破解深部煤炭開采重大科技難題的思考與建議

袁亮

（煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，淮南232000）

破解深部煤炭開采重大科技難題的思考與建議

袁亮

（煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，淮南232000）

袁亮 安徽金寨人，煤炭開采及瓦斯治理專家，中國(guó)工程院院士。現(xiàn)任煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院院長(zhǎng)、煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心主任、深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。

煤炭長(zhǎng)期以來是我國(guó)主要能源。未來一段時(shí)期內(nèi)，隨著新能源和可再生能源開發(fā)利用技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)向清潔和優(yōu)質(zhì)化方向發(fā)展，煤炭的發(fā)展方向是安全綠色開采和清潔高效利用。我國(guó)煤炭資源賦存條件復(fù)雜，53%的資源埋深在千米以下，隨著煤炭開采逐步加深，深部煤炭開采不可避免地面臨著煤與瓦斯突出、沖擊地壓、巷道圍巖控制、水害、熱害等諸多重大科學(xué)問題和技術(shù)難題，深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)我國(guó)深部開采典型礦區(qū)的長(zhǎng)期研究實(shí)踐提出以下科學(xué)思考與建議：

煤與瓦斯突出防治。隨著開采深度增加，煤層賦存及開采條件日趨復(fù)雜，煤與瓦斯突出發(fā)生頻次和強(qiáng)度不斷增加，而突出機(jī)理尚不清楚，措施存在盲目性。必須從煤礦井下開采源頭來解決深部低透氣性、高瓦斯煤層瓦斯突出防治難題。采用卸壓開采煤與瓦斯共采技術(shù)，打破傳統(tǒng)開采程序，選擇好首采關(guān)鍵層，造成上下巖層移動(dòng)，膨脹卸壓，從而增加煤層透氣性，使相鄰煤層高瓦斯突出煤層瓦斯解析為游離瓦斯，再通過預(yù)先布置的巷道和鉆孔抽采瓦斯，實(shí)現(xiàn)區(qū)域治理，高瓦斯煤層在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下安全開采。

沖擊地壓防治。煤礦沖擊地壓以其突然、急劇、猛烈的破壞特征嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)。深部開采沖擊地壓發(fā)生頻次和強(qiáng)度明顯增加，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。開采關(guān)鍵卸壓層實(shí)現(xiàn)區(qū)域卸壓，對(duì)于防治沖擊地壓至關(guān)重要，能夠最大限度地發(fā)揮“降壓、減震、吸能”的作用。具有沖擊危險(xiǎn)性的工作面實(shí)施采前“大范圍、高強(qiáng)度”的煤巖預(yù)卸壓，采時(shí)實(shí)施多參量預(yù)警，對(duì)預(yù)警危險(xiǎn)區(qū)實(shí)施“二次”卸壓。

巷道圍巖控制。巷道是礦井的咽喉，既是礦井的生產(chǎn)通道也是生命通道。進(jìn)入深部開采后，巷道圍巖呈現(xiàn)軟巖特征，容易發(fā)生大流變、大破壞，造成巷道斷面大變形，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)失靈，進(jìn)而引發(fā)重特大事故。深部巷道圍巖的控制應(yīng)基于深部巷道圍巖穩(wěn)定控制理論，強(qiáng)化圍巖與強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，采用分步聯(lián)合支護(hù)。對(duì)不同級(jí)別的深部巷道圍巖，采取不同的技術(shù)措施。

礦井水害防治。礦井水害極易造成群死群傷，在煤礦重特大事故中所占比重較大。隨著煤礦開采深度的增加，礦井水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，煤層開采受底板高承壓水威脅日趨嚴(yán)重，突水機(jī)率不斷上升，水害防治難度進(jìn)一步加大。疏水降壓和注漿改造是防治深部承壓水突出的有效手段。在開采受高承壓水威脅的深部煤層時(shí)，一般采取疏水降壓的方法將承壓水水頭值降到安全水頭值以下；承壓含水層的集中補(bǔ)給邊界已經(jīng)基本查清的情況下，可采取帷幕注漿；當(dāng)承壓含水層的補(bǔ)給水源充沛，可考慮注漿加固和改造提高隔水煤巖層自身強(qiáng)度，確保不潰水。

礦井熱害治理。礦井熱害在我國(guó)絕大部分深部礦井中已經(jīng)相當(dāng)突出，成為煤礦向深部延深的重要瓶頸之一。在深度為1000 m時(shí)，地溫高達(dá)40～50℃，尤其在掘進(jìn)工作面，氣溫高、濕度大、空氣含氧量低、工作環(huán)境惡劣，嚴(yán)重制約安全高效生產(chǎn)。開展井上下立體降溫降濕技術(shù)和新型隔熱材料研究，最大限度降低或消除礦井熱害威脅，采用巷道隔熱材料降溫技術(shù)隔絕高溫圍巖，將熱源隔離，減少圍巖熱量放散，有效緩解對(duì)巷道風(fēng)流加熱，降低工作面的空氣溫度，改善井下的工作條件。

深部煤炭開采面臨的幾大災(zāi)害既相互聯(lián)系、相互依存，又相互制約，給災(zāi)害防治研究帶來極大挑戰(zhàn)。國(guó)際上由于深部煤層不開采，很少開展此類研究，為確保我國(guó)能源安全，應(yīng)超前探索出深部煤炭開采災(zāi)害防治的科學(xué)手段，為我國(guó)主導(dǎo)能源安全綠色開采提供支撐，建議如下：一是加大基礎(chǔ)研究支持力度。國(guó)家制定科技攻關(guān)年度計(jì)劃和中長(zhǎng)期計(jì)劃，通過整合國(guó)家研發(fā)資源平臺(tái)，采取產(chǎn)學(xué)研合作，協(xié)同創(chuàng)新，加大“973計(jì)劃”“863計(jì)劃”、“國(guó)家科技支撐計(jì)劃”及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等重大科技攻關(guān)力度，重點(diǎn)開展深部煤炭開采應(yīng)用基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，依靠科技創(chuàng)新突破制約我國(guó)深部煤炭開采的理論與技術(shù)瓶頸。二是在研究思路方面，國(guó)家應(yīng)支持自主創(chuàng)新重大儀器及科學(xué)裝置開發(fā)研究，開展微觀、細(xì)觀、宏觀多尺度研究。重點(diǎn)研究采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、裂隙場(chǎng)的3場(chǎng)發(fā)育及演化特征和致災(zāi)機(jī)理，以大尺度真三軸最大相似比的新型實(shí)驗(yàn)室物理模擬、數(shù)值模擬為手段，形成從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到實(shí)驗(yàn)室，從定性到定量，可重復(fù)推演的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、物理模擬、數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的系統(tǒng)研究方法，研究深部動(dòng)力災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理，尋求災(zāi)害預(yù)防與控制對(duì)策。三是在災(zāi)害治理方法上，堅(jiān)持先卸壓后開采的科學(xué)治理。深井動(dòng)力災(zāi)害是多場(chǎng)耦合作用的結(jié)果，應(yīng)力是災(zāi)害的源頭，必須在營(yíng)造低值應(yīng)力區(qū)上做文章，通過首采關(guān)鍵層形成卸壓區(qū)，對(duì)被卸壓煤層的大范圍卸壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的區(qū)域性治理。四是科學(xué)確定開采下限。在充分認(rèn)清深部各種災(zāi)害特征、治理能力極限和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的基礎(chǔ)上，科學(xué)確定開采下限。同時(shí)，在滿足合理需求的前提下，逐步降低煤炭的依存度，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展新能源及可再生能源。開發(fā)利用煤層氣是近期實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整最有效、可能性最大的途徑。

未來我國(guó)煤炭開采逐漸走向深部，我們認(rèn)為只有堅(jiān)持科學(xué)開采，依靠科技創(chuàng)新，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)才能有效解決深部煤炭開采面臨的科學(xué)問題和重大技術(shù)難題。

—— 摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2016年 第2期 第1頁(yè)