術(shù)體系和解決方案，建設(shè)了3～4 m中厚煤層年產(chǎn)千萬噸級(jí)礦井智能開采的工程示范，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面設(shè)備安全、智能、高效、協(xié)調(diào)的連續(xù)運(yùn)行，如圖14所示。

圖14 中厚煤層年產(chǎn)千萬噸智能開采工作面

6.1 千萬噸級(jí)工作面成套裝備及生產(chǎn)工藝

1)寬中心距、高可靠性強(qiáng)力液壓支架。根據(jù)中厚煤層賦存情況及礦山壓力顯現(xiàn)特征，為保證設(shè)備的穩(wěn)定性，提升支護(hù)強(qiáng)度，研制了寬中心距、高可靠性強(qiáng)力液壓支架。將支架中心距由1.5 m提升到2.05 m，采用缸徑為500 mm的大缸徑立柱，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.4 MPa以上，工作阻力達(dá)到16 000 kN；降低工作面支架數(shù)量30%以上；研制了機(jī)器人自動(dòng)化焊接制造技術(shù)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)件采用自動(dòng)化焊接，自動(dòng)焊接可達(dá)率提升10%以上，液壓支架整體可靠性明顯提升，液壓支架壽命試驗(yàn)達(dá)到50 000次。

2)大運(yùn)量、高可靠、超重型刮板輸送機(jī)。針對(duì)刮板輸送機(jī)存在輸送能力裕度過大、效能低、空耗磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，研制了大運(yùn)量、高可靠、超重型刮板輸送機(jī)。該刮板輸送機(jī)槽寬達(dá)到1 250 mm，運(yùn)輸能力達(dá)到3 000 t/h；鏈輪具有表面自強(qiáng)化特性，牽引輪與銷排嚙合性好、強(qiáng)度高，中部槽體耐磨性能好，可靠性高；采用智能柔性變頻調(diào)速系統(tǒng)，使得減速器傳動(dòng)平穩(wěn)、重載啟動(dòng)性能更好。

3)高速高可靠性電牽引采煤機(jī)。根據(jù)礦井年產(chǎn)千萬噸生產(chǎn)能力的需求，結(jié)合工作面設(shè)備總體設(shè)計(jì)要求，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，研制了新型采煤機(jī)。該采煤機(jī)采用交流變頻調(diào)速齒輪銷軌式無鏈牽引，具有恒功率自動(dòng)調(diào)速功能；配置瓦斯斷電裝置，實(shí)現(xiàn)瓦斯報(bào)警、斷電功能；采煤機(jī)機(jī)身預(yù)留合理且安全的集控系統(tǒng)RFID發(fā)射器安裝位置和集控系統(tǒng)慣性導(dǎo)航安裝位置。整機(jī)裝機(jī)功率2 395 kW，重載割煤速度17 m/min；截割效率高，破巖能力達(dá)到普氏系數(shù)6；基于慣性導(dǎo)航和高精度傳感器，顯著提升整機(jī)智能化水平，如圖15所示。

圖15 高速高可靠性電牽引采煤機(jī)

6.2 基于慣性導(dǎo)航的工作面直線度監(jiān)測(cè)與自動(dòng)找直控制技術(shù)

1)液壓支架快速自動(dòng)跟機(jī)移架控制技術(shù)。針對(duì)自動(dòng)化開采過程中對(duì)液壓系統(tǒng)供液能力不足的問題，為保證采煤機(jī)重載速度17 m/min時(shí)液壓支架的移架速度，加大了液壓系統(tǒng)管理力度，增大了泵站壓力和流量以提高供液能力，加大巷道管路直徑，提高了液壓系統(tǒng)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整支架自動(dòng)移架流程控制方案，改進(jìn)液壓控制軟件等措施，保證了單架自動(dòng)降-移-升時(shí)間在10 s以內(nèi)，4架同時(shí)移架總時(shí)間25 s以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了工作面供液狀態(tài)的有效提升，滿足了液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制。

2)基于慣性導(dǎo)航的厘米級(jí)精度直線度檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)工作面移動(dòng)過程中存在丟架及拉移不平直的現(xiàn)象，引入澳大利亞LASC慣性導(dǎo)航技術(shù)，首次在國(guó)內(nèi)綜采工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用慣性導(dǎo)航技術(shù)繪制工作面曲線，實(shí)現(xiàn)了LASC慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)綜采自動(dòng)化系統(tǒng)的深度融合，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面直線度控制，找直效果顯著，該技術(shù)滿足了智能化開采工作面在直線度控制下的連續(xù)推進(jìn)常態(tài)化應(yīng)用，工作面自動(dòng)找直效果如圖16所示。

圖16 工作面自動(dòng)找直效果

3)基于邏輯閥的精確推移刮板輸送機(jī)拉架及銷耳間隙控制技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)綜采工作面直線度控制，需要對(duì)液壓支架的動(dòng)作(推移刮板輸送機(jī)與移架)進(jìn)行精確控制，為此專門研制成功了推移專用雙速控制閥，當(dāng)支架完成自動(dòng)移架后，使用推移雙速控制閥慢速推移千斤頂，消除銷孔間隙，使推移千斤頂與刮板輸送機(jī)槽充分接觸，消除由于支撐力不夠造成刮板輸送機(jī)槽被移架支架拽回的情況，保證支架在下一循環(huán)移架時(shí)有統(tǒng)一行程，提升工作面液壓支架直線度控制。

6.3 采煤機(jī)自適應(yīng)全作業(yè)循環(huán)雙向智能截割技術(shù)

1)基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)定位定姿以及滾筒截割高度精確檢測(cè)技術(shù)。在工作面開采作業(yè)過程中，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)相對(duì)于煤層和開拓巷道的三維空間定位與姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)自動(dòng)化截割推進(jìn)的必要條件。應(yīng)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以精確檢測(cè)移動(dòng)設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過程中三維姿態(tài)和空間位置，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在采煤機(jī)上，將高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與采煤機(jī)控制系統(tǒng)相融合，精確描述出采煤機(jī)在工作面的三維運(yùn)行軌跡，為工作面輸送機(jī)及液壓支架的自動(dòng)調(diào)直提供數(shù)據(jù)支撐，并與工作面的GIS數(shù)據(jù)融合，完成先進(jìn)的自動(dòng)化開采水平控制，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的連續(xù)自動(dòng)化運(yùn)行，如圖17所示。

圖17 采煤機(jī)電控與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合

2)自適應(yīng)全作業(yè)循環(huán)的智能截割技術(shù)。采高控制自動(dòng)化是采煤機(jī)真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)，采用基于記憶截割技術(shù)實(shí)現(xiàn)采高自動(dòng)調(diào)節(jié)，使用循環(huán)深度(層數(shù))來描述作業(yè)工藝特征實(shí)現(xiàn)記憶截割。采煤機(jī)記憶截割支持在線學(xué)習(xí)模式，支持多達(dá)18個(gè)截割工藝段運(yùn)行狀態(tài)的記憶和準(zhǔn)確再現(xiàn)，近乎完美地支持國(guó)內(nèi)工作面復(fù)雜的端頭截割工藝，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)循環(huán)作業(yè)全過程的自動(dòng)化智能截割，如圖18所示。自動(dòng)運(yùn)行的采煤機(jī)在長(zhǎng)300 m的工作面上，最高牽引割煤速可達(dá)14 m/min以上，行走位置控制精度優(yōu)于±3 cm，滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復(fù)誤差小于±4 cm。

圖18 全工作面作業(yè)循環(huán)記憶截割工序

6.4 刮板輸送機(jī)智能柔性變頻調(diào)速控制技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工作面片幫、落煤不可控，刮板輸送機(jī)有1/2時(shí)間在空載運(yùn)行，或刮板輸送機(jī)以1/2的設(shè)計(jì)輸送能力在工作，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)的空耗磨損嚴(yán)重。為解決刮板輸送機(jī)上述問題，控制刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度以調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的輸送能力，提高其“效能”，借助采煤機(jī)機(jī)身安裝的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和可靠的信息通信技術(shù)，使刮板輸送機(jī)智能控制器與慣導(dǎo)控制器直接通信，獲取采煤機(jī)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的位置等物理屬性參數(shù)。通過計(jì)算采煤機(jī)任一時(shí)刻理論上的瞬時(shí)落煤量和刮板輸送機(jī)整機(jī)的煤流覆存量，將這2個(gè)量綜合后與刮板輸送機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的理論負(fù)載比較，得出實(shí)際負(fù)載情況，實(shí)現(xiàn)相對(duì)準(zhǔn)確的調(diào)速控制。

采用智能柔性變頻調(diào)速系統(tǒng)，使鏈速調(diào)控范圍縮小20%，鏈速匹配控制精度提高了60%，正常采煤班刮板輸送機(jī)鏈條的行程降低了32.9%，能源消耗降低17.3%，降低刮板輸送機(jī)自身機(jī)械損耗20%以上。

7 高端裝備制造技術(shù)體系

隨著我國(guó)煤礦對(duì)智能化開采的需求不斷加快，煤礦裝備的高可靠性、適應(yīng)性成為了煤礦智能化高效安全開采發(fā)展的瓶頸；而液壓支架作為煤礦地下開采最為重要的支護(hù)設(shè)備，其高可靠性、高適應(yīng)性顯得尤為重要[17]。兗礦東華重工有限公司液壓支架的生產(chǎn)歷史已有30年多年，液壓支架的生產(chǎn)由大修、部件生產(chǎn)發(fā)展到整臺(tái)套批量生產(chǎn)，形成一套成熟的高端液壓支架制造體系[18-19]。完善了集云端高效設(shè)計(jì)運(yùn)算與性能綜合分析一體化的高端液壓支架精準(zhǔn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[20]，應(yīng)用了多種高端液壓支架智能制造工藝保障技術(shù)[21-23]，形成了高端液壓支架全過程質(zhì)量管控體系，滿足了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)煤礦對(duì)高端液壓支架的需求。

7.1 高端液壓支架研發(fā)設(shè)計(jì)體系

基于已有液壓支架設(shè)計(jì)系統(tǒng)，融合模塊化設(shè)計(jì)、骨架設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，集成管路智能化布局設(shè)計(jì)軟件模塊和產(chǎn)品數(shù)據(jù)及生命周期管理平臺(tái)，開發(fā)出集云端高效設(shè)計(jì)運(yùn)算+性能綜合分析的一體化系列化高端液壓支架精準(zhǔn)設(shè)計(jì)云平臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠適應(yīng)當(dāng)前日益復(fù)雜多樣的液壓支架設(shè)計(jì)發(fā)展形式，還大幅提高新型液壓支架、設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互[24]。

1)高端液壓支架精準(zhǔn)設(shè)計(jì)云平臺(tái)。高端液壓支架設(shè)計(jì)基于Windchil的模塊化+骨架設(shè)計(jì)+參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，該理念的核心充分發(fā)揮了Creo骨架建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)、運(yùn)用模塊化思想將支架拆分為更為緊湊的裝配模塊，更為符合車間直接裝配的模塊BOM需求，在模塊化的基礎(chǔ)上發(fā)揮Windchill圖紙協(xié)同工作的優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)同步更新主設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)意圖，將設(shè)計(jì)參數(shù)變化傳遞到各個(gè)骨架建模模塊，完成模塊設(shè)計(jì)師主要參數(shù)的同步更新。該設(shè)計(jì)理念將傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)與三維造型設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品參數(shù)化建模到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的快速改型設(shè)計(jì)，大幅提高了設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率，滿足了客戶對(duì)產(chǎn)品性能的需求。

2)高可靠性虛擬化分析平臺(tái)。運(yùn)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行液壓支架有限元分析，用于解決產(chǎn)品研發(fā)過程中CAE軟件的異構(gòu)問題，并用ANSYS Workbench進(jìn)行產(chǎn)品的性能優(yōu)化。ANSYS Workbench得到的支架應(yīng)力和變形，如圖19所示。

圖19 液壓支架ANSYS Workbench應(yīng)力和變形

基于MSC Easy5仿真軟件，自主開發(fā)管路智能化布局設(shè)計(jì)軟件模塊。結(jié)合管路布局中的工程約束，研究改進(jìn)的人工高效輸入路徑算法，快速地完成復(fù)雜空間內(nèi)的管路路徑布置；通過路徑優(yōu)化輸出合理可行的管路路徑，為實(shí)際液壓支架產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)，如圖20所示。

圖20 液壓系統(tǒng)智能化管路系統(tǒng)

7.2 智能制造技術(shù)研發(fā)實(shí)踐

東華重工集團(tuán)通過對(duì)原有的落后舊工藝裝備體系進(jìn)行研發(fā)升級(jí)優(yōu)化，積極研發(fā)應(yīng)用新工藝提升制造質(zhì)量，先后研發(fā)了防腐節(jié)能環(huán)保粉末涂裝技術(shù)、應(yīng)用集群式焊接機(jī)器人、自動(dòng)化鋸切下料裝備、激光增材強(qiáng)化智能工藝裝備、油缸內(nèi)孔熔覆工藝裝備等。

1)重防腐節(jié)能環(huán)保粉末涂裝技術(shù)。研發(fā)了煤礦機(jī)械裝備零VOC粉末涂裝工藝，制定了高壓清洗、硅烷化學(xué)前處理和“環(huán)氧底粉+聚酯面粉”粉末雙涂體系，首次在液壓支架涂裝上采用智能輸送、智能識(shí)別、智能噴涂技術(shù)，建成了國(guó)內(nèi)首套現(xiàn)代化、自動(dòng)化、智能化液壓支架粉末涂裝生產(chǎn)線和熱處理生產(chǎn)線(圖21)。應(yīng)用噴涂工藝所得的涂層飽滿度好、機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性高、防腐性能優(yōu)良，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液壓支架綠色環(huán)保涂裝，此研究應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。

圖21 油缸噴粉生產(chǎn)線

2)應(yīng)用集群式焊接機(jī)器人。優(yōu)化支撐拼裝工藝，提升打底焊交檢效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不停機(jī)，一次性全打底作業(yè)，優(yōu)化焊接接頭預(yù)留方式，提升焊接覆蓋率。實(shí)現(xiàn)了制造的自動(dòng)化、智能化、高端化，大幅提高了制造能力，為高端液壓支架的制造，提供了有力的保障。采用焊接機(jī)器人后掩護(hù)梁焊接覆蓋率提升15%，如圖22所示。

圖22 機(jī)器人焊接掩護(hù)梁

3)自動(dòng)化鋸切下料裝備。油缸車間采用鋸切效率和鋸切質(zhì)量更好的高速圓鋸床下料方式，使用高速圓鋸床并配合下料自動(dòng)化線對(duì)管、棒料進(jìn)行鋸切下料，其效率將是傳統(tǒng)帶鋸床的5～10倍。使用該自動(dòng)化線進(jìn)行下料，既提高了鋸切效率和鋸切質(zhì)量，又減少了人力、物力的支出。

4)激光增材強(qiáng)化智能工藝裝備。通過分析典型礦山水劑環(huán)境對(duì)增材成形層的侵蝕失效機(jī)制，相應(yīng)調(diào)整、選配增材粉料配方，激光增材增強(qiáng)礦用設(shè)備在礦山環(huán)境的適用性和服役性能得到極大提高。研發(fā)了激光增材強(qiáng)化溫度場(chǎng)在線智能監(jiān)控系統(tǒng)，建立了一套基于CCD測(cè)溫的裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控激光增材強(qiáng)化過程熔池溫度；采用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐用于紅外測(cè)溫?zé)嵯裣到y(tǒng)的溫度標(biāo)定，得到了熱輻射圖像比色值與溫度關(guān)系式；采用此溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以分析激光功率、掃描速度、送粉量等參數(shù)對(duì)熔池溫度的影響關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化。該系統(tǒng)將激光增材強(qiáng)化過程中熔池溫度檢測(cè)誤差控制在5%以內(nèi)。激光增材強(qiáng)化后立柱及中部槽工件的耐磨性能是傳統(tǒng)堆焊、噴涂工藝的5～6倍；激光增材強(qiáng)化的液壓千斤頂耐腐蝕性能達(dá)到9級(jí)(GB T6461—2002)，服役壽命是鍍鉻千斤頂?shù)?倍；增材強(qiáng)化層高低差控制精度高，確保后續(xù)機(jī)加工一次合格率達(dá)到95%以上，如圖23所示。

圖23 激光增材強(qiáng)化智能工藝裝備

5)油缸內(nèi)孔熔覆工藝裝備。研發(fā)應(yīng)用了內(nèi)孔熔覆不銹鋼及其機(jī)加工工藝，該熔覆層結(jié)合強(qiáng)度高、組織細(xì)密均勻、硬度高、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化，整套工藝具有環(huán)保、效率高、成本低等特點(diǎn)；研發(fā)了新型無接頭送絲機(jī)構(gòu)，成功解決熔覆時(shí)換絲造成的接頭問題，有效避免熔覆缺陷(圖24)，防腐性能在行業(yè)內(nèi)首次做到中性鹽霧試驗(yàn)720 h無銹蝕，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。從熔覆前、后機(jī)加工工藝及熔覆工藝入手，通過解決機(jī)加工中的同軸度、盲孔根部加工、鐵屑排出以及熔覆工藝中的連續(xù)送絲、變形控制、防腐、耐磨等一系列問題，最終形成一套成熟、穩(wěn)定的工藝流程體系。

圖24 不同熔絲中性鹽霧試驗(yàn)720 h對(duì)比效果

7.3 高端液壓支架制造實(shí)踐

1)超大采高掩護(hù)式液壓支架。基于先進(jìn)的設(shè)計(jì)研發(fā)平臺(tái)，東華重工有限公司先后成功研制出ZFY21000/35.5/70D、ZY21000/38/82D等超大采高液壓支架。其中，ZY21000/38/82D超大采高液壓支架是世界上首套投入使用的高度超8 m掩護(hù)式液壓支架，該液壓支架的成功應(yīng)用在煤炭開采歷史上具有里程碑式的重要意義，如圖25所示。該套支架打破國(guó)外大型煤機(jī)制造企業(yè)技術(shù)行業(yè)的壟斷，提升了我國(guó)煤機(jī)裝備制造業(yè)的整體水平和能力，推動(dòng)煤機(jī)行業(yè)向成套化、集約化、智能化方向發(fā)展。

圖25 ZY21000/38/82D超大采高液壓支架

ZFY21000/35.5/70D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架是全球采高最高、工作阻力最大、姿態(tài)感知能力最強(qiáng)的兩柱放頂煤液壓支架，開創(chuàng)的超大采高綜放開采工作面兩端頭“大梯度”配套和后部刮板輸送機(jī)交叉?zhèn)刃杜涮啄Ｊ?圖26)，技術(shù)先進(jìn)合理；創(chuàng)新應(yīng)用二級(jí)協(xié)動(dòng)強(qiáng)力護(hù)幫機(jī)構(gòu)、抗沖擊超大流量雙伸縮立柱系統(tǒng)、快速移架技術(shù)、支架多維度姿態(tài)感知預(yù)警控制技術(shù)及工作面聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效提高了支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，如圖27所示。

圖26 刮板輸送機(jī)交叉?zhèn)刃杜涮啄Ｊ?/p>

圖27 ZFY21000/35.5/70D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架

2)薄煤層掩護(hù)式液壓支架系列。研發(fā)的薄煤層掩護(hù)式液壓支架系列性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，以ZY9000/10/18D型兩柱掩護(hù)式液壓支架、ZYT9000/17/30D型端頭液壓支架、ZT14000/17/28型超前液壓支架為代表的綜采成套關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā)，使兗礦集團(tuán)引領(lǐng)國(guó)內(nèi)薄煤層采礦技術(shù)和裝備的技術(shù)發(fā)展，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

3)中厚煤層掩護(hù)式液壓支架。所設(shè)計(jì)研發(fā)的ZY16000/23/43D型中厚煤層高效開采液壓支架是集團(tuán)公司首個(gè)大工作阻力液壓支架，支架所使用的雙伸縮立柱缸徑500 mm，為集團(tuán)公司在之后更大架型支架的設(shè)計(jì)制造方面積累經(jīng)驗(yàn)。該支架產(chǎn)品質(zhì)量可靠，故障率低，工作面具有年產(chǎn)1 000萬t的能力。2015年下井投入使用2021年升井維修，實(shí)現(xiàn)6 a不升井的質(zhì)量目標(biāo)，如圖28所示。

圖28 2015年下井及2021年升井后支架狀態(tài)

8 巷道支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐

8.1 兗州礦區(qū)巷道支護(hù)技術(shù)發(fā)展歷程

兗州礦區(qū)是國(guó)家“五五”計(jì)劃以來重點(diǎn)建設(shè)的特大型現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)基地。在兗州礦區(qū)40多年的發(fā)展過程中，礦區(qū)采礦技術(shù)由普采發(fā)展到普通綜采，又從普通綜采發(fā)展為大功率裝備的高效綜采和綜采放頂煤開采，采礦技術(shù)的不斷發(fā)展促使礦區(qū)煤巷支護(hù)技術(shù)發(fā)生了2次重大的變革。在20世紀(jì)70年代末，兗州礦區(qū)推行普通綜采之后，逐步淘汰了支護(hù)強(qiáng)度低、安全可靠性差、巷道維修及材料消耗大的木支護(hù)，代之以支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較高、制作使用比較方便、并可多次重復(fù)使用的金屬棚支護(hù)。在90年代初期，隨著綜放技術(shù)在兗州礦區(qū)試驗(yàn)成功，大功率裝備的高效綜采和綜放開采技術(shù)逐漸推廣，兗州礦區(qū)綜采工作面單產(chǎn)及礦井集中化程度大幅度提高，在這種新的形勢(shì)下原有的金屬棚支護(hù)已明顯不適應(yīng)綜采技術(shù)發(fā)展的需要。自1993年開始，兗州礦區(qū)在煤巷支護(hù)中進(jìn)行了錨網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)。按照“先易后難，積極穩(wěn)妥，突出重點(diǎn)，總體推進(jìn)”的指導(dǎo)方針，首先在南屯煤礦1301綜放工作面實(shí)體煤區(qū)段平巷進(jìn)行了錨網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)，成功之后在類似條件的綜放區(qū)段平巷進(jìn)行了推廣應(yīng)用；然后重點(diǎn)對(duì)工作面沿空巷道的錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探索和研究，并先后在南屯煤礦、興隆莊煤礦、東灘煤礦等單位選點(diǎn)試驗(yàn)，取得了顯著效果后進(jìn)行全面推廣應(yīng)用；在推廣應(yīng)用的過程中又進(jìn)一步對(duì)大斷面開切眼、煤層特別松軟破碎區(qū)以及煤層埋藏深、地壓大等特殊條件下的綜放工作面沿空巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)，均取得較好的效果；同時(shí)對(duì)煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)配套的施工機(jī)具和支護(hù)材料也進(jìn)行了相應(yīng)的研究和開發(fā)，最終使兗州礦區(qū)在煤巷錯(cuò)網(wǎng)支護(hù)方面形成了一整套比較完善的綜合技術(shù)[25-27]。

經(jīng)過數(shù)年的研究、開發(fā)、試驗(yàn)和推廣，兗州礦區(qū)的煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)日趨完善，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，煤巷錨網(wǎng)支護(hù)進(jìn)尺及煤巷錨網(wǎng)化程度逐年提高。尤其是1997—1999年，煤巷錨網(wǎng)支護(hù)得到了全面快速的推廣應(yīng)用。1997年，礦區(qū)煤巷錨網(wǎng)支護(hù)進(jìn)尺完成20 009 m，煤巷錨網(wǎng)化程度達(dá)到了39.65%；1998年煤巷錨網(wǎng)進(jìn)尺達(dá)到了44 088 m，煤巷錨網(wǎng)化程度達(dá)到80.14%，其中綜放錨網(wǎng)進(jìn)尺32 091 m，占全部煤巷錨網(wǎng)進(jìn)尺的72.8%，沿空巷道錨網(wǎng)支護(hù)進(jìn)尺7 942 m，占全部煤巷錨網(wǎng)進(jìn)尺的18%，1999年煤巷錨網(wǎng)進(jìn)尺達(dá)到57 000 m，煤巷錨網(wǎng)化程度達(dá)到85.8%，其中綜放錨網(wǎng)進(jìn)尺36 000 m占全部煤巷錨網(wǎng)進(jìn)尺的63%，沿空巷道錨網(wǎng)支護(hù)進(jìn)尺15 900 m，占全部煤巷錨網(wǎng)進(jìn)尺的28%。推廣應(yīng)用煤巷錨網(wǎng)支護(hù)為兗州礦區(qū)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，以每米巷道錨網(wǎng)支護(hù)比架棚支護(hù)平均節(jié)約成本925.73元計(jì)算，1997年、1998年、1999年可為兗州礦區(qū)礦井分別節(jié)約資金1 852萬元、4 081萬元和5 276萬元。此外，推廣煤巷錨網(wǎng)支護(hù)還具有改善支護(hù)效果、提高支護(hù)質(zhì)量、減少工作面工字鋼回撤工作量和運(yùn)輸量、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、簡(jiǎn)化工作面端頭支護(hù)、加快綜采工作面推進(jìn)速度、杜絕區(qū)段平巷掘進(jìn)期間煤層自燃發(fā)火隱患等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)不斷發(fā)展[28-31]，支護(hù)材料不斷升級(jí)改造，支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善；大范圍推廣了高預(yù)緊力錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)[32-35]，提高錨桿錨索預(yù)緊力、研發(fā)T型鋼護(hù)板加大護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)錨桿主動(dòng)及時(shí)支護(hù)，顯著提高了巷道支護(hù)效果。

8.2 大斷面沿空掘巷圍巖控制技術(shù)與應(yīng)用

在工作面超前采動(dòng)影響下，傳統(tǒng)小斷面巷道極易發(fā)生大變形破壞，巷道斷面急劇收縮，影響通風(fēng)、運(yùn)輸、行人，礦方不得不安排大量作業(yè)人員進(jìn)行巷道擴(kuò)幫、挖底作業(yè)，極大限制了大型化煤礦裝備的應(yīng)用，影響了煤炭開采的安全高產(chǎn)高效。針對(duì)此問題，兗礦集團(tuán)率先開展了高效生產(chǎn)綜采(放)區(qū)段平巷強(qiáng)支護(hù)大斷面布局方式，并一舉獲得成功。在大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性原理方面(圖29)，發(fā)現(xiàn)了同等深度和地質(zhì)條件下大小斷面巷道變形量相近的現(xiàn)象，揭示了大斷面巷道圍巖“內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)”演化規(guī)律；創(chuàng)新了基于鉆孔煤粉量確定基本頂側(cè)向斷裂線位置的技術(shù)方法，構(gòu)建了“鉆進(jìn)煤粉量-圍巖應(yīng)力-頂板斷裂”關(guān)系模型，發(fā)展了大斷面“內(nèi)、外應(yīng)力場(chǎng)”理論，創(chuàng)新了沿空巷道大斷面布置方式，在受壓收縮變形的情況下滿足區(qū)段平巷超前支架的正常使用；結(jié)合大斷面巷道高強(qiáng)與讓壓功能協(xié)調(diào)作用原理，建立了大斷面巷道圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及雙參數(shù)彈塑性基礎(chǔ)梁理論。在大斷面巷道圍巖控制技術(shù)方面，研發(fā)了大斷面巷道特殊錨網(wǎng)索帶整體結(jié)構(gòu)的協(xié)同支護(hù)技術(shù)、綜采(放)大斷面區(qū)段平巷超前液壓支架支護(hù)裝備及技術(shù)；發(fā)明了交替前移式液壓支架，變革了傳統(tǒng)工作面端頭區(qū)段平巷密排單體支柱支護(hù)工藝，有效解決了區(qū)段平巷掘采中的頂板軟、維護(hù)難、影響生產(chǎn)等技術(shù)問題，推動(dòng)了區(qū)段平巷超前支護(hù)的技術(shù)變革，大幅降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，將煤礦工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，為綜采(放)工作面高效推進(jìn)提供了安全穩(wěn)定可靠的空間保障。該技術(shù)在兗州礦區(qū)各大礦井的成功實(shí)踐，使綜采大型裝備的順利應(yīng)用成為可能，工作面產(chǎn)能得到了顯著提高。

圖29 小斷面和大斷面沿空巷道支護(hù)效果

8.3 陜蒙基地小煤柱沿空掘巷技術(shù)與應(yīng)用

自陜蒙基地開發(fā)建設(shè)以來，工作面普遍采用寬20～30 m區(qū)段大煤柱布置模式，造成了大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭資源浪費(fèi)；同時(shí)，隨著煤炭進(jìn)入深部開采狀態(tài)，遺留大煤柱導(dǎo)致深部煤層處于應(yīng)力增高區(qū)，且大煤柱護(hù)巷使巷道應(yīng)力進(jìn)一步增高，巷道嚴(yán)重變形破壞甚至發(fā)生沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害事故，葫蘆素、納林河、布爾臺(tái)等陜蒙深部礦井都遭受了大煤柱護(hù)巷帶來的巷道大變形問題。大煤柱布置模式已成為制約該地區(qū)安全高效開采的重大安全技術(shù)瓶頸。

針對(duì)上述問題，兗礦集團(tuán)開展系統(tǒng)攻關(guān)，提出了陜蒙深埋礦井小煤柱沿空掘巷開采布置模式，分析了留小煤柱沿空掘巷采空側(cè)預(yù)裂斷頂圍巖穩(wěn)定主控因素，提出了深埋厚煤層大跨度留小煤柱沿空掘巷多災(zāi)耦合下小煤柱合理尺寸的設(shè)計(jì)原則；提出了采空側(cè)斷頂卸壓控制技術(shù)，在上區(qū)段工作面回采過程中對(duì)采空側(cè)懸臂頂板提前斷頂，減小懸臂長(zhǎng)度，優(yōu)化下區(qū)段沿空掘巷圍巖應(yīng)力環(huán)境；提出了深埋厚煤層大跨度小煤柱沿空掘巷損傷圍巖雙層強(qiáng)化控制機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)體系，形成了綜采工作面掘-采全周期安全保障綜合技術(shù)。

小煤柱沿空掘巷技術(shù)在鄂爾多斯石拉烏素煤礦(埋深703 m)(圖30)、營(yíng)盤壕(埋深730 m)2座千萬噸級(jí)礦井展開工業(yè)性試驗(yàn)，在深埋高應(yīng)力復(fù)合頂板留頂煤條件下，以長(zhǎng)3.0 m錨桿+長(zhǎng)6.1～7.1 m錨索支護(hù)完成了大斷面煤巷(寬5.5～6.0 m、高4.3 m)的有效控制，掘進(jìn)期間和回采期間巷道圍巖損傷深度和變形量減少了50%以上，提高工作面煤炭采出率4.9%，保障了礦井工作面安全高效開采，為西部礦區(qū)深埋沖擊厚煤層推廣應(yīng)用小煤柱沿空掘巷技術(shù)提供了工程示范。

圖30 石拉烏素礦輔運(yùn)巷小煤柱沿空巷道

8.4 深部復(fù)雜條件巷道圍巖控制技術(shù)與應(yīng)用

山東省內(nèi)煤礦平均埋深超過660 m，其中埋深800 m以上的34處，千米深井共有20處，占全國(guó)的42%，且采深正以每年約40 m的速度增加。受深部高應(yīng)力、極軟巖、強(qiáng)采動(dòng)及斷層破碎帶等復(fù)雜條件影響，巷道圍巖裂隙發(fā)育、松散破碎、變形劇烈、破壞范圍大，傳統(tǒng)支護(hù)方式難以穩(wěn)定控制，巷道復(fù)修率增加，支護(hù)成本升高，易造成大變形、冒頂、片幫、底鼓等安全事故，已成為制約深部礦井安全高效生產(chǎn)的重要難題。

兗礦集團(tuán)歷經(jīng)10 a科技研發(fā)和工程實(shí)踐，對(duì)深部巷道支護(hù)材料、機(jī)具和工藝進(jìn)行了創(chuàng)新研發(fā)。將錨桿桿體軋制成單向無縱筋左旋螺紋鋼，對(duì)錨桿桿體表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；研制了錨桿加工滾壓無熱處理技術(shù)，保證了絲扣段與桿體強(qiáng)度的一致性；設(shè)計(jì)了與異型帶鋼的冠狀孔相配合的球形螺母，發(fā)明了提高幫部錨桿護(hù)幫效果T型鋼護(hù)板，提升了錨桿群各錨桿之間組合件的效果；研制了超快速樹脂藥卷，可在30 s內(nèi)能夠快速、充分反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)快速凝固，快速承載，實(shí)現(xiàn)了錨桿的快速安裝；將整根錨桿由里到外分段配制不同凝固時(shí)間的錨固劑，從而滿足錨桿到位時(shí)的不同時(shí)間要求；研制了具有高發(fā)泡、較強(qiáng)滲透能力、固化硬化時(shí)間可調(diào)節(jié)、錨固力比較大等優(yōu)點(diǎn)的聚氨酯錨固劑；提出了采用29U型鋼組合錨索的思路，解決了錨索組合性差、錨索支護(hù)難以在巷道表面形成剛度較大的梁性結(jié)構(gòu)的難題；通過在在螺母與托板之間加減摩墊圈，減少了螺母與托盤之間的摩擦阻力和摩擦轉(zhuǎn)矩，提高了支護(hù)系統(tǒng)的剛度。

針對(duì)深部巷道圍巖大變形控制難題，提出了深部巷道破碎圍巖分級(jí)模型及方法，形成了基于支護(hù)圍壓與圍巖等級(jí)的錨注強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論；提出了深部巷道鉆進(jìn)分級(jí)、初次錨固、注漿充填、拱架強(qiáng)化、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)的分階段完整控制方法；構(gòu)建了由外部錨注自承層、中間充填調(diào)整層與內(nèi)部高強(qiáng)承載層組成的深部復(fù)雜條件巷道分階段完整控制體系；研發(fā)了組合式高強(qiáng)注漿錨桿(索)、預(yù)應(yīng)力定量施加裝置、高強(qiáng)約束砼定量讓壓拱架及巷道原位數(shù)字鉆探測(cè)試系統(tǒng)等成套關(guān)鍵技術(shù)；首創(chuàng)了組合式高強(qiáng)注漿錨桿預(yù)應(yīng)力定量施加、高強(qiáng)約束砼定量讓壓拱架拼裝、柔性壁后充填等成套支護(hù)體系施工技術(shù)，組合式高強(qiáng)注漿錨桿承載力為常規(guī)中空注漿錨桿承載力的5.3 倍以上，配套預(yù)應(yīng)力定量施加裝置可實(shí)現(xiàn)“一次施打、定量預(yù)緊、控注協(xié)同”支護(hù)效果；高強(qiáng)約束砼定量讓壓拱架承載力為常規(guī)U型鋼拱架承載力的2.1倍以上。該技術(shù)有效控制了圍巖變形破壞，降低了巷道復(fù)修，攻克了深部復(fù)雜條件巷道圍巖支護(hù)難題(圖31)，并成功在超大斷面隧道工程中進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

圖31 深部巷道分階段完整控制體系現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用

9 深井沖擊地壓治理與安全高效開采

9.1 山能沖擊地壓礦井現(xiàn)狀

山能共有36對(duì)沖擊地壓礦井，省內(nèi)27對(duì)，省外9對(duì)，大多分布在山東、內(nèi)蒙古、新疆、陜西等地區(qū)，國(guó)內(nèi)主要礦區(qū)(除東北外)均有山能沖擊地壓礦井。山能沖擊地壓礦井分布情況如圖32所示，山能沖擊地壓礦井煤層賦存特征見表3。

圖32 山能沖擊地壓礦井分布

山能沖擊地壓礦井多具有埋深大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、覆巖類型及開拓開采方式多樣的特點(diǎn)?？傮w而言，埋深600～1 000 m，埋深超過800 m的礦井25對(duì)；省內(nèi)沖擊地壓礦井構(gòu)造復(fù)雜，省外沖擊地壓礦井水文類型復(fù)雜；煤層厚度1.1～31 m；煤體普氏系數(shù)0.18～4.80，陳蠻莊3煤硬度系數(shù)0.18，硫磺溝9-15煤體硬度系數(shù)4.8；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，華豐、陳蠻莊、硫磺溝、上海廟為大傾角煤層，不同煤礦軟硬煤層分層明顯，見表3。

表3 山能沖擊地壓礦井煤層賦存特征

就各礦區(qū)沖擊地壓類型而言[36-40]，山能沖擊地壓可劃分為3種類型。魯西南巨野礦區(qū)以新巨龍為代表，具有薄基巖、巨厚松散層的賦存特點(diǎn)，煤層開采后地表沉降系數(shù)達(dá)到97%，是典型的高靜載與構(gòu)造應(yīng)力疊加的沖擊災(zāi)害。陜蒙基地以巴彥高勒、高家堡為代表，上覆巨厚白堊系巖層，地表沉降系數(shù)極低，煤層偏硬，具有強(qiáng)沖擊傾向性，同時(shí)底板具有弱沖擊傾向，煤層和底板同時(shí)沖擊破壞的案例較多，營(yíng)盤壕、石拉烏素等礦井都有強(qiáng)烈顯現(xiàn)。新汶礦區(qū)主要是多煤層開采、相鄰煤層遺留煤柱、不規(guī)則開采可能導(dǎo)致的沖擊災(zāi)害，同時(shí)受到深埋開采因素影響，主要是孫村和協(xié)莊煤礦。

就礦震問題而言，當(dāng)前山能突出的礦震類型可劃分為3大類：①高位關(guān)鍵層破斷型礦震，如華豐煤礦的高位礫巖層、王樓煤礦高位巖漿巖、彬長(zhǎng)礦區(qū)亭南、高家堡煤礦的高位洛河組砂巖、東灘煤礦的侏羅紀(jì)紅層等；②構(gòu)造失穩(wěn)型礦震，代表礦井是梁寶寺煤礦；③薄基巖厚沖積覆層賦存條件下，大跨度連續(xù)采空區(qū)高靜載邊坡失穩(wěn)型礦震，代表礦井是新巨龍公司。防范大能量礦震誘發(fā)沖擊地壓是山東能源沖擊地壓礦井災(zāi)害防治關(guān)鍵。

9.2 山能典型礦區(qū)沖擊地壓防治實(shí)踐

9.2.1 鄂爾多斯深部礦區(qū)沖擊地壓防治實(shí)踐

鄂爾多斯是國(guó)家“十五”建設(shè)的4個(gè)超億噸煤炭基地之一，約占我國(guó)總產(chǎn)量的18.6%，該地區(qū)一直沒有深部沖擊地壓災(zāi)害治理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和開采經(jīng)驗(yàn)；建井初期，鄂爾多斯地區(qū)周邊礦井如紅慶河、納林河二號(hào)、門克慶、葫蘆素、母杜柴登等礦井都采用20～40 m大煤柱護(hù)巷方式，造成了靠采空區(qū)側(cè)巷道強(qiáng)烈礦山壓力，不少礦井均出現(xiàn)了沖擊地壓事故，沖擊地壓已被列為地區(qū)煤炭開采的主要災(zāi)害。兗煤鄂爾多斯能化公司下屬是石拉烏素煤礦、營(yíng)盤壕煤礦采深均已超過600 m，且煤巖層均具有沖擊傾向性。為解決嚴(yán)重沖擊地壓災(zāi)害問題，兗礦集團(tuán)圍繞小煤柱沿空掘巷、超前預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)治理、智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警等工程技術(shù)難題展開一系列研究與工程實(shí)踐，并率先形成該地區(qū)沖擊地壓防治的示范性成果。

兗礦集團(tuán)本著“提前研究、提前規(guī)劃、提前預(yù)防”防沖理念，以鄂爾多斯深部礦區(qū)典型開采地層條件為工程背景，揭示了多區(qū)段平巷、寬煤柱上覆巖層側(cè)向應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，通過優(yōu)化工作面合理布局和開采接續(xù)計(jì)劃，采用寬3～5 m小煤柱護(hù)巷和寬工作面(“大煤柱”護(hù)實(shí)體側(cè)巷道)布置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巷道低應(yīng)力區(qū)布置，有效降低沖擊地壓的發(fā)生機(jī)率；揭示了“沖擊地壓-頂板疏水-地表沉降”等3種類型復(fù)合沖擊地壓機(jī)理(圖33)；進(jìn)行了防沖開采設(shè)計(jì)優(yōu)化，攻克了回采工作面圍巖大變形協(xié)同控制、“遠(yuǎn)距離輔巷多通道”的快速撤面、“三位一體”精準(zhǔn)應(yīng)力防控等關(guān)鍵防沖技術(shù)，掌握了巷道高預(yù)應(yīng)力、高沖擊韌性強(qiáng)力錨桿-錨索支護(hù)技術(shù)，建立了深部采場(chǎng)、巷道有效防沖體系；研發(fā)了“沖擊地壓-頂板水-地表沉陷”復(fù)合災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)，開創(chuàng)性集成了礦山災(zāi)害相關(guān)的地質(zhì)水文數(shù)據(jù)、井上井下全空間多參量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和開采條件等有效信息，融合“靜態(tài)”理論評(píng)價(jià)與“動(dòng)態(tài)”監(jiān)測(cè)和開采信息，大幅提高了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警準(zhǔn)確率。

圖33 陜蒙地區(qū)沖擊-突水-地表沉陷復(fù)合型動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理

兗礦集團(tuán)經(jīng)過多年研發(fā)與實(shí)踐，揭示了陜蒙地區(qū)沖擊地壓類型和發(fā)生的機(jī)理，攻克了陜蒙地區(qū)的防沖難題并建立技術(shù)體系，在監(jiān)管上逐步形成陜蒙地區(qū)沖擊災(zāi)害監(jiān)管體系，項(xiàng)目研究成果在鄂爾多斯典型沖擊地壓礦井得到成功應(yīng)用，率先形成該地區(qū)沖擊地壓防治的示范性成果。至2020年底，石拉烏素、營(yíng)盤壕兩礦安全采出煤量1 282萬t，提高了資源采出率，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，保障了工人的人身安全，確保了礦井安全持續(xù)運(yùn)行，促進(jìn)了深部沖擊地壓災(zāi)害理論技術(shù)的發(fā)展[41-45]。

9.2.2 巨野礦區(qū)巨厚表土層下沖擊地壓防治實(shí)踐

巨野煤田是我國(guó)近幾年新開發(fā)的優(yōu)質(zhì)焦煤基地，具有表土層厚(400～750 m)、煤層厚(6～10 m)、埋深大(800～1 200 m)等特點(diǎn)，建設(shè)有新巨龍、趙樓、梁寶寺、李樓、郭屯等7對(duì)大型礦井，曾發(fā)生過若干起沖擊地壓災(zāi)害，嚴(yán)重制約了安全高效生產(chǎn)。

針對(duì)深厚表土強(qiáng)沖擊煤層開采沖擊動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)難題，山能與北京科技大學(xué)合作攻關(guān)，厘清了深井厚表土地層和深井厚基巖開采應(yīng)力演化特點(diǎn)(圖34)，揭示了深厚表土薄基巖地層條件下“應(yīng)力擊穿型”沖擊地壓發(fā)生機(jī)理和孤島綜放工作面整體失穩(wěn)型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理；開發(fā)了沖擊地壓多參量綜合監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)，提出了基于“云計(jì)算”的大數(shù)據(jù)沖擊危險(xiǎn)性智能辨識(shí)算法；提出了深厚表土強(qiáng)沖擊煤層沿空工作面合理區(qū)段煤柱寬度4～6 m，確定了深厚表土強(qiáng)沖擊煤層沿空工作面超前支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)方式，提出了深厚表土薄基巖礦井防沖開采設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，建立了深厚表土強(qiáng)沖擊煤層采掘工作面沖擊地壓防治技術(shù)體系。該研究成果顯著提高了沖擊地壓災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警可靠性、準(zhǔn)確率和防治效果，對(duì)于提高我國(guó)深厚表土薄基巖煤層高效安全開采水平意義重大，具有廣闊應(yīng)用前景。該技術(shù)成果先后在山能趙樓煤礦和新巨龍煤礦開展應(yīng)用，2017—2019年安全采出受沖擊地壓災(zāi)害危險(xiǎn)煤炭833萬t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖34 巨厚表土層條件下沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

9.2.3 特厚煤層沖擊地壓防治實(shí)踐

新疆、內(nèi)蒙古、陜西等多個(gè)特厚煤層采掘過程中具有震動(dòng)頻繁、煤爆和動(dòng)力性片幫冒頂嚴(yán)重、臨界沖擊深度小等特點(diǎn)，先后發(fā)生10余起惡性沖擊地壓事故。兗礦新疆業(yè)有限公司硫磺溝煤礦在2013年1月至2014年12月期間因沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)導(dǎo)致全礦采掘工程趨于停滯，礦井面臨停產(chǎn)關(guān)礦的境地。

兗礦集團(tuán)針對(duì)特厚煤層采掘工作面沖擊地壓防治技術(shù)難題，經(jīng)科攻關(guān)，建立了特厚煤層3種典型的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的力學(xué)模型，提出了以煤體傾向性和動(dòng)靜應(yīng)力比值為基礎(chǔ)的沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，揭示了特厚煤層圍巖分區(qū)蠕變特征及誘沖機(jī)制；研發(fā)了特厚煤層掘進(jìn)工作面多參量沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，分別提出了地音、應(yīng)力、錨桿索壓力的單指標(biāo)和多指標(biāo)綜合預(yù)警值及預(yù)警方法，顯著提高了特厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性預(yù)警的準(zhǔn)確率；建立了傾斜特厚煤層綜放工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布特征計(jì)算理論模型，提出了以避開采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值影響、隔離采空區(qū)為基礎(chǔ)的區(qū)段煤柱寬度確定方法(圖35)，形成了特厚煤層沖擊地壓治理成套技術(shù)。

圖35 寬4 m小煤柱沿空掘巷

10 礦井熱害與煤自燃防治技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐

10.1 礦井熱害防治技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐

隨著煤礦開采深度的增加，地溫和圍巖溫度大幅提高，高溫?zé)岷σ殉蔀橹萍s深部礦井安全高效開采的重要災(zāi)害[46-47]。兗礦集團(tuán)省內(nèi)老區(qū)礦井?dāng)?shù)量較多，由于地質(zhì)條件、服務(wù)年限延長(zhǎng)和開采深度增加，存在不同程度的高溫?zé)岷ΑＦ渲?，菏澤地區(qū)的趙樓煤礦、李樓煤礦、新巨龍煤礦因煤層埋藏深(埋深700～1 200 m)，原始巖溫高(37～45 ℃)，高溫?zé)岷τ绊懽顬橥怀?；?jì)寧地區(qū)的二號(hào)井、三號(hào)井隨著開采深度超過800 m，季節(jié)性熱害影響越來越突出。面對(duì)日益嚴(yán)重的礦井熱害問題，兗礦集團(tuán)不斷探索高溫?zé)岷Ψ乐渭夹g(shù)與方法，通過風(fēng)溫預(yù)測(cè)技術(shù)、建井時(shí)期臨時(shí)降溫系統(tǒng)、井下集中式冷水降溫系統(tǒng)、全風(fēng)量降溫系統(tǒng)，有效解決了礦井高溫?zé)岷栴}[48-49]。這里以趙樓煤礦為例，對(duì)集團(tuán)礦井熱害防治技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行說明。

1)高溫礦井風(fēng)溫預(yù)測(cè)技術(shù)。礦井風(fēng)溫預(yù)測(cè)是確定井下空氣狀態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)，有利于掌握井下熱害分布規(guī)律。根據(jù)礦井各類巷道中風(fēng)流與環(huán)境之間的熱濕交換原理，應(yīng)用數(shù)學(xué)分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，推導(dǎo)出各類井巷風(fēng)流溫度的計(jì)算公式，對(duì)趙樓煤礦風(fēng)流溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。以單一井巷風(fēng)溫預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，建立了以趙樓煤礦全風(fēng)網(wǎng)解算為基礎(chǔ)的礦井風(fēng)溫、濕度預(yù)測(cè)模型[50]，編制了井下巷道風(fēng)溫、濕度計(jì)算的預(yù)測(cè)軟件，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)參數(shù)的測(cè)定和對(duì)比，實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)溫的預(yù)測(cè)。

2)高溫礦井建井時(shí)期臨時(shí)降溫系統(tǒng)。針對(duì)趙樓煤礦在建井時(shí)期高溫?zé)岷κ滞怀龅膯栴}，趙樓煤礦利用礦井凍結(jié)井筒施工的設(shè)備(圖36)，產(chǎn)出5～6 ℃冷水，采用噴水風(fēng)室制造5～6 ℃的冷風(fēng)，利用局扇壓入式送風(fēng)方式，將冷風(fēng)送至井下工作面實(shí)現(xiàn)降溫；同時(shí)，首次應(yīng)用臨時(shí)降溫系統(tǒng)，將掘進(jìn)工作面風(fēng)流溫度降低到26 ℃以下，成功解決了建井期間的熱害治理問題，為高溫礦井建井期間高溫?zé)岷χ卫硖峁┝诵滤悸穂51]。

圖36 趙樓煤礦基建時(shí)期臨時(shí)降溫工藝流程

3)井下集中式降溫系統(tǒng)。為降低井下工作面溫度，使得通過采煤或掘進(jìn)工作面的空氣溫度達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》要求的工作溫度，趙樓煤礦引進(jìn)了德國(guó)WAT公司KM3000型井下集中式降溫系統(tǒng)，建設(shè)了國(guó)內(nèi)首套集中式冷水降溫系統(tǒng)，將制冷機(jī)組及其輔助設(shè)備設(shè)置在井下，制冷機(jī)組制出的冷凍水(1～3 ℃)通過冷凍水循環(huán)水泵送至采煤工作面或掘進(jìn)工作面的空氣冷卻器，冷卻后的空氣與未通過空氣冷卻器溫度較高的空氣在巷道混合后，達(dá)到良好的降溫效果；地面冷卻塔將井下制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷凝熱排入大氣，從而將井下熱量排放到地面。趙樓煤礦永久降溫系統(tǒng)運(yùn)行后，采煤工作面風(fēng)溫度降低3～5 ℃，相對(duì)濕度降幅在15%左右，取得了良好的降溫效果，成功解決了井下制冷機(jī)組熱量排放難的問題[52]。

4)高溫礦井全風(fēng)量降溫系統(tǒng)。井下集中降溫系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，由于夏季地面高溫造成工作面、大巷、硐室和零星作業(yè)地點(diǎn)的熱害程度加劇。針對(duì)此問題，研發(fā)了礦井全風(fēng)量制冷降溫系統(tǒng)，系統(tǒng)由水源熱泵機(jī)組、井口房降溫氣室、無動(dòng)力空氣換熱器等組成，總制冷量為18 MW，形成了全風(fēng)量與井下集中式相結(jié)合的制冷降溫模式。其中，水源熱泵機(jī)組地面集中降溫系統(tǒng)是在地面設(shè)置集中式能源站，由熱泵機(jī)組制備低溫冷凍水，通過管道將低溫冷凍水輸送到設(shè)置的井口空氣換熱站，將進(jìn)入礦井的空氣實(shí)現(xiàn)降溫除濕后再送入井下工作面，最終達(dá)到降溫目的；礦井井口房封閉降溫系統(tǒng)是在井口房附近設(shè)置封閉裝置，通過雷達(dá)感應(yīng)系統(tǒng)及時(shí)關(guān)閉或開啟卷門，從而減少漏風(fēng)率8%～9%，保障全風(fēng)量降溫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；井口無動(dòng)力空氣換熱器，是將集中式制冷站制備的冷凍水由水泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入空氣冷卻器內(nèi)，室外空氣從空氣冷卻器外側(cè)進(jìn)入，與換熱組件進(jìn)行熱交換，冷卻后的空氣與一部分室外空氣混合后進(jìn)入進(jìn)風(fēng)副井，并可調(diào)節(jié)各換熱器組件的進(jìn)風(fēng)量、流速和流速分布。

自高溫礦井全風(fēng)量降溫系統(tǒng)投入使用以來(圖37)，夏季井口進(jìn)風(fēng)溫度小于20 ℃，濕度約75%，下井口23 ℃以下，工作面進(jìn)風(fēng)在26 ℃以下。相比制冷降溫之前，濕度降幅約15%，溫度降幅在4～5 ℃。有效分擔(dān)了集中式集中制冷降溫系統(tǒng)的工作負(fù)荷，改善了整個(gè)礦井制冷降溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前已在山東境內(nèi)高溫?zé)岷ΦV井廣泛推廣應(yīng)用。

圖37 夏季礦井水余熱利用系統(tǒng)

10.2 煤自燃防控技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐

山能集團(tuán)下屬數(shù)十個(gè)礦井受煤層自然發(fā)火威脅，其中瓦斯與火并存災(zāi)害礦井達(dá)十余對(duì)，煤自燃與瓦斯災(zāi)害事故潛在威脅較大[53-55]。近30 a，先后發(fā)生自燃火災(zāi)事故數(shù)十起，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)，燒毀煤炭和礦井設(shè)備，造成工作面封閉與停產(chǎn)等事故。為科學(xué)防控煤自燃發(fā)火災(zāi)害，山能在煤層自燃發(fā)火災(zāi)害監(jiān)測(cè)、識(shí)別與防控關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究與實(shí)踐，有效消除煤自燃發(fā)火災(zāi)害[56-59]，并在管理、裝備和技術(shù)上形成了科學(xué)的煤自燃發(fā)火技術(shù)與管理體系，如圖38所示。

圖38 煤層自然火災(zāi)防控總體技術(shù)體系

1)煤自燃早期識(shí)別技術(shù)方法。由于煤自然發(fā)火具有很強(qiáng)的自燃、陰燃和復(fù)燃特性，火源相當(dāng)隱蔽，火區(qū)特征信息難以提取的原因，造成煤自燃防控針對(duì)性差，治理成本高等問題。2002年開始，山能開展了煤自燃過程、煤自燃隱患識(shí)別、火區(qū)探測(cè)等研究，開展了煤自燃發(fā)火全過程實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研發(fā)了煤自燃指標(biāo)氣體的連續(xù)監(jiān)測(cè)分析技術(shù)，基于氣體表征參數(shù)的煤自燃程度識(shí)別和煤溫判定技術(shù)，研發(fā)了煤自燃氡探測(cè)技術(shù)及煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域無線監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決了煤自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的“位置判定、溫度判定、時(shí)間判定”三大技術(shù)難題，建立和完善了煤自燃發(fā)火預(yù)報(bào)體系，解決了煤自燃火災(zāi)早期識(shí)別難題。

2)大面積采空區(qū)自燃災(zāi)害密閉控制技術(shù)。針對(duì)采空區(qū)密閉漏風(fēng)造成煤層自燃火災(zāi)事故，研究確定了采空區(qū)密閉墻體構(gòu)建原則，保證采空區(qū)密閉墻體有足夠承壓強(qiáng)度、氣密性能和使用壽命等，且必須具備抗沖擊性能；全面應(yīng)用充填密閉和鋼筋混凝土密閉的柔性與剛性相結(jié)合密閉墻構(gòu)建方式，永久密閉優(yōu)先選擇充填方式封閉，密閉位置選擇在動(dòng)壓影響小、圍巖穩(wěn)定、巷道規(guī)整的巷段內(nèi)，且永久密閉墻體必須與巷壁緊密結(jié)合，使能夠有效承受沖擊壓力。近幾年以來，能源集團(tuán)累計(jì)加固密閉688道，新建高標(biāo)準(zhǔn)充填密閉463道，全面提高采空區(qū)密閉的氣密性能和抗沖擊性能。

3)自燃火災(zāi)應(yīng)急控制技術(shù)。由于工作面推進(jìn)速度慢或揭露采空區(qū)時(shí)煤自燃超過發(fā)火期，常規(guī)的注氮惰化采空區(qū)難以帶走熱量、注膠降溫范圍小難以控制漏風(fēng)，火災(zāi)難以有效控制。針對(duì)該問題，山能集團(tuán)研發(fā)了液態(tài)二氧化碳火區(qū)快速熄滅和控制技術(shù)、火區(qū)快速鉆孔施工技術(shù)、高分子膠體快速滅火技術(shù)、惰氣泡沫快速抑制技術(shù)，形成一整套適合煤火災(zāi)害快速控制的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自燃火災(zāi)的應(yīng)急控制。

4)粉煤灰系列膠體防滅火材料與系統(tǒng)。充分發(fā)揮粉煤灰成本低和凝膠材料堵漏風(fēng)效果好、流失量小的特點(diǎn)，研發(fā)了具有充填裂隙、包裹煤體、隔氧降溫、作用時(shí)間長(zhǎng)、受壓不開裂等特點(diǎn)的基于粉煤灰的膠體防滅火材料，可對(duì)移架、礦壓等造成的新裂隙進(jìn)行二次封堵，常用在工作面后部采空區(qū)、開切眼、終采線等易自燃發(fā)火位置，解決了凝膠防滅火材料用量大、成本高、受壓易開裂等問題。同時(shí)對(duì)粉煤灰多功能注漿注膠防滅火系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)(圖39)，實(shí)現(xiàn)了高濃度漿液的制備及管路輸送，提高了注漿效率。

圖39 興隆莊礦粉煤灰注漿系統(tǒng)

11 “三下一上”采煤治理實(shí)踐

山能東部礦井“三下一上”壓覆煤炭資源巨大，嚴(yán)重制約煤炭發(fā)展[60-62]。為了提高礦區(qū)資源采出率，延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，自20世紀(jì)80年代開始探索“挖潛革新”征程，相繼開展了采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律、礦區(qū)開采沉陷規(guī)律和防水煤柱合理留設(shè)等方面的研究和探索[63]，針對(duì)三下壓煤實(shí)際情況，開展了河流、村莊建筑物、礦區(qū)鐵路、高壓輸電線路、輸油(氣)管線下壓煤開采實(shí)踐，形成了各種條件下壓煤開采及治理成套體系，解放了大量煤炭資源，解決了礦區(qū)資源枯竭問題，保證了礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，為國(guó)家能源提供了保障。

11.1 開采沉陷規(guī)律及地表沉陷預(yù)測(cè)

為分析和總結(jié)礦區(qū)開采沉陷規(guī)律，兗州礦區(qū)自1985年開始建立開采地表移動(dòng)觀測(cè)站，觀測(cè)站幾乎涉及了兗州礦區(qū)的所有地質(zhì)采礦條件，大量觀測(cè)結(jié)果表明，地表移動(dòng)盆地在剖面上均近似為一碗形，開切眼一側(cè)和終采線一側(cè)的地表下沉分布存在一定程度的差異，非對(duì)稱分布特別明顯；總結(jié)分析了兗州礦區(qū)不同煤層厚度及不同開采方式下，地表移動(dòng)盆地邊界角、移動(dòng)角、最大下沉角、充分采動(dòng)角的變化規(guī)律；分析了初次采動(dòng)和重復(fù)采動(dòng)2種情況下地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)參數(shù)，包括地表移動(dòng)啟動(dòng)距、最大下沉速度、超前影響角和最大下沉速度滯后角，這些參數(shù)與地質(zhì)采礦條件關(guān)系的研究，為礦區(qū)地面建(構(gòu))筑物、鐵路、井巷留設(shè)煤柱以及確定開采影響塌陷的范圍提供了依據(jù)；根據(jù)開采工作面地表開采工作面地表數(shù)據(jù)，分析了礦區(qū)概率積分法[64]預(yù)測(cè)參數(shù)的變化規(guī)律(表4)，得到了各種開采技術(shù)條件下下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、水平移動(dòng)系數(shù)b、拐點(diǎn)平移距S/H和開采影響傳播角θ與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系，給出了各種地質(zhì)采礦條件下概率積分參數(shù)的選取方法，為礦區(qū)“三下”采煤時(shí)地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)提供了參數(shù)[65]。

表4 兗州礦區(qū)概率積分參數(shù)

11.2 松散層含水層下煤炭資源開采實(shí)踐

針對(duì)松散含水層下煤炭資源安全高效開采問題，自1983年開始，兗礦集團(tuán)與科研院校合作，采用現(xiàn)場(chǎng)鉆探與物探、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)測(cè)試與模擬試驗(yàn)等多種方法，開展了不同開采條件下厚煤層采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律、防水煤柱合理留設(shè)等方面探索與研究。通過不同開采工藝條件下覆巖破壞規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，統(tǒng)計(jì)了不同采煤方法裂隙帶發(fā)育高度與裂采比的變化規(guī)律，分析了分層開采層數(shù)、初次開采厚度、重復(fù)開采厚度和巖柱厚度對(duì)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的影響規(guī)律，研究了不同開采條件下采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)最大變形速度的位置和導(dǎo)水裂隙帶的分布特征。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)成果，擬合回歸出不同開采條件下垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采厚的關(guān)系，見表5。

表5 不同開采條件下垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采厚的關(guān)系式

兗礦集團(tuán)基于歸納總結(jié)的分層綜采、網(wǎng)下綜放、全煤厚綜放等開采條件下覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式，先后在興隆莊煤礦、楊村煤礦、鮑店煤礦多個(gè)工作面進(jìn)行了3煤層縮小安全煤巖柱的開采實(shí)踐，逐步將初步設(shè)計(jì)留設(shè)的寬80 m防水煤柱縮小到留設(shè)防砂煤柱，又將寬80 m防砂煤柱縮小至寬21.3 m防砂煤柱，實(shí)現(xiàn)了在最小防砂煤柱33、21.3、23 m條件下的近松散層厚煤層工作面安全開采。1983年以來，兗礦集團(tuán)累計(jì)解放松散含水層下呆滯的優(yōu)質(zhì)煤炭資源儲(chǔ)量2 701萬t，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。

11.3 陜蒙地區(qū)礦井水害模式及防治關(guān)鍵技術(shù)

陜蒙能源基地已成為我國(guó)煤炭主要產(chǎn)能區(qū)，預(yù)計(jì)2020年產(chǎn)量超過全國(guó)50%。但該區(qū)域水害嚴(yán)重，礦井最大涌水量達(dá)到5 600 m3/h。兗礦集團(tuán)在該區(qū)域有金雞灘、轉(zhuǎn)龍灣、石拉烏素和營(yíng)盤壕4對(duì)千萬噸大型礦井，水文地質(zhì)條件各不相同，較好代表了陜蒙基地砂層潛水下、地表水薄基巖下、巨厚白堊系水體下開采的水害類型。陜蒙基地水害防治存在的技術(shù)難題，① 陜蒙基地侏羅系煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度大，裂采比普遍大于20，其異常機(jī)理尚不清楚；② 砂層潛水區(qū)開采，黃土、N2紅土作為防水保護(hù)層厚度如何確定；③ 白堊系巨厚砂巖下特厚煤層開采離層水害機(jī)理有待深入研究；④ 區(qū)域礦井水害模式有待厘清，便于現(xiàn)場(chǎng)分類指導(dǎo)。

兗礦集團(tuán)研究了陜蒙能源基地侏羅系煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的特征和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)侏羅系煤層覆巖整體狀結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶高度異常的本質(zhì)屬性，建立了導(dǎo)水裂隙帶高度薄板極限擾度理論預(yù)計(jì)公式，采用分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度動(dòng)態(tài)發(fā)育特征規(guī)律，建立了基于采厚、采深、工作面斜長(zhǎng)的侏羅系煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)公式；研究發(fā)現(xiàn)了陜蒙基地區(qū)域性特殊土層黃土、紅土釆動(dòng)裂隙水土相互作用、蠕變滲透性變化規(guī)律，建立了松散砂層潛水下采煤防水保護(hù)層合理厚度確定方法；創(chuàng)建了用于覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)育演化分析的三角形離層域階梯組合梁理論模型，建立了煤層開采過程中離層發(fā)育位置判別、離層水平破斷距預(yù)計(jì)公式；提出陜蒙基地煤層開采4種頂板水害模式(圖40)，建立了不同水害模式分類防治技術(shù)體系，研究實(shí)施了新的水害預(yù)計(jì)方法和防治關(guān)鍵技術(shù)。

通過對(duì)陜蒙地區(qū)礦井水害模式及防治關(guān)鍵技術(shù)的研究，2015年以來，先后在金雞灘、石拉烏素和轉(zhuǎn)龍灣煤礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用，目前年均安全采出煤4 730.6萬t，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)成果已推廣應(yīng)用至陜蒙基地及西北其他礦井，包括營(yíng)盤壕煤礦、崔木煤礦、郭家河煤礦、檸條塔煤礦和紅柳林煤礦等，保證了實(shí)施礦井的安全、高效生產(chǎn)，特別是新投產(chǎn)礦井，具有良好的應(yīng)用前景。

11.4 “三下”壓煤開采及治理技術(shù)實(shí)踐

1)河下采煤及治理。通過大量工程實(shí)踐，在厚煤層開采條件下的河道治理技術(shù)方面，研究了開采影響不同階段地表(堤防)的表層、內(nèi)部的變形和損害情況，揭示了厚煤層開采地表移動(dòng)變形機(jī)理、裂縫擴(kuò)展發(fā)育機(jī)理、堤防邊坡及滲流穩(wěn)定變化、河道層流及紊流演化等河道損害機(jī)理，建立了可靠的厚煤層開采地表沉陷預(yù)測(cè)模型、裂縫平面分布預(yù)測(cè)方法體系、裂縫極限發(fā)育深度計(jì)算公式、堤防邊坡及滲流穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法等，形成了完整的厚煤層開采地表(堤防)變形預(yù)測(cè)模型體系。從20世紀(jì)90年代開始，積極開展泗河、洸府河、湖東堤等河下壓煤開采的試采和治理工作，截止2020年底，全礦區(qū)在河下已累計(jì)開采了163個(gè)工作面，安全采出煤炭9 700萬t，累計(jì)治理河道47.6 km(圖41)。

圖41 濟(jì)寧三號(hào)煤礦、鮑店煤礦治理后泗河堤

2)鐵路及站場(chǎng)下采煤及治理。通過開發(fā)鐵路移動(dòng)變形和治理管理系統(tǒng)，進(jìn)行煤矸石特性和應(yīng)用研究，采用鐵路線路快速治理技術(shù)、鐵路道岔變形控制和維修技術(shù)、簡(jiǎn)支梁鐵路大橋采動(dòng)變形控制和治理技術(shù)、鐵路信號(hào)設(shè)備采動(dòng)變形控制和治理技術(shù)的研究，最終形成了鐵路及站場(chǎng)下采煤與治理成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)鐵路和站場(chǎng)下的綜放開采，保證了鐵路站場(chǎng)的安全運(yùn)行。經(jīng)多年實(shí)踐，興隆莊煤礦(圖42)、南屯煤礦、鮑店煤礦、濟(jì)寧三號(hào)煤礦等礦在礦區(qū)鐵路下累計(jì)開采61個(gè)工作面，采出煤量3 305萬t，同時(shí)保證了礦區(qū)鐵路的安全運(yùn)行。

圖42 興隆莊煤礦礦區(qū)鐵路下采煤及治理

3)高壓輸電線路下采煤及治理技術(shù)。研究了采動(dòng)影響下高壓輸電線路變形機(jī)理和控制技術(shù)，開發(fā)了高壓輸電線路下綜放開采大變形維修治理成套技術(shù)體系和安全保障體系，并成功地在南屯煤礦、濟(jì)寧三號(hào)煤礦、鮑店煤礦等實(shí)現(xiàn)了高壓輸電線路下厚煤層綜放開采，保證了高壓線路的安全運(yùn)行和采掘工作面的正常接替，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益(圖43)。

圖43 下沉區(qū)治理高壓線路

4)建筑物下采煤及治理。對(duì)綜放開采、薄煤層開采條件下建筑物移動(dòng)變形破壞與地表移動(dòng)變形破壞關(guān)系進(jìn)行實(shí)測(cè)和研究，獲得了建筑物移動(dòng)變形和地表移動(dòng)變形的單因素關(guān)系，建立了建筑物裂縫與地表移動(dòng)變形、建筑物長(zhǎng)度、高度之間的綜合關(guān)系式，提出了房屋裂縫角的概念，根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定了兗州礦區(qū)房屋裂縫角為60.83°，建立了兗州礦區(qū)普通民房建筑物損害評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。兗礦集團(tuán)兗州礦區(qū)從1989年開始，先后在楊村礦王因鎮(zhèn)皮革廠(1990年)、唐村煤礦的萬村(1989—1992年)、北宿礦落陵中學(xué)、吳官莊村(1993—1999年)等開展了建筑群下全柱開采試驗(yàn)研究并取得成功，使絕大部分建筑物僅受到了不超過Ⅱ級(jí)損害的采動(dòng)影響，保證了建筑物的安全使用。

5)輸油(氣)管線下采煤及治理。東灘煤礦三采區(qū)上方地面有隸屬于國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)的3條輸油(氣)管線，為保障3308工作面安全開采，同時(shí)盡量減輕對(duì)3條輸油氣管線的影響，東灘煤礦開展了3308工作面在3條輸油氣管線下開采研究，進(jìn)行了開采沉陷預(yù)計(jì)，對(duì)影響程度、影響時(shí)間、影響特點(diǎn)進(jìn)行了分析和評(píng)估。通過檢測(cè)、應(yīng)力狀態(tài)分析、開挖、GNSS監(jiān)測(cè)、制定應(yīng)急預(yù)案等措施，3308工作面進(jìn)行了正常開采，同時(shí)保證了輸油(氣)管線安全運(yùn)行。

12 深井建設(shè)技術(shù)與實(shí)踐

12.1 大型礦井立井鑿井創(chuàng)新與實(shí)踐

兗礦集團(tuán)1975年開發(fā)建設(shè)，1989年6對(duì)礦井全部建成投產(chǎn)，兗州礦區(qū)是我國(guó)第1個(gè)以大型礦井為主體的現(xiàn)代化礦區(qū)。建設(shè)期間，面對(duì)兗州煤田煤層埋藏深，沖積層厚，含水含沙層多，涌水量大等不利因素[66-67]，廣大煤礦建設(shè)者科學(xué)實(shí)踐，勇于探索，大力開展綜合建井技術(shù)研究、開發(fā)和應(yīng)用，在深井凍結(jié)、地面預(yù)注漿、機(jī)械化配套作業(yè)、井壁砌筑、井下大硐室施工、井巷長(zhǎng)距離貫通、錨噴支護(hù)、大型設(shè)備安裝調(diào)試、井筒裝備防腐及大型鋼結(jié)構(gòu)選煤設(shè)計(jì)施工等方面取得了重大突破[68]，形成一整套煤礦建設(shè)施工新技術(shù)、新工藝，把礦井建設(shè)推向“深、大、新”的發(fā)展階段，建井施工技術(shù)至此步入世界先進(jìn)行列，1992年榮獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。通過多年的研究與探索，兗礦集團(tuán)在建井技術(shù)方面取得了豐碩的成果。

在地面預(yù)注漿方面，開發(fā)了深井地面預(yù)注漿封水技術(shù)，有效控制注漿交圈和漿液擴(kuò)散；研制的新型黏土水泥漿液可注性好、析水率低、穩(wěn)定性高，結(jié)石抗?jié)B性能和抗侵蝕能力強(qiáng)，填補(bǔ)了我國(guó)注漿材料的一項(xiàng)空白，封水率達(dá)90%以上，成本降低60%，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益，首次在富含水層礦區(qū)全部實(shí)現(xiàn)了打干井、用干井。

在深井凍結(jié)施工方面，研究開發(fā)了深表土層凍結(jié)鑿井技術(shù)(圖44)，采用異徑和差異凍結(jié)方式，實(shí)現(xiàn)了凍結(jié)壁的有效控制，成功解決了深井施工凍結(jié)管斷裂、凍結(jié)爆破、筑壁二次凍脹等技術(shù)難題。研制開發(fā)了以大絞車、大吊桶、大抓斗、多機(jī)傘鉆為特征的深立井鑿井機(jī)械化配套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鑿井成套裝備的更新?lián)Q代，為深井快速施工奠定了基礎(chǔ)。

圖44 礦井凍結(jié)工程配集液圈施工現(xiàn)場(chǎng)

在井壁砌筑方面，開發(fā)了立井井筒液壓滑模砌壁技術(shù)，成功地解決了低溫、淋水下液壓滑模技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了井筒連續(xù)滑模筑壁，配以深孔光面控制爆破，掘、砌平行交叉作業(yè)，建井施工速度大幅度提高，連續(xù)刷新國(guó)內(nèi)最高月成井紀(jì)錄。首創(chuàng)出多繩摩擦輪提升機(jī)安裝調(diào)試新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次試動(dòng)成功。礦井地面生產(chǎn)系統(tǒng)如圖45所示。

圖45 礦井地面生產(chǎn)系統(tǒng)

在井筒支護(hù)方面，研制出了高精度定位模具以及樹脂錨桿固定罐道梁和系列長(zhǎng)效防腐新技術(shù)，并首創(chuàng)了井筒罐道梁大間距布置新結(jié)構(gòu)；首次在全礦區(qū)大面積推廣應(yīng)用光爆錨噴支護(hù)新技術(shù)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)井下巷道支護(hù)技術(shù)的劃時(shí)代變革；成功開發(fā)出井下特殊硐室二次支護(hù)及井下煤倉(cāng)鉆機(jī)、滑模施工新技術(shù)。推導(dǎo)出舒勒值相關(guān)平差計(jì)算新公式，實(shí)現(xiàn)了井下長(zhǎng)距離高精度貫通。

兗礦集團(tuán)已有14個(gè)井筒發(fā)生過破壞，采用各種方法治理次數(shù)多達(dá)30余次，經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐和探索，開展了井壁破裂災(zāi)害防治關(guān)鍵問題研究，建立了井壁沉降量、井壁混凝土應(yīng)變量、卸壓槽壓縮量、罐道縫壓縮量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)了對(duì)井壁累積變形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)；提出采用開卸壓槽法治理破裂井筒，卸壓槽的開槽位置設(shè)置在沖積層和基巖交界面以上井壁受力集中部位且其對(duì)應(yīng)位置有厚度3 m以上的黏土層，卸壓槽的壓縮量和數(shù)量根據(jù)預(yù)計(jì)地層沉降量確定；建立了完備的井壁破裂風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制，包括含水層水位監(jiān)測(cè)、井壁變形和地層沉降監(jiān)測(cè)、井壁安全評(píng)估等機(jī)制(圖46)。

圖46 井筒應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

整個(gè)兗州礦區(qū)建設(shè)歷時(shí)15 a，6對(duì)礦井及配套工程建設(shè)累計(jì)縮短工期20個(gè)月，工程質(zhì)量均被國(guó)家評(píng)為優(yōu)良工程，三度榮獲全國(guó)建筑工程質(zhì)量最高獎(jiǎng)——魯班(金像)獎(jiǎng)。重要施工技術(shù)被納入國(guó)家有關(guān)技術(shù)規(guī)范和《建井工程手冊(cè)》，在我國(guó)大型現(xiàn)代化礦區(qū)建設(shè)中起到了示范作用。

12.2 陜蒙富水軟巖大直徑立井鑿井實(shí)踐

2005年以來，在晉、蒙、陜、甘、寧等西部地區(qū)，占我國(guó)新增產(chǎn)能70%以上的在建和擬建大型或特大型煤礦的煤層埋深已達(dá)500～1 000 m，必須開鑿大直徑深井井筒以滿足運(yùn)輸大型采礦設(shè)備及煤炭運(yùn)量5～30 Mt/a的要求，其首要挑戰(zhàn)是深井鑿井技術(shù)。但在西部立井建設(shè)過程中，先期10余個(gè)井筒采用“普通法+注漿法”鑿井的失敗教訓(xùn)證明，在上述深厚復(fù)雜巖層中必須采用凍結(jié)法開鑿大直徑深井井筒。盡管我國(guó)深厚表土凍結(jié)法鑿井技術(shù)居世界領(lǐng)先水平，但將其延用于富水軟巖中深大井筒鑿井卻遇到了諸多重大難題，自2005年，胡家河、塔然高勒等12個(gè)全深凍結(jié)井筒因基巖凍結(jié)孔導(dǎo)水淹井，每井損失達(dá)2千萬～5千萬元、延誤工期6～12個(gè)月。兗礦能源集團(tuán)石拉烏素、營(yíng)盤壕煤礦在建井過程中亦面臨著上述問題，經(jīng)過多年攻關(guān)，在深厚富水軟巖大直徑立井及毗鄰硐室凍結(jié)法開鑿關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大的成果。

針對(duì)深大凍結(jié)井筒中出現(xiàn)的內(nèi)壁嚴(yán)重開裂漏水問題，系統(tǒng)研究了內(nèi)壁混凝土-塑料板夾層界面、塑料板夾層自身的剪切特性和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，揭示了自生溫度應(yīng)力導(dǎo)致大厚度內(nèi)層井壁開裂漏水的新機(jī)理，掌握了鋼纖維混凝土井壁的力學(xué)特性；在石拉烏素、營(yíng)盤壕煤礦6個(gè)井筒采用CF70鋼纖維混凝土井壁技術(shù)，成功防止了深大井筒內(nèi)壁溫度裂縫問題。

針對(duì)基巖凍結(jié)孔導(dǎo)水淹井問題，研發(fā)了與多種造孔泥漿相容、抗絮凝、抗失水、長(zhǎng)時(shí)緩凝、耐高溫、結(jié)石體強(qiáng)度較高與抗?jié)B性好的高性能緩凝水泥漿液配制技術(shù)，提出凍結(jié)管下沉安全性判別方法，形成了凍結(jié)孔緩凝水泥漿固管封水工法(圖47)，根除了凍結(jié)孔導(dǎo)水淹井災(zāi)害。

圖47 現(xiàn)場(chǎng)固管充填與效果檢驗(yàn)

在傳統(tǒng)凍結(jié)鑿井過程中，井筒與毗鄰硐室需要分開施工，毗鄰硐室普通法開挖過程中常需要頂水作業(yè)，支護(hù)結(jié)構(gòu)淋水，掘砌速度慢，砌壁質(zhì)量和工期均難以保證。針對(duì)井筒與毗鄰硐室聯(lián)合施工問題，研究了非圓形基巖凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律，創(chuàng)造性地提出兼顧井筒及其毗鄰硐室施工的“馬蹄形”基巖全深凍結(jié)方案，在國(guó)內(nèi)外首例實(shí)現(xiàn)井筒及其毗鄰硐室凍結(jié)法聯(lián)合開鑿，保障了富水軟弱巖層中井筒及其毗鄰硐室的安全、高效施工。

13 海外煤炭開發(fā)與實(shí)踐

13.1 發(fā)展歷程

兗煤澳洲公司包括兗州煤業(yè)澳大利亞有限公司(上市公司)和兗煤國(guó)際2部分，資產(chǎn)主要分布在新南威爾士州、昆士蘭州以及西澳，現(xiàn)有JORC資源量約51億t，原煤產(chǎn)能3 200萬t/a。目前擁有11對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)煤礦、4個(gè)煤礦資源勘探項(xiàng)目，煤炭資源儲(chǔ)量79億t，煤炭總產(chǎn)能8 000萬t；紐卡斯?fàn)柣A(chǔ)設(shè)施集團(tuán)27%股權(quán)、紐卡斯?fàn)柾呃焊?6.5%股權(quán)、威金斯島煤炭碼頭5.6%股權(quán)等資產(chǎn)。2020年，兗煤澳州產(chǎn)出3 830萬t商品煤出口國(guó)際市場(chǎng)，全職雇員人數(shù)接近4 400人。

兗州煤業(yè)澳大利亞有限公司在澳大利亞進(jìn)行6次重大投資合作，累計(jì)投資近百億澳元，兗煤澳洲礦井分布如圖48所示。

圖48 兗煤澳洲礦井分布

2004年11月18日，兗煤澳州在澳大利亞新南威爾士州悉尼市注冊(cè)成立，負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)和管理兗礦集團(tuán)在澳大利亞的資產(chǎn)，公司總部設(shè)在悉尼。

2004年12月24日，以總價(jià)款3 200萬澳元獨(dú)家收購(gòu)因工作面自燃發(fā)火而被迫關(guān)井出售的南田煤礦，并將其更名為澳思達(dá)煤礦。通過本次收購(gòu)，兗州煤業(yè)獲得了在澳大利亞運(yùn)的第一座煤礦，從此正式進(jìn)入澳大利亞開始煤炭運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，成為中國(guó)第一家在海外擁有煤礦的企業(yè)。

2006年10月11日，澳思達(dá)煤礦暨澳大利亞第一個(gè)綜放工作面投產(chǎn)(圖48)，兗礦集團(tuán)成為中國(guó)第一家成功向西方國(guó)家輸出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)煤炭成套開采技術(shù)的企業(yè)。

2009年，兗煤澳州以33.33億澳元價(jià)格并購(gòu)菲利克斯資源公司，菲利克斯公司旗下煤礦的探明及推定儲(chǔ)量合計(jì)為5.1億t，總資源量為20.06億t，使兗礦集團(tuán)擁有中國(guó)最大的海外煤炭企業(yè)。這次并購(gòu)是中國(guó)企業(yè)首次對(duì)澳洲上市公司實(shí)施并購(gòu)，成為中澳資源領(lǐng)域合作的重大突破。

2011年，兗煤澳州分別投資2.025億澳元、2.968 億澳元并購(gòu)新泰克煤炭公司、普力馬煤礦公司；其中新泰克項(xiàng)目是兗礦集團(tuán)在澳投資合作項(xiàng)目中資源儲(chǔ)量最大的獨(dú)立煤礦項(xiàng)目，未來可形成1 600萬t年產(chǎn)能；普力馬煤礦是目前西澳洲唯一一家正常運(yùn)營(yíng)的煤礦。與澳大利亞BRL公司合作開發(fā)西澳鋁土礦資源，實(shí)現(xiàn)了兗礦在澳產(chǎn)業(yè)布局和發(fā)展空間的拓展延伸。與澳大利亞BRL公司鋁土礦資源合作范圍2.4萬km2，保有儲(chǔ)量約為國(guó)內(nèi)儲(chǔ)量的2倍，兗礦擁有70%的股東權(quán)益。

2012年，以“現(xiàn)金+股權(quán)置換”資本運(yùn)作方式，并于同年6月在澳交所上市，成為澳大利亞最大的獨(dú)立煤炭上市公司，完成兗煤澳州與格羅斯特煤炭公司合并上市，成為澳大利亞最大的獨(dú)立煤炭上市公司。此次合并新增煤炭產(chǎn)能1 200萬t/a、資源量19億t，規(guī)模當(dāng)量快速提升，在澳煤炭產(chǎn)量、資源儲(chǔ)量和資產(chǎn)總額占比分別達(dá)到兗州煤業(yè)的33.3%、36.1%和39.8%，同時(shí)在鐵路運(yùn)力、港口配額、煤種配比銷售等方面的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步提升。

2017年9月，收購(gòu)力拓持有的聯(lián)合煤炭工業(yè)有限公司(簡(jiǎn)稱“聯(lián)合煤炭”)100%股權(quán)，獲得煤炭資源量31.19億t，增加煤炭產(chǎn)能3 600萬t/a，成為澳大利亞最大的專營(yíng)煤炭生產(chǎn)商。

13.2 澳洲礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

艾詩頓礦位于新南威爾士州獵人谷地區(qū)，距離紐卡斯?fàn)柛劭诖蠹s90 km，屬于紐卡斯?fàn)柮禾?，周圍有多個(gè)正在開采的煤礦，處在人口居住密集、葡萄種植園發(fā)達(dá)的地區(qū)。礦井采用井工長(zhǎng)壁和傳統(tǒng)露天開采方式；礦井現(xiàn)有井工礦生產(chǎn)能力年產(chǎn)原煤300萬t左右，2015年實(shí)際生產(chǎn)原煤300.1萬t，2016年計(jì)劃生產(chǎn)原煤271.8萬t，全年預(yù)計(jì)完成265萬t，1—7月份實(shí)際完成134萬t。礦井建有選煤廠，分井工和露天2個(gè)分選模塊，采用重介旋流器和螺旋分選機(jī)工藝，年原煤入洗能力650萬t；煤炭經(jīng)分選后生產(chǎn)半軟焦煤和動(dòng)力煤，通過火車裝運(yùn)到90 km外的紐卡索港裝船出口國(guó)際市場(chǎng)。目前，艾詩頓礦存在問題，一是井工礦多煤層開采及煤層厚度較小帶來開采難度和分選采出率低(不到50%)的問題；二是東南露天礦法庭作出了對(duì)艾詩頓礦不利的判決，同時(shí)該項(xiàng)目在目前市場(chǎng)條件下是否經(jīng)濟(jì)可行需要進(jìn)一步分析論證。

澳思達(dá)礦井(圖49)位于新南威爾士州獵人谷地區(qū)，距離紐卡索爾港65 km。兗煤澳洲于2004年12月24日通過收購(gòu)獲得，是兗煤澳州公司在澳洲的第一座煤礦，擁有100%所有權(quán)。澳思達(dá)礦是目前澳洲開采深度最大，開采條件最復(fù)雜的井工開采礦井之一。礦井采用井工長(zhǎng)壁放頂煤開采，具有年產(chǎn)原煤200萬t的生產(chǎn)能力。該礦井多次易主，并因自燃發(fā)火于2003年關(guān)閉，兗煤澳州發(fā)揮在防治煤礦自燃發(fā)火方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采取多種措施，如注氮系統(tǒng)惰化老的采空區(qū)治理了澳思達(dá)礦井的自燃發(fā)火。通過調(diào)研澳思達(dá)礦的地質(zhì)資料和煤層情況，對(duì)設(shè)備的適用性進(jìn)行優(yōu)化配置，推進(jìn)綜放技術(shù)的本土化。2006年，澳思達(dá)煤礦暨澳大利亞第一個(gè)綜放工作面投產(chǎn)，兗礦集團(tuán)成為中國(guó)第一家成功向西方國(guó)家輸出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)煤炭成套開采技術(shù)的企業(yè)。2015年實(shí)際生產(chǎn)原煤82.3萬t，2016年計(jì)劃生產(chǎn)原煤112.3萬t，采用普通長(zhǎng)壁面進(jìn)行開采，1—7月份實(shí)際生產(chǎn)原煤26.3萬t。

圖49 澳思達(dá)礦井智能化工作面

莫拉本礦位于新南威爾士州西部煤田，距離附近的瑪吉鎮(zhèn)約40 km，距離紐卡斯?fàn)柛奂s270 km。兗煤澳洲擁有81%、雙日擁有10%、韓國(guó)財(cái)團(tuán)擁有9%。礦井JORC資源量12.6億t，儲(chǔ)量2.956億t。礦井資源量大、儲(chǔ)量較小，其主要原因是井工開采區(qū)域只開采煤層的下部低灰煤層。2009年12月23日兗煤澳洲收購(gòu)菲利克斯時(shí)一期工程1號(hào)露天礦、選煤廠及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施正在建設(shè)階段(2009年3月份開始建設(shè))，兗煤澳洲公司接管后繼續(xù)項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)營(yíng)并于2010年5月份開始出煤，礦井于2010年、2011年、2012年、2013年、2014年分別生產(chǎn)原煤491萬t、701萬t、717萬t、838.7萬t、827.8萬t，2015年計(jì)劃生產(chǎn)原煤801.7萬t，但在新的申請(qǐng)修改下(MOD10)實(shí)際生產(chǎn)原煤900.1萬t，2016年計(jì)劃生產(chǎn)原煤1 115.6萬t，全年預(yù)計(jì)完成1 185 萬t，1—7月份實(shí)際完成704萬t。

經(jīng)過多年發(fā)展，目前兗煤澳洲已建成莫拉本、澳思達(dá)煤礦智能化示范礦井，憑借優(yōu)越的地質(zhì)條件、引進(jìn)卡特彼勒先進(jìn)成套裝備，應(yīng)用采煤機(jī)慣性導(dǎo)航、滾筒防碰撞聯(lián)動(dòng)控制、工作面底板水平、高程控制及設(shè)備自動(dòng)端面對(duì)準(zhǔn)等技術(shù)。單班作業(yè)人員6～7人，達(dá)到日進(jìn)尺20 m，年產(chǎn)800萬t水平。兗煤澳州的成功對(duì)于加快中國(guó)煤炭工業(yè)的國(guó)際化進(jìn)程具重要意義。

14 煤間接液化技術(shù)

煤間接液化(CTL)技術(shù)是當(dāng)前C1化工的重要發(fā)展方向，通過煤液化費(fèi)托合成技術(shù)可提取環(huán)境友好、高附加值的化學(xué)品，已成為當(dāng)前潔凈煤技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)化前景[69-71]。兗礦集團(tuán)下屬上海兗礦能源科技研發(fā)有限公司圍繞煤間接液化、煤制高端化學(xué)品、CO2資源化利用等研究方向，開辟了從應(yīng)用基礎(chǔ)研究、中試放大、工程轉(zhuǎn)化的全鏈條技術(shù)研發(fā)路徑，取得了一系列重大創(chuàng)新性成果，是目前國(guó)內(nèi)惟一掌握低溫與高溫費(fèi)托合成技術(shù)的企業(yè)。2015年采用該公司自主開發(fā)的低溫費(fèi)托合成技術(shù)建設(shè)的國(guó)內(nèi)首套100萬t/a低溫費(fèi)托合成煤間接液化工業(yè)示范裝置成功運(yùn)行；2018年采用該公司自主開發(fā)的高溫費(fèi)托合成技術(shù)建設(shè)的國(guó)內(nèi)首套10萬t/a高溫費(fèi)托合成工業(yè)示范裝置成功運(yùn)行，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷。

在高、低溫費(fèi)托合成工藝方面，上海兗礦能源科技研發(fā)有限公司研發(fā)了高低溫費(fèi)托合成工藝，采用漿態(tài)床反應(yīng)器、鐵基催化劑的低溫費(fèi)托合成工藝和使用鐵基催化劑的高溫費(fèi)托合成工藝。榆林百萬噸級(jí)低溫費(fèi)托合成煤間接液化工業(yè)示范裝置采用鐵基催化劑(圖50)，于2015年在陜西榆林投產(chǎn)，裝置年產(chǎn)柴油78.08萬t、石腦油25.84萬t、液化石油氣5.65萬t，聯(lián)產(chǎn)電力110 MW；采用高溫費(fèi)托合成工藝的10萬t/a高溫費(fèi)托合成工業(yè)示范裝置于2018年投產(chǎn)并達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，是中國(guó)目前惟一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的高溫費(fèi)托合成煤間接液化工業(yè)裝置，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷[72-73]。

圖50 榆林百萬噸級(jí)低溫費(fèi)托合成煤間接液化工業(yè)示范裝置

在漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器方面，上海兗礦能源科技研發(fā)有限公司開發(fā)了一種連續(xù)操作的氣液固三相漿態(tài)床工業(yè)反應(yīng)器，該漿態(tài)床反應(yīng)器能耗低，解決了反應(yīng)器堵塞或逆流問題，溫度與液位控制良好，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器的平穩(wěn)連續(xù)操作。2015年該反應(yīng)器技術(shù)在榆林百萬t級(jí)低溫費(fèi)托合成煤間接液化工業(yè)示范項(xiàng)目上成功應(yīng)用，如圖51所示，反應(yīng)器直徑為9.8 m，產(chǎn)能73萬t/a，是目前世界上尺寸最大、技術(shù)最為先進(jìn)的費(fèi)托合成漿態(tài)床反應(yīng)器之一。

圖51 10萬t/a高溫費(fèi)托合成工業(yè)示范裝置

在固定流化床費(fèi)托合成反應(yīng)器方面，上海兗礦能源科技研發(fā)有限公司研發(fā)了一種新型的固定流化床高溫費(fèi)托合成反應(yīng)器，2018年該反應(yīng)器技術(shù)成功應(yīng)用于10萬t/a高溫費(fèi)托合成工業(yè)示范裝置(反應(yīng)器直徑3 m)。

高效費(fèi)托合成催化劑的開發(fā)是費(fèi)托合成技術(shù)研究與工業(yè)化的關(guān)鍵，制備出價(jià)格低廉、活性高、穩(wěn)定性好、且具有工業(yè)應(yīng)用前景的催化劑，對(duì)費(fèi)托合成技術(shù)的成功產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。上海兗礦能源科技研發(fā)有限公司研發(fā)了鐵基催化劑，鐵基催化劑廉價(jià)易得，WGS活性較高，尤其適合于低H2/CO的煤基合成氣的費(fèi)托合成，該催化劑已成功應(yīng)用于榆林百萬噸級(jí)低溫費(fèi)托合成煤間接液化工業(yè)示范裝置。

15 大規(guī)模煤氣化技術(shù)研究與發(fā)展

煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭，是實(shí)現(xiàn)煤炭由燃料向燃料與原料并重轉(zhuǎn)變的核心技術(shù)[74-76]。大規(guī)模煤氣化技術(shù)的開發(fā)為國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施、促進(jìn)煤化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提高資源集約循環(huán)利用水平、提升環(huán)境綜合治理能力等提供關(guān)鍵技術(shù)支撐[77-78]，發(fā)揮了不可替代的重要作用[79-80]。

為適應(yīng)現(xiàn)代煤化工裝置大型化發(fā)展需要，兗礦集團(tuán)對(duì)多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)30 a的研發(fā)。兗礦集團(tuán)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)目前已經(jīng)形成了日處理煤1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、4 000 t和4.0、6.5 MPa不同壓力等級(jí)的系列爐型，已推廣應(yīng)用62家企業(yè)，合計(jì)175臺(tái)氣化爐，其中超大規(guī)模水煤漿氣化技術(shù)已推廣5家企業(yè)36臺(tái)氣化爐。多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)占主流煤氣化工藝市場(chǎng)13.44%的份額，居各類氣化技術(shù)市場(chǎng)應(yīng)用首位，國(guó)內(nèi)單爐處理能力2 000 t/d以上的水煤漿氣化裝置市場(chǎng)占有率100%，氣化煤炭量也居首位，成為國(guó)際公認(rèn)的三大煤氣化技術(shù)之一。

在“九五”期間，水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心(依托單位兗礦魯南化肥廠)和華東理工大學(xué)等單位共同承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“新型(多噴嘴對(duì)置)水煤漿氣化爐”，開發(fā)了新型多噴嘴氣化爐等關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)工藝方案、關(guān)鍵設(shè)備等進(jìn)行優(yōu)化，獲得了多噴嘴煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)。2000年10月，新型(多噴嘴對(duì)置)水煤漿氣化爐中試技術(shù)通過國(guó)家石化局組織的考核，與國(guó)外同類技術(shù)相比，碳轉(zhuǎn)化率提高2～3個(gè)百分點(diǎn)，有效氣成分提高1.5～2.0個(gè)百分點(diǎn)，比氧耗及比煤耗降低。

“十五”期間，在國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目“新型水煤漿氣化技術(shù)”支持下，兗礦集團(tuán)在中試實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展千噸級(jí)工業(yè)示范裝置研發(fā)及建設(shè)。在2005年，日處理1 150 t煤新型(多噴嘴對(duì)置)水煤漿氣化爐在兗礦國(guó)泰化工有限公司建成投產(chǎn)，如圖52所示，是國(guó)內(nèi)首套使用IGCC發(fā)電系統(tǒng)，并形成了多噴嘴對(duì)置式燒嘴布置形式、新型預(yù)膜式工藝噴嘴、分級(jí)合成氣洗滌工藝(洗滌冷卻室+混合器+旋風(fēng)分離器+洗滌塔)、直接換熱的渣水處理工藝等。通過對(duì)氣化關(guān)鍵設(shè)備和氣化爐運(yùn)行方案的優(yōu)化，2014年，氣化爐連續(xù)運(yùn)行周期達(dá)到了511 d，創(chuàng)造了煤氣化裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的世界記錄。

圖52 日投煤1 150 t新型水煤漿氣化爐

在國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目“日處理2 000 t煤新型水煤漿氣化技術(shù)”支持下，兗礦集團(tuán)與華東理工大學(xué)開展多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)大型化研發(fā)。通過大型化理論研發(fā)及工業(yè)示范，形成了爐膛空間結(jié)構(gòu)及噴嘴設(shè)計(jì)理論，研發(fā)了耐火磚分期獨(dú)立支撐技術(shù)，確定了耐火磚減薄方案，提高了氣化爐處理能力，實(shí)現(xiàn)了激冷室氣泡分割器模塊化，降低了制造及安裝難度，進(jìn)一步優(yōu)化了合成氣分級(jí)洗滌工藝，實(shí)現(xiàn)了氣化爐帶壓聯(lián)投及在線無波動(dòng)切換，降低了氣化系統(tǒng)停車風(fēng)險(xiǎn)，提高了氣化運(yùn)行穩(wěn)定性。2009年，單爐日投煤量2 000 t級(jí)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置在江蘇靈谷化工股份公司建成投運(yùn)。

兗礦集團(tuán)與華東理工大學(xué)在多噴嘴煤氣化技術(shù)大型化方面持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)，承擔(dān)國(guó)家“863計(jì)劃”“3000 t/d級(jí)超大型煤氣化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范”。研究了超大型化氣化撞擊火焰特性，通過高壓氣化提高了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；實(shí)現(xiàn)水洗塔塔盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化“固閥+泡罩”，提高了大型化氣化裝置合成氣洗滌效率；蒸發(fā)熱水塔采用塔板結(jié)構(gòu)，提高了熱量回收效率，延長(zhǎng)了設(shè)備運(yùn)行周期；實(shí)現(xiàn)了多噴嘴煤氣化技術(shù)的系列化、模塊化。2014年，日處理煤3 000 t 級(jí)大型煤氣化爐應(yīng)用于內(nèi)蒙古榮信化工180萬t/a煤制甲醇及轉(zhuǎn)化烯烴項(xiàng)目(圖53)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)碳轉(zhuǎn)化率提高0.43%，冷煤氣效率提高0.7%。

圖53 單爐日投煤3 000 t的水煤漿氣化工業(yè)裝置

“十三五”期間，兗礦集團(tuán)與華東理工大學(xué)等單位共同承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大規(guī)模水煤漿氣化技術(shù)研發(fā)及示范”，進(jìn)行超大型化水煤漿氣化裝置研發(fā)。超大型化煤氣化技術(shù)采用雙合成氣出口洗滌冷卻室，實(shí)現(xiàn)氣化爐液位平穩(wěn)可控；夾套式下降管，延長(zhǎng)下降管使用壽命，保障氣化系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行；優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)，縮短氣化燒嘴室長(zhǎng)度，解決了超大型化氣化爐整體運(yùn)輸難題，降低設(shè)備投資。2021年，4 000 t級(jí)多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，并通過了石化聯(lián)合會(huì)72 h運(yùn)行考核，水煤漿氣化工業(yè)裝置如圖54所示。

圖54 單爐日投煤4 000 t的水煤漿氣化工業(yè)裝置

16 煤炭清潔利用

山能始終高度重視煤炭清潔高效利用科技創(chuàng)新與工程實(shí)踐，開展了大量煤炭提質(zhì)加工與清潔高效利用技術(shù)實(shí)踐，在煤炭高效提質(zhì)、粉煤清潔利用、煤系固廢資源化等方面取得了重大進(jìn)展[81-84]。

16.1 煤炭高效提質(zhì)技術(shù)

1)煤炭干法分選提質(zhì)技術(shù)。為解決細(xì)粒末煤的干法分選問題，基于細(xì)顆粒的按密度離析原理，通過分析復(fù)合力場(chǎng)中顆粒受力特性與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，開發(fā)了“氣流-振動(dòng)協(xié)同強(qiáng)化復(fù)合力場(chǎng)細(xì)顆粒分選”技術(shù)，并針對(duì)不同煤種開展了-6 mm末煤分選試驗(yàn)。從分選結(jié)果可以看出，該技術(shù)對(duì)-6 mm細(xì)粒煤具有較好的降灰效果，且具有一定的脫硫作用，突破了常規(guī)干法分選設(shè)備細(xì)粒無分選效果/分選效果不佳的限制，在細(xì)粒末煤分選領(lǐng)域具有較大的市場(chǎng)空間與應(yīng)用前景。

2)煤泥低溫干燥脫水技術(shù)。山東能源通過開展大量的煤泥性質(zhì)研究與汽水傳熱計(jì)算實(shí)踐，開發(fā)了新型煤泥低溫干燥技術(shù)，該技術(shù)利用“內(nèi)水外水化和汽水傳質(zhì)”原理，可實(shí)現(xiàn)煤泥快速干燥。開發(fā)的煤泥低溫干燥技術(shù)產(chǎn)品為細(xì)小均勻的粉狀，水分在5%～15%可自由調(diào)節(jié)，熱能消耗小(與水分脫除量呈線性關(guān)系)，干燥速率快，不存在熱能過度損耗現(xiàn)象。目前低溫干燥脫水技術(shù)已在兗礦能源南屯煤礦建立了工業(yè)化示范項(xiàng)目，并形成了石拉烏素煤礦選煤廠、金雞灘選煤廠煤泥低溫干燥系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)方案。

16.2 煤粉清潔利用技術(shù)

為解決傳統(tǒng)無煙煤濕法成型水分要求高、產(chǎn)品初始強(qiáng)度低、燃盡率低、燒不透等問題，開發(fā)了新型濕法型煤制備技術(shù)，使用價(jià)格低廉的煙煤作為型煤原料，結(jié)合掌握的型煤制備工藝與復(fù)合添加劑技術(shù)，開展了大量系統(tǒng)性的粉煤清潔利用技術(shù)實(shí)踐。該技術(shù)以煙煤為主要原料，摻配其他廉價(jià)能源原料，采用有黏結(jié)劑免烘干成型技術(shù)，使?jié)穹熋盒兔壕哂袕?qiáng)度提升迅速、易燃燒、上火快、火力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，圖55為測(cè)得的型煤的強(qiáng)度指標(biāo)。

圖55 新型濕法型煤強(qiáng)度指標(biāo)

通過優(yōu)化原料配比及復(fù)合添加劑配方，開發(fā)的型煤高效固硫技術(shù)，通過采用“鎂系氧化物+鈣基2號(hào)添加劑+鐵系添加劑”組合達(dá)到了較高固硫效果，在保證型煤強(qiáng)度不受影響的前提下，大幅降低了SO2、NOx、煙塵等污染物排放，達(dá)到清潔燃燒的效果。

16.3 煤炭清潔燃燒技術(shù)

近年來，山能致力于煤炭清潔燃燒技術(shù)研發(fā)及實(shí)踐，涵蓋了民用及工業(yè)領(lǐng)域。以山東能源生產(chǎn)的型煤及所屬企業(yè)的工業(yè)鍋爐為研究對(duì)象，開展了大量的煤炭清潔燃燒技術(shù)試驗(yàn)與實(shí)踐。

1)以清潔型煤為燃料，將煤炭解耦燃燒(圖56)、煤炭分級(jí)燃燒及分級(jí)熱解氣化再燃技術(shù)應(yīng)用于民用采暖爐具設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)民用采暖爐具改進(jìn)，是保障居民生活質(zhì)量前提下降低散煤污染的重要措施，有利于推動(dòng)民用燃煤領(lǐng)域能源低碳轉(zhuǎn)型的平穩(wěn)過渡。

2)對(duì)爐內(nèi)脫硫本質(zhì)、工業(yè)級(jí)煤泥團(tuán)燃燒、積灰及結(jié)渣的認(rèn)知和改進(jìn)，有效提高了現(xiàn)役設(shè)備運(yùn)行管理水平；細(xì)顆粒CFB懸浮燃燒及高效低氮預(yù)熱清潔燃燒技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用拓展了劣質(zhì)煤炭資源的清潔高效利用方式，最大限度減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。

3)為推廣山東能源小型爐具，研發(fā)了靜置式脫硫技術(shù)(圖57)，該技術(shù)以低成本、高活性的脫硫固體為吸收劑，搭載相應(yīng)匹配形式的反應(yīng)器，可作為清潔燃燒技術(shù)中的脫硫單元予以普遍應(yīng)用，可有效降低燃煤燃燒煙氣凈化成本，并具有良好負(fù)荷適應(yīng)性，從而緩解小型民用及工業(yè)爐窯應(yīng)用受限，減輕燃油、燃?xì)獾哪茉磯毫Α?/p>

圖57 脫硫脫硝工藝

16.4 煤系固廢資源化利用

為提高煤系固廢的利用率與附加值，拓寬煤系固廢的利用途徑，山能建立了固廢資源化利用實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)煤化工企業(yè)的氣化渣規(guī)?；幹门c資源化利用問題，開展了碳灰分離、陶粒制備與無害化膠凝材料開發(fā)實(shí)踐。開發(fā)的氣化細(xì)渣制備高強(qiáng)陶粒工藝，主要利用氣化渣等煤系固廢中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分在高溫下形成鈣長(zhǎng)石、莫來石、石英、方石英等骨架及液相成分，賦予陶粒強(qiáng)度，如圖4所示。由于該技術(shù)充分利用了氣化細(xì)渣的殘?zhí)紵崃?、殘留水分及燒結(jié)過程中各物相組分的協(xié)同作用，無需添加造孔劑、助溶劑等外加劑，具有原料來源廣、生產(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單特點(diǎn)。

17 山能創(chuàng)新發(fā)展方向

“十四五”期間，山能將以習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，堅(jiān)持面向現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)發(fā)展和未來產(chǎn)業(yè)布局的重大需求，以“智能化、綠色化、高端化”為目標(biāo)，持續(xù)優(yōu)化科技創(chuàng)新體制機(jī)制，建設(shè)高層次創(chuàng)新平臺(tái)，強(qiáng)化領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)引進(jìn)，加大煤炭安全高效開采、重大災(zāi)害防治、清潔能源、高端化工、現(xiàn)代信息、高端裝備與材料等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)力度，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的重大科技項(xiàng)目，鞏固提升煤炭、煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快形成新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)勁動(dòng)力，為打造全球清潔能源供應(yīng)商和世界一流能源企業(yè)提供堅(jiān)強(qiáng)科技支撐。

1)加快煤炭技術(shù)綠色智能發(fā)展。以安全、綠色、智能、高效“四型礦井”建設(shè)為目標(biāo)，以智能化為手段，著力突破安全開采、綠色開采、智能開采、重大災(zāi)害治理、礦山生態(tài)保護(hù)等關(guān)鍵共性技術(shù)。

2)鞏固煤化工技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。加大煤制高端化學(xué)品、煤基新材料研發(fā)力度，推動(dòng)煤炭由單一燃料向燃料和原料并重轉(zhuǎn)變，加快推進(jìn)煤化工、石油化工、鹽化工技術(shù)融合發(fā)展。在煤炭高效轉(zhuǎn)化方面，深化煤炭氣化、煤炭液化關(guān)鍵技術(shù)研究，完善水煤漿氣化與粉煤氣化、低溫費(fèi)托合成、高溫費(fèi)托合成4大核心技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)煤化工產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展。

3)加快新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)培育。圍繞新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，加快風(fēng)電、光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)研究，布局攻關(guān)氫能、儲(chǔ)能、燃料電池和醇基燃料等領(lǐng)域核心技術(shù)與裝備，構(gòu)建風(fēng)光火氫儲(chǔ)協(xié)同互補(bǔ)綠色低碳能源產(chǎn)業(yè)鏈。

4)加大新材料技術(shù)研發(fā)力度。依托玻纖、尼龍、阻燃劑合金等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的發(fā)展基礎(chǔ)，重點(diǎn)針對(duì)先進(jìn)新材料、新能源材料、高端裝備用材進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，打造新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展增長(zhǎng)極。

5)提升裝備制造技術(shù)實(shí)力。加快發(fā)展煤機(jī)、化機(jī)等高端裝備智能制造技術(shù)，加快產(chǎn)品研發(fā)、工藝優(yōu)化、智能制造進(jìn)程，推動(dòng)裝備智能化、高端化發(fā)展；重點(diǎn)研制10 m超大采高兩柱式超強(qiáng)力掩護(hù)式液壓支架。在礦山工業(yè)智能方面，開展“北斗+”特色裝備迭代升級(jí)，拓展應(yīng)用場(chǎng)景。

6)綠色礦山建設(shè)。變被動(dòng)的塌陷治理為主動(dòng)的資源型開發(fā)，開展生物鏈治水、靶向珍珠養(yǎng)殖等生態(tài)修復(fù)工作，以國(guó)家級(jí)示范為目標(biāo)，致力“十萬畝綠水林田、十萬人生態(tài)家園”建設(shè)，形成集洲、島、河、塘為一體的“泗河之洲”治理新模式，踐行習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念。

7)煤炭清潔利用與高效轉(zhuǎn)化。優(yōu)化發(fā)展戰(zhàn)略，集聚優(yōu)勢(shì)資源，積極構(gòu)建藍(lán)天產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。重點(diǎn)推進(jìn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化、燃煤工業(yè)鍋爐高效燃燒等技術(shù)研發(fā)與示范，突破工業(yè)煤炭清潔燃燒核心技術(shù)。

8)健全完善科技創(chuàng)新管理機(jī)制。增強(qiáng)系統(tǒng)思維，著力強(qiáng)化重大集團(tuán)戰(zhàn)略牽引，以更高站位抓好科技創(chuàng)新布局謀篇。構(gòu)建更加契合集團(tuán)發(fā)展戰(zhàn)略的創(chuàng)新體系，充分激發(fā)集團(tuán)各級(jí)創(chuàng)新活力和創(chuàng)造潛能。以企業(yè)需求為導(dǎo)向，以解決實(shí)際問題的成效為衡量標(biāo)準(zhǔn)，全面推廣科研項(xiàng)目“揭榜掛帥”，引入多方揭榜的“賽馬制”“里程碑”節(jié)點(diǎn)考核制、研發(fā)費(fèi)用“包干制”。打造集團(tuán)技術(shù)共享中心，集中內(nèi)外部資源，圍繞六大主業(yè)發(fā)展，開展前瞻、共性、關(guān)鍵技術(shù)研究及重大課題攻關(guān)；打造集團(tuán)最新技術(shù)與最高水平科研成果發(fā)源地。

9)優(yōu)化提升產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)。按照集團(tuán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局定位，加強(qiáng)研發(fā)平臺(tái)與產(chǎn)業(yè)銜接，優(yōu)化配置創(chuàng)新資源，促進(jìn)開放共享，形成布局得當(dāng)、結(jié)構(gòu)合理、協(xié)同共享、運(yùn)轉(zhuǎn)高效的產(chǎn)業(yè)研究院平臺(tái)體系。

10)全面提高成果轉(zhuǎn)化效力。創(chuàng)新實(shí)施“技術(shù)+資源+資本+市場(chǎng)+服務(wù)”一體化發(fā)展模式，強(qiáng)化戰(zhàn)略合資合作，打造更多科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化聯(lián)合載體，加快建設(shè)一批推廣轉(zhuǎn)化應(yīng)用示范工程、示范項(xiàng)目，推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。

18 結(jié) 語

1)山能承擔(dān)著保障全省能源安全、優(yōu)化能源布局、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要使命；面向“十四五”，繼續(xù)保持鞏固煤炭、煤化工在行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)先地位，提升裝備制造領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力、達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，加快煤電與新能源新材料科技創(chuàng)新能力提升、由應(yīng)用技術(shù)到自主掌握核心技術(shù)。

2)在碳達(dá)峰碳中和大背景下，拓展多元能源供應(yīng)體系，統(tǒng)籌推進(jìn)光伏、風(fēng)電、氫能等新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但風(fēng)能、光伏等新能源的不穩(wěn)定性給新能源體系增加了脆弱性，在大規(guī)模低成本儲(chǔ)能技術(shù)未獲得突破的前提下，新能源難以高比例接入現(xiàn)有的能源體系，必須以煤電作為新能源平抑波動(dòng)穩(wěn)定器。

3)山東煤礦平均埋深超過660 m，且采深正以每年約40 m左右的速度增加，煤炭深部開采過程中不得不面臨巷道大變形、沖擊地壓、高溫?zé)岷Α⑺?、煤與瓦斯突出等各類問題，尤以沖擊地壓?jiǎn)栴}最為嚴(yán)峻，在山東率先開展深部資源安全高效智能開采技術(shù)研究意義重大，對(duì)全國(guó)其他礦區(qū)深部開采具有典型示范作用。

4)煤礦重大災(zāi)害事故是長(zhǎng)期制約煤炭安全高效生產(chǎn)的核心瓶頸，隨著我國(guó)煤礦災(zāi)害防治領(lǐng)域科技裝備水平的提高，極大改善了煤礦安全生產(chǎn)的落后面貌，但重大災(zāi)害事故仍時(shí)有發(fā)生，安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻。覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是煤礦重大災(zāi)害誘發(fā)的根本原因，開采布局是煤礦災(zāi)害預(yù)控的重要有效手段。

5)煤炭作為我國(guó)主要能源的地位和作用是難以改變的，我們對(duì)煤的注意力不要分散，還要做好煤炭這篇文章，認(rèn)識(shí)到煤炭的燃料與原料雙重作用。

致謝：本文是在《煤炭科學(xué)技術(shù)》主編王國(guó)法院士的盛邀及悉心指導(dǎo)與策劃下，歷時(shí)半年時(shí)間完成的，謹(jǐn)向40余年來為山能發(fā)展付出努力的同仁致以崇高的敬意。論文寫作過程引用大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)，還有部分來自山能等相關(guān)部門的內(nèi)部資料，對(duì)于未標(biāo)明引用的文獻(xiàn)資料及作者表示感謝；工程實(shí)例參考了合作高校的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果、研究報(bào)告和PPT，在此一并感謝。最后，衷心感謝審稿評(píng)審專家及編輯部提出的寶貴意見，使得文章更加完善，內(nèi)容愈加豐富。文中不足之處敬請(qǐng)讀者諒解及批評(píng)指正。