范 建，于健浩

(1.北京科技大學，北京 100083；2.天地科技股份有限公司，北京 100013;3.煤炭科學研究總院 開采設計分院，北京 100013;4.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

我國煤礦科學開采技術的新進展

范 建1，2，于健浩2,3,4

(1.北京科技大學，北京 100083；2.天地科技股份有限公司，北京 100013;3.煤炭科學研究總院 開采設計分院，北京 100013;4.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

闡述了我國煤礦實現(xiàn)科學開采的重要性及科學開采的內涵，總結了自身企業(yè)科學開采的技術進展，包括難采煤層安全高效開采技術、巷道安全高效掘進支護成套技術、綠色開采技術等。從煤炭行業(yè)自身出發(fā)，分析了科學開采技術應用存在的問題，得出制約科學開采發(fā)展、阻礙先進技術裝備推廣應用的3個主要因素，即初期投入大，企業(yè)難以承受；行業(yè)規(guī)范缺失，監(jiān)管力度不足；煤炭開采的負外部性。最后有針對性地提出了促進科學開采技術發(fā)展的幾點建議。

科學開采；技術進展；安全高效；制約因素

煤礦開采在我國一次能源的供給中起著舉足輕重的作用，源源不斷的煤炭供應為我國經(jīng)濟發(fā)展提供充足動力。冶金建材等重點煤炭消耗行業(yè)對煤炭的依賴決定了我國能源結構中煤炭所占比例在未來幾十年內仍將處于主導地位。但隨著我國主體產(chǎn)業(yè)的逐步轉型和能源戰(zhàn)略的調整，中國逐漸由高能耗、高污染的經(jīng)濟發(fā)展模式向符合中國特色的低碳環(huán)保型經(jīng)濟模式探索轉變，作為中國最主要的一次能源的生產(chǎn)企業(yè)——煤礦，經(jīng)過十幾年快速增長，產(chǎn)能的過快釋放造成煤炭產(chǎn)量的供過于求，煤炭價格持續(xù)走低，煤炭滯銷，部分煤礦停產(chǎn)整頓甚至倒閉，同時煤礦生產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境保護形勢依然嚴峻，因此在保證生產(chǎn)安全和保護生態(tài)環(huán)境的前提下實現(xiàn)煤炭高效高采出率開采成為關鍵，即實現(xiàn)煤礦的科學開采。

1 科學開采的內涵

上世紀90年代，科學開采概念首次提出，但只針對于礦產(chǎn)資源的綜合開發(fā)和利用，并未對其內涵、理論進行詳細闡述和論證。2008年錢鳴高院士結合我國煤炭行業(yè)的具體情況正式提出了科學開采概念[1-3]，論述了科學采礦的含義及實現(xiàn)科學采礦所需的必要性和前提條件，為我國煤炭行業(yè)的健康發(fā)展指明了道路。謝和平院士、王金華、申寶宏等人就科學開采內涵進行了深入闡述[4]，并對煤礦科學開采的4個重要理念——安全開采、高效開采、綠色開采和經(jīng)濟、社會協(xié)調可持續(xù)開采進行了詳細論述。王家臣教授從科學開采的關鍵技術出發(fā)，解釋了厚煤層開采、煤機制造、充填開采、自動化開采與遠程控制、煤與瓦斯共采、土地復墾與植被再造等技術進步對發(fā)展科學開采的現(xiàn)實意義[5]。王社平、劉建功等人結合自身企業(yè)特點，從安全保障、集約高效、綠色生態(tài)開采等角度，尋求技術突破，探索科學開采實踐[6]。由以上觀點可以看出，煤礦科學開采是在維護生態(tài)環(huán)境、保證資源可持續(xù)開發(fā)利用的前提下，安全高效地回收煤炭資源，要實現(xiàn)這一目標，必須依賴于開采技術的創(chuàng)新與發(fā)展。

2 煤礦開采技術的新進展

隨著煤礦科學開采體系的不斷完善和科學開采技術的創(chuàng)新發(fā)展，越來越多的煤礦基于自身技術特點，探索適合的科學開采之路。作為我國煤炭行業(yè)最為重要的研究機構——天地科技股份有限公司，依托強大的科研實力和現(xiàn)場技術項目，研發(fā)和實踐科學采礦關鍵技術，在難采煤層安全高效開采、巷道安全高效掘進支護成套技術、綠色開采等領域取得突破，獲得大批具有國際領先水平的應用研究成果，為我國煤礦實現(xiàn)科學開采、尋求技術進步奠定了技術基礎。

2.1 難采煤層安全高效開采技術

在常規(guī)煤層安全高效開采技術的基礎上，與煤炭企業(yè)合作，推陳出新，針對難采煤層——薄煤層、特厚煤層、急傾斜煤層賦存特點，研發(fā)了薄煤層自動化綜采成套技術裝備、特厚煤層大采高綜放開采成套裝備與技術、急傾斜薄煤層刨運綜采機組，解決了難采煤層產(chǎn)量低、設備穩(wěn)定性差、安全性差等諸多問題，為難采煤層實現(xiàn)科學開采提供技術裝備支持。

(1)薄煤層安全高效自動化綜采成套技術裝備 我國薄煤層儲量巨大，但由于作業(yè)空間狹小、通風困難、開采技術難度大，長期以來被大量棄采。天地科技股份有限公司與多家煤炭企業(yè)合作，針對薄煤層賦存特點及煤礦技術要求，開發(fā)了基于滾筒式采煤機的薄煤層開采成套技術裝備[7]，對于開采各類薄煤層具有較強的適應性。薄煤層綜采成套裝備主要由薄煤層滾筒采煤機、矮型刮板輸送機和液壓支架組成，如圖1所示。研發(fā)了一系列矮機身薄煤層大功率采煤機及大伸縮比薄煤層液壓支架[8]，并集成研發(fā)了薄煤層工作面成套裝備自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了采煤機、液壓支架、刮板輸送機遠程聯(lián)動控制，保證了工人作業(yè)安全。僅MG100/ 238-WD型采煤機就在棗莊煤業(yè)集團公司、貴州盤江精煤有限公司、攀枝花煤業(yè)(集團)有限公司、山東里彥生建煤礦、內蒙烏海煤焦化、山東淄博礦業(yè)集團公司等多家單位應用并取得了良好效果。

圖1 滾筒式薄煤層綜采機組

(2)特厚煤層大采高綜放開采成套技術及裝備 分別針對特厚煤層整層綜放開采存在割煤高度大、煤壁易片幫、頂煤厚度大、冒放性差、“低瓦斯賦存，高瓦斯涌出”等諸多技術難題，研究了相應的防治技術，包括控制開采速度、提高支架初撐力、提高支架護幫能力的片幫綜合防治技術；一刀一放，多輪間隔順序多口放煤工藝；以頂板高抽巷為主的大采高綜放工作面瓦斯綜合治理技術[9]。同時對相關裝備進行研發(fā)，研制出5.2m大采高綜放液壓支架、大采高綜放液壓支架高效放煤機構、高效高可靠性電牽引采煤機、大采高綜放后部刮板輸送機、刮板輸送機電液控制自動伸縮機尾、大運量長距離工作面巷道帶式輸送機等關鍵裝備[10]，并在同煤塔山煤礦現(xiàn)場應用，達到平均開機率92.1%、煤炭采出率88.9%、平均月產(chǎn)904kt、年產(chǎn)突破千萬噸的驕人成績，實現(xiàn)了千萬噸級綜放工作面技術裝備國產(chǎn)化。

(3)急傾斜薄煤層綜采刨運機組 天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部采礦技術研究所聯(lián)合川煤集團攀枝花煤業(yè)公司，在深入研究急傾斜薄煤層賦存條件及已有技術設備的基礎上，研發(fā)了急傾斜薄煤層綜采刨運機組，如圖2所示。

圖2 急傾斜薄煤層綜采刨運機組

該機組由液壓支架及刨運機組成，刨運機梁上的刨頭在作業(yè)時往返切削煤壁，實現(xiàn)落煤[11]。對原有采煤工藝進行改進，該機組可沿工作面傾向布置，走向推進，由于傾角較大，刨落的煤炭能夠依靠自重或由刨頭帶動運出工作面，省去了輸送機。研發(fā)了電氣與液壓控制系統(tǒng)，在落煤時，無需司機跟機作業(yè)。同時支架配有獨立的防倒、防滑、斜擋拉裝置，可以有效地避免機組下滑[12]。2013年在攀枝花煤業(yè)太平煤礦進行工業(yè)性試驗，應用情況良好，能夠適應煤層傾角70°左右的煤層開采，月產(chǎn)量達到15000t，實現(xiàn)了急傾斜薄煤層安全高效開采，為類似條件礦井實現(xiàn)科學開采提供借鑒。

2.2 巷道安全高效掘進與支護成套技術

隨著煤炭產(chǎn)能的不斷提高，礦井的生產(chǎn)規(guī)模逐步擴大，特大斷面巷道、高地應力巷道、軟巖的支護難題逐漸顯現(xiàn)，這對巷道掘進和支護技術提出了更高要求。天地科技開采裝備技術研究所在深入研究煤巖破碎機理和高效截割理論的基礎上，研制出軌道式錨桿鉆臂大斷面煤巷掘進機、抗沖擊大載荷新型回轉機構，實現(xiàn)了掘進與支護一體化作業(yè)；并針對深部開采工作面端頭礦壓顯現(xiàn)強烈、來壓持續(xù)時間較長的特點，研制出強礦壓沖擊工作面巷道超前支護系統(tǒng)和工作面端頭巷道“O”形支架[13]，解決了工作面端頭及巷道支護難題。

巷道礦壓與支護技術研究所經(jīng)過多年研究探索和工程實踐，開發(fā)出煤礦巷道錨桿支護成套技術體系，采用高預應力、高韌性、強力支護技術[14]解決了極軟巖巷道、深部開采沿空留巷的支護問題；提出煤巖體地質力學快速測試方法，開發(fā)出相關成套儀器，解決了煤礦井下地質力學參數(shù)快速測試難題，為煤礦巷道提供了安全、高效的支護方式。

2.3 綠色開采技術與裝備研發(fā)

多年高強度、低采出率開采使許多礦井煤炭資源幾近枯竭，“三下”壓煤等難采煤層逐漸成為這些礦井的主采煤層，因此，“三下”壓煤開采成為其維持礦井產(chǎn)量、延長礦井服務年限的技術發(fā)展方向。“三下”壓煤開采是綠色開采體系的重要分支，包括保水開采技術、土地與建筑物下充填與條帶開采技術等。隨著新型充填材料的不斷研發(fā)和充填技術的日趨完善，充填開采逐漸成為解決“三下”壓煤開采的關鍵技術。特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理研究所將充填開采作為核心業(yè)務，成功研制出多種充填材料和充填支架設備，提出寬條帶充填全柱開采、風積砂膏體充填保水開采、高水膨脹材料條帶充填開采等綠色開采理念[15-18]，并在多個礦井得到實際應用，為礦區(qū)綜合減沉、“三下”壓煤開采、地表移動與巖層控制等方面做出重要貢獻。

3 科學開采面臨的問題與建議

3.1 制約科學開采技術發(fā)展的因素

采礦技術的進步為煤礦實現(xiàn)科學開采奠定了基礎，安全高效開采技術提高了開采難采煤層的機械化程度，降低了工人勞動強度和安全風險，開采效率也得到大幅提升；巷道安全高效掘進與支護成套技術保證了掘進作業(yè)及巷道安全；綠色開采技術的發(fā)展成為解決地表沉陷、維護礦區(qū)資源環(huán)境協(xié)調發(fā)展、提高礦井資源綜合回收利用的關鍵動力。然而目前在我國，這些技術的推廣應用受到了諸多因素的制約，不能得到很好地應用推廣，概括起來有如下幾點：

(1)初期投入大，企業(yè)難以承受 較高的開發(fā)研制成本及材料成本致使成套技術裝備造價昂貴，技術改造一次性投入資金巨大，絕大部分中小煤礦無力負擔，隨著煤價的持續(xù)走低，許多大中型煤礦利潤下跌甚至虧損，資金問題成為制約技術裝備革新的最大障礙。

(2)行業(yè)規(guī)范缺失，監(jiān)管力度不足，阻礙先進技術有效推廣 我國煤炭行業(yè)現(xiàn)行規(guī)章制度不盡完善，部分規(guī)范過于空泛，管理部門存在監(jiān)管漏洞，致使一些煤礦管理者只關注短期利益，依然堅持粗放式開采，不注重技術更新及設備換代，造成資源浪費和安全隱患的同時也給企業(yè)的長期健康發(fā)展帶來不利。

(3)煤炭開采的負外部性 煤炭資源的開發(fā)利用勢必對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，造成土地、水資源、植被等環(huán)境要素的破壞。如今我國生態(tài)環(huán)境資源恢復補償機制尚不健全，煤礦開采破壞環(huán)境的“違法”成本較低，煤炭企業(yè)只管生產(chǎn)而不愿為生態(tài)環(huán)境破壞買單，導致綠色開采技術無法得到真正意義上的推廣應用；此外，煤炭產(chǎn)品的質量取決于煤炭形成過程中的沉積環(huán)境和變質程度，而非開采技術水平，這也是先進開采技術無法得以大范圍推廣的重要原因。

3.2 促進科學采礦發(fā)展的建議

(1)發(fā)揮政策導向作用，鼓勵煤炭行業(yè)創(chuàng)新技術的研發(fā)與推廣。政府的方針政策是促進行業(yè)進步、明確前進方向的主要動力，應充分發(fā)揮行業(yè)戰(zhàn)略政策的導向作用，鼓勵技術創(chuàng)新和科研成果產(chǎn)業(yè)化，對于困難企業(yè)適當給予資金支持促使技術進步，積極引導煤炭行業(yè)新技術、新裝備的研發(fā)和推廣使用。

(2)提高執(zhí)行監(jiān)管力度，完善煤炭行業(yè)規(guī)范標準。提高煤炭行業(yè)規(guī)范的執(zhí)行力和監(jiān)管水平，完善行業(yè)規(guī)范和標準，同時調動企業(yè)自身主管能動性，擴展其探尋科學采礦技術的思路和渠道，提升先進開采技術及裝備的應用水平。

(3)構建完善的煤炭行業(yè)生態(tài)環(huán)境恢復補償機制。基于煤炭行業(yè)特點，建立健全相關的環(huán)境資源恢復補償機制，分類細化補償范圍、途徑、方式及標準[19]，提高煤炭企業(yè)的“違法”成本，使其更傾向于采用對生態(tài)環(huán)境破壞程度較低的開采模式，降低煤礦開采的負外部性，保護環(huán)境的同時也能夠促進綠色開采技術的應用進步，實現(xiàn)煤炭行業(yè)良性健康發(fā)展。

[1]錢鳴高,許家林. 科學采礦的理念與技術框架[J]. 中國礦業(yè)大學學報(社會科學版)，2011(3)：1-7，23.

[2]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術[J].中國礦業(yè)大學學報，2003，32 (4)：343-347.

[3]錢鳴高. 煤炭科學開采新進展[A]. 中國煤炭工業(yè)協(xié)會.第七次煤炭科學技術大會文集(上冊)[C].北京：中國煤炭工業(yè)協(xié)會，2011.

[4]謝和平，王金華，申寶宏，等. 煤炭開采新理念——科學開采與科學產(chǎn)能[J]. 煤炭學報，2012(7)：1069-1079.

[5]王家臣. 煤炭科學開采的內涵及技術進展[J]. 煤炭與化工，2014(1)：5-9.

[6]王社平，劉建功，趙慶彪. 以技術創(chuàng)新推進煤礦科學開采[A]. 中國煤炭工業(yè)協(xié)會.第七次煤炭科學技術大會文集(上冊)[C].北京：中國煤炭工業(yè)協(xié)會，2011.

[7]王國法.“十二五”煤礦開采裝備技術的發(fā)展展望[J]. 煤礦開采，2011，16(3)：19-24，50.

[8]王國法.煤炭安全高效綠色開采技術與裝備的創(chuàng)新和發(fā)展[J].煤礦開采，2013，18(5)：1-5.

[9]王金華.特厚煤層大采高綜放開采關鍵技術[J]. 煤炭學報，2013(12)：2089-2098.

[10]王金華. 特厚煤層大采高綜放工作面成套裝備關鍵技術[J].煤炭科學技術，2013(9)：1-5，28.

[11]毛德兵，藍 航，徐 剛. 我國薄煤層綜合機械化開采技術現(xiàn)狀及其新進展[J]. 煤礦開采，2011，16(3)：11-14.

[12]天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,攀枝花煤業(yè)有限公司. 適于中小煤礦刨運綜采機組無人開采技術與裝備研發(fā)及示范[R].北京：2013.

[13]王國法，李 前，趙志禮，等. 強礦壓沖擊工作面巷道沖擊傾向性測試與超前支護系統(tǒng)研究[J]. 山東科技大學學報(自然科學版)，2011(4)：1-9.

[14]康紅普，王金華，林 健. 煤礦巷道支護技術的研究與應用[J]. 煤炭學報，2010(11)：1809-1814.

[15]孫萬明，劉鵬亮，崔 鋒，等. 高水材料條帶充填開采地表沉陷主控因素分析[J]. 煤炭科學技術，2013，41(12)：11-14.

[16]崔 鋒，張華興，劉鵬亮，等. 沙漠邊緣煤礦風積砂膏體充填保水開采研究[J]. 煤炭科學技術，2011，39(2)：10-13.

[17]劉樹江，石建新，崔 鋒，等. 高水膨脹材料條帶充填開采研究[J]. 煤礦開采，2012，17(1)：100-102，88.

[18]劉鵬亮. 寬條帶充填全柱開采地表移動變形特征研究[J]. 中國煤炭，2014(2)：9-12.

[19]李麗英. 煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復補償機制[J]. 西安科技大學學報，2008(4)：802-807.

[責任編輯：鄒正立]

NewProgressofScientificMiningTechnologyinChineseCoalMine

FAN Jian1，2,YU Jian-hao2,3,4

(1.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China；2.Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;3.Coal Mining & Designing Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;4.Resources & Safety Engineering School,China University of Mining & Technology (Beijing),Beijing 100083,China)

This paper expounded connotation and importance of scientific mining and concluded technological progress of enterprises,including safety and high-efficiency mining technology of difficult-mining coalseam,safety and high-efficiency driving supporting technologies,green mining technology,etc. From coal industry,the problems in scientific mining technology were analyzed. 3 main factors which constrict scientific mining development and equipment popularization were obtained; they are large initial input which is more than enterprises could bear,scarce industry regulation and lacking governing intensity,and negative externalities of coal mining. Finally,several suggestions of promoting scientific mining technology development were put forward.

scientific mining; technology progress; safety and high-efficiency; constraint

2014-07-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.002

范 建(1965-)，男，山西大同人，高級經(jīng)濟師，北京科技大學在讀博士研究生，天地科技副總經(jīng)理兼董事會秘書。

范 建，于健浩.我國煤礦科學開采技術的新進展[J].煤礦開采，2014，19(5)：4-7.

TD821

A

1006-6225(2014)05-0004-04