科技铺就深部矿井安全高效开采路

发布时间:2018-03-31

 煤炭是我国的主体能源，我国煤炭资源中，埋深超600m的煤炭资源占我国煤炭总量的76.3%，而埋深超1000m的煤炭资源占我国煤炭总量的59.5%。

　　随着开采深度的增加和开采强度的增大，深部开采主要面临高瓦斯、高地应力、高地温问题，特别是高瓦斯与高地应力引起的复合动力灾害，严重制约安全生产。其发生机理更加复杂，预测防治更加困难，成为制约深部煤炭资源安全高效开采的瓶颈。

　　煤炭产业是中国平煤神马集团的基础产业，年生产能力4500万吨，分布在河南省的平顶山、汝州、禹州矿区。主要开采的平顶山矿区自1952年建矿以来，已经过了60余年，目前大部分矿井进入了深部。平顶山矿区现有14对生产矿井，其中10对矿井采深超过800米，产量占集团的70%以上，十二矿开采深度达1000米以上。

　　针对灾害制约，中国平煤神马集团紧紧围绕制约深部矿井安全高效的技术瓶颈，坚持自主创新与开放创新相结合，攻克了一大批深部煤炭灾害防治技术难题。

　　“十二五”以来，先后荣获4项国家科技进步二等奖、1项国家技术发明二等奖；连续6年获得12个省部行业级科技进步一等奖。依靠科技进步，企业技术水平位列行业的前列，逐步走出了一条深部矿井安全高效创新之路。

　　完善科技创新体系

　　针对传统能源化工企业科技需求，中国平煤神马集团提出了科技创新坚持“面向安全生产、面向效能提升、面向国际一流”的三个面向新模式，成功打造了“有制度、有投入、有平台、有项目、有人才”的“五有型”科技创新体系，构建了具有平煤神马集团特色的科技管理新机制。

　　持续加强科技创新制度建设。近年来，企业连续组织出台了10多个科技创新文件，强化科技创新流程管控，促进科技与生产紧密结合。集团科技奖励金额年均达到1000万元以上并及时兑现，2017年一次性科技奖励达到1500万元，奖励范围及力度位列行业前列，极大地调动了广大科研人员创新的积极性和主动性。

　　积极搭建高层次创新平台。集团“炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室”获科技部正式批准建设并通过论证，成为全煤惟一及河南省首家炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室。企业目前已拥有5个国家级研发平台，26个省部级创新平台。与浙江大学、上海交通大学、中科院等20余家高等院校、科研院所签订了科技战略合作协议，为企业推进科技成果研究与转化提供了强大的平台支撑。

　　足额提取使用科技研发费用。集团始终把科技投入作为战略性投入纳入企业发展规划，按主营收入的3%足额提取使用。按照“抓重点，促转型、见效快”的原则，围绕产业结构转型发展、高价值产业链延伸及影响煤矿安全发展的关键核心技术瓶颈难题组织立项研究。“十二五”以来，累计投入科技经费上百亿元，支持了一批重大科研攻关项目。企业先后承担国家重点研发计划、“973”、“863”、“十二五”科技支撑等国家、省部级重点科技攻关项目40余项，促进了企业生产技术水平的不断提高。

　　大力建设创新型人才队伍。集团坚持人才优先战略，注重提高研发人员待遇，组织评选企业杰出人才、拔尖人才，并分别给予重奖；面向海内外招聘紧缺专业博士研究生，给予年薪20万元的薪酬待遇；选拔首席技术专家，给予所在单位领导班子年薪待遇，在企业内部形成了崇尚知识、尊重人才的良好氛围。

　　攻克深井瓦斯治理技术瓶颈

　　平顶山矿区主要可采煤层具有组内近、组间远的特点，保护层开采难度大。随着矿井开采延深，深部开采要实现安全高效生产，就必须科学治理瓦斯，治得住瓦斯。近年来，中国平煤神马集团坚持应保尽保原则，具备条件区域全部实现保护层开采。在保护层开采难度大区域先后开展了极薄煤层保护层开采、单一低透区域实施高(低)位岩巷掩护掘进等区域瓦斯治理技术，并配合液态CO₂相变致裂、高压脉冲旋转射流割缝增透技术，取得了较好的效果。

　　一是研发实施具有自主知识产权的深部高瓦斯低渗透煤层协同开采关键技术。项目依托国家重点基础研究973计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金面上项目，针对深部采动空间煤岩体破坏及瓦斯运移规律这一科学问题，创建了深部高瓦斯低渗透煤层协同开采方法，研发了高瓦斯低渗透煤层瓦斯协同抽采技术，深入开展了高瓦斯低渗透煤层相关基础理论研究，提出了深部高瓦斯低渗透煤层工程设计方法，构建了井下采、选、抽、充、防五位一体的深部煤炭资源开采新模式，研究成果在20余个矿井进行了推广应用。其中12个典型矿井近三年新增销售额114.68亿元，新增利润21.15亿元。

　　二是破解单一低透气性突出煤层瓦斯治理技术瓶颈。开展了底板岩巷穿层水力冲孔增透及网络高效抽采技术攻关，积极破解长期困扰平顶山东部矿区的突出煤层瓦斯抽采难、治理周期长、单进水平低等难题，为单一低透突出煤层瓦斯治理，找到了有效的技术途径。该项技术在灾害严重的东部五个矿区全面实施后，单产从5万吨提高10万吨以上，最高达到20万吨；单进水平从60米提高到150米以上，经济效益显著。为低透气性突出煤层瓦斯治理提供了可靠的理论支持和有效的技术路线，促进了煤矿的安全高效生产。获2015年度国家科技进步二等奖。

　　针对平顶山矿区煤层赋存特点，提出采用“专用瓦斯治理巷 钻冲割”相互耦合的瓦斯治理技术，有效解决了高瓦斯突出煤层的瓦斯治理难题。项目实施以来，平煤股份公司连续七年杜绝了瓦斯事故，年抽采量已达1.5亿m3以上，年发电量4000万度以上，实现了瓦斯灾害“治得住、治得快、治得省”和瓦斯资源化利用，是煤矿瓦斯灾害治理的重大技术突破。获2016年度河南省科技进步一等奖。

　　三是积极开展深部矿井复合动力灾害卸压增透关键技术研究与工程实践。自主开发出流量、压力可控可调的集高效钻进、定向割缝、气水渣分离为一体的卸压增透技术。工程实践表明，瓦斯抽采钻孔数量较原方案减少约52%，煤层透气性系数提高200倍以上，单孔瓦斯抽采纯量提高35%以上，煤层瓦斯抽采达标时间缩短20-30%，实现了采面的均匀卸压与安全回采。研究成果丰富了复合动力灾害治理技术理论， 获2016年度中国煤炭工业科学技术一等奖。

　　四是探索实施大采长“一面多巷”瓦斯治理技术。针对不具备保护层开采条件的单一低透突出煤层，集团在首山一矿开展了大采长工作面“一面多巷”的瓦斯治理研究与探索。消除了煤层突出危险性，实现了合理集中生产，降低了采面万吨掘进率和瓦斯治理成本，解决了突出煤层工作面顺序开采和接替问题，使首山一矿首次实现了自2010年建成投产后的达产目标。高突头面平均月产10万吨以上；最高达22万吨/月。治理成本由180元/吨降低到87元/吨。

　　破解深井开采技术难题

　　平顶山矿区深部煤层赋存环境复杂，多数煤层巷道顶板强度低，易破碎风化，严重影响了巷道的掘进与支护，经常出现采掘交替的失衡。再加上煤层的厚度、角度、水害等的复杂性，单一的开采方法难以有效满足整个矿区高效开采的需要。

　　中国平煤神马集团以平顶山矿区深井巷道稳定性分类为基础，开展巷道快速掘进与支护、极薄煤层安全高效等技术研究，有效解决深井开采技术难题。

　　行业内首次实现了深井围岩结构精细探测和地应力场的长期动态监测。与中科院武汉岩土力学所合作，完成了《深部巷道破碎软弱围岩稳定性监测控制关键技术及应用》项目，项目在平煤股份一矿、五矿、十一矿开展了应用，围岩松动圈及地应力测试时间长达2年，一矿三水平下延主运输巷和-517石门修复等试验巷道的收敛变形较以前降低50%，返修周期提高1倍以上，巷道支护维修的综合成本比采用本技术前降低15%。荣获2016年度国家科技进步二等奖。

　　成功打造千米深井一体化绿色开采系统。针对平煤股份十二矿煤层赋存不稳定，厚度薄且不可采，不具备常规保护层开采的技术难题。在千米深井形成了集近全岩保护层开采、井下煤矸分选、瓦斯卸压抽采以及固体充填与传统综采混采一体化的绿色开采系统，达到了解放建筑物下压煤并控制上覆岩层运动及地表沉陷的目的，实现了采煤与充填共举。采出的矸石全部在井下破碎、回填，矸石实现零排放，有效解决了地面矸石山占地及其所造成的环境污染问题，实现了绿色环保开采。获2016年度中国煤炭工业科学技术一等奖。

　　煤层底板灰岩水害防治成效显著。灰岩承压水是平顶山矿区水害防治的主要对象。近年来，集团坚持“预防为主、防治结合、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，贯彻“查、探、堵、截、疏、排、防、躲”的综合防治水技术措施，构建了现代化防治水技术体系，特别是在灰岩承压水治理及综合利用等方面做了大量的研究，取得了显著的效益。完成的《煤层底板灰岩水害防治的减排节能示范技术与工程》《煤层底板采动破坏规律研究》等项目实现了底板灰岩含水层疏水降压、井下环境温度降低和地热水综合利用的有机结合。矿井涌水的减少量占原矿井涌水量的1/3，同时实现了矿井地热灾害由被动防治到主动利用的战略转移，已逐步形成了以“疏水降压”为主，“浅部局部堵截”和“深部局部加固”为辅的防治水安全治理思路，实现了灰岩承压水“可防、可控、可治”。

　　探索深部采矿学基础理论

　　当开采从浅部走向深部，岩体力学出现了新特征、新变化，现有的适用于浅部环境的传统灾害防治基础理论已不适用甚至被颠覆。

　　为此，中国平煤神马集团高度重视深井灾害基础理论研究工作，与国家“973”项目首席科学家谢和平院士签署合作协议，共同开展《深部煤炭开发煤与瓦斯共采理论》研究，集团也成为国家首个煤与瓦斯共采理论研究示范基地。已完成了3个子课题的研究工作，对深部采动条件下煤岩体的破断规律及裂隙场的发育范围进行了现场观测和实验研究，总结出了采动影响下己组煤层上覆煤岩体采动裂隙变化规律，研究成果共获4项省部级科技进步奖。

　　十三五以来，作为主要合作单位之一，中国平煤神马集团与中国工程院谢和平院士、何满潮院士以及煤炭科学研究总院等合作承担了《深部岩体力学与开采理论》《煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术》《煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究》等多项国家十三五重点研发计划课题研究。

　　深井灾害防治是煤矿安全生产工作的重中之重，中国平煤神马集团将持续加大科技创新和成果转化力度，依托集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，努力攻克深部开采灾害防治关键技术难题，实现煤矿安全、高效开采。

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