我国煤炭科技发展现状及趋势

申宝宏,雷 毅

（中国煤炭科工集团有限公司,北京 100013）

我国煤炭科技发展现状及趋势

申宝宏,雷 毅

（中国煤炭科工集团有限公司,北京 100013）

在分析“十一五”煤炭科技发展现状的基础上,提出了 “十二五”期间煤炭科技面临的挑战,指出了煤炭科技发展的目标方向,对于保障煤炭工业实现健康可持续发展,具有重要的战略意义。

煤炭;科技;现状;趋势

煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业,支撑着国民经济持续快速健康发展。在我国一次能源生产和消费结构中,煤炭的比重分别达到77.3%和 70.4%,煤炭在相当长时期内仍将是我国的主体能源。“科学技术是第一生产力”,煤炭科技是实现煤炭高效、安全、洁净开发和利用,促进煤炭工业健康可持续发展的重要保障。“十一五”期间,煤炭行业相关科研机构、高等院校、生产企业,注重产学研用相结合,广泛开展煤炭科技创新,在基础理论研究、关键技术研发、重大装备研制、先进成果推广等方面取得了重要进展,有力促进了煤炭科技的快速发展。“十二五”期间,煤炭科技也面临一系列新问题和新挑战,要不断完善煤炭科技创新体系,搭建科技支撑平台,全面提升行业科技水平和核心竞争力。

1 我国煤炭科技发展现状

“十一五”期间,煤炭科技创新的步伐明显加快,涉及煤炭资源开发与利用的共性、关键性技术难题攻关取得突破性进展。在煤田地质勘探、煤炭资源高效开采和清洁加工利用、煤矿重大灾害防治、矿区节能减排、环境保护和循环经济建设等方面涌现出一大批具有先进水平的科技创新成果。

1.1 煤炭资源勘探和煤矿地质保障体系初步形成

开展了盆地构造、含煤地层、岩相古地理、煤岩煤质、资源评价等多学科综合研究,从整体上把握了煤盆地演化和煤炭资源赋存与分布规律。“以地震主导,多手段配合,井上下联合”的立体式综合勘探体系逐渐成熟,地面勘探与井下探测结合,物探、钻探、巷探相结合,基本能够探明开采地质条件。以高分辨三维地震勘探为核心的物探技术得到应用,可以查出 1000m深度以内落差 3～5m以上的断层和直径 20m以内的陷落柱,极大地提高了煤炭综合勘查的效率。煤矿井下水平定向钻进技术及设备完成国产化配套,钻机能力达到1000 m。无线电波透视技术、直流电法含水体超前探测技术、瑞利波超前探测技术、煤层底板音频电透视技术得到推广应用。声发射、微震、电磁辐射等监测技术为矿井灾害预警提供了技术支撑,井上下一体、采前采中配合的煤矿地质保障技术体系初步形成。

1.2 深厚冲积层大型矿井建设达国际先进水平

钻井法施工形成了 “转盘拖动、减压钻进、一次超前、分次扩孔、泥浆护壁、反循环洗井、悬浮下沉预制井壁和水泥浆壁后充填固井”的施工工艺。研制的大型钻机最大钻径达到 13m、最大钻深达到 700m以上;最大钻凿成井深度达 660m,最大钻井直径为 10.3m。冻结法凿井技术穿过冲积层厚度达到 587m,最大冻结深度 737m。地面预注浆材料从 “水泥时代”进入“黏土时代”,井筒地面预注浆最大深度达到 1048m。冻结—注浆—凿井主动三平行凿井技术成为深井快速施工的一项重要手段。我国的冻结、钻井、注浆等特殊凿井技术达到国际领先水平。大直径反井钻机研制成功,反井钻井深度达 500m,最大扩孔直径达 5m。

1.3 综采技术和成套装备研发取得新进展

自主研制了大功率电牵引采煤机、刮板输送机和电液控制液压支架等工作面成套装备,适应煤层厚度 3～6m,综采工作面可实现年产 6～8Mt。综放工作面在煤层厚度 13m条件下,年产煤10391kt,刷新综放工作面年产世界记录。采用连续采煤机、掘锚一体化等技术,煤巷月成巷突破千米大关,大多数矿井综掘成巷速度在 300～500m/月,水平高的矿井可达 700～800m/月。国有重点煤矿的煤巷锚杆支护率达到 60%,有些矿区超过90%,甚至达到 100%。

开发了系列防爆柴油机无轨运输车辆,无轨辅助运输系统在大型煤矿得到广泛应用。研发出连续采煤机、履带行走支架、锚杆钻机、给料破碎机等短壁机械化开采设备。开发了薄煤层采煤机等工作面装备,实现了 0.9m极薄煤层条件下的自动化开采,最高月产达到 36720t。创建了薄煤层刨煤机无人工作面安全高效开采技术模式,使 0.8～2.0m煤层高瓦斯工作面真正实现了完全自动化开采。

1.4 煤与煤层气协调开发技术取得重要进展

深入开展了地面煤层气开发和煤矿区煤层气开发的理论、技术和装备研究,初步揭示了不同煤阶煤层气富集规律、成藏机理,探索了典型条件下的煤与煤层气协调开发模式;初步形成以综合地球物理探测及有利区预测为核心的煤层气勘探技术,开发了煤层气欠平衡钻井、多分支水平井钻井等关键技术,基本形成煤矿区煤层气抽采与利用技术体系;开发了井下水平长钻孔装备、松软突出煤层螺旋钻进施工工艺与装备、突出煤层钻孔遥控钻机,井下水平长钻孔成孔深度达 1046m、松软突出煤层成孔深度达到 168m;开发了低透气性高瓦斯煤层群无煤柱快速留巷 Y型通风煤与瓦斯共采关键技术与配套设备,使采动卸压煤层透气性增加 600～1000倍,形成以沿空留巷钻孔法连续抽采卸压瓦斯与综采工作面采煤同步实施的煤与瓦斯共采技术体系。煤层气地面开发与井下抽采相结合的示范工程建设取得显著成效。

1.5 煤矿灾害预警和控制技术取得重要突破

煤与瓦斯突出机理研究取得了新进展,提出了“煤与瓦斯突出的力学作用机理”学说;得出了煤岩动力灾害演化过程的地球物理响应规律,对多种爆炸物质共存井巷网络条件下最低着火温度、最小点火能量等爆炸条件和瓦斯煤尘爆炸致灾机理有了新认识;提出了矿井突水的水文地质结构模式及形成条件,初步形成了采动岩体渗流规律与突变机理;形成了煤矿采动影响区应力场、裂隙场和瓦斯流动场的形成特征和分布规律。为煤矿灾害预测预报新技术、新装备研发应用提供了理论依据。

开发出了基于工业以太网 +现场总线的新一代煤矿安全监控系统,实现了煤矿井下多系统融合和重大灾害预警;研制出了防爆大透视距离无线电波透视系统和矿井多波地震仪,实现了对矿井地质小构造的高精度探查;实现了对工作面前方 120m范围的地质构造探测。

1.6 矿区环境保护探索出新途径

发展了巷道矸石充填、膏体充填技术,试验了矸石不上井、地面不建矸石山,为实现煤炭开采与环境保护同步进行奠定了技术基础。发展了充填复垦、挖深垫浅、疏排降法复垦以及塌陷区地基处理等技术。生态复垦已将景观生态学、恢复生态学等应用到沉陷区治理中,主要产煤省份矿区环境保护和污染治理取得初步进展。

1.7 煤炭提质加工技术取得新进展

重介选煤工艺得到全面推广,重介质旋流器技术指标达到国际先进水平;实现了主要生产环节的自动测控和全厂集中控制;国产选煤成套设备能力达到 4Mt/a;选煤厂模块式建设方式得到推广。开发了煤泥水澄清、循环利用和煤泥回收技术体系,推进了节水型选煤技术的发展。水煤浆技术具备设计制造水煤浆设备及施工建设水煤浆厂的完整能力;水煤浆专用锅炉及燃煤锅炉改烧水煤浆技术取得突破;气化水煤浆的原料煤范围进一步扩展。

1.8 煤炭气化、液化技术取得长足进步

灰熔聚煤气化技术、多喷嘴对置式水煤浆气化炉、航天炉、两段式干煤粉加压气化技术得到推广。建成煤炭直接液化 6t/d中试装置和 1Mt/a工业示范装置,开发成功煤直接液化纳米级高效催化剂;煤炭间接液化技术实现工业示范,先后建成160kt/a和 180kt/a装置,研发成功高、低温煤间接液化成套技术,4Mt/a间接液化厂正在筹建。煤制天然气技术及产业化处于初期发展阶段,蒸汽 -纯氧气化/甲烷化技术最为成熟,加氢气化和蒸汽催化气化技术尚在研发,第 1条 1.3Gm3/a生产线基本建成。煤基炭材料方面,功能型煤基吸附材料及电极炭、磁性炭方面取得丰硕成果,为工业化生产奠定了基础。我国已成为世界上最大的煤制化学品生产国,煤制合成氨、甲醇和电石产量位居世界第一。煤气化制甲醇、IGCC联合循环发电、大型煤化工系统与循环发电系统联合运行技术、中低热值燃料燃气轮机燃烧技术方面取得了重大突破。首次在工程上完成了运行特性差异大、结构复杂的子系统在运行上的动态融合,运行可用率和可靠性达到并超过同类工业生产子系统,突破了受制于国外垄断的 40MW级中低热值燃料重型燃气轮机的燃烧室关键技术。

2 我国煤炭科技面临的挑战

随着煤炭工业可持续发展对资源、安全和环境等方面的要求不断提高,煤炭科技也面临一系列新问题和新挑战。

（1）煤炭资源开发基础理论研究相对滞后,亟待攻关。一方面,我国煤炭资源禀赋条件复杂、自然灾害众多,大量重大共性、关键技术需要攻关;另一方面,煤炭产量增长、大规模开发与生态环境的协调发展,迫切需要解决煤炭绿色开采与洁净利用科学问题。

（2）煤炭开发重心逐步西移,新的科技问题需要研究。我国东部资源日渐枯竭,深部开采技术亟待解决;中部资源富集区开发强度大,但生态环境脆弱,资源开发与环境协调需要研究;西部资源丰富,但远离消费区,煤炭转化、转运技术、特厚煤层开采、易自燃煤层火灾防治技术等急需攻关。

（3）煤炭产业结构调整,提升煤矿现代化水平对煤炭科技创新提出新要求。综采综掘装备制造能力、国产化率以及煤矿管理信息化、安全监控现代化水平仍需提高。资源禀赋条件决定了中小煤矿的长期存在,实现中小煤矿的安全开采必须解决机械化开采问题。小型煤矿、难采煤层和小块段煤炭开发技术亟待攻关。

（4）节约发展、清洁发展、安全发展和可持续发展,对煤炭科技创新提出更高要求。我国煤炭资源综合精细勘查技术和装备相对落后,地质保障水平亟待提高;保水开采、采煤沉陷治理、粉尘与噪声治理、热害防治与地热利用、地下水利用等亟待攻关;煤层气开发、煤矿瓦斯灾害形成机理和监控监测预警与治理、井下充填和煤矿 “三下”采煤,特别是矿井带高压水威胁开采以及预测与防治等一系列重大关键技术和装备均需要开展研究。

3 我国煤炭科技发展趋势

“十二五”期间,要进一步加强科技对煤炭工业发展的支撑作用,逐步建立以企业为主体、市场为导向,产、学、研结合的煤炭工业技术创新体系。通过科技创新,攻克一批制约行业生产力水平的重大关键技术。煤炭科技发展主要方向:

（1）煤炭资源开发地质保障 煤炭资源精细勘探和多源地质灾害探测是煤炭资源安全高效开发的基础。提高戈壁、黄土塬、采空区等地区煤炭资源与地质条件的勘探精度,在煤矿井下增强多源地质灾害全方位、可视化超前预测预报能力,为实现安全高效开采提供技术支撑。

（2）特殊地层大型矿井建设 煤炭开发战略逐步西移,西部煤矿呈现生产规模大、斜井多、井筒直径大的特点,且地层为弱胶结、不稳定。现有特殊凿井技术不完全适应西部地层条件,斜井冻结技术尚属空白。亟需研究斜井冻结技术、软岩钻进技术及竖井掘进机井筒施工技术,满足大直径矿井快速建设的需要。为加快岩石巷道掘进速度,需开展岩巷全断面综合掘进机、钻爆法快速掘进装备、硬岩截割技术、巷道掘进粉尘控制技术的研究。

（3）煤炭资源高效开采 煤炭高效集约化开采是煤炭工业发展方向,目前我国高端采掘设备在可靠性、自动化水平等方面与国外产品尚有差距。此外,我国中小煤矿机械化程度较低;大型露天矿设备主要依赖进口,国产化程度亟待提高。需开展综采成套设备可靠性以及自动控制、软启动、新型高能量蓄电池、大功率防爆柴油机等关键元部件攻关;研究中小煤矿机械化开采、0.9m以下极薄煤层开采、急倾斜薄煤层开采以及西部保水开采和生态修复技术;改善大型露天开采装备长期依赖进口的现状,对大型露天煤矿连续 （半连续）采煤技术及装备、生产智能监控与决策系统以及边坡灾害控制技术与装备进行研究。

（4）煤矿信息化与管理现代化 信息化与物联网是国家优先发展和重点支持领域,煤矿通讯、监控系统是安全生产的重要保障。目前煤矿信息系统存在可靠性和及时性差、缺乏矿用产品全过程管控、无法实现人机环闭锁等问题,需要在高可靠性全矿井综合监控、煤矿物联网技术和煤矿一体化通信技术方面开展研究,实现矿区物物相连,信息相通,应急联动和灾害预警等。此外,面对国际国内新的能源形势,需要深入研究煤炭经济政策和改革措施、煤炭开采业新会计准则、基于物联网技术的煤矿成本管理、全国煤炭物流方向战略选择和大型储备基地布局、煤矿安全培训关键技术在内的煤矿现代化管理技术等。

（5）煤与煤层气协调开发 我国煤层气资源丰富,但赋存条件复杂、抽采难度大且抽采量偏低。急需开展不同煤阶、不同深度的煤系地层煤层气富集成藏规律研究;研究多分支水平井技术、煤储层保护技术、井壁稳定技术、分层连续压裂技术及煤层气低压集输工艺和监控技术;研发矿区煤层气高效抽采技术与装备、煤与煤层气一体化开发技术。强化煤层气开发与煤炭开采工程紧密结合,建立不同赋存条件的煤层气开发与煤炭开采协调发展模式,为煤层气产业化提供先进技术与装备。

（6）煤矿动力灾害预测与防治 随着矿井开采深度加大和开采条件的变化,煤与瓦斯突出危险性日益增加,自然火灾、瓦斯煤尘爆炸等热动力灾害频发,重特大突出事故尚未得到有效遏制。针对深部煤岩动力灾害的特征,需要重点开展煤岩动力灾害多因素耦合致灾机理、前兆信息探测分析与监测预警技术、煤与瓦斯突出及综合防治技术、隐蔽火源探测技术等关键技术的研究,从而建立和完善深部矿井煤岩动力灾害防治技术体系,提升煤矿动力灾害的综合防治技术水平。

（7）煤矿应急救援 急需开展灾变条件下高可靠性搜救侦测技术及装备、地面大直径救生专用钻机与救援破拆工器具、快速安装的大流量成套排水系统装备、井下移动式大型避难设备及固定式避险硐室系列设施和个体防护装备;研发快速生成救援方案及实现计算机应急救援辅助决策系统,建立适合我国国情和煤炭行业的煤矿灾害事故风险管理与分级控制的标准管理体系。

（8）煤矿职业危害防治 开展以呼吸性粉尘为主的尘害防治关键技术以及粉尘预警、粉尘浓度传感器和实时监测等关键技术的研究。随着开采深度的增加,矿井地温不断升高,且机械设备放热也已成为井下重要热源之一,我国热害矿井数量明显增加。针对现有降温技术与装备集成化低、制冷效率差,运行费用高等问题,急需进行深部矿井热害预测与防治技术及装备的研究。

（9）煤炭加工提质与高效洁净转化 煤炭清洁利用是改善环境、积极应对国际气候变化的重要举措。煤炭洗选、低阶煤提质、水煤浆制备等先进加工技术是煤炭清洁利用的主要基础。此外,发展以煤炭气化液化为主线的煤洁净转化技术,补充石油储量,对促进煤炭产业结构调整、实施西部大开发战略及国家能源安全意义重大。针对我国大型选煤设备可靠性差、寿命短、自动化水平低的现状,需加强对大型选煤厂成套技术与装备、井下选煤技术、深度脱硫及其有害重金属元素脱除技术以及在线监测技术的研究。针对水煤浆制备设备处理能力小、专用性差的问题,需要对水煤浆生产装备的大型化进行攻关,进一步拓宽制浆煤种、研发配套水煤浆添加剂以及利用各种工业废水、污水、污泥制浆技术攻关。褐煤提质方面,干燥技术尚未完全成熟且工业化装置规模偏小,干馏技术及装备仍处于研发阶段,需加强褐煤干燥、改性、热解等提质技术开发和大型关键设备攻关。

（10）节能减排与资源综合利用 在煤层气利用方面,针对煤层气抽采浓度较低及利用率偏低的现状,亟待开发低浓度煤层气高效分离及浓缩技术,装备的大型化及自动化是重点解决的技术问题。此外,还需要在低 （劣）质煤洁净燃烧,高效煤粉锅炉供料、燃烧与煤粉安全制备、配送,烟气脱硫脱硝一体化及专用活性焦生产,矿井水规模化循环利用与高矿化度矿井水零排放处理,600MW超临界循环流化床锅炉机组成套技术,矿井回风热能、矿井水、坑口电厂冷却水在内的矿井低温热能利用,高岭土、油页岩及高度富集 Ga,Nb,Ta,Zr,Hf和稀土元素在内的煤系伴生资源综合利用等方面进行技术攻关。

针对以上煤炭科技发展主要方向,要重点强化与生态环境相协调的资源开发、煤矿重大灾害防治、煤炭转化等方面的基础研究,大力攻克资源整合煤矿与矿井多源地质灾害防治、西部大型矿井建设、高效辅助运输、中小煤矿高效充填开采、露天煤矿安全高效开采、应急救援处置、千万吨级高效选煤、低阶煤提质与综合利用等一系列关键技术,着力构建高承压深部矿井防治水、千万吨矿井高效自动化开采、绿色生态矿山建设、煤矿物联网、煤层气开发利用、井下高效选煤厂、大规模褐煤物理干燥技术、大型煤炭间接液化等示范工程。大力推广科技成果,加强科技成果转化,促进高新技术产业化,提高煤炭生产技术与装备的应用水平。

[1]国家能源局综合司 .煤炭工业洁净煤工程技术研究中心[R].能源数据,2010.

[2]范维唐,卢鉴章,申宝宏,等 .煤矿灾害防治的技术与对策[M].中国矿业大学出版社,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

申宝宏 （1956-）,男,安徽凤阳人,研究员,博士生导师,现任中国煤炭科工集团有限公司副总工程师兼科技发展部部长。

[责任编辑:施红霞 ]