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煤炭產業進入精準開采新時代
作者:   來源:陜西省煤炭工業網    發布日期:2018-10-22   點擊次數:
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今年1-7月,我國煤炭消費同比略增3.4%左右,盡管略有反彈,但與2013年的峰值水平相比,煤炭消費量長期下降已是大勢所趨。

福禍相依,不要總認為煤炭消費比重下降對煤炭行業是壞事,應該繼續堅持節約、清潔、安全的發展思路,聚焦煤炭精準開采、清潔高效利用,力爭用最少的煤礦數量、最小的開采面積、最小的煤炭消費量支撐中國的能源需求。出于安全生產、生態環境和節能降耗層面考慮,我國煤炭行業必須要持續推進煤炭資源高效回收及節能戰略。這意味著,煤炭行業正處于一個重大的轉型期,逐步進入一個安全智能精準開采新時代。

綠色煤炭資源只夠四五十年。

我國煤炭的基本國情是資源稟賦復雜。煤炭資源分布差異大,極薄煤層與特厚煤層、近水平與急傾斜煤層廣泛分布,開采條件極其復雜。煤炭開采受煤與瓦斯突出、沖擊地壓、煤自燃、水害、粉塵等災害威脅嚴重,安全開采難度大。

在我國已探明的煤炭資源中,埋深在1000米以下資源量占53%。隨著淺部資源枯竭,煤炭采深以平均每年10-25米的速度增加,且深部煤炭資源安全開采威脅巨大,深部瓦斯、沖擊地壓等災害相互耦合,成災機理復雜,防治愈加困難。

在煤炭開采過程中,普遍存在“棄薄采厚、挑肥揀瘦”現象,礦井資源回收率平均僅50%左右,與發達國家約80%的回收率有較大差距,造成原設計80-100年服務年限縮短一半。在節能領域,煤炭生產噸煤能耗大,2012年原煤生產耗電28.4千瓦時/噸,煤炭生產綜合能耗17.1千克標煤/噸。

近年來,依靠科技進步,煤礦安全開采形勢持續好轉:在我國煤炭產量逐年增加的同時(從2000年的13億噸增加到2017年的35.4億噸,增幅達172.3%),百萬噸死亡率從2005年的2.76降至2017年的0.106。

但是,煤炭安全開采形勢依然嚴峻:雖然煤礦瓦斯、頂板、水害等事故率逐年大幅下降,但重特大事故仍然時有發生,社會影響惡劣;煤礦百萬噸死亡率與世界發達國家相比仍存在較大差距,目前是美國的5倍,是澳大利亞的11倍。

解決這些問題,就需要“刀口向內”,以精準開發方式,推進綠色煤炭資源發展,同時最大限度保護資源、生命和環境。綠色煤炭資源量是指能滿足煤炭安全、技術、經濟、環境等綜合條件,并支撐煤炭科學產能和科學開發的煤炭資源量。基于現有技術條件,我國可供開采的綠色煤炭資源量極其有限,只有5048.95億噸,不足探明煤炭儲量的一半,占全國預測煤炭資源量5.97億噸的十分之一。按國家能源需求和煤炭資源回收現狀,綠色煤炭資源量僅可開采40-50年,未來或將大面積進入非綠色煤炭資源賦存區開采,煤礦安全勢必面臨巨大難題。

安全、智能、精準一個不能少

2016年,筆者首次提出“煤炭精準開采”科學構想,引發行業內外廣泛熱議。2017年8月8日,“煤炭安全智能精準開采協同創新組織”在淮南理工大學成立并揭牌。如今,煤炭安全智能精準開采是未來采礦的必由之路,已成為行業共識。

“煤炭精準開采”是將煤炭開采擾動影響、致災因素等統籌考慮的煤炭無人(少人)智能開采與災害防控一體化的未來采礦技術。其科學內涵是,基于透明空間地球物理,以多物理場耦合、智能感知、智能控制、物聯網、大數據、云計算這些信息作為技術支撐,具有風險判識、監控預警與處置功能等安全開采技術為支撐的智能無人安全開采。

隨著新形勢的發展,“煤炭精準開采”又增加了新的內涵。

首先,要考慮在安全方面實現精準開采,如果安全問題都解決不了,其他就如同無本之木。

其次,要實現智能化。過去,我國煤礦根本談不上智能化,連最基本的機械化也有很大差距,平均采煤機械化程度只有45%,國有重點企業為82.7%。相比其他行業,煤礦信息化、無人化、智能化水平尚處于起步階段。未來,煤炭產業必須由高危勞動密集型升級為高精尖技術密集型:每個礦100人以內,90%的人在地面作業,10%的人在井下做生產準備、巡檢;信息化、自動化、智能化水平以及回收率、效率等指標會達到較高水平。

但僅僅是智能化仍然不夠,最終目的還是要實現精準開采,對煤礦資源、開采之后的狀況做到先知先覺,開采過程中的機器設備、系統運行都能夠實時感知,達到航空航天一樣的水平。

從技術路線來看,精準開采有自己的路線圖:第一步,2035年以前,是地面和井下相結合的遠程遙控無人開采階段,實現操作人員在監控中心遠程干預遙控設備運行,采掘工作面落煤區域無人操作;第二步,2035年到2050年,真正實現智能無人精準開采,突破地面遠程控制的智能化與信息化、可視化煤炭無人采與智能感知、災害智能監控預警與防治等技術。

如今,煤炭開采從傳統的人力礦山、機械礦山到信息礦山、數字礦山并逐步向智能礦山演進,安全智能精準開采正在成為現實。據統計,自首個無人開采工作面——黃陵一號煤礦1001工作面試驗成功以來,我國已有70余個采煤工作面實現智能無人開采。幾代煤炭人期待的“有人巡視,無人值守”智能化無人開采由夢想變成現實。

加強產學研協同創新

目前,煤炭精準開采發展還面臨諸多挑戰,主要表現為多種煤巖動力耦合災害治理研究尚不成熟,隱蔽致災因素動態智能綜合探測技術缺乏,基于大數據的煤礦重大災害預警平臺及新技術研究尚未開展等幾個方面。

為此,煤炭安全智能精準開采模式需要盡快研究并突破以下幾項關鍵技術:一是要精準掌握煤層賦存條件,實現地質構造、陷落柱、瓦斯等致災因素高清透視,打造具有透視功能的地球物理科學支撐下的“互聯網+礦山”;二是要研發新型安全、靈敏、可靠的采場、采動區及災害前兆等信息采集傳感技術裝備,形成人機環參數全面采集、共網傳輸新方法;三是要突破多源異構數據融合與知識挖掘難題,創建面向煤炭精準開采及災害預警監測數據的共用快速分析模型與算法;四是采用“三位一體”科學研究手段,研究煤礦災害致災機理及災變理論模型,實現對煤礦災害的自適應、超前、準確預警;五是要探索多場耦合復合災害知識庫構建方法,建立適用于區域性煤礦開采條件下災害預警特征云平臺;六是以采煤機記憶切割、液壓支架自動跟機及可視化遠程監控等為基礎,以生產系統智能化控制軟件為核心,研發遠程可控的無人精準開采技術與裝備;七是要融合計算機網絡技術、現代控制技術、云計算技術于一體,將互聯網技術應用于云礦山建設,把煤炭資源開發變成智能工程或車間,建設基于云技術的智能礦山。

煤炭科技創新,不搞產學研協同合作,就是死路一條。因為各方優勢可以互補:高等院校主要從事基礎研究,科研機構主要從事技術裝備研發,大型煤炭企業主要從事成果應用推廣及示范工程建設,形成產、學、研協同創新體制。只有各展所長、協同創新、聯合攻關,才能破解難題、引領行業,如果各干各的,一個教授一個團隊,一個單位一個團隊,難以實現創新。

“煤炭安全智能精準開采協同創新組織”成立至今,一直致力于推動煤炭安全智能精準開采從科學構想變成理論與技術現實。目前,該組織邊研究邊轉化邊示范,已經基本實現了煤與瓦斯的精準共采,并在液壓支架自動跟機、采煤機記憶截割、工作面視頻監控技術與裝備等方面取得重大突破。通過產學研協同創新,組織成員單位在信息智能傳感傳輸、互聯網+大數據信息處理、災害智能預警與防控、智能采掘技術與裝備等領域進展顯著。

面向未來,建議政府主管部門更加重視煤炭行業科技創新,以煤炭精準開采引領資源科技未來發展,未來爭取用最少的礦井數量和開采面積支撐國家25億-30億噸煤炭需求。

(作者為中國工程院院士、安徽理工大學校長 袁亮)



                                                                                                                     責任編輯:周彥榮 編輯:藍 圖



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