創(chuàng)新煤炭安全高效開發(fā)技術(shù)支撐特大型礦井建設(shè)

寧 宇

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京 100013）

創(chuàng)新煤炭安全高效開發(fā)技術(shù)支撐特大型礦井建設(shè)

寧 宇

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京 100013）

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源,特大型礦井的建設(shè)和開發(fā)是提高產(chǎn)業(yè)集中度,保障煤炭穩(wěn)定供給的主要途徑。從分析我國(guó)特大型礦井的建設(shè)現(xiàn)狀和趨勢(shì)入手,在總結(jié)“十一五”以來煤炭高效開發(fā)技術(shù)與裝備取得成就的基礎(chǔ)上,提出了未來特大型礦井建設(shè)的科技需求與趨勢(shì)。

煤炭;高效開發(fā);掘進(jìn);礦井建設(shè)

2009年我國(guó)煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量分別為 3.05Gt和 3.02Gt,2010年分別達(dá)到 3.24Gt和 3.12Gt,分別占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)的 77.8%,69.6%和77.3%,68.6%。受資源稟賦條件的限制,我國(guó)在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)以煤為主能源結(jié)構(gòu)難以改變。據(jù)預(yù)測(cè),到 2015年我國(guó)煤炭需求將達(dá)到 3.8～4.0Gt。因此,煤炭的穩(wěn)定供給直接關(guān)系到我國(guó)的能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展。

1 建設(shè)特大型礦井,提升安全高效礦井生產(chǎn)水平

保持煤炭的穩(wěn)定供給,實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的安全、高效、可持續(xù)發(fā)展,首要任務(wù)是解決產(chǎn)業(yè)集中度過低的問題,只有通過加大特大礦井建設(shè),才能有效帶動(dòng)安全高效礦井建設(shè)和發(fā)展,提高礦井生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)保障能力。《煤炭工業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》提出要以煤炭整合、有序開發(fā)為重點(diǎn)。對(duì)中小煤礦實(shí)施整合改造,實(shí)現(xiàn)資源、資產(chǎn)、技術(shù)、人力等生產(chǎn)要素的整合和重組。在大型煤炭基地內(nèi),一個(gè)礦區(qū)原則上由一個(gè)主體開發(fā),推進(jìn)企業(yè)整合。鼓勵(lì)大型煤炭企業(yè)整合重組和上下游產(chǎn)業(yè)融合,提高產(chǎn)業(yè)集中度。形成 6～8個(gè)億噸級(jí)和 8～10個(gè) 5000萬噸級(jí)大型煤炭企業(yè)集團(tuán),煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的 50%以上。

2005年以來,隨著 14個(gè)大型煤炭基地的建設(shè)及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的加快,國(guó)有重點(diǎn)煤礦生產(chǎn)能力占全國(guó)年產(chǎn)量的比例逐漸提高,安全高效礦井的生產(chǎn)能力和發(fā)展水平得到進(jìn)一步提高。從 2003年的47.11%增長(zhǎng)到 2008年的 50.12%,增長(zhǎng)了3.01%;2010年,全國(guó) 14個(gè)大型煤炭基地產(chǎn)量占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的 87.5%。國(guó)有重點(diǎn)煤礦采煤機(jī)械化程度不斷提高,從 2003年的 81.47%增長(zhǎng)到2008年的 89.97%,增長(zhǎng)了 8.5%;國(guó)有重點(diǎn)煤礦百萬噸死亡率大幅下降,從 2003年的 1.07下降到2009年的 0.044,已經(jīng)達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平;我國(guó)煤炭行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度、生產(chǎn)效率、機(jī)械化水平低,安全狀況差的局面得到基本改善,同時(shí)提高了煤炭行業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

2 我國(guó)特大型礦井建設(shè)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)

“十一五”期間,隨著技術(shù)與裝備的發(fā)展和進(jìn)步,我國(guó)特大型礦井建設(shè)突飛猛進(jìn)。據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),截止 2009年底,全國(guó)已建成安全高效礦井 （露天）359處,產(chǎn)煤 1.017Gt,占當(dāng)年全國(guó)總產(chǎn)量的 34.2%,安全高效礦井采煤機(jī)械化程度達(dá)到 90%以上,綜采程度達(dá)到 85%以上。大型煤炭企業(yè)集團(tuán)快速發(fā)展壯大,2009年原煤產(chǎn)量超過 0.1Gt的企業(yè)有 2家,原煤產(chǎn)量為 0.396Gt,占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的 14.4%。原煤產(chǎn)量達(dá)到 10Mt以上的企業(yè) 36家,原煤產(chǎn)量 1.376Gt,占全國(guó)原煤產(chǎn)量的 50.05%,其中年產(chǎn) 50Mt以上企業(yè) 7家,年產(chǎn) 40Mt以上企業(yè) 9家。

《煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出煤炭生產(chǎn)將以大型煤炭企業(yè)、大型煤炭基地和大型現(xiàn)代化煤礦為主,基本形成穩(wěn)定供應(yīng)格局,到 2015年,形成 10個(gè)億噸級(jí)、10個(gè) 5000萬噸級(jí)特大型煤炭企業(yè);全國(guó)煤礦采煤機(jī)械化程度達(dá)到 75%以上,千萬噸級(jí)煤礦達(dá)到 60處;重特大事故大幅度減少,安全生產(chǎn)形勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)。

3 依靠科技,提升特大型礦井建設(shè)科技支撐能力

我國(guó)安全高效礦井的建設(shè)是隨著采煤技術(shù)的變革而逐步發(fā)展起來。綜合機(jī)械化采煤技術(shù)經(jīng)歷了摸索探討、規(guī)范發(fā)展和提高推廣等階段,特別是 20世紀(jì) 80年代以來,綜采、綜掘等技術(shù)裝備的升級(jí),厚煤層一次采全高、特厚煤層大采高綜放開采,薄煤層全自動(dòng)化開采等技術(shù)裝備的突破,礦井提升、運(yùn)輸和裝車自動(dòng)化、全礦井自動(dòng)化等信息化技術(shù)的推廣應(yīng)用,有效支撐了我國(guó)特大型礦井建設(shè)和發(fā)展。

3.1 厚煤層綜采技術(shù)與裝備

依托國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐,突破了厚煤層綜采關(guān)鍵技術(shù),研制出了一批適應(yīng)我國(guó)煤礦條件的厚煤層綜采裝備,關(guān)鍵元部件、設(shè)備的成套性有了重大創(chuàng)新,整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。如功率 1800kW以上的大功率電牽引采煤機(jī),最大裝機(jī)功率可達(dá) 2505kW,最大采高 6.3m,生產(chǎn)能力2500～3500t/h,具有位置檢測(cè)和信息網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制功能;大采高強(qiáng)力液壓支架最大支護(hù)高度可達(dá)6.4m、最高工作阻力 13000kN、加載循環(huán)超過50000次,并研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電液控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了雙向鄰架自動(dòng)控制和成組順序控制,移架速度達(dá)到 6～8s/架;工作面刮板輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度可達(dá)300m以上、總裝機(jī)功率可達(dá) 3×1000kW、運(yùn)量超過 3500t/h,并成功攻克了大功率傳動(dòng)、工況監(jiān)測(cè)監(jiān)控、高強(qiáng)度鑄焊結(jié)合中部槽等技術(shù)難關(guān);膠帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)了大運(yùn)量長(zhǎng)距離輸送,最大運(yùn)距可達(dá)7km、最大運(yùn)量可達(dá) 7000t/h,并在液壓自動(dòng)儲(chǔ)卷帶、高度低阻托輥等技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。目前采用國(guó)產(chǎn)成套綜采裝備的工作面年產(chǎn)量已達(dá)到 6Mt,以進(jìn)口采煤機(jī)配套國(guó)產(chǎn)液壓支架、刮板輸送機(jī)和大運(yùn)量帶式輸送機(jī)的綜采工作面年產(chǎn)量已超過 10Mt。

在國(guó)產(chǎn)厚煤層綜采成套技術(shù)與裝備方面,典型代表為煤科總院、神華集團(tuán)、中煤裝備公司等單位完成的國(guó)家發(fā)改委十大裝備研制專項(xiàng)之一 “年產(chǎn)600萬噸大采高綜采成套技術(shù)與裝備”,該設(shè)備在神東礦區(qū)萬利一礦進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn),2007年工作面單產(chǎn)達(dá)到了 7.62Mt,單臺(tái)設(shè)備開機(jī)率均達(dá)到 95%以上,回采工效達(dá)到 398.9t/工,2008年年產(chǎn)量達(dá)到了 10.25Mt,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)國(guó)產(chǎn)成套大采高裝備的飛躍。在關(guān)鍵元部件上,自主研發(fā)了采煤機(jī)高強(qiáng)度搖臂、147mm節(jié)距高強(qiáng)度“齒 -銷”傳動(dòng)系統(tǒng);刮板機(jī) φ48×152mm刮板鏈、整體鑄焊式中部槽;液壓支架 φ420mm大缸徑立柱和液壓支架電液控制系統(tǒng),目前 80%左右的國(guó)產(chǎn)液壓支架全部應(yīng)用國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)。

3.2 厚煤層綜放開采技術(shù)與裝備

“十五”期間兗州礦業(yè)集團(tuán)興隆莊煤礦 “600萬噸綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”創(chuàng)造世界上綜放開采單產(chǎn)、工效和采出率 3項(xiàng)最高記錄,且“兩柱式”綜采放頂煤液壓支架成功出口澳大利亞。2008年,平朔安家?guī)X二號(hào) 300m綜放工作面創(chuàng)造了日產(chǎn) 54.1kt、月產(chǎn) 1.18Mt、年產(chǎn) 10.39Mt、人員工效 450t/h的全國(guó)綜放紀(jì)錄。目前,配套全部國(guó)產(chǎn)裝備綜放工作面可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn) 6～8Mt。潞安礦業(yè)集團(tuán)屯留煤礦采用國(guó)產(chǎn) ZF7000/19.5/38型液壓支架,最高日產(chǎn) 24.2kt,最高月產(chǎn) 185.9kt,平均采出率達(dá) 90%。2005年潞安礦業(yè)集團(tuán)王莊煤礦采用成套國(guó)產(chǎn)放頂煤裝備,年產(chǎn)量達(dá)到 6.08Mt。

3.3 薄煤層開采技術(shù)與裝備

在薄煤層開采方面,目前已自行研制出最低高度 0.67m的薄煤層液壓支架,可以滿足 1.0m左右薄煤層的開采,開發(fā)了適用于薄煤層的刮板輸送機(jī),基本滿足了中硬以下薄煤層開采需求。大同煤礦集團(tuán)公司采用天地科技股份有限公司上海分公司研制的MG200/450-WD型采煤機(jī),配套國(guó)產(chǎn)支架與輸送機(jī),2003年在晉華宮礦實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)原煤超1Mt。棗莊煤業(yè)集團(tuán)與遼源煤機(jī)廠等單位合作,采用MG200-BW2型采煤機(jī)配套 ZY2400/08/19液壓支架、SGZ630/220輸送機(jī),實(shí)現(xiàn)最高日產(chǎn)3.504kt,平均月產(chǎn) 89.636kt,創(chuàng)出了滾筒式薄煤層綜采年產(chǎn)百萬噸的新水平。2008年 10月,平頂山六礦采用MGTY250/600-1.1D采煤機(jī)、SGZ-764/500刮板機(jī)、ZY5000-1.45/3.0D液壓支架等全套國(guó)產(chǎn)裝備,實(shí)現(xiàn)了工作面無人跟機(jī)作業(yè)。

3.4 掘進(jìn)技術(shù)與裝備

在掘進(jìn)技術(shù)與裝備方面,我國(guó)中型掘進(jìn)機(jī)發(fā)展日趨成熟,重型掘進(jìn)機(jī)大批出現(xiàn),已能夠獨(dú)立研制截割煤層堅(jiān)固性系數(shù) f≤8、機(jī)重 60t左右、截割功率 160～220kW的重型掘進(jìn)機(jī)。配合巷道錨桿錨索支護(hù)新技術(shù),顯著提高了巷道掘進(jìn)施工的機(jī)械化水平和成巷速度。

此外,礦井建設(shè)方面,特殊鑿井技術(shù)、大直徑反井鉆井技術(shù)、煤巷綜掘技術(shù)及裝備、錨噴支護(hù)技術(shù)等取得突破性進(jìn)展。特殊鑿井法穿過沖積層厚度最大達(dá) 587m,最大凍結(jié)深度 737m;鉆井法最大鉆鑿成井深度達(dá) 660m,最大鉆井直徑為 10.3m;注漿技術(shù)已從注漿材料的 “水泥時(shí)代”進(jìn)入了 “黏土?xí)r代”,井筒地面預(yù)注漿最大深度達(dá)到 1048m。大直徑反井鉆機(jī)研制成功,實(shí)現(xiàn)了煤礦風(fēng)井井筒施工技術(shù)的突破。反井鉆機(jī)一次擴(kuò)孔成井,反井鉆井深度達(dá)到 500m,最大擴(kuò)孔直徑達(dá)到 5m。在短壁機(jī)械化開采方面,研制出連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、連續(xù)采煤機(jī)、行走液壓支架、四臂錨桿鉆機(jī)、鏟車、梭車等一系列設(shè)備,在性能和技術(shù)參數(shù)方面已接近國(guó)際先進(jìn)水平,某些技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性能甚至超過同類引進(jìn)產(chǎn)品。

4 特大型礦井建設(shè)的科技需求與趨勢(shì)

近年來在國(guó)家支持和扶持下,煤礦特大型礦井建設(shè)的技術(shù)和裝備得到快速發(fā)展,依托自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)建設(shè)了一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的現(xiàn)代化示范礦井。我國(guó)大型安全高效礦井建設(shè)面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害呈多樣性的趨勢(shì);國(guó)產(chǎn)成套裝備研制取得顯著成效,但在關(guān)鍵元部件如采煤機(jī)記憶截割、故障診斷,刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng),帶式輸送機(jī)多機(jī)功率等方面還依賴進(jìn)口,需要運(yùn)用創(chuàng)新思維進(jìn)一步提升自主研發(fā)能力。

此外,還需在液壓支架、采煤機(jī)等設(shè)備關(guān)鍵元部件的材料、加工工藝等方面進(jìn)行攻關(guān),進(jìn)一步提高設(shè)備的可靠性。

4.1 礦井建設(shè)與巷道掘進(jìn)

在礦井建設(shè)施工方面,煤炭開發(fā)已向西部轉(zhuǎn)移,西部煤礦特點(diǎn)是生產(chǎn)規(guī)模大、斜井多、井筒直徑大,地層為弱膠結(jié)、不穩(wěn)定。已有特殊鑿井技術(shù)不能完全適應(yīng)西部地層條件,特別是斜井凍結(jié)技術(shù)尚屬空白。需要研究斜井凍結(jié)技術(shù)、軟巖鉆進(jìn)技術(shù),以及豎井掘進(jìn)機(jī)井筒機(jī)械化建井技術(shù),滿足大直徑礦井快速建設(shè)的需要。

隨著礦井規(guī)模和工作面單產(chǎn)的進(jìn)一步提高,大批千萬噸現(xiàn)代化礦井的建設(shè),提出了生產(chǎn)能力大、掘進(jìn)效率高的大斷面重型掘進(jìn)機(jī)的需求。且因成巷速度的需求,對(duì)掘錨一體化作業(yè)效率提出了更高要求。為加快巖石巷道掘進(jìn)速度,需開展巖巷全斷面綜合掘進(jìn)機(jī)、鉆爆法快速掘進(jìn)關(guān)鍵裝備、硬巖截割技術(shù)、巷道掘進(jìn)粉塵控制技術(shù)在內(nèi)的巖石巷道快速掘進(jìn)技術(shù)及裝備研究。

4.2 煤礦開采技術(shù)與裝備

高效集約化礦井建設(shè)是煤炭工業(yè)的發(fā)展方向,是我國(guó)采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、振興煤機(jī)裝備制造業(yè)的重大舉措。我國(guó)目前高端采掘設(shè)備在可靠性、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控和生產(chǎn)效率等方面與國(guó)外產(chǎn)品還存在較大的差距。此外,我國(guó)小煤礦眾多,但機(jī)械化程度普遍偏低;大型露天礦設(shè)備主要依賴進(jìn)口,急需提高設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化速度。

需開展綜采裝備關(guān)鍵元部件材料、工藝和系統(tǒng)的匹配、成套設(shè)備的可靠性和自動(dòng)控制、軟啟動(dòng)和快速搬運(yùn)裝備、深部礦井圍巖控制與巷道掘進(jìn)、支護(hù)技術(shù)、新型高能量蓄電池、大功率防爆柴油機(jī)等關(guān)鍵元部件攻關(guān)。

我國(guó)傳統(tǒng)露天開采工藝較為落后,大型裝備國(guó)產(chǎn)化程度低,煤炭資源開發(fā)與環(huán)境的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象嚴(yán)重,急需對(duì)大型露天煤礦連續(xù)、半連續(xù)采煤技術(shù)及大型裝備、生產(chǎn)智能監(jiān)控與決策系統(tǒng)和邊坡災(zāi)害控制技術(shù)與裝備進(jìn)行深入的研究。

“十一五”科技支撐計(jì)劃“特厚煤層大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”項(xiàng)目在大同塔山礦已完成工業(yè)性試驗(yàn),項(xiàng)目研制出了適應(yīng)采放高度14～20m特厚煤層綜放開采成套技術(shù)與裝備,工業(yè)性試驗(yàn) 3個(gè)月工作面推進(jìn) 463m,最高日推進(jìn)量8m,累計(jì)出煤 2.738Mt,最高日產(chǎn)量達(dá)到 39.4kt,具備年產(chǎn)千萬噸的能力。在綜放工作面及巷道自動(dòng)化控制以及含厚層不均勻夾矸厚煤層大采高綜放支架等仍需進(jìn)行攻關(guān)。

此外,在短壁機(jī)械化開采技術(shù)與裝備、輔助運(yùn)輸裝備、薄煤層及難采煤層機(jī)械化開采方面均需加強(qiáng)科技攻關(guān),實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

5 結(jié)束語

煤炭是我國(guó)的能源基礎(chǔ),以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變,為保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求,大型礦井的建設(shè)和煤炭工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的實(shí)現(xiàn),煤炭科技工作者要不斷努力,從而提高我國(guó)煤炭科技的現(xiàn)代化水平。

[1]中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì) .煤炭工業(yè)信息 [R].2010-10,2011-1.

[2]中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)與支護(hù)專業(yè)委員會(huì) .中國(guó)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化之路 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

Innovating Safe and High-efficiency Coal Min ing Technology and Supporting Extra-large Mine Construction

N ING Yu
（China Coal Technology&Engineering Group Corp,Beijing 100013,China）

Coal is a foundational energyof China and extra-large coalmine construction ismain approach of improving industry concentration and providing stable coal supply.By analyzing construction status and tendency of extra-large mine of China and concluding improvement of coal high-efficiencymining and equipments developing in 11th Five-year-plan,scientific demand and development tendency of future extra-large mine construction was put forward.

coal;high-efficientmining;driving;mine construction

TD2

A

1006-6225（2011）03-0001-03

2011-04-02

寧 宇 （1956-）,男,河北樂亭人,博士,研究員,中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理。

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[責(zé)任編輯:施紅霞 ]