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优发国际:1 我国安全煤矿开采现状

时间:2022-09-15 浏览:

优发国际2020年,我国创新指数位居世界第14位,进入创新国家行列[1]。 2035年我国科技事业的发展目标是进入创新型国家前列,在中华人民共和国100岁时成为世界科技强国。

面对新一轮科技创新和产业变革,煤炭行业必须推动互联网、大数据、人工智能与采矿业跨界融合,走智能化、无人化、安全、精准采矿之路,为新中国成立100周年而奋斗的同时,全面实现煤炭安全、智能、精准开采[2-5]。加强煤矿安全生产是国家安全发展战略的重要内容。中央财经委员会第三次会议强调,建立高效、科学的自然灾害防控体系,为保障人民生命财产安全和国家安全提供有力保障。党中央、国务院《关于推进安全生产领域改革发展的意见》指出:大力实施安全发展战略,始终把人的生命安全放在首位,发展不能以牺牲安全为代价。党的十八大以来,习近平总书记多次强调要加强安全生产监督执法,强化基层监督,努力提高安全生产法治化水平。我国出台了一系列适合煤矿生产实际的政策法规和文件,并大力组织实施。建有国家重点实验室、国家工程研究中心等,专门从事煤矿安全生产科技研究。

1 我国安全采煤现状1.1 以煤为主的能源是国家发展的必然选择

优发国际我国是“缺气、少油、相对富煤”。 2020年煤炭在我国一次能源消费中的比重约为56.7%。 2020年,原油和天然气对外依存度将分别达到73%和43%[6]。中国工程院预测,2050年煤炭在一次能源消费中的比重将保持在50%左右[7]。 2050年前,以煤炭为主的能源结构难以改变。

我国煤矿开采条件复杂,灾害威胁严重。煤炭资源分布差异很大。极薄煤层和特厚煤层、近水平和陡倾斜煤层分布广泛,地质条件复杂的煤层占70%[8]。晋陕蒙宁甘地区资源储量丰富,开采条件相对简单,生态环境脆弱;华东地区煤质优良,煤层稳定,已转深开采;东北地区采矿地质条件复杂,煤与瓦斯突出威胁严重。 ;华南煤层不稳定,结构复杂。煤与瓦斯突出矿井占全国的79.7%,热害问题突出;新清区生态环境脆弱,煤矿开采节水问题突出。多年冻土区煤炭开发困难[9]。我国煤矿开采受到瓦斯、岩爆、煤自燃、水害、粉尘、顶板、热害等严重威胁。

1.2 安全采煤成就

优发国际1.2.1初步形成煤炭资源勘探与煤矿地质保障体系

“地震主导、多方法协同、井下一体化”的三维综合勘探体系逐步成熟,以高分辨率三维地震勘探为核心的技术得到应用。井下水平定向钻机能力超过1 000 m,无线电波、直流法、微震法等先进探测、监测和预警技术得到推广应用[10]。井下与矿井一体化、采前采中协同的煤矿地质保障技术体系已初步形成。

1.2.2 煤炭和天然气联合开采研究的国际领先者

优发国际经过20年艰苦的勘探研究,实现了煤与瓦斯的精准开采和低瓦斯条件下高瓦斯煤层的安全开采。攻克了多分支水平井钻完井等重大核心技术,形成了一系列具有自主知识产权的创新成果和50多项重要标准规范。建立了卸压开采瓦斯抽采理论和煤与瓦斯共采技术体系。

1.2.3综采技术及成套设备研发取得重大突破

开创薄煤层犁无人工作面安全高效开采技术模式,实现0.8~2.0 m煤层高瓦斯工作面自动化开采[11- 12]。研制成功14~20m特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备,实现年产1000万吨特厚煤层工作面安全高效开采第一次。随着世界第一台马蹄形斜轴双模盾构机、最大矩形盾构机、世界第一台永磁电机驱动盾构机的研制成功,完全依赖进口盾构机的时代已经过去。研制的盾构机目前已占全球2/3的市场份额,拉动国外同类产品价格下降40%。

优发国际1.2.4 智能采矿技术与装备的历史性突破

创新开发了矿区工作面无人开采新技术,攻克了三角煤自动开采、装载机与液压支架联动、采煤机电缆防落槽、遥控等多项技术难题采煤机和液压支架。 整合创新工作面盾构无人开挖新技术,研制成功具有自主知识产权的国产盾构机,完成了盾构开挖技术在神华、淮南等矿区的成功应用。自首个无人工作面——黄岭一号煤矿1001工作面试验成功以来,我国已有近500个工作面实现无人化开采[13]。几代煤炭人所期盼的“载人巡检、无人值守”的智能化、无人化开采,让梦想变成了现实。

煤矿安全生产科技进步支撑国民经济快速发展。近年来,我国煤炭产量逐年增长,从2005年的21.5亿吨跃升至2020年的39亿吨。在强劲的能源供应支撑下,我国GDP总量也逐年增长按年计算中国能源煤炭安全问题,从2005年的18.73万亿元到2020年的101.59万亿元。百万吨煤矿死亡率不断创新低,从2. 2005年76至2020年0.059。煤矿瓦斯事故基本得到控制。 2020年全国发生煤矿瓦斯事故7起,死亡30人,比2005年分别减少407人、2141人。

1.3安全采煤的主要问题

依托科技进步,我国煤矿安全生产取得历史性成就,但仍面临诸多问题和挑战。

1.3.1煤矿安全生产形势依然严峻

2020年中国能源煤炭安全问题,发生煤矿事故122起,​​死亡225人,重大生产安全事故仍时有发生。目前,全国共有高瓦斯煤矿840座,煤及瓦斯突出煤矿719座。随着开采深度的不断增加,一些煤矿已经从低瓦斯向高突出矿发展,煤矿安全生产形势依然严峻。

1.3.2 可供开采的绿色煤炭资源极为有限

绿色煤炭资源量是指能够满足煤矿安全、技术、经济和环境条件,支撑煤炭科学生产能力和科学发展的资源量。预计煤炭资源量约为5.97万亿吨,绿色资源量仅为5 048.95亿吨,约占1/10。煤炭平均回收率仅为50%,远低于美国等发达国家80%的水平。我国绿色资源量只能开采40~50年,未来非绿色煤产区可能大面积开采。

1.3.3 深部煤炭资源安全开采威胁巨大

我国1 000 m以下已探明煤炭资源占53%,浅层资源枯竭,采煤深度平均每年增加10-25 m。深部煤和瓦斯爆发、岩爆和其他动态灾害受到的威胁更大。日本、英国、德国等国相继关闭矿山,我国需要直面困难[14]。

1.3.4我国主动淘汰落后煤炭产能

国家制定了煤炭行业去产能目标,积极淘汰落后煤炭产能。 2016年至2020年,我国煤炭行业淘汰落后产能约9.9亿吨/年。中国工程院预测,2030年我国废弃矿山数量将达到1.5万个[15]。积极淘汰落后产能,矿山关闭或废弃将成为常态。

1.3.5 直接关闭或废弃矿山面临诸多问题

直接关闭或废弃矿山会造成巨大的资源浪费,这可能会导致安全、环境和社会问题。关闭或废弃矿山资源较多,其中煤炭约420亿吨,非常规天然气约5000亿立方米(残气是隐患,也是清洁能源),约占1/3全国矿井水资源丰富,资源丰富。地热能、地下空间资源(约60万立方米/矿)、土地(约30平方公里/矿)、可再生能源、生态发展和工业旅游资源等[16-17]。 “12.4”重庆吊水洞煤矿关停后,发生CO2超限事故,造成23人死亡。煤矿关停过程中存在诸多安全隐患,严重威胁矿山安全、生态环境和区域生产生活。

2 煤矿安全技术的最新进展

在依然严峻的煤矿安全生产形势下,煤炭行业科研人员坚持创新驱动,坚持“政产学研用”协同创新中国能源煤炭安全问题,在煤炭智能化、精准开采煤矿、重大安全生产风险预测预警工作取得重大进展。

2.1 煤炭安全、智能与精准开采协同创新

“煤炭安全、智能与精密开采协同创新组织”于2017年8月8日成立并揭牌。2018年至2020年,连续三年举办学术研讨会,69位院士、1万名学者分享最新研究进展和成就。通过“政产学研用”协同创新,其成员单位在煤与瓦斯突出预警、岩爆预警、联合采煤等领域的科技研究取得了显着进展。无煤支柱煤和天然气。

2.2煤与瓦斯突出预警新进展

在煤与瓦斯突出理论方面,揭示了多场耦合诱发突出机制和突出发展演化规律,成功开展了世界首个大型真三维煤与瓦斯突出物理模拟实验出,揭示了多场耦合诱发突出机理,构建了煤与瓦斯突出的临界判据[18-19]。

在煤与瓦斯突出预警领域,具有13个一级预警指标和36个二级预警指标的煤与瓦斯突出工作面风险多参数预警指标体系,区域风险和生产系统风险已经构建。建立煤与瓦斯突出多源信息融合预警模型,实现多指标自动融合分析决策、预警模型自我修正、预警原因可追溯。同时,工作面分布式声电突预警系统,基于B/S架构的云平台,支持跨平台矿井突智能预警系统和矿井远程监控预警系统。煤、瓦斯突出区已开发。

2.3 岩爆预警新进展

在岩爆理论方面,揭示了岩爆应力场-能量场-振动场叠加诱饵机制和煤厚变化区岩爆开采的发生机理,揭示了岩爆发生的关键判据构造[18-19]。在岩爆预警方面,多参数综合筛选法、多参数综合监测预警模型、单参数综合异常指标模型、指标监测预警判别法、权重确定法构建R值评分方法。监测预警指标体系。提出了分区分级监测预警影响风险的思路,包括通过分区分级对全矿山影响风险进行分级,确定重点区域;对重点区域进行重点监测、预警和检查,确定危险范围;对局部危险区域进行局部实时监测、预警和巡查。开发了双源冲击波一体化CT探测预警设备、煤岩充填监测系统、井眼联合动应力监测系统,建立了岩爆预警云平台,实现了对岩爆危害的综合监测预警。

2.4 无煤煤与瓦斯联采新进展

在无煤柱煤与瓦斯联采方面,构建了“高位环状体”理论模型,首次大尺度(1:1)现场实测和数值计算)开展模拟研究,提出卸压系数新概念,实现“三场”定量描述,实现深井开采煤岩体高效瓦斯抽采[20-21]。

2004年提出无煤柱煤与瓦斯联采关键技术,瓦斯抽采浓度10%-40%,首采采空区瓦斯抽采率70%以上,连续抽采率达90% 首采层留空钻孔法瓦斯抽采技术;瓦斯抽采浓度达60%~95%,单孔瓦斯抽采流量0.25~1.50 m3/min,上放煤层瓦斯抽采率大于72%,卸压煤层含气量由30 m3/t降低到8 m3/t以下,采用井上钻井法抽取卸压瓦斯技术;以及瓦斯抽采浓度85%~100%,单孔瓦斯抽采流量0.12~0.98 m3/min,多层采后瓦斯抽采率70%以上,压力卸压 煤层瓦斯含量降低到8 m3/t以下,井下钻进法瓦斯卸压技术达到安全开采标准。

3 煤矿安全生产技术策略

新一轮科技创新和产业转型积极推进,面对“百年未有之大变局”和碳达峰、碳中和目标,立足煤矿安全生产,积极制定推进煤炭矿山安全生产技术战略是保障国家能源安全和落实“双碳”目标的重要举措。

3.1 战略框架

3.1.1 战略思维

以追求煤矿工人安全健康生活为目标,以先进的工程技术支持绿色本质安全和职业健康,实现煤矿安全“五化”:透明化、精准检测、实现矿井全息透明智能化、精准开采、设备智能高效控制;减灾、精准监控、化解危机、救援,实现全过程减灾;健康、精准防护,有效控制职业病,保障劳动者健康;低碳、精准开发、分类分级,充分开发利用废弃矿山资源。按照“五化”要求,构建煤炭开采全过程(采前、采后、采后)灾害防控精准化、智能化开采新蓝图。

3.1.2 战略蓝图

到2050年,煤矿将实现精准开采,包括全息透明矿井、精准智能开采、智能灾害防治、废弃物资源开发等,助力煤矿向技术密集型企业升级。煤炭行业已成为科技含量高、安全水平高、绿色无害的高新技术产业。以最少的劳动力、最少的储备使用、最少的人员伤亡中国能源煤炭安全问题,确保我国煤炭安全、稳定、可持续供应。提高废弃矿山资源开发利用水平,减少碳排放,为国家低碳战略贡献力量。

3.1.3 战略路线

2025年,实现精采“25版”,完成精采试验示范工程;将井下煤矿作业人员减少30%以上;将百万吨煤矿的死亡率控制在0.1;煤矿尘肺病发病率降低10%以上;废弃矿山开发利用率达到25%以上;安全生产形势得到根本改善。到2035年,实现精准开采“35版”,煤矿精准开采比重达到30%以上;煤矿井下作业人员减少70%以上;百万吨煤矿死亡率控制在0.01以内;煤矿尘肺病发病率降低40%以上;废弃矿山开发利用率达到35%以上;安全生产技术水平达到世界前列。 2050年,实现精准开采“50版”,煤矿精准开采比重达到90%;人员为白领,无人井下作业,煤矿死亡人数控制在个位数;废弃矿山开发利用率达到50%以上;安全生产技术水平世界领先。

3.2煤矿安全开发技术体系

遵循煤矿安全生产技术规律,推动落实科技战略思想,重点发展全息透明矿井、精准智能采矿、智能应急救援、智能健康防护与安全开发技术体系。

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3.2.1个全息透明矿

全息透明矿利用全息成像技术,构建三维分布影像,准确判断煤炭资源的产状、资源储量、地质构造、地质灾害及伴生资源等,可提供灾害源头预防、区域治理和资源综合利用。支持的地雷。重点开展全息透明矿山基础理论研究、应用技术和装备研发,实现矿山资源透明化和灾害勘探。研究开发具有透视功能的地球物理科学、智能感知与多网综合传输技术与装备、复杂地下空间定位与自主导航技术、地下地质构造探测与灾源定位高精度技术与装备。 2020-2035年,探测精度达到分米级; 2035年到2050年,探测精度将达到厘米级。并形成了一整套精准探测技术和装备,实现了矿山全息透明,大大提高了矿山隐患的探测能力,如图1所示。

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图1全息透明矿井搭建

3.2.2 精准智能挖矿

精准智能挖矿是在透明矿场的基础上,结合物联网、大数据、人工智能、区块链等新技术,实现智能精准无人挖矿作业。继续推进基础理论研究,突破核心关键技术,研制前沿装备,开展煤炭精准智能开采工程示范,实现煤矿智能化、无人化安全开采。具体开展煤岩识别、智能遥控采矿技术及示范应用研究、远程可控精密采矿技术与装备研发、流化采矿关键技术与装备研发。煤炭资源深厚。 2020-2035年,精准开采煤矿比重达到30%以上; 2035年至2050年,煤炭精准开采比例将达到80%以上。同时,建立智能控制、自主避险的煤矿精准、智能、安全开采技术体系,实现煤矿精准、智能、安全开采,大大提高煤炭开发的技术水平和安全保障能力。 安全、智能、精准采煤的战略蓝图如图2所示。

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图2安全、智能、精准采煤的战略蓝图

3.2.3 智能应急救援

智能应急救援是以全息透明矿井为前提,明确矿井灾源定位,实时在线监控,设备自动报警智能响应,井下机器人作业智能精准应急救援。具体来说,要发展煤矿灾害探测与预防的智能制造装备(机器人)中国能源煤炭安全问题,实现煤矿灾害的智能化、无人化探测与预防;发展基于透明矿山技术的复合灾害预警技术,以及智能机器人探测、识别和灾害防控技术;建设全国灾害防治大数据平台;发展深度复合动态灾害防治技术。 2020-2035年煤与瓦斯突出、洪水、火灾、顶板、岩爆预测准确率达90%,百万吨死亡率0.01; 2035年至2050年,实现煤与瓦斯突出、洪涝灾害。 、火灾、顶板、岩爆预测准确率100%,煤矿死亡人数为个位数(百万吨死亡率不大于0.003)。进一步提高提升我国煤矿安全技术水平,形成智能局部化精准开采,实现隐患精准定位、监测预警,构建井下安全生产体系和灾害管控可视化监控系统,控制煤炭从发展源头抓好矿山灾害,加强复合灾害综合治理和区域治理,统筹资源利用和灾害治理。智慧应急救援战略蓝图如图3所示。

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图 3 智能应急救援战略蓝图

3.2.4 智慧健康保护

智能健康防护是指基于全息透明矿井和智能减灾核心技术对煤矿潜在危险区域的识别;利用高精度的人员定位、风险监测、智能控制系统,分析工人位置危害、个体粉尘暴露和健康状况并实时反馈给个体,通过智能控制消除安全隐患的健康保障。研究开发煤矿井下环境优化关键技术、个体健康精准防护装置和风险缓释技术,提高矿井职业病危害监测预警和预防技术水平。开展矿井可吸入粉尘在线监测与防治技术与装备、矿井一体化高效除尘技术与装备、煤层硫化氢含量测定方法与高效吸收技术与装备、矿井协同冷却传热技术和设备,矿山有毒有害气体和噪声抑制。控制技术的发展。 2020-2035年,可吸入粉尘除尘效率达到90%以上,煤矿尘肺发病率降低40%以上; 2035年至2050年,职业病发病率下降90%以上。提高煤矿职业病危害防治技术的有效性、适应性和经济性,实现职业病危害监测预警预防体系技术装备突破。从源头上控制煤矿职业病危害,将呼吸道粉尘监测与控制与高温热害、噪声、有毒有害物质控制技术相结合,提高煤矿职业病危害监测预警与防治技术水平。有害气体。智慧健康保障战略蓝图如图4所示。

图 4 智慧健康保护战略蓝图

4 展望

随着煤矿电力灾害防治和煤炭精准开采的不断发展,未来我们将努力以最少的矿山、最少的开采量来支持全国25亿至30亿吨的煤炭需求。区域,构建能源生产与环境保护协调发展的新格局。为实现科技强国梦作出贡献。我国煤矿安全发展战略规划是:力争到2025年实现煤炭智能化、精细化开采的重大突破;到2035年基本实现安全、智能、精准煤炭开采;到2050年全面实现安全、智能、精准采煤。

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