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康红普:我国煤炭开采与岩层控制技术发展40年及展望

2019-12-18

  2018年是我国改革开放40周年。40年来,煤炭作为我国的主体能源,为社会经济的快速发展提供了稳定的能源保障。40年来,我国建成年产120万t及以上的大型煤矿1 200 余处,其中,千万吨级煤矿42处,在建和改扩建千万吨级煤矿37 处。原煤产量由1978 年的6.2 亿t 增加至2018 年的36.8   亿t,增加了近5 倍,累计生产煤炭773 亿t。煤矿百万吨死亡率则由1978 年的9.713 降低至2018年的0.093,降低了99% 。大型煤炭基地已具规模,科学产能稳步提升,我国煤炭工业逐步进入了高质量发展轨道。


改革开放40 年我国煤炭产量变化


        煤炭科技创新有力支撑了煤炭工业的快速发展。其中,煤炭开采与岩层控制作为核心,在基础理论、关键技术及工程实践方面均取得重大进展。 煤炭开采技术与装备是实现煤炭安全、高效、高采出率开采的基础。经过40年持续不断的科研攻关与创新实践,我国煤炭工业实现了由人工采煤、炮采、普采、高档普采到综合机械化开采、自动化开采的跨越,并逐步向智能化开采迈进。 


  综采是采煤史上的一次重大技术变革,它将井工煤矿工作面的主要生产环节———采、支、运、供电、检测、通信等有机结合、协同配置,极大地提高了采煤效率与安全。我国1970 年首次进行了综采技术与设备的工业性试验,70年代中后期引进了上百套国外综采设备,并根据我国煤层赋存条件进行了自主研发,使得80年代综采技术在我国煤矿得到推广应用,实现了采煤技术的跨越。针对我国煤炭资源赋存条件,研发出薄及中厚煤层综采技术与成套装备,厚煤层大采高、超大采高综采成套技术与装备,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术与成套装备等,并针对大倾角、急倾斜、破碎围岩等复杂条件进行了开采技术与装备的创新与实践,基本形成了具有我国煤炭资源赋存特色的开采技术与装备体系。


  最近几年,我国煤矿智能化开采技术取得快速发展,开发出以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础,以生产系统智能化控制软件为核心的综采成套装备智能系统,并在多个矿区得到成功应用。2018 年,我国煤矿智能化工作面已达到 145 个。煤炭生产方式正在由粗放向集约高效方向转变。大型煤炭企业采煤机械化程度由 1978 年的 32.3% 提高到 2018 年的 96.1% ;掘进机械化程度由 14.5% 提高到 54.1% ;全国煤矿人均生产效率由 137 t / a 提高到 1 000 t / a,增长了6.3 倍。最高年人均效率超过5万t(神东矿区补连塔煤矿,原煤工效达 167.8 t / 工)。

    

       岩层控制技术是煤炭资源安全、高效开采的保证。岩层控制主要分为两个方面:采场岩层控制和巷道围岩控制。在采场岩层控制方面,经过40 年的攻关,形成了“砌体梁”、“传递岩梁”、“关键层”等国内经典采场矿压理论。之后,针对综放采场的“组合悬臂梁-铰接岩梁”、浅埋采场的“切落体”等条件的顶板运移理论成果又相继出现,提高了对采场覆岩运动及矿压活动的认识。围绕液压支架与围岩相互作用关系,建立了多种力学模型,提出多个估算液压支架工作阻力的公式,指导了液压支架设计与选型。开发出多种采场矿压监测预警系统,能实时监测液压支架工作阻力、顶板下沉量、超前支承压力和煤柱应力等多个参数,为了解采煤工作面矿压显现规律提供了基础。针对坚硬顶板条件,开发出爆破、注水软化、水力压裂等弱化技术;针对破碎顶板和煤层,开发出多种加固材料与技术。这些采场岩层控制理论和技术对我国煤矿采场顶板管理起到重要作用。

      

       在巷道围岩控制方面, 40年来逐步由原来的木支护、砌碹支护、型钢支护发展到锚杆支护。锚杆支护经历了从低强度、高强度到高预应力、高刚度、强力支护的发展历程。目前已形成具有中国特色的锚杆支护成套技术体系,锚杆支护成为我国煤矿巷道的主体支护方式。针对破碎围岩巷道,开发出多种注浆加固技术;针对高应力巷道,发出水力压裂、爆破等卸压技术,提出支护—改性—卸压“三位一体”围岩控制理念,为复杂困难巷道支护提供了有效途径。此外,小煤柱沿空掘巷技术、无煤柱沿空留巷技术在适宜的条件下得到推广应用,在提高煤炭资源采出率、减少掘进工程量、解决高瓦斯矿井通风与瓦斯问题等方面起到良好作用。


        冲击地压灾害防治一直是岩层控制研究的难点和热点。 40年来,针对煤岩体冲击倾向性、冲击地压发生机理、冲击地压监测、预警及防治等,开展了连续不断的攻关研究,基本建立了我国煤矿冲击地压理论与技术体系。研究成果在我国深部、高应力、强采动等冲击地压矿井得到推广应用,对控制冲击地压灾害起到了重要作用。


       地表沉陷控制和生态环境保护是煤炭开采必须面临的问题,我国建(构)筑物、水体及铁路下(简称“三下”)压煤量约140亿t,约95%以上生产矿井存在“三下”压煤,影响了矿井正常生产布置。煤炭开采带来的水资源破坏和生态损害成为煤炭行业的突出问题。开采沉陷理论和特殊采煤技术作为解放“三下”压煤储量、采煤沉陷区治理及生态环境修复的理论基础,经过改革开放40年的持续科研攻关与创新实践,形成了具有中国特色的特殊采煤技术体系,并逐步向安全、绿色和无损害发展。伴随充填减沉开采、控水开采、保水开采等一系列特殊采煤技术的成功应用,矿区生态环境得到了有效改善,为煤炭绿色开采奠定了基础。


       40年来,我国煤炭开采与岩层控制技术取得重大突破,为煤炭工业的发展作出历史性贡献。在这个过程中,众多的科研单位、大专院校、煤炭企业、设备与产品厂家等均参与其中,作出了各自的贡献。康红普院士来自于煤炭科学研究总院开采研究分院(原煤炭科学研究总院北京开采研究所),主持和参与了一些科研攻关项目。《我国煤炭开采与岩层控制技术发展40 a 及展望》基于煤炭科学研究总院开采研究分院取得的科研成果,回顾改革开放40 年来,我国煤炭开采与岩层控制技术的发展历程,介绍综采与综放开采技术与装备、采场与巷道围岩控制、冲击地压防治、特殊开采及矿区生态环境保护理论与技术等方面的成果,并对煤炭开采与岩层控制技术的发展进行展望。


以下为论文结构:

1 煤炭开采技术与装备

1.1 我国煤炭开采技术与装备发展历程

1.2 一次采全高综采技术与装备

1.3 综采放顶煤开采技术与装备

2 岩层控制理论与技术

2.1 采场岩层控制理论与技术

2.2 巷道围岩控制理论与技术

2.3 冲击地压控制理论与技术

3 特殊开采与矿区环境治理

3.1 特殊开采技术发展历程

3.2开采沉陷理论

3.3特殊采煤技术

3.4矿区生态环境治理技术

4 结论与展望


附件:我国煤炭开采与岩层控制技术发展40 a 及展望


  责任编辑:宫在芹
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