我國煤礦開采技術開展現(xiàn)狀及方向二零一二年五月宋振騏院士山東科技大學第一部分煤炭消費在我國國民經濟開展中的位置第二部分我國煤炭開采實際開展的成就

第三部分我國煤炭開采技術開展的現(xiàn)狀和方向煤炭消費在我國國民經濟開展中的位置1.1能源是人類生存和開展的根底，世界能源資源競爭日趨猛烈煤炭資源儲量①2021年已探明的地質儲量為1.5萬億t②估計儲量4萬億t1.2煤炭是我國化石能源的主體中國煤炭資源按深度分布的儲量年份煤炭所占比重(%)石油所占比重(%)天然氣所占比重(%)1980年98.41.50.11990年98.41.60.12000年98.01.70.42006年97.71.60.72010年97.91.40.7煤炭資源儲量在化石能源中的位置①我國化石能源可采儲量查明情況年份煤炭查明資源儲量(億t)石油查明資源儲量(億t)天然氣查明資源儲量(億m3)1980年6424.8(6424.8億t標準煤)14.2(72.3億t標準煤)1881.3(4.1億t標準煤)1990年9543.9(7074.9億t標準煤)21.9(111.6億t標準煤)2419.0(5.3億t標準煤)2000年10030.0(7435.2億t標準煤)24.6(125.3億t標準煤)13504.5(29.6億t標準煤)2006年11597.8(8597.4億t標準煤)27.6(140.6億t標準煤)30009.2(65.8億t標準煤)2010年15000(11119.4億t標準煤)31.4(160億t標準煤)33300(73億t標準煤)②我國煤炭儲量在化石能源中所占比重③我國能源儲量排名能源探明儲量居世界位次煤炭1.5萬億t3石油70億t6天然氣33.3萬億m316水電6.8億kw?t1①我國近十年煤炭產量情況我國煤炭產量由2001年的13.81億t增長到2021年的33億t，年均添加1.9億t，保證了經濟和社會開展的需求，是國民經濟開展和國力保證的重要根底。1999～2021全國煤炭產量煤炭產量在我國能源構造中比重超越65%②2021年煤炭產量及2020年需求量估計國家目前依然處于根底設備建立、制造業(yè)和城市化的頂峰期，對礦產品的需求依然以較高的速度增長。2021年煤炭產量33億t〔占世界產煤總量的45%〕，“十二五〞末規(guī)劃38億t，增長24.6%。③煤炭消費在我國能源構造中的比重煤炭在一次能源構造中的比例2021年中國一次能源消費構成頂板、瓦斯、沖擊地壓、透水等艱苦事故沒有從根本上〔即在依托正確的實際指點和現(xiàn)代配備、管理手段的根底上〕得到控制，嚴重影響我國煤炭平安消費籠統(tǒng)。1.3我國煤炭消費中存在的問題年份200320042005200620072008200920102011煤炭產量（億噸）17.2219.9221.923.225.2327.162932.433事故死亡人數(shù)（人）64346027593847463786321027002433<2000百萬噸死亡率3.743.032.712.041.501.1820.930.7980.56020032004200520062007事故起數(shù)比例死亡人數(shù)比例事故起數(shù)死亡人數(shù)事故起數(shù)死亡人數(shù)事故起數(shù)死亡人數(shù)事故起數(shù)死亡人數(shù)事故起數(shù)死亡人數(shù)頂板214024551985230918052058163319021299151854.038.3瓦斯5842061492190041421713271319272108413.632.3機電1371289789105105949390863.21.9運輸53157058260553657846751740945314.59.6放炮929910512289101789069772.51.7水害137551118357109605100417632553.38.0火災20751791115872610720.41.5其他5024952455542372622393822092418.56.8總計4143643436416027330659382945474624213786100100199920002001200220032004200520062007事故死亡總人數(shù)（人）605855275670699564346027593847463786重大事故起數(shù)（次）43039133632128624920825428重大死亡人數(shù)（人）2040172315871423125710908771071573重大事故死亡人數(shù)所占比例%33.6731.1727.9920.3419.5418.0914.7722.5%15.1%特大事故起數(shù)（次）687849555142583925特大死亡人數(shù)（人）11651450101511371180100817391142402特大事故死亡人數(shù)所占比例%19.2326.2317.9016.2518.3416.7229.2924%10.6%重特大事故死亡總人數(shù)32053173260225602437209826162213171重特大事故死亡所占比例%52.9157.4145.8936.6037.8834.8144.0646.5%4.5%開采沉陷環(huán)境災禍嚴重，采用留設煤柱護巷和控制地表沉陷傳統(tǒng)開采方法呵斥的煤炭資源損失比例超越40%，違背中央提出的“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、可繼續(xù)開展〞方針。實現(xiàn)煤炭平安高效開采，有效地控制環(huán)境災禍，最大限制地采出煤炭資源是我國能源平安和國民經濟開展保證體系建立中的重中之重。我國煤炭開采實際開展的成就2.1實際開展成就上區(qū)段任務面h1h2h3H新開任務面h1——垮落帶高度；h2——裂痕帶高度；h3——延續(xù)彎曲帶高度；H——埋深采空區(qū)推進方向新開任務面巷道介質屬性復雜開采擾動劇烈應力分布復雜開采空間范圍大我國“適用礦山壓力控制實際〞，從研究的系統(tǒng)性、深度、體系的完好性，以及用以指點開采實際獲得的成就走在世界的前列。1.針對煤礦采場不斷推進的工程特點，以及實現(xiàn)煤礦平安高效開采必需面對復雜多變的地理環(huán)境和煤層地質條件的現(xiàn)實，明確了實際建立的指點思想和體系，科學的定義了相關學術名詞和術語，正確的論述了相應的根本概念。主要成果包括：(1)嚴厲的區(qū)分和定義了“礦山壓力〞〔促使圍巖向已采空間運動的力〕和“礦山壓力顯現(xiàn)〞〔在礦山壓力作用下產生的圍巖破壞及支架受力景象〕兩個根本概念，正確的指出“礦山壓力〞存在的絕對性〔采動即有〕和“礦山壓力顯現(xiàn)〞的相對性，以及礦山壓力控制〔設計〕的目的就是把“礦山壓力顯現(xiàn)〞控制在平安上可靠、技術上能夠、經濟上合理的范圍。(2)正確指出由于采場不斷推進，無論是“礦山壓力〞還是“礦山壓力顯現(xiàn)〞都在不斷開展變化之中，它的變化是有規(guī)律的，這個規(guī)律是巖層運動和破壞決議的。明確的提出礦山壓力控制研討必需以“巖層運動為中心〞，把不同采動條件下覆巖運動和支承壓力大小分布范圍及其開展變化的規(guī)律，包括相關動態(tài)構造模型的建設和相關構造參數(shù)確實定放在首要位置。(3)正確指出任何開采深度條件下，影響“礦山壓力顯現(xiàn)〞的巖層范圍是有限的，即采動破壞失去向周圍支承傳送作用力的巖層〔直接頂〕和堅持了傳送作用力聯(lián)絡，運動時對礦壓顯現(xiàn)明顯影響的巖層〔老頂〕兩個部分；可知的，即經過巖層動態(tài)監(jiān)測可以確定；可變的，即可經過采動條件的變卦加以改動。(4)對于能夠垮坍的冒落巖層〔直接頂〕普通只能取堅決頂住，即“給定載荷〞的控制方案，對“老頂〞相關巖層的運動，那么可以根據(jù)平安可靠、技術能夠、經濟合理的原那么和相應的力學保證條件，分別采取“給定變形〞，即將作用力完全轉移給周圍支承體上，和“限定變形〞，即將沉降限定到要求形狀〔位態(tài)〕兩種方案。明確指出對于老頂相關巖層的運動，不分條件地采用強頂硬抗的控制方案是不科學的、錯誤的。2.根據(jù)平安高效開采，特別是頂板沖擊地壓、瓦斯煤層突出、透水突水及開采沉陷災禍有效控制的目的，建立、開展并逐漸完善了以“采動覆巖運動和支承壓力分布〞為中心的采場構造力學模型和各類艱苦事故控制決策構造力學模型體系，以及相關構造參數(shù)確定的方法、數(shù)學力學模型的建立。把煤礦平安高效消費，特別是艱苦事故的控制決策從統(tǒng)計閱歷推進到針對詳細煤層條件科學定量的開展階段。(1)科學的界定了采場構造力學模型的內涵和構造模型的構造組成特征。發(fā)明性的針對定量控制設計需求，把采場推進過程中分布在周圍煤壁上的支承壓力分為煤壁已進入破壞，其受力由任務面長度等采動條件確定的“構造拱〞內巖層運動決議的“內應力場〞和“構造拱〞內、外參與運動的巖層作用力決議的“外應力場〞兩個部分。任務面(2)正確的指出采場構造模型〔包括構造組成和相關構造參數(shù)〕隨采場推進處于不斷開展變化之中，并從控制的差別出發(fā)，界定了“第一次來壓〞和“正常推進〞兩個開展階段，并深化提示了兩個開展階段動態(tài)構造模型的構造組成和構造參數(shù)運動開展的規(guī)律。推進方向巖層運動和支承壓力開展規(guī)律(2)正確的指出采場構造模型〔包括構造組成和相關構造參數(shù)〕隨采場推進處于不斷開展變化之中，并從控制的差別出發(fā)，界定了“第一次來壓〞和“正常推進〞兩個開展階段，并深化提示了兩個開展階段動態(tài)構造模型的構造組成和構造參數(shù)運動開展的規(guī)律。“內應力場〞開展演化規(guī)律S巖梁ⅢSASiSmaxL0IIabC01C02C03HgL0L0LiLi1L0剖面I－IL(T＝－)LVp巖梁I巖梁Ⅱ(3)在深化提示動態(tài)構造模型開展規(guī)律，特別是支承壓力分布和巖層運動關系的根底上，發(fā)明性提出了經過“礦山壓力顯現(xiàn)〞推斷支承壓力分布〔包括分布范圍及“內應力場〞、“外應力場〞及應力頂峰位置〕預測采場頂板來壓的“井下巖層動動態(tài)觀測研討方法〞，并勝利研討相關監(jiān)測儀表測試系統(tǒng)，較好的處理了經過現(xiàn)場實測確定相關構造參數(shù)問題。3.經過大量現(xiàn)場事故案例分析和勝利的控制實際，深化提示艱苦事故與消費現(xiàn)場“采場構造模型〞建立關系的研討根底上，在推進艱苦事故控制決策模型體系的建立研討方面獲得了艱苦進展。頂板災禍控制直接頂?shù)谝粠r梁第二巖梁采場頂板控制構造模型組成及分類①有“內應力場〞的構造力學模型 a.單巖梁老頂構造b.多巖梁老頂構造②無“內應力場〞的構造力學模型 a.單巖梁老頂構造b.多巖梁老頂構造①直接頂厚度確定a.理結論定b.實測推斷采場構造參數(shù)確定②老頂厚度確定 a.實測推斷單一巖梁和多巖梁上覆巖層構造組成情況及其采場礦壓顯現(xiàn)如圖a、圖b所示 b.理結論定撓度法

相鄰巖層同時運動〔組成同一巖梁〕那么：

相鄰巖層分別運動〔構成不同巖梁〕那么：

裂斷步距法①支架支護方案確定a.工況方案直接頂：給定載荷老頂：可給定變形也可限定變形b.控制目的和準那么直接頂：給定載荷老頂：對下位巖梁限定變形定載荷，上位巖梁給定變形定縮量以防止鞏固巖梁動態(tài)沖擊要求對下位巖梁限定變形定阻力、對上位巖梁給定變形定縮量

支架設計參數(shù)確定②支架支護強度和支護阻力

③支架縮量

瓦斯災禍控制31(1)瓦斯災禍預測和控制的模型及控制準那么①事故災禍緣由：任務面及相關回風巷道中聚集的瓦斯?jié)舛瘸奘峭咚故鹿蕿牡湹母储谑鹿蕿牡湆崿F(xiàn)條件：采動空間聚集的瓦斯?jié)舛瘸?，有充足的氧氣和有明火引爆〔三者缺一不可〕是瓦斯爆炸災禍發(fā)生的條件。③事故災禍預測和控制控制準那么：了解和掌握不同開采方式條件下采掘任務面推進能夠發(fā)生瓦斯事故的地點以及相關的瓦斯涌出量的艱苦差別是正確選擇開采方式的根底。32單一重力應力場中掘進回采巷道模型在構造破壞的復合應力場中掘進回采巷道2023/12/3133(1)沖擊地壓緣由及實現(xiàn)條件①沖擊地壓概念：沖擊地壓是采動空間周邊煤巖在礦山壓力作用下以煤巖突出(高速噴出)為特征的礦山壓力動力顯現(xiàn)，是煤礦艱苦事故災禍。②沖擊地壓發(fā)生緣由：在儲存高強度緊縮彈性能的煤巖中，特別是能量聚集的部位開掘巷道和推進回采任務面，引發(fā)彈性能的釋放。③沖擊地壓的動力源及其影響要素：沖擊地壓〔煤與瓦斯突出〕災禍控制34a煤層緊縮彈性能開采深度愈大，覆巖強度愈高〔即允許的懸露面積愈大〕，受壓煤層儲存聚集的高強度緊縮彈性能的能夠性將愈大。b頂?shù)装鍘r層彎曲〔緊縮〕彈性能2023/12/3135重力彎曲彈性能隨支托巖層的強度和隨動層的厚度成正比；構造彎曲彈性能受采深和頂?shù)装鍘r層強度所決議的應力堅持和釋放條件控制。巖層強度愈高，埋深愈大，能夠聚集和堅持的彈性能的量級將愈高。④沖擊地壓實現(xiàn)的條件a已采空間周圍煤巖中聚集的緊縮彈性能到達了足以產生煤巖沖擊破壞的量級；b采動，包括采掘任務面推進、爆破、頂板斷裂等震動性破壞，改動了相關部位煤巖的受力條件和極限平衡形狀。c采動空間周圍沒有足夠的緩沖體〔包括已破壞的煤巖和柔性支護等構筑物等〕，把煤巖彈性能釋放能夠動力顯現(xiàn)控制到平安的范圍內。2023/12/3136(2)掘進任務面推進沖擊地壓緣由及實現(xiàn)條件：在有沖擊地壓危險的煤層條件下掘進巷道，沖擊地壓發(fā)生和實現(xiàn)的條件如下圖。37a留小煤柱〔“內應力場〞范圍內〕掘進Ⅰ在“內應力場〞構成和穩(wěn)定之前開掘巷道〔圖中1位置〕，存在沖擊地壓危險〔采深大于300m〕；Ⅱ在“內應力場〞構成穩(wěn)定后〔圖中2位置〕，開掘巷道可以防止沖擊地壓發(fā)生；Ⅲ在未經采動釋放的構造應力場中掘進巷道，將有瓦斯和煤層同時突出的危險。b大煤柱護巷方案Ⅰ高應力區(qū)開掘巷道〔采深大于300~400m〕時，存在沖擊地壓危險；Ⅱ在低應力區(qū)開掘巷道，在采深小于600~800m時，將防止沖擊地壓的發(fā)生。2023/12/3138(3)回采任務面推進沖擊地壓緣由及實現(xiàn)條件：a.回采任務面內沖擊地壓發(fā)生和實現(xiàn)的條件Ⅰ單一重力場沖擊地壓將發(fā)生在鞏固巖層頂板第一次裂斷開場到采場第一次來壓階段完成，推進間隔接近任務面長度的時的范圍內?！皟葢雳晿嫵芍蟮牟蓤鐾七M全過程中，出現(xiàn)沖擊地壓的能夠性將很小。2023/12/3139Ⅱ.臨近構造應力場應力頂峰區(qū)掘進開切眼至鞏固巖層裂斷來壓完成期間時，一直存在沖擊地壓的要挾，進入出現(xiàn)“內應力場〞的正常推進階段后，沖擊地壓事故災禍出現(xiàn)的能夠性同樣將很小。2023/12/3140b.回采巷道沖擊地壓實現(xiàn)的條件Ⅰ在采場推進全過程中，伴隨鞏固頂板裂斷，一直存在誘發(fā)沖擊地壓的要挾；2023/12/3141Ⅱ隨采場推進和鞏固頂板跨落，以及支承壓力的添加，伴隨鞏固頂板裂斷，回采巷道破壞的范圍將進一步加大，進入正常階段將到達最大化2023/12/3142Ⅲ受兩側鞏固頂板懸露，支承壓力疊加的影響，回風巷道沖擊地壓破壞的范圍遠比運輸巷道大得多。2023/12/3143(4)煤柱充填護巷控制沖擊地壓的優(yōu)勢①沿空掘巷“U〞型通風方案a.實現(xiàn)了在穩(wěn)定內應力場掘進，從而防止了掘進中沖擊地壓和瓦斯煤層突出事故的能夠性。b.排出了護巷煤柱聚集高強度緊縮彈性能的條件，使回風巷道一直處于已破壞的煤壁緩沖維護之下。2023/12/3144②沿空留巷“Y〞型通風方案a.防止了在應力頂峰區(qū)，高強度緊縮彈性能的部位開掘回風巷道引發(fā)沖擊地壓的能夠性。b.防止了回采任務面推進回風巷道發(fā)生沖擊地壓災禍的能夠性。45無煤柱充填開采方式運用的水害控制(1)頂板透水事故的預測和控制相關信息根底2023/12/3147留煤柱與不留煤柱與突水的關系圖(a)(b)(2)底板突水事故的預測和控制相關信息根底任務面跨斷層開采的底板破壞模型突水預測控制構造力學模型圖50沉陷控制研討的相關實際成果經過不同任務面長度和開采深度條件下地表沉陷實測分析研討籠統(tǒng)建立的采動沉陷預測控制構造力學模型如圖7所示。采動沉陷預測控制構造力學模型 在既定任務面長度〔L0〕條件下的地表最大沉陷值ωmax為：其中—裂斷拱兩側煤壁緊縮量—裂斷拱上部巖層最大撓曲沉陷值—表土含水層水位下降后緊縮沉陷值 上述公式近似計算可表示為：其中—沉陷巖層面積—開采深度—沉陷巖層邊境挪動角—采場支承壓力分布范圍—沉陷巖層平均容重—煤層抗壓剛度既定任務面長度下，支承壓力范圍S分布如圖11所示，模型由以下平衡方程表示：采場支承壓力三維構造力學模型裂斷拱上巖層撓曲沉陷值可用下式近似計算：其中，E—巖層彈性模量；γp—巖層容重既定采深H和任務面L0條件下的沉陷范圍Sb可由下式表示：1.煤炭平安高效開采技術開展成就(1)綜合機械化技術獲得艱苦突破。產量、效益、平安消費狀況進入國際領先程度機采高度突破7m勝利的制造和運用了世界最高的液壓支架〔6.2m支架勝利的在神東、晉城等礦區(qū)運用，年產量超越1000萬t〕神東礦區(qū)任務面最大長度到達400m，年產超越1500萬t，全員效率到達140t是美國、澳大利亞等興隆采煤國家的1.5到2倍百萬噸死亡率0到0.01是世界上最低的2.2開采技術開展成就(2)綜采放頂煤平安高效開采技術和配備已構成體系，繼續(xù)處于國際領先位置山西同煤集團塔山礦綜采放頂煤的厚度突破20m〔機采高度已達6m，可以滿足1：3的采放比的控制目的〕。采用了每小時3000t的放煤運輸機，實現(xiàn)了任務面高速推進，年產突破1000萬t的程度。隨著放煤運輸機才干的提高和新型放頂煤支架研制和運用的勝利，使任務面長300m，年產突破1500萬t的目的曾經實現(xiàn)。保證防止瓦斯、頂板、火災等艱苦事故的平安開采的實際和技術體系〔新型巷道布置系統(tǒng)、瓦斯抽排技術配備、任務面和巷道頂板控制技術和配備等〕(3)“淮煤集團〞勝利開發(fā)的煤與瓦斯無煤柱同采成套技術實現(xiàn)了瓦斯、沖擊地壓、煤與瓦斯突出以及火災等艱苦事故一體化控制的新突破，相關技術包括：回采任務面高效綜采綜放開采技術；機械化巷旁充填錨網(wǎng)支護高效無煤柱留巷技術；回采任務面前、后方瓦斯同時抽排和通風系一致體化技術。(4)“龍煤集團〞2000m海域海下三軟煤層綜放開采技術獲得勝利，相關技術包括:“三軟煤層〞高效綜放開采技術；“三軟煤層〞煤巖巷道支護技術；海下透水等艱苦事故預測和控制技術；海下平安和消費配備地面集中遙測、遙控自動化技術。2.煤化工技術獲得艱苦的突破(1)煤的液化技術獲得了突破〔神華集團、兗礦集團曾經進入工業(yè)化消費的階段〕(2)煤化工技術和產品〔甲醇、乙烯、乙二醇、二甲醚、醋酸等〕將和我國的石油化工技術和產品成為我國化工市場的主力，取得在世界上有影響的位置3.煤炭開采的環(huán)境控制技術獲得了重要成就(1)開采沉陷控制技術獲得了適用性突破〔井下矸石充填的技術和配備〕，正在大面積推行運用中。(2)開采伴生的廢棄物再利用技術獲得了重要突破，已勝利的進入運用階段。4.循環(huán)經濟的示范區(qū)在各大礦區(qū)獲得了實際成果我國煤炭開采技術開展的現(xiàn)狀和方向3.1開展現(xiàn)狀國有大型煤礦開展現(xiàn)狀賦存條件好的薄及中厚煤層綜采技術進入國際先進展列；厚煤層綜放開采技術及經濟目的處于國際領先位置。存在的問題采掘任務面推進引發(fā)的采場艱苦事故時有發(fā)生；對采用無煤柱充填開采技術控制艱苦事故和環(huán)境災禍重要性還不明確。沒有從根本上控制高應力區(qū)掘巷引發(fā)艱苦事故和留設煤柱呵斥的嚴重開采資源損失。中小型礦井綜采任務面比例很低，開采技術與配備程度比較落后；管理程度依然停留在依托統(tǒng)計閱歷決策，傳統(tǒng)條例管理方式階段；沒有擺脫頂板事故要挾；沖擊地壓、水害等艱苦事故多發(fā)局面依然存在。3.2開展方向在深化“適用礦山壓力控制實際〞的根底上大力推進采掘任務面消費過程的機械化和自動化，突破傳統(tǒng)管理方式的束縛，實現(xiàn)煤礦平安高效消費和環(huán)境災禍控制決策和實施監(jiān)控的信息化、智能化和可視化。真實把煤礦平安消費和環(huán)境控制從依托統(tǒng)計閱歷決策條例管理的方式推進到依托正確的思想實際指點和現(xiàn)代高端技術保證，針對詳細煤層條件和開采技術條件科學定量的開展階段。也就是要把采掘任務面消費推進到以控制煤礦艱苦事故和環(huán)境災禍為目的，依托正確的思想實際指點和現(xiàn)代高新技術保證的智能化開展階段。實施監(jiān)控系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)的可視化、信息化、智能化采掘消費過程遠間隔遙控機械化、自動化，特別是艱苦事故控制操作自動化事故災禍發(fā)生時災禍控制決策指揮系統(tǒng)智能化和相關設備配備操控的自動化3.3實現(xiàn)采掘任務面平安高效智能化開采技術突破的重點在深化回采任務面頂板控制實際的根底上，勝利的研制出具備發(fā)送支架所在任務地點平安任務