固體煤炭資源流態(tài)化開采教學(xué)模型

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一套固體煤炭資源流態(tài)化開采的教學(xué)模型，介紹了該模型的基本結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)了固體煤炭資源流態(tài)化開采全過程的真實(shí)模擬和演示。該模型有助于學(xué)生理解固體煤炭資源流態(tài)化開采全過程及運(yùn)行機(jī)理，有助于培養(yǎng)學(xué)生積極探索的精神和應(yīng)對新問題的能力。

【關(guān)鍵詞】煤炭? 流態(tài)化開采? 教學(xué)模型

【基金項(xiàng)目】國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52009131，52142302）;中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2021年本科教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目——提升創(chuàng)新能力培養(yǎng)的《采礦概論》課程教學(xué)方法研究（J211105）;中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2021年研究生課程思政建設(shè)項(xiàng)目（YKCSZ202100101B）。

【中圖分類號】TD-05 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2095-3089（2022）03-0196-03

1.引言

能源與資源的開發(fā)利用是人類文明進(jìn)步的基礎(chǔ)，煤炭作為能源資源的主體構(gòu)成部分，支撐著我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展。然而，隨著人類對煤炭的持續(xù)開采利用，地球淺部煤炭資源已逐漸趨向枯竭，煤炭資源開發(fā)需要不斷走向地球深部，千米級礦井開采將成為常態(tài)。習(xí)近平主席于 2016年5月強(qiáng)調(diào)指出：“當(dāng)前，國家對戰(zhàn)略科技支撐的需求比以往任何時(shí)期都更加迫切……從理論上講，地球內(nèi)部可利用的成礦空間分布在從地表到地下10000 m，目前，世界先進(jìn)水平勘探開采深度已達(dá)2500～4000 m，而我國大多小500 m，向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題?！币虼?，向地球深部要資源已上升為國家戰(zhàn)略需求，對煤炭開發(fā)利用進(jìn)行變革已勢在必行[1]。

向地球深部進(jìn)軍是我國和全球未來的必然趨勢，國家正在啟動(dòng)的面向2030國家重大科技項(xiàng)目“地球深部探測”提出深地科學(xué)鉆探深度將突破13000 m，深部資源開采目標(biāo)為油氣10000 m、地?zé)?000 m、固態(tài)資源3000 m。特別是高效開采2000 m以深的煤炭資源，必須突破現(xiàn)有的開采方法、理論和技術(shù)，研究深部資源開采理論與技術(shù)?；谀壳翱睖y結(jié)果，結(jié)合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與力學(xué)理論分析，6000 m以深的巖體基本處于三向等壓狀態(tài)，深部巖體進(jìn)入全范圍塑性流變狀態(tài)，巖層運(yùn)動(dòng)、圍巖支護(hù)、災(zāi)害預(yù)警與防治等將難以控制，現(xiàn)有的固體礦物資源的開采方式將難以適用于6000 m以深。但是，石油、天然氣等流態(tài)型油氣資源，目前采用流態(tài)化開發(fā)的方式使得開采深度已超過7500 m，采用鉆機(jī)下井，人不下井的方式，通過壓差流態(tài)傳輸至地表，與深地固體礦物資源現(xiàn)有開采方式有本質(zhì)區(qū)別[1]。

基于此，謝和平院士2014年6月在中國工程院國際工程科技大會(huì)上首次提出的新的資源與能源開采方式的變革，目前已初步形成了煤炭深部原位流態(tài)化開采的技術(shù)框架，明確了深部固態(tài)礦產(chǎn)資源流態(tài)化開采的目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)對深地固態(tài)資源采、選、冶、充、電、氣、熱的原位、實(shí)時(shí)和一體化開發(fā)，顛覆傳統(tǒng)的固態(tài)資源開發(fā)的開采模式、運(yùn)輸模式和利用模式;引領(lǐng)礦產(chǎn)資源開采技術(shù)革命，實(shí)現(xiàn)固態(tài)礦產(chǎn)資源開采深度上的突破，為我國可采資源總量翻一番提供技術(shù)支撐[2-7]。

流態(tài)化開采是指將深部固體礦產(chǎn)資源原位轉(zhuǎn)化為氣態(tài)、液態(tài)或氣固液混態(tài)物質(zhì)，在井下實(shí)現(xiàn)無人智能化的采選充、熱電氣等轉(zhuǎn)化的開采技術(shù)體系[1-12]（圖1）。該技術(shù)突破了固體礦產(chǎn)資源臨界開采深度的限制，使深地煤炭資源開采可以像油氣開發(fā)那樣實(shí)現(xiàn)“鉆機(jī)下井，人不下井”、依靠壓差作用進(jìn)行開采，從根本上顛覆固體資源的開采模式。實(shí)現(xiàn)深地煤炭資源的流態(tài)化開采，關(guān)鍵在于要去探索深地井下采、選、充、氣、電、熱的一體化無人、智能采掘與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，通過無人作業(yè)、智能采掘、原位轉(zhuǎn)化、高效傳輸?shù)阮嵏残约夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)將深地固體資源氣化、液化、電氣化等系統(tǒng)的流態(tài)化開采。原位流態(tài)化開采可以改變目前礦業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)效率低、安全性差、生態(tài)破壞嚴(yán)重、資源采出率低、地面運(yùn)輸/轉(zhuǎn)化能量損耗大等一系列問題，實(shí)現(xiàn)深部煤炭資源開采理念與模式的變革。

基于此，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)了固體煤炭資源流態(tài)化開采教學(xué)模型。本文詳細(xì)介紹了固體煤炭資源流態(tài)化開采教學(xué)模型的基本結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)了固體煤炭資源流態(tài)化開采全過程的真實(shí)模擬和演示。

2.模型結(jié)構(gòu)與功能

2.1整體設(shè)計(jì)

固體煤炭資源流態(tài)化開采教學(xué)模型的整體設(shè)計(jì)如圖2所示，通過全新高效、安全、可靠、無人、智能化的全斷面盾構(gòu)方式巷道掘采工藝，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)采掘設(shè)備與智能移動(dòng)選煤艙、煤炭快速液化艙、減沉協(xié)同自適應(yīng)充填系統(tǒng)的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)煤炭采、充與轉(zhuǎn)化的實(shí)時(shí)、協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。通過新型支護(hù)推進(jìn)方式的盾構(gòu)機(jī)，有效實(shí)現(xiàn)采掘煤巖、輸送渣土、支護(hù)巷道、導(dǎo)向糾偏、一次斷面成型以及采、掘、運(yùn)、支護(hù)一體化等多功能一體化的掘進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多種功能的高效集成。盾構(gòu)機(jī)掘采設(shè)備需要完成智能移動(dòng)選煤艙、煤炭快速液化艙、減沉協(xié)同自適應(yīng)充填等多種功能一體化集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善，實(shí)現(xiàn)采、掘、運(yùn)、支護(hù)一體化。

流態(tài)化開采的盾構(gòu)機(jī)類似蚯蚓的結(jié)構(gòu)（圖3），可以拆卸和重新組裝，以適應(yīng)巷道掘進(jìn)和煤層開采的不同。圖4為煤層掘進(jìn)的采掘部分，該模塊為蠕蟲狀自由彎曲結(jié)構(gòu)，由多個(gè)功能模塊組成，以滿足獨(dú)立操作和隧道挖掘的需要。各功能模塊通過可拆卸的柔性組件連接，在開挖過程中，柔性組件可以進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、沿傾斜煤層上坡和下坡運(yùn)動(dòng)。這些柔性組件將不同的功能模塊連接起來，形或適合于煤層掘進(jìn)的采掘部分。

深部煤層的智能、無人開采需要在地面搭建無線遙控平臺(tái)，對流態(tài)化開采設(shè)備的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行管理和監(jiān)控。流態(tài)化開采設(shè)備的每個(gè)功能模塊都安裝了一個(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，允許模塊根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)接收到的指令獨(dú)立向前或向后移動(dòng)。流態(tài)化開采設(shè)備的柔性組件使用高強(qiáng)度和高韌性材料制造，以確保功能模塊之間的安全連接。這也使得流態(tài)化開采設(shè)備可以隨時(shí)調(diào)整其軌道，以便轉(zhuǎn)彎、上坡和下坡，從而促進(jìn)其適應(yīng)復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)。

2.2 掘進(jìn)部分

煤巷掘進(jìn)部分主要包括一個(gè)采掘模塊（配備了一個(gè)刀盤和一個(gè)微波輻射裝置）和一個(gè)支護(hù)模塊。采掘模塊主要用于巖石破碎和挖掘。緊接著，采掘模塊的后面安裝了錨式鉆機(jī)，在井筒和巷道掘進(jìn)過程中提供初步支護(hù)。如圖4所示，掘進(jìn)機(jī)頭配有微波輻射裝置，用于破碎煤巖，以及用于機(jī)械切割的刀盤，從而提高了硬巖或硬煤層鉆孔的效率。掘進(jìn)機(jī)頭使用微波輻射來降低位于其前面的煤和巖石的強(qiáng)度，同時(shí)使用刀盤進(jìn)行機(jī)械切割。因此，通過巖層或煤層的挖掘效率顯著提高。支護(hù)模塊的主要功能是對井筒和巷道的圍巖進(jìn)行錨桿支護(hù)。采用全數(shù)字化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，確保井筒和巷道的穩(wěn)定。

2.3 盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能

盾構(gòu)機(jī)依次由采掘、選煤、流態(tài)化反應(yīng)、儲(chǔ)能模塊組成。煤與矸石在分選模塊中由破碎機(jī)和電動(dòng)跳汰機(jī)自動(dòng)破碎分離。經(jīng)刀盤破碎的煤和煤矸石由傳送帶運(yùn)輸?shù)街ёo(hù)模塊后方的流態(tài)化反應(yīng)艙。流態(tài)化反應(yīng)模塊將分離的固體煤轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、液態(tài)或混合氣體/固體/液體能源或通過流態(tài)化反應(yīng)模塊轉(zhuǎn)化成電能，如物理粉碎、化學(xué)轉(zhuǎn)化、生物降解和發(fā)電煤粉爆燃。轉(zhuǎn)化的電能一部分用于盾構(gòu)機(jī)供電，其余部分電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能模塊中，并通過埋設(shè)在巷道中的發(fā)電輸送管道輸送到地面。流態(tài)化開采過程產(chǎn)生的固體廢物，如煤矸石和殘余物，不需送到地面（與傳統(tǒng)采礦不同），而是通過傳送帶輸送到選煤模塊進(jìn)行后續(xù)破碎分選，分選后的煤矸石通過側(cè)管排出，作為骨料儲(chǔ)存在采空區(qū)中進(jìn)行回填。分選后的煤輸送到流態(tài)化反應(yīng)模塊。將分選后的固體煤通過流態(tài)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣、液或氣/固/液混合流態(tài)化能源或電。反應(yīng)后的固體廢物作為骨料排入采空區(qū)進(jìn)行充填。一小部分由流態(tài)化反應(yīng)模塊產(chǎn)生的電能被用于為流態(tài)化開采設(shè)備提供動(dòng)力，而其余部分電能則臨時(shí)存儲(chǔ)在能量存儲(chǔ)模塊中，然后被輸送到地面。這樣降低了運(yùn)輸成本，減輕有毒固體廢棄物對地面環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)對矸石、礦渣等廢棄物的就地安全處理。

3.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套固體煤炭資源流態(tài)化開采的教學(xué)模型，流態(tài)化開采的盾構(gòu)機(jī)類似蚯蚓的結(jié)構(gòu)，可以拆卸和重新組裝，以適應(yīng)巷道掘進(jìn)和煤層開采的不同。盾構(gòu)機(jī)依次由采掘、選煤、流態(tài)化反應(yīng)、儲(chǔ)能模塊組成。本文介紹了該模型的基本結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)了固體煤炭資源流態(tài)化開采全過程的真實(shí)模擬和演示。該模型有助于學(xué)生理解固體煤炭資源流態(tài)化開采全過程及運(yùn)行機(jī)理，有助于培養(yǎng)學(xué)生積極探索的精神和應(yīng)對新問題的能力。

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作者簡介：

陳宇龍（1988年-），男，四川瀘州人，博士，講師，主要研究方向?yàn)閹r石力學(xué)與工程。