創(chuàng)新綠色開采 勇攀科技高峰
——記中國平煤神馬集團(tuán)深部煉焦煤資源安全高效綠色開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

□王滿

張建國在井下指導(dǎo)工作

平頂山礦區(qū)是新中國自行勘探、開發(fā)、建設(shè)的第一個(gè)特大型煤炭基地，煤種齊全，煤質(zhì)優(yōu)良，尤其是煉焦煤品質(zhì)“亞洲第一、世界第二”，在促進(jìn)中原地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。但同時(shí)，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯、水、火、地溫、地壓、頂板等災(zāi)害嚴(yán)重，尤其是瓦斯含量高、突出危險(xiǎn)性大、煤層透氣性低的特征，導(dǎo)致煤礦瓦斯治理難度大。根據(jù)2020年國家煤監(jiān)局統(tǒng)計(jì)，全國采深超過千米災(zāi)害嚴(yán)重的煤礦共有39處，河南有5處，且全部屬于平頂山礦區(qū)。隨著采深的增加，淺部災(zāi)害防治技術(shù)已遠(yuǎn)不能適應(yīng)安全生產(chǎn)需要，成為制約深部煤炭資源安全高效開采的瓶頸。為解決這些關(guān)鍵性難題，在團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張建國的帶領(lǐng)下，依托中國平煤神馬控股集團(tuán)有限公司（原中國平煤神馬能源化工有限責(zé)任公司），于2010年10月成立了中國平煤神馬集團(tuán)深部煉焦煤資源安全高效綠色開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。目前，有團(tuán)隊(duì)成員66人，其中教授級高級工程師19人，高級工程師35人，博士17人。

10余年的科技創(chuàng)新與工程實(shí)踐，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在瓦斯治理、災(zāi)害防治、安全開采等方面取得了諸多的成果，首創(chuàng)了煤層卸壓均衡增透理論，研發(fā)了樹狀鉆孔精準(zhǔn)抽采技術(shù)，解決了煤礦瓦斯抽采空白帶、應(yīng)力孤島問題，填補(bǔ)了國內(nèi)外空白。創(chuàng)建了瓦斯預(yù)測、分級方法，在瓦斯防治技術(shù)裝備方面取得重大突破。首次提出集瓦斯抽采-發(fā)電-集中制冷-熱害治理于一體的開發(fā)新模式，實(shí)現(xiàn)抽采瓦斯近零排放。有力推動了平煤神馬集團(tuán)開采67年的煤礦長年保持盈利。

堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動 杜絕瓦斯爆炸事故

團(tuán)隊(duì)建設(shè)過程中注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)。為破解深部礦井復(fù)合動力災(zāi)害治理技術(shù)難題，團(tuán)隊(duì)成員始終奮戰(zhàn)在煤礦災(zāi)害治理第一線，在開展松軟低透氣性煤層瓦斯抽采增效理論、深部采動破斷煤巖體中瓦斯運(yùn)移與富集機(jī)理及規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，深入開展高瓦斯突出煤層“鉆-沖-割”耦合卸壓及瓦斯高效抽采技術(shù)、深部礦井自進(jìn)式水力噴射鉆孔煤層增透成套裝備與技術(shù)、極薄煤層保護(hù)層綠色開采、二氧化碳相變致裂強(qiáng)化預(yù)抽、“一面多巷”等多項(xiàng)瓦斯治理新技術(shù)與裝備研究，形成深部突出礦井大采高工作面瓦斯綜合治理及循環(huán)利用技術(shù)體系及工程示范。連續(xù)攻克多項(xiàng)瓦斯治理技術(shù)難題，使我國的瓦斯防治水平實(shí)現(xiàn)了革命性突破，其完成的重大科技項(xiàng)目，獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)28項(xiàng)(其中一等獎(jiǎng)15項(xiàng))、取得專利26項(xiàng)，研發(fā)的數(shù)十項(xiàng)瓦斯治理技術(shù)與裝備，在全國40多座礦井推廣應(yīng)用，累計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益35億元以上，使歷史上曾經(jīng)瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重的平頂山礦區(qū)連續(xù)27年杜絕瓦斯爆炸事故。

創(chuàng)新平臺建設(shè)理念強(qiáng)化智能礦井建設(shè)

團(tuán)隊(duì)注重加強(qiáng)科技創(chuàng)新平臺建設(shè)。以創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)為依托，著手組建了平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，開創(chuàng)了全國煤炭企業(yè)和河南省企業(yè)的先河，也標(biāo)志著平煤神馬集團(tuán)在自主創(chuàng)新方面邁出了重大步伐。團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合，注重借智生力，力促平頂山市政府、平煤神馬集團(tuán)和上海交大聯(lián)合成立上海聯(lián)合研發(fā)中心，使得成果研發(fā)和轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)無縫對接。截至目前，建立1個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、3個(gè)國家級企業(yè)技術(shù)中心，2個(gè)國家級博士后科研工作站、37個(gè)省部級創(chuàng)新平臺。并與浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、中科院等20余家高等院校、科研院所簽訂了科技戰(zhàn)略合作協(xié)議，為企業(yè)推進(jìn)科技成果研究與轉(zhuǎn)化提供了強(qiáng)大的平臺支撐。

團(tuán)隊(duì)注重煤礦智能化建設(shè)，帶領(lǐng)工程技術(shù)人員率先在條件復(fù)雜、災(zāi)害嚴(yán)重的平煤神馬十礦建成全省首個(gè)千米突出深井智能化綜采工作面，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作、一鍵啟停、慣性導(dǎo)航、可視可控，采面單產(chǎn)提升60%以上，人員減少2/3，并創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)“國內(nèi)第一套純國產(chǎn)智能化裝備、國內(nèi)第一套成功使用慣導(dǎo)系統(tǒng)、國內(nèi)調(diào)試用時(shí)最短”三項(xiàng)紀(jì)錄，標(biāo)志著河南省煤礦開采進(jìn)入無人少人的智能化時(shí)代。

深入一線深耕細(xì)作多項(xiàng)技術(shù)國內(nèi)首創(chuàng)

張建國（左）在指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究

團(tuán)隊(duì)以平頂山礦區(qū)為依托，圍繞礦井深部瓦斯治理、災(zāi)害防治、安全開采開展研究，取得了一批創(chuàng)新性研究成果，并將研究成果在全國進(jìn)行推廣，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，使團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)能力得到行業(yè)專家的認(rèn)可，在行業(yè)具有較大的影響力和學(xué)術(shù)地位。

國際交流合作

在團(tuán)隊(duì)成立早期，為解決平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出嚴(yán)重、預(yù)測準(zhǔn)確性差的難題，團(tuán)隊(duì)開展瓦斯突出預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，建立了多因素耦合瓦斯突出致災(zāi)機(jī)理模型，首次將突出煤層按五級劃分，實(shí)行分級管控，并開發(fā)了突出預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，使煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測準(zhǔn)確率由不到60%提高到80%以上。通過在平頂山礦區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，使原來煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重的平頂山礦區(qū)連續(xù)27年杜絕了瓦斯爆炸事故。目前，該技術(shù)已在全國80%高瓦斯礦區(qū)推廣應(yīng)用，有效減少了瓦斯事故發(fā)生，形成了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在項(xiàng)目鑒定中，專家組認(rèn)為：該成果在瓦斯災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)測方面達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。其中，瓦斯分級標(biāo)準(zhǔn)寫入國家《煤礦安全規(guī)程》《礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)》，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。同時(shí)，圍繞該技術(shù)開展的礦井瓦斯綜合治理示范工程配套技術(shù)研究、煤與瓦斯突出礦井深部動力災(zāi)害一體化預(yù)測與防治關(guān)鍵技術(shù)研究先后均獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

對煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采是減少突出事故發(fā)生的根本，但平頂山礦區(qū)特殊的煤層特征，導(dǎo)致滲透性極差，必須通過儲層增透才能從根本上提高瓦斯抽采效率。為此，團(tuán)隊(duì)圍繞儲層增透開展深入研究，首次描述了瓦斯吸附與解吸對煤體變形與滲透的作用機(jī)理，率先研究了應(yīng)力集中對鉆孔增透范圍的影響規(guī)律，首創(chuàng)“鉆孔+射流割縫+致裂”網(wǎng)格化定向造縫增透技術(shù)及成套設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了煤層均衡卸壓增透，解決了煤礦瓦斯抽采空白帶、應(yīng)力孤島問題，填補(bǔ)了國內(nèi)外空白。使瓦斯治理周期由24個(gè)月縮短至8個(gè)月，抽采范圍擴(kuò)大8~10倍，治理成本降低50元/噸，僅平頂山礦區(qū)每年解放深部優(yōu)質(zhì)煤炭資源3000萬噸，產(chǎn)值200億元。該技術(shù)已在全國高瓦斯礦井推廣應(yīng)用，取得較好的卸壓增透效果。在該項(xiàng)目評審會上，專家組評價(jià)：該技術(shù)破解了多項(xiàng)瓦斯治理難題，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯低透煤層高效治理，成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張建國受邀在中國工程科技論壇做特邀報(bào)告。圍繞該技術(shù)取得的研究成果先后獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)8項(xiàng)。

通過煤層卸壓增透，實(shí)現(xiàn)了瓦斯的高效抽采，但是由于抽采濃度低、流量不穩(wěn)定，瓦斯利用量僅有1/5，不僅造成資源巨大浪費(fèi)，而且加重了溫室效應(yīng)。為此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了瓦斯富集區(qū)域識別和高、中、低“三位一體”立體布孔方法，解決了瓦斯抽采濃度低、不穩(wěn)定的難題，并構(gòu)建瓦斯“抽采-發(fā)電-制冷”一體化綠色開發(fā)新模式。使瓦斯抽采濃度由不到5%提高到50%以上，實(shí)現(xiàn)了“瓦斯災(zāi)害治理”到“瓦斯資源化利用”的轉(zhuǎn)變。通過該技術(shù)使平頂山礦區(qū)瓦斯抽采量由2000年的3000萬立方米提高到目前的1.7億立方米，該成果已在全國90%以上的高瓦斯礦井推廣應(yīng)用，每年創(chuàng)收60億元，減排溫室氣體相當(dāng)于2.4億噸二氧化碳，具有極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在項(xiàng)目鑒定會上，專家組鑒定：該成果支撐了深部煤炭資源的綠色協(xié)同高效開采，成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。圍繞該技術(shù)取得的研究成果獲得中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，河南省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。同時(shí)，該技術(shù)被各大媒體廣泛報(bào)道，比如新華社報(bào)道的《平煤神馬集團(tuán)變‘黑’為‘綠’的轉(zhuǎn)型之路》、《河南日報(bào)》刊登的《中國平煤神馬集團(tuán)積極探尋‘智慧+綠色’發(fā)展新模式》等。

團(tuán)隊(duì)圍繞瓦斯治理取得了一系列原創(chuàng)性成果，有效解決了瓦斯治理過程存在的部分瓶頸問題，推動了瓦斯治理技術(shù)進(jìn)步與科學(xué)發(fā)展，提高了我國瓦斯治理技術(shù)與設(shè)備的自主創(chuàng)新能力，對推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步具有重要意義。

煤炭是我國的主要能源，在一次能源消耗中占主體地位，并且在未來很長一段時(shí)間內(nèi)煤炭都將是我國能源消耗的主體。但是，我國煤礦每年仍有大量瓦斯直接排放到大氣中，因此在國家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略下，解決瓦斯排放利用問題是煤炭企業(yè)發(fā)展必須邁過的重大關(guān)口。

中國平煤神馬集團(tuán)深部煉焦煤資源安全高效綠色開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將不忘初心牢記使命，砥礪奮進(jìn)再攀高峰。

研究礦區(qū)整體規(guī)劃