劉 峰曹文君張建明曹光明郭林峰

(1.中國煤炭工業(yè)協(xié)會,北京 100013;2.中國煤炭學(xué)會,北京 100013)

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料,長期以來為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家能源安全穩(wěn)定供應(yīng)提供了有力保障?！笆濉币詠?在國家推動供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革政策措施指導(dǎo)下,經(jīng)過5 a 的不懈努力,過剩產(chǎn)能得到了有效化解,煤炭生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,市場供需實(shí)現(xiàn)了基本平衡,行業(yè)效益回升,轉(zhuǎn)型升級取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展,煤炭行業(yè)改革發(fā)展邁上新臺階。

作為煤炭工業(yè)健康有序發(fā)展的核心動力,煤炭行業(yè)自主創(chuàng)新能力得到了大幅提升,建立起以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新的科技創(chuàng)新體系,初步形成功能互補(bǔ)、導(dǎo)向明確的行業(yè)研發(fā)平臺和創(chuàng)新基地合理布局,煤炭科技實(shí)現(xiàn)了從跟蹤、模仿到部分領(lǐng)域并跑、領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變,取得了突出的成就。其中,在大型礦井建設(shè)、地質(zhì)精細(xì)化勘探、特厚煤層綜放開采、燃煤超低排放發(fā)電、高效煤粉型和水煤漿漿體化工業(yè)鍋爐、現(xiàn)代煤化工等領(lǐng)域的共性關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平;煤機(jī)裝備實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,裝備制造水平位于世界先列,引領(lǐng)了國際煤炭智能化開采發(fā)展方向;超大采高智能開采關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備研發(fā)應(yīng)用,煤制油品/烯烴大型現(xiàn)代煤化工成套技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用,煤間接液化成套技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化等大型示范工程項(xiàng)目實(shí)施取得成功,為行業(yè)平穩(wěn)運(yùn)行,提高發(fā)展質(zhì)量和效益,推動現(xiàn)代化煤炭經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

因此,總結(jié)“十三五”期間煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新成果,回顧各領(lǐng)域取得的進(jìn)展,分析煤炭科技面臨的共性問題,確定“十四五”科技創(chuàng)新發(fā)展目標(biāo),厘清煤炭科技發(fā)展所面臨的制約因素,部署科技創(chuàng)新重點(diǎn)任務(wù),對于引導(dǎo)煤炭行業(yè)深化改革創(chuàng)新及供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,推動新時期煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 “十三五”煤炭工業(yè)科技創(chuàng)新進(jìn)展

1.1 煤炭地質(zhì)勘探

“十三五”以來,煤炭地質(zhì)勘查理論體系不斷完善,形成了具有中國特色的煤炭地質(zhì)學(xué)新理論與綜合勘查技術(shù)體系、礦井復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造與災(zāi)害源探測體系、礦井災(zāi)害源超深探測地質(zhì)雷達(dá)裝備及技術(shù)方法、采煤工作面涌水量多階動力學(xué)動態(tài)預(yù)測技術(shù)等代表性理論與技術(shù)成果。

(1)資源勘查方面。發(fā)展出適合中國煤炭資源分布特點(diǎn)的煤炭資源綜合勘查技術(shù)體系,將“煤田地質(zhì)勘探”發(fā)展為以煤為主、包含煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣以及高嶺土、鋁土礦、“三稀(稀有、稀土、稀散金屬)”等多能源礦產(chǎn)協(xié)同勘查,并涵蓋煤炭勘查、礦井建設(shè)、安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等內(nèi)容的“煤炭資源綜合勘查”。

(2)地質(zhì)構(gòu)造探測方面。建立了礦井復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造與災(zāi)害源探測體系,“地震主導(dǎo)、多手段聯(lián)合、采前采中配合”礦井地質(zhì)保障技術(shù)的成熟應(yīng)用,可查明1 000 m 深度以內(nèi)落差3～5 m 以上的斷層和直徑20 m 以上的陷落柱。國產(chǎn)井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備取得重要進(jìn)展,創(chuàng)造了井下深孔定向鉆進(jìn)3 353 m 的新記錄。開發(fā)了礦井災(zāi)害源超深探測地質(zhì)雷達(dá)裝備及技術(shù)方法[1],首次實(shí)現(xiàn)了80 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和災(zāi)害源的精細(xì)探測,探測距離提高1.6 倍以上,地質(zhì)構(gòu)造驗(yàn)證率平均達(dá)75%;開發(fā)礦井低頻地質(zhì)雷達(dá)探測系統(tǒng)及CT 透視反演軟件,實(shí)現(xiàn)了透射法300 m 跨度工作面的地質(zhì)構(gòu)造和災(zāi)害源的精細(xì)探測,探測精度提高30%以上[2]。

(3)在礦井水害預(yù)測方面。開發(fā)出基于工作面涌水量采前快速預(yù)測與采中動態(tài)校正方法的涌水量動態(tài)預(yù)測軟件,實(shí)現(xiàn)了工作面推采過程采空區(qū)峰值涌水量、動態(tài)穩(wěn)定涌水量及發(fā)生位置的精細(xì)預(yù)測,將應(yīng)用礦井工作面涌水量預(yù)測精度從70%以下提高到85%以上,完善了礦井涌水量預(yù)測技術(shù)體系[3]。

1.2 礦井建設(shè)

“十三五”以來,礦井建設(shè)理論體系不斷完善,立(斜)井鑿井、快速高效掘進(jìn)、巷道支護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)取得歷史性突破,形成了以凍結(jié)、鉆井、注漿為主的建井理論與技術(shù)體系,研制出超大直徑深立井建井技術(shù)和大型成套裝備。

(1)立(斜)井鑿井建設(shè)方面。攻克了深厚巖層中新型單層凍結(jié)井壁技術(shù)、深部凍土成套實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)和凍結(jié)孔固管充填緩凝水泥漿液及施工技術(shù),使得深立井建設(shè)最大主井井筒凈直徑達(dá)到9.6 m[4];建立了復(fù)雜地層深長斜井凍結(jié)壁三維動態(tài)模型和凍結(jié)壁設(shè)計計算體系,研發(fā)了深厚含水砂層深長斜井凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)、施工工藝技術(shù)及裝備,解決了深長斜井凍結(jié)調(diào)控難題和“凍掘”矛盾[5];形成了盾構(gòu)施工煤礦斜井的成套裝備與技術(shù)體系,解決了煤礦長距離斜井深埋超長、連續(xù)下坡、富水高壓、地層多變等重大技術(shù)難題[6];變革了豎井和斜井施工方法,攻克了深井、大直徑、堅硬巖石和復(fù)雜地層反井鉆井的破巖、排渣、偏斜和井幫穩(wěn)定性控制等難題,并研發(fā)了大直徑反井鉆井成套技術(shù)與裝備[7-8]。

(2)巷道掘進(jìn)方面。研發(fā)了井巷掘進(jìn)爆破新技術(shù)和液壓鑿巖控制的鉆裝錨一體機(jī),解決了鉆爆施工中存在的“周邊成型差、炮孔利用率低、圍巖損傷嚴(yán)重”等難題[9];引入成熟的山嶺隧道、城市地鐵全斷面掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)和裝備,降低了勞動強(qiáng)度、提高了煤礦深井巖巷掘進(jìn)效率;研發(fā)了煤礦深井巷道全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī),實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)、排矸、輔助運(yùn)輸同步作業(yè);研發(fā)了國內(nèi)首臺煤礦大直徑、大埋深、長距離煤礦巖巷全斷面盾構(gòu)機(jī)(新礦1 號);應(yīng)用了掘、支、運(yùn)一體化快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備的應(yīng)用;形成了掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)和柔性連續(xù)系統(tǒng)為主體的智能快速掘進(jìn)成套裝備,突破了掘支運(yùn)一體化快速掘進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高效掘進(jìn);并研發(fā)了首套集智能截割、自動運(yùn)網(wǎng)、自動鉆錨等技術(shù)為一體的智能快速掘進(jìn)系統(tǒng),有效提高了掘進(jìn)水平和支護(hù)質(zhì)量。

(3)巷道支護(hù)方面。創(chuàng)建了首臺用于測試井下錨桿支護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜受力狀態(tài)的綜合試驗(yàn)平臺,攻克了高強(qiáng)度錨桿受沖擊載荷作用易破斷難題,形成了煤礦巷道抗沖擊預(yù)應(yīng)力支護(hù)成套技術(shù)體系[10];提出了沖擊地壓巷道防沖吸能支護(hù)理論及技術(shù)體系,發(fā)明了系列巷道防沖吸能支護(hù)裝備,有效降低了沖擊地壓巷道破壞程度[11];研發(fā)了具有NPR 結(jié)構(gòu)的新型恒阻大變形錨桿/索,并成功應(yīng)用于巷道大變形控制與預(yù)測[12];研發(fā)了錨架充協(xié)同控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了千米深井軟巖大巷圍巖大變形的有效控制。

1.3 煤及共伴生資源開采

“十三五”以來,煤及共伴生資源綠色開采理論與技術(shù)創(chuàng)新百花齊放,形成了厚及特厚煤層開采、煤炭資源綠色開采、煤與瓦斯共采、煤與油型氣共采等代表性理論與技術(shù)成果。

(1)厚及特厚煤層開采方面。開發(fā)了7.0 m 特厚硬煤層超大采高智能化綜放開采成套技術(shù)與裝備,研發(fā)了8.2 m 一次采全高綜采工藝及裝備技術(shù),形成了千萬噸級綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)建了特厚煤層開采堅硬頂板大空間采場堅硬巖層控制理論,研發(fā)了基于地面壓裂技術(shù)與井下預(yù)裂的遠(yuǎn)近場協(xié)同控制技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)了特厚煤層安全開采理念、技術(shù)和裝備的重大突破[13-15]。在急傾斜煤層開采方面,揭示了急傾斜特厚煤層綜放開采覆層形成和頂煤結(jié)構(gòu)畸變致災(zāi)機(jī)制,創(chuàng)建了急傾斜厚煤層綜放開采頂煤放出理論(BBR 理論),研發(fā)了急傾斜厚煤層綜放開采的專用支架與采場圍巖控制技術(shù)[16]。

(2)煤炭資源綠色開采方面。提出了西部淺埋地層隔水巖組隔水性判據(jù)和保水開采分類方法,開發(fā)了柔性條帶充填保水開采技術(shù),建立了保水采煤技術(shù)體系,有效指導(dǎo)了生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源開采和生態(tài)環(huán)境[18];發(fā)現(xiàn)了遺煤開采的擾動面接觸塊體梁巖體結(jié)構(gòu),提出了遺留煤柱群鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的關(guān)鍵柱理論,研發(fā)了遺煤開采可行性定量判定方法,研發(fā)了遺煤開采巖層控制的關(guān)鍵技術(shù),指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)遺煤高效回收[19-20];提出了“切頂短臂梁”理論,研發(fā)了無煤柱自成巷110工法和N00 工法,實(shí)現(xiàn)了采(盤)區(qū)內(nèi)無煤柱和無巷道掘進(jìn),形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的采煤工藝和裝備系統(tǒng)[21];發(fā)明了柔模支護(hù)無煤柱開采技術(shù)及其配套裝備,開發(fā)了柔模支護(hù)充填開采技術(shù)和柔模充填支架,提出了錨桿與柔模混凝土碹相結(jié)合的巷道支護(hù)方法;提出了煤炭資源“采選充+X”綠色化開采技術(shù)構(gòu)想,形成了煤炭“采選充+X”(控、留、抽、防、保)協(xié)同生產(chǎn)模式[22-23]。除此之外,還開發(fā)了露天礦區(qū)綠色開發(fā)的系列關(guān)鍵技術(shù)[24]。

(3)煤與瓦斯共采方面。開發(fā)了碎軟低滲煤層頂板巖層水平井分段壓裂成套開發(fā)技術(shù)工藝[25],研發(fā)了煤礦用履帶式鉆進(jìn)高壓旋轉(zhuǎn)水射流破煤鉆擴(kuò)造穴一體化技術(shù),提出了高壓水壓裂-沖孔聯(lián)作的煤巖縫網(wǎng)改造技術(shù)[26],發(fā)明了脈動水力壓裂裂縫導(dǎo)向控制高效致裂增透技術(shù)[27-28],創(chuàng)建了以全孔段均衡作業(yè)為核心技術(shù)思想的可控沖擊波煤層增透技術(shù)[29],研發(fā)了水平井與千米鉆孔對接抽采、大孔徑裂隙帶定向長鉆孔抽采、厚煤層沿空留巷及留巷鉆孔抽采、雙向立體交錯抽采、大直徑水平鉆孔橋接抽采、雙管柱篩管完井與洗井增產(chǎn)、采動卸壓瓦斯分域聯(lián)動導(dǎo)流抽采、軟巖保護(hù)層卸壓抽采等瓦斯增產(chǎn)技術(shù)等,完善了煤層氣高效抽采數(shù)字系統(tǒng)[25-31];除此之外,還發(fā)明了煤層氣高效開發(fā)無線隨鉆測量鉆進(jìn)技術(shù),研制了具有多邏輯保護(hù)回路與鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測功能的超長定向孔鉆進(jìn)裝備,研制了?89 mm 高強(qiáng)度大通孔無纜定向鉆桿、磁吸牙片限位反轉(zhuǎn)式鉆頭和內(nèi)附導(dǎo)向襯管式鉆桿,研發(fā)了煤礦井下3 000 m 超長距離傳輸?shù)哪酀{脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng),發(fā)明了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井導(dǎo)向鉆井隨鉆測控技術(shù)[1]。

(4)煤與油型氣共采方面。建立了油型氣(瓦斯)勘查技術(shù),創(chuàng)新了油型氣(瓦斯)“預(yù)-探-抽”一體化精準(zhǔn)防治技術(shù),研究了油型氣爆炸與巷道擴(kuò)散規(guī)律,研制了煤礦油型氣檢測裝置;發(fā)明了油型氣不均勻涌出工作面連續(xù)高效開采方法,研發(fā)了超前預(yù)測多機(jī)聯(lián)動智能控制系統(tǒng),首創(chuàng)了煤與油型氣共生礦區(qū)安全智能開采技術(shù)體系;研發(fā)了煤與油型氣共生礦井安全保障及智能開采配套技術(shù)與裝備,制定了安全智能開采技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)體系[32]。

1.4 礦井災(zāi)害防治

“十三五”以來,礦井災(zāi)害防治理論體系不斷完善,沖擊地壓防治、瓦斯災(zāi)害防控、礦井水害防治、煤層自燃與火災(zāi)防治、復(fù)合動力災(zāi)害防控等關(guān)鍵技術(shù)取得歷史性突破,形成了以災(zāi)害預(yù)測和防控為核心的理論與技術(shù)體系。

(1)沖擊地壓防治方面。建立了集中靜載荷疏導(dǎo)的區(qū)域防范沖擊地壓的理論與技術(shù)體系,開發(fā)了以誘發(fā)沖擊啟動的載荷源為中心,分源監(jiān)測、分源防治的局部沖擊地壓防治技術(shù)[33];研發(fā)了沖擊地壓危險動靜載區(qū)域探測技術(shù)與裝備,研發(fā)了沖擊地壓危險多尺度多元融合預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與方法[34];構(gòu)建了以“分類分治”為核心的深部煤層沖擊地壓防治“七模塊”技術(shù)體系[35];提出了沖擊地壓巷道防沖吸能支護(hù)理論及技術(shù)體系,發(fā)明了系列巷道防沖吸能支護(hù)裝備,發(fā)明了沖擊地壓能量釋放與吸收監(jiān)測裝備[11]。

(2)瓦斯災(zāi)害防治方面。論證了瓦斯含量法指標(biāo)預(yù)測煤與瓦斯突出的科學(xué)性,發(fā)展了基于瓦斯含量法預(yù)測煤與瓦斯突出的瓦斯含量臨界值[36];在煤與瓦斯突出防控方面,確定了礦井煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理,發(fā)明了全過程監(jiān)測、多元信息融合的突出預(yù)警方法[37];創(chuàng)建了多尺度強(qiáng)湍流瓦斯爆炸動態(tài)傳播和湍流-火焰-超壓多場耦合理論,形成了礦井瓦斯封閉抑爆與隔爆協(xié)同防控技術(shù)體系[38]。

(3)礦井水害防治方面。制訂和實(shí)施了有效的底板寒武灰?guī)r水害防治措施和地?zé)崴梅桨竅39],創(chuàng)建了“直孔水平三分支互嵌”和“直孔垂向兩分層重疊”的射流孔含水層改造技術(shù)[40],提出了砂-土-基巖水害、高承壓基巖水害、白堊系巨厚砂層離層水害和地表水-薄基巖水害4 種頂板水害模式,制定了不同模式下水害防治技術(shù),構(gòu)建了“系統(tǒng)解析→動態(tài)預(yù)測→分區(qū)防控→控制疏放”的礦井頂板水害綜合防控體系,并開發(fā)了燒變巖帷幕墻注漿保水技術(shù)[3,41-42]。

(4)煤層自燃與火災(zāi)防治方面。研發(fā)了基于熱-磁-電位復(fù)合異常響應(yīng)的火區(qū)范圍初探技術(shù)與附帶導(dǎo)溫桿的紅外熱像測溫反演高溫點(diǎn)精探相結(jié)合的火源探測成套技術(shù),提出了煤自燃階段躍遷理論及其預(yù)警決策體系,研發(fā)了適用于容易自燃復(fù)雜采空區(qū)下開采的風(fēng)壓自動調(diào)節(jié)技術(shù),提出了CO 氣體分源治理方法;發(fā)明了多種等高效抑制煤層發(fā)火的材料,研發(fā)了非間隔連續(xù)拖管注氮防火裝備與防滅火工藝;在此基礎(chǔ)上,集成創(chuàng)新形成了堵漏控風(fēng)、覆蓋隔氧、阻化降溫的井上下聯(lián)動防滅火技術(shù)體系[43-44]。

(5)復(fù)合動力災(zāi)害防控方面。應(yīng)用蝶形破壞理論解釋了巷道冒頂、底臌、非對稱大變形、沖擊地壓、煤與瓦斯突出以及地震等動力災(zāi)害形成的機(jī)理[45];研發(fā)了雙系煤層開采水氣下泄災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和安全開采技術(shù)體系[46];界定了控制復(fù)合煤巖動力災(zāi)害的“主控地質(zhì)體”概念,研發(fā)了基于聲發(fā)射和微震技術(shù)的復(fù)合煤巖動力災(zāi)害微震預(yù)警新方法[47];研發(fā)了深部區(qū)采場礦壓控制技術(shù)系統(tǒng)、巷道支護(hù)輔助決策支持系統(tǒng)、采場礦壓預(yù)警系統(tǒng)、采空區(qū)煤自燃災(zāi)害預(yù)測系統(tǒng)、綜采工作面綜合防塵系統(tǒng)等5 大系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多災(zāi)害數(shù)據(jù)開發(fā)與管理、海量數(shù)據(jù)壓縮保真及多災(zāi)害智能預(yù)測與防控[48]。

除此之外,我國學(xué)者還走出國門服務(wù)孟加拉國煤炭資源安全開采,構(gòu)建了特厚煤層多災(zāi)源安全開采模式,形成了極強(qiáng)含水層下特厚煤層開采頂板水害“上保下疏”、沖擊地壓“動靜轉(zhuǎn)移”、自燃火災(zāi)“時空適配”的綜合防控技術(shù)體系,形成了中國-孟加拉國煤電聯(lián)營模式,為推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)做出重大貢獻(xiàn)[49]。

1.5 煤機(jī)裝備與智能化

“十三五”以來,煤炭行業(yè)綜采裝備、巷道掘進(jìn)裝備、主要運(yùn)輸裝備和輔助運(yùn)輸裝備等實(shí)現(xiàn)了重大革新,保障了煤炭資源的安全高效開采。

(1)綜采裝備研發(fā)方面。研制出能夠適應(yīng)于7.2 m 厚煤層開采的MG1000/2540-GWD 型采煤機(jī),研發(fā)了基于30CrNiMo 的中碳合金鋼高強(qiáng)度厚煤層搖臂,形成了高承載能力行走系統(tǒng),開發(fā)了工況自適應(yīng)智能截割技術(shù)[50];研發(fā)了8.8 m 大采高智能化液壓支架、22 000 kN 四柱支撐掩護(hù)式強(qiáng)力放頂煤液壓支架、20 000 kN 急傾斜強(qiáng)力液壓支架、純水液壓支架和巷道防沖液壓支架[14,51-52];制造了高性能3×1 600 kW 系列智能型刮板輸送機(jī),研發(fā)出直角轉(zhuǎn)彎大功率重型刮板輸送機(jī),形成了主要部件整體鑄造重型刮板輸送機(jī)制造技術(shù)[53-55]。在此基礎(chǔ)上,研發(fā)了適應(yīng)0.65～10.00 m 煤層高智能綜采成套技術(shù)裝備[56]。同時,在煤礦綜采成套裝備再制造的設(shè)計方法、新型激光器研制、激光熔覆用合金粉末研發(fā)、采煤機(jī)械設(shè)備典型零部件綠色清洗與再制造成形加工關(guān)鍵技術(shù)等方面也取得了突破。

(2)巷道掘進(jìn)裝備研發(fā)方面。制造了大功率全斷面自動截割成形遠(yuǎn)控掘進(jìn)機(jī),發(fā)明了掘、支、運(yùn)三位一體巷道掘進(jìn)方法,開發(fā)了智能快速掘進(jìn)成套裝備,形成了掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸一體化智能快速掘進(jìn)生產(chǎn)線[9]。

(3)主要運(yùn)輸裝備研發(fā)方面。研制了6 000 m 超長運(yùn)距低阻智能機(jī)頭集中驅(qū)動礦用帶式輸送機(jī),發(fā)明了長距離大運(yùn)力帶式輸送系統(tǒng)永磁電機(jī)直驅(qū)、分布式張力調(diào)節(jié)、空間轉(zhuǎn)彎等本體關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)了長距離大運(yùn)力帶式輸送系統(tǒng)控制與監(jiān)測技術(shù),發(fā)明了長距離大運(yùn)力帶式輸送系統(tǒng)安全保障技術(shù)[57-58];研發(fā)了“礦山超大功率提升機(jī)全系列變頻智能控制技術(shù)與裝備”,攻克了重載平穩(wěn)起動、寬范圍精確調(diào)速、高精度定位、整流器無網(wǎng)側(cè)電動勢傳感器電網(wǎng)優(yōu)化接入、低開關(guān)頻率整流器柔性啟動、超大功率三電平高功率密度變頻調(diào)速等核心技術(shù),建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的二維遠(yuǎn)程故障預(yù)測診斷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大型提升機(jī)的智能化控制、無人化運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控[59-60]。

(4)輔助運(yùn)輸裝備研發(fā)方面。發(fā)明了隔爆型永磁交流變頻同步電機(jī)系統(tǒng)和隔爆型鋰離子蓄電池電源,設(shè)計了整車智能主動安全防護(hù)體系,發(fā)明了礦用防爆車輛整車控制系統(tǒng),形成了礦用防爆鋰電池?zé)o軌膠輪車系列產(chǎn)品;開發(fā)一種新型摩擦輪與齒輪混合驅(qū)動電噴柴油單軌吊,首創(chuàng)性研發(fā)出礦用大功率防爆蓄電池、柴油機(jī)混合驅(qū)動單軌吊,全方位滿足煤礦輔助運(yùn)輸需求;研發(fā)了無人駕駛礦用自卸卡車,實(shí)現(xiàn)了裝運(yùn)排一體化運(yùn)行作業(yè)。還研發(fā)了基于機(jī)器視覺的煤礦運(yùn)輸節(jié)能與安全智能控制關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了危險區(qū)域的人員監(jiān)測、膠帶防縱撕和振動篩流量異常監(jiān)測功能[61-62]。除此之外,研發(fā)了千萬噸級綜采工作面智能高壓型大流量乳化液泵站系統(tǒng),發(fā)明了礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻調(diào)速一體機(jī),開發(fā)出基于一體機(jī)的智能驅(qū)動綜采裝備,實(shí)現(xiàn)了煤炭開采裝備傳動技術(shù)升級換代[63]。

基于上述煤機(jī)裝備,我國煤炭智能開采格局初步形成?！笆濉币詠?煤炭綠色開發(fā)與智能精準(zhǔn)開采技術(shù)體系逐步建立。同時,制定了煤礦智能化發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案,為煤礦智能化建設(shè)描繪了路線圖和施工圖。具體如下:

(1)智能開采裝備研發(fā)方面。發(fā)明了工作面直線度精確檢測與智能控制、采煤機(jī)記憶截割控制、刮板機(jī)智能控制、工作面集中遠(yuǎn)程智能控制等多個關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)了適用各種煤層條件具有較高智能化水平的系列化綜采(放)成套裝備使不同區(qū)域、不同煤層條件實(shí)現(xiàn)了智能安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)[64]。

(2)智能遠(yuǎn)程管控研發(fā)方面。提出了智能化與遠(yuǎn)程干預(yù)結(jié)合的綜合機(jī)械化采煤新模式,研發(fā)了綜采工作面采煤、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)裙ば虻闹悄芑瘏f(xié)調(diào)控制技術(shù),開發(fā)了礦井人員與車輛等動目標(biāo)精確定位關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng),開發(fā)了煤礦供電無人值守及防越級跳閘技術(shù)與系統(tǒng),研發(fā)了一體化礦山生產(chǎn)綜合智能監(jiān)控系統(tǒng),研發(fā)了面向智能開采的煤礦安全高效生產(chǎn)空間信息處理關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)建了億噸級礦區(qū)復(fù)雜系統(tǒng)的全流程信息協(xié)同系統(tǒng)平臺,實(shí)現(xiàn)了礦井群資源的智能配置和管理[65-66]。

此外,提出了數(shù)字孿生智采工作面新系統(tǒng)(DTSMW),并把物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信、云計算等技術(shù)融合于智采工作面,創(chuàng)建精確的虛擬智采工作面模型,實(shí)現(xiàn)智采工作面生產(chǎn)、管理的高度數(shù)字化及模塊化[67];提出了煤礦機(jī)器人的分類方法,構(gòu)建了科學(xué)合理的煤礦機(jī)器人分類體系,規(guī)劃了不同種類、層次煤礦機(jī)器人的研發(fā)路徑[68];開通并優(yōu)化了井上井下5G 網(wǎng)絡(luò),建成了礦用高可靠5G 專網(wǎng)系統(tǒng),研發(fā)出3 ∶1 時隙配比5G 網(wǎng)絡(luò),開展了5G 成套裝備規(guī)?；瘧?yīng)用,發(fā)布《5G+煤礦智能化白皮書》,倡議建設(shè)煤礦5G 應(yīng)用生態(tài),引導(dǎo)煤礦科學(xué)有序開展5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè);實(shí)現(xiàn)了智能開采環(huán)境下煤層空間信息的動態(tài)修正、管理模式的創(chuàng)新和各類空間及屬性數(shù)據(jù)的一體化存儲,開發(fā)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件平臺和應(yīng)用系統(tǒng),并在陽泉、大同、平頂山等礦區(qū)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,初步實(shí)現(xiàn)了對智能化煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)營“一盤棋、一張網(wǎng)、一張圖、一個庫”的新型管理理念[69]。

截至目前,全國已建成約500 個智能化采煤工作面,形成薄、中厚、厚煤層的完整智能化開采實(shí)踐應(yīng)用示范體系,構(gòu)建了“有人巡視、無人操作”的智能開采工作面新模式[67-69]。

1.6 潔凈煤技術(shù)

煤炭是高碳化石能源,煤炭資源的洗選加工與清潔高效利用,是社會主義生態(tài)文明建設(shè)的要求,同時對緩解油氣資源短缺、降低對外依存度、保障國家能源安全、降低碳排放都具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義,也是貫徹落實(shí)“六?！惫ぷ鞯闹匾緩??！笆濉币詠?形成了包含煤炭洗選、提質(zhì)加工、清潔轉(zhuǎn)化與污染物控制的潔凈煤技術(shù)體系。

(1)選煤技術(shù)方面。千萬噸級濕法全重介選煤技術(shù)、大型復(fù)合干法和塊煤干法分選技術(shù)、大型井下選煤排矸技術(shù)和新一代空氣重介干法選煤技術(shù)成功應(yīng)用;發(fā)明了大型復(fù)合式干法分選技術(shù)和干法重介質(zhì)流化床分選技術(shù),開發(fā)了世界上首套模塊式高效干法選煤工藝系統(tǒng),形成了煤炭高效干法分選關(guān)鍵技術(shù),解決了長期影響干法選煤工程化的技術(shù)難題[70];此外,還研發(fā)出了融合圖像識別和X 射線識別的高壓噴嘴式高精度智能干選機(jī),以及超大處理能力原料煤、粗煤泥重介質(zhì)分選及煤泥水濃縮設(shè)備等[71]。

(2)提質(zhì)加工及污染物控制方面。中小型高效煤粉工業(yè)鍋爐、水煤漿漿體化CFB 供熱供暖鍋爐、大容量高效煤粉工業(yè)鍋爐、民用固硫抑塵型煤、煙煤解耦新型爐具、大型低階煤熱解分質(zhì)分級利用等技術(shù)取得突破;同步建設(shè)和投入運(yùn)行廢水處理、VOCs 治理與脫硫、脫硝等裝置,研發(fā)了具有靶向清洗、選擇性活性補(bǔ)充、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和脫硝催化劑全壽命管理解決方案的神華脫硝催化劑再生技術(shù),實(shí)現(xiàn)了蘭炭粉燃料無助燃穩(wěn)定運(yùn)行,攻克了粒徑小于30 mm、產(chǎn)量占低階煤總產(chǎn)量80%以上的混煤熱解的系列關(guān)鍵技術(shù)難題,突破了煤焦油分質(zhì)轉(zhuǎn)化高性能油品及高附加值產(chǎn)品的瓶頸,構(gòu)建了低階煤分質(zhì)清潔高效利用技術(shù)體系。

“十三五”以來,我國現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,在煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等方面都取得了較大突破,在生產(chǎn)工藝、關(guān)鍵大型裝備和特殊催化劑等領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,傳統(tǒng)煤化工的大型合成氨行業(yè)已全面升級換代為煤炭高溫氣化技術(shù)。

(1)煤氣化方面。攻克了大型、超大型水煤漿氣化和干煤粉氣流床高壓氣化成套關(guān)鍵技術(shù)與裝備,研發(fā)了多噴嘴對置式水煤漿氣流床加壓氣化技術(shù)、航天干煤粉氣流床加壓氣化技術(shù)、水煤漿水冷壁廢鍋流程氣流床加壓氣化技術(shù)(晉華爐)、“神寧爐”干煤粉氣流床加壓氣化技術(shù)、“東方爐”干煤粉氣流床加壓氣化技術(shù)等,建成單爐日處理3 000 t 級、4 000 t 級煤氣化示范工程,解決了“三高”煤難氣化等煤種適應(yīng)性問題;開發(fā)出氣化煤漿?？靥釢庀盗泄に嚰把b備,并完成了工業(yè)化,緩解了煤漿濃度低影響氣化效率、煤化工污泥難處理且成本高、中濃度管輸煤漿直接氣化效率低等痛點(diǎn)。

(2)煤直接液化方面。完成了煤制油品/烯烴大型現(xiàn)代煤化工成套技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用,首創(chuàng)了高效大型現(xiàn)代煤制油品和烯烴工程化技術(shù),突破了超大超厚裝備設(shè)計及制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)了核心裝備的國產(chǎn)化,世界首個煤直接液化和煤制烯烴工程長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)煤間接液化方面。根據(jù)費(fèi)托反應(yīng)的溫度不同,開發(fā)出3 種不同的工藝:①實(shí)現(xiàn)了超大型工業(yè)反應(yīng)器放大設(shè)計制造的重大突破,建成國內(nèi)首套百萬噸級煤間接液化工業(yè)示范裝置;②解決了中溫條件下鐵基催化劑活性結(jié)構(gòu)控制和產(chǎn)物選擇性控制的技術(shù)難題,建設(shè)成世界上單廠生產(chǎn)能力最大的400 萬t/a煤間接液化產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目;③研發(fā)了高溫流化床費(fèi)托合成催化劑YHFT?-C01 的制備工藝,并在國內(nèi)首套10 萬t/a 高溫費(fèi)托合成工業(yè)示范裝置上成功應(yīng)用。

(4)碳減排方面。習(xí)近平總書記在聯(lián)合國成立75 周年大會上向世界做出莊嚴(yán)承諾,中國將“采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。煤炭行業(yè)主動作為,首創(chuàng)了煤化工CO2捕集、咸水層封存與監(jiān)測成套技術(shù),建成了世界首個10 萬t 級煤化工CCS 示范工程,提高了我國在國際氣候戰(zhàn)略博弈的話語權(quán);開發(fā)了低滲咸水層多地層分類改造與多組同注、多維度監(jiān)測與安全預(yù)警等成套CO2封存關(guān)鍵技術(shù)。

1.7 節(jié)能環(huán)保與職業(yè)健康

“十三五”以來,我國在低濃度瓦斯利用、礦井余熱利用、煤礦低品位熱能利用、采煤沉陷區(qū)治理、礦井生態(tài)環(huán)境修復(fù)和礦井粉塵防治等方面取得了顯著的進(jìn)展。

(1)低濃度瓦斯利用方面。系統(tǒng)開展了集瓦斯治理、抽采、發(fā)電、制冷、熱害治理為一體的瓦斯綜合治理與循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)與示范研究;發(fā)明了瓦斯自適應(yīng)混配和自回?zé)嵝顭嵫趸夹g(shù),研發(fā)了瓦斯階梯式清潔利用技術(shù),破解了低品質(zhì)瓦斯化學(xué)能的熱電轉(zhuǎn)換、高效氧化提熱的難題[30]。

(2)礦井余熱利用方面。研發(fā)了低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱技術(shù),開發(fā)了風(fēng)排瓦斯引風(fēng)技術(shù)、風(fēng)排瓦斯與抽采瓦斯混配技術(shù)、遠(yuǎn)距離安全輸送技術(shù)、大型脫水技術(shù)、蓄熱式非催化氧化技術(shù)(RTO)和熱電聯(lián)供技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究,發(fā)明了焦化廠荒煤氣高溫余熱回收技術(shù)[74]。

(3)煤礦低品位熱能高效利用方面。發(fā)明了兼顧煤礦通風(fēng)安全與熱能高效提取的系列噴淋式礦井回風(fēng)換熱器,開發(fā)了噴淋式礦井回風(fēng)余熱利用成套裝備;研發(fā)了殼管式防結(jié)垢、防堵塞、強(qiáng)換熱的換熱器以及與其配套的礦井排水余熱利用成套裝備。

(4)采煤沉陷區(qū)治理方面。創(chuàng)建了采煤沉陷區(qū)中高層建筑群建設(shè)技術(shù)體系,提出了采煤沉陷區(qū)城市服務(wù)功能開發(fā)理念,研發(fā)了采煤沉陷區(qū)濕地建設(shè)、城市功能開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)了高強(qiáng)度開采礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)與調(diào)控技術(shù)[75-77],并首次在沉陷治理中創(chuàng)新性采用定向鉆探、城市建筑廢棄物再生利用、分布式光纖動態(tài)監(jiān)測、深層地?zé)豳Y源利用等先進(jìn)技術(shù)工藝,建成了全國首例條帶式采煤沉陷區(qū)綜合治理與利用項(xiàng)目,改善了沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境,增加了采空區(qū)土地再利用,實(shí)現(xiàn)了人與自然和諧共生的重大民生工程。

(5)在礦井生態(tài)環(huán)境修復(fù)方面。發(fā)明了煤矸石山自燃污染控制與生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)[78],構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害時空信息多尺度監(jiān)測技術(shù)體系,發(fā)展了高強(qiáng)度開采礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變鏈?zhǔn)巾憫?yīng)理論和生態(tài)環(huán)境損害動態(tài)預(yù)警方法;研發(fā)了采煤沉陷區(qū)土壤重構(gòu)、植被恢復(fù)和區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)景觀再塑關(guān)鍵技術(shù),形成了能促進(jìn)植物根系生長發(fā)育、抗拉傷能力強(qiáng)的微生物修復(fù)技術(shù),研發(fā)了集約化開采源頭減損與地表生態(tài)修復(fù)一體化技術(shù)[79]。

(6)礦井粉塵防治方面。揭示了機(jī)械化掘進(jìn)巷道煤巖塵微觀理化特性對其潤濕性影響規(guī)律,確定了綜掘工作面宏觀粉塵團(tuán)及細(xì)觀顆粒流擴(kuò)散規(guī)律,揭示了巷道噴霧細(xì)觀降塵機(jī)制;發(fā)明了射流汽化吸液及低阻高效產(chǎn)泡方法與裝置,研制了環(huán)形承壓泡沫的噴射裝置,研發(fā)了活性磁化水幕簾與泡沫聯(lián)用除塵系統(tǒng);發(fā)明了三向旋流全斷面風(fēng)幕控塵方法及關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)了綜掘工作面高效小型化風(fēng)霧雙幕協(xié)同增效控除塵成套裝備[80]。

2 “十四五”煤炭科技發(fā)展目標(biāo)

經(jīng)過“十三五”期間的快速發(fā)展,煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新取得了長足的進(jìn)步。同時,煤炭資源開發(fā)面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜、采深逐年增加、災(zāi)害頻發(fā)等多重壓力,資源采出率有待提高;2020年,全國煤礦采煤、掘進(jìn)機(jī)械化程度已分別達(dá)到78.5%,60.4%,已建成約500 個智能化采掘工作面,但智能化水平仍需進(jìn)一步提高;動力煤入洗率偏低,褐煤轉(zhuǎn)化利用率低,廢棄礦井空間、礦井水、地?zé)岬劝樯Y源利用率低;煤炭開發(fā)造成的土地塌陷面積大,且產(chǎn)生大量的煤矸石等固體廢物;煤礦職業(yè)危害問題突出,累計煤礦職業(yè)病發(fā)病人數(shù)占全國職業(yè)病發(fā)病總數(shù)的一半左右。

當(dāng)前,我國煤炭工業(yè)發(fā)展面臨著煤炭產(chǎn)能過剩與先進(jìn)產(chǎn)能占比不高的矛盾、規(guī)模資源開發(fā)與剛性環(huán)境約束的矛盾、災(zāi)害威脅加重與安全生產(chǎn)保障的矛盾。煤炭科技創(chuàng)新支撐我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的能力依然不足。行業(yè)基礎(chǔ)理論研究相對薄弱分散,關(guān)鍵技術(shù)原創(chuàng)性突破、顛覆性創(chuàng)新仍然較少,高端裝備未能完全滿足應(yīng)用需求,科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才和高技能人才大量缺乏,研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入強(qiáng)度達(dá)不到全社會平均水平,知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)運(yùn)用和標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)水平滯后。因此,煤炭行業(yè)必須以新發(fā)展理念為引領(lǐng),主動適應(yīng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展趨勢,加快構(gòu)建現(xiàn)代化煤炭安全綠色智能開發(fā)和清潔高效低碳利用技術(shù)體系,引領(lǐng)煤炭行業(yè)步入具有高科技特點(diǎn)的高質(zhì)量發(fā)展道路。

為實(shí)現(xiàn)煤炭科技自立自強(qiáng)、完善現(xiàn)代化煤炭開發(fā)利用理論與技術(shù)體系,提出“十四五”煤炭科技的發(fā)展目標(biāo)是:到2025年,行業(yè)自主創(chuàng)新能力大幅提升,實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng),產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)自主可控,現(xiàn)代化煤炭開發(fā)利用理論與技術(shù)體系明顯完善,科技創(chuàng)新人才隊(duì)伍建設(shè)取得顯著成效,建成特色鮮明、產(chǎn)學(xué)研深度融合的行業(yè)科技創(chuàng)新體系;煤炭綠色智能開采、煤礦重大災(zāi)害防控、煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)理論研究取得突破;大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化,實(shí)現(xiàn)井下重點(diǎn)崗位機(jī)器人作業(yè),露天煤礦智能連續(xù)作業(yè)和無人化運(yùn)輸,建立煤礦智能化技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系;冒頂、火災(zāi)、爆炸、沖擊地壓、水害、煤與瓦斯突出等災(zāi)害防治能力進(jìn)一步提升,工作面粉塵防治取得明顯成效,煤礦作業(yè)人員安全防護(hù)與職業(yè)健康保障更加完備,礦山應(yīng)急救援體系與技術(shù)更加完善;大型煤機(jī)裝備、露天開采裝備、煤炭洗選裝備與煤化工裝備的智能化和可靠性水平大幅提升,關(guān)鍵零部件、核心元器件、控制系統(tǒng)與軟件實(shí)現(xiàn)自主化;現(xiàn)代煤化工實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保、低耗發(fā)展,突破煤油共轉(zhuǎn)化制清潔燃料與化學(xué)品、煤制芳烴、煤制乙醇等關(guān)鍵工藝技術(shù);煤轉(zhuǎn)化有機(jī)固廢和污廢水、礦井水低成本資源化利用技術(shù),千萬噸級煤炭分質(zhì)分級利用技術(shù)取得積極進(jìn)展;礦區(qū)生態(tài)環(huán)境顯著改善;采煤沉陷區(qū)土體整治與生態(tài)修復(fù)技術(shù)不斷完善,礦區(qū)大宗固廢資源利用取得明顯成效;減碳減量可行先進(jìn)技術(shù)取得突破,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)與碳匯減排協(xié)同發(fā)展。

3 “十四五”科技創(chuàng)新重點(diǎn)任務(wù)

為實(shí)現(xiàn)新時期煤炭科技發(fā)展目標(biāo),提出開展“31110”科技創(chuàng)新主要任務(wù),包括三大基礎(chǔ)理論研究,十大重點(diǎn)領(lǐng)域核心技術(shù)攻關(guān),十項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新示范和百項(xiàng)先進(jìn)適用技術(shù)推廣應(yīng)用?？萍紕?chuàng)新主要任務(wù)框架如圖1所示。

圖1 “十四五”科技創(chuàng)新主要任務(wù)框架Fig.1 Main tasks of scientific and technological innovation in the 14th Five-Year Plan period

3.1 煤炭基礎(chǔ)理論研究

在煤炭綠色智能開采、煤礦重大災(zāi)害防控、煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域開展基礎(chǔ)理論研究,為我國煤炭資源的安全綠色智能開發(fā)和清潔高效低碳利用提供基礎(chǔ)支撐。

(1)煤炭綠色智能開采。重點(diǎn)研究煤系礦產(chǎn)資源精細(xì)勘查與生態(tài)地質(zhì)理論,時空變化條件下的礦井地質(zhì)精準(zhǔn)探測及建模理論,面向礦井復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)感知理論,礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及信息動態(tài)關(guān)聯(lián)理論,復(fù)雜條件下采掘設(shè)備群的協(xié)同控制理論,面向復(fù)雜礦井環(huán)境的動態(tài)協(xié)同控制與數(shù)據(jù)驅(qū)動決策理論,黃河流域等重點(diǎn)區(qū)域煤炭開發(fā)生態(tài)大尺度演變規(guī)律與生態(tài)修復(fù)方法等;探索深部原位流態(tài)化開采的采動巖體力學(xué)理論和采礦方法。

(2)煤礦重大災(zāi)害防控。重點(diǎn)研究深部礦井多災(zāi)種一體化智能防控理論,煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)制,煤礦沖擊地壓主控地質(zhì)因素及發(fā)生機(jī)理,沖擊地壓風(fēng)險判識理論與防控方法,復(fù)雜地質(zhì)條件下頂板水害形成機(jī)理,大采深礦井煤層底板巖溶發(fā)育規(guī)律,高地應(yīng)力及高水壓條件下深部煤層底板突水機(jī)理,采空區(qū)遺煤自燃引爆機(jī)理,露天開采與生態(tài)環(huán)境動態(tài)響應(yīng)耦合機(jī)理,露天礦滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)化預(yù)警理論,礦井粉塵產(chǎn)生機(jī)理,風(fēng)流-水霧-粉塵多相流多場耦合機(jī)理,職業(yè)危害接觸限值與致病機(jī)制等。

(3)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化。重點(diǎn)研究原煤多尺度精細(xì)化深度分離與高效提質(zhì)基礎(chǔ)理論,微細(xì)粒難選煤分選過程強(qiáng)化基礎(chǔ)理論,煤系稀貴礦產(chǎn)和關(guān)鍵元素、有毒有害物質(zhì)資源高效分選加工理論,煤炭智能分選加工基礎(chǔ)理論,煤基原料協(xié)同制備功能化材料基礎(chǔ)理論,煤制大宗清潔燃料與化學(xué)品新工藝及催化基礎(chǔ)理論,煤炭氣化、液化在原料、工藝過程匹配和產(chǎn)品靈活性調(diào)控理論,煤炭利用多點(diǎn)源、多污染物協(xié)同控制理論與方法等;探索煤制氫能源大規(guī)模制備理論方法。

3.2 重點(diǎn)領(lǐng)域核心技術(shù)攻關(guān)

開展煤炭資源勘查與地質(zhì)保障、大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)、煤炭與共伴生資源協(xié)調(diào)開采、煤礦災(zāi)害防治、煤礦智能化與機(jī)器人、煤炭清潔高效加工、煤炭高效轉(zhuǎn)化利用、煤礦職業(yè)危害防治、煤礦應(yīng)急救援、資源綜合利用與生態(tài)保護(hù)10 個重點(diǎn)領(lǐng)域的核心技術(shù)攻關(guān)。

(1)煤炭資源勘查與地質(zhì)保障。研究煤系資源與生態(tài)環(huán)境的空天地一體化協(xié)同勘查方法,侏羅紀(jì)煤田地層沉積相與構(gòu)造控水機(jī)理,華北型煤田深部煤層底板巖溶水精準(zhǔn)探查與防控方法,西南地區(qū)巖溶復(fù)雜地形條件下高分辨率地球物理探測方法等;研發(fā)全數(shù)字高密度三維三分量地震技術(shù)、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)、水文地質(zhì)三維高精度動態(tài)表征技術(shù),采掘工作面地質(zhì)異常體高精度超前探查技術(shù)等。

(2)大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)。研發(fā)千米深井地層凍結(jié)及地面預(yù)注漿改性技術(shù),大型礦井井巷工程機(jī)械破巖全斷面鉆進(jìn)技術(shù),超長定向鉆孔為基礎(chǔ)的斜井沿軸線凍結(jié)技術(shù),復(fù)雜地層大斷面斜井盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù),韌性為基礎(chǔ)材料的地層加固和薄噴支護(hù)技術(shù)等;研制千米豎井掘進(jìn)機(jī)、千米反井鉆機(jī)、變徑巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)及掘進(jìn)機(jī)機(jī)器人;構(gòu)建礦井構(gòu)筑物智能建設(shè)及全生命周期智能檢測控制體系。

(3)煤炭與共伴生資源協(xié)調(diào)開采。深入研究充填開采、無煤柱開采、保水開采、采動圍巖大范圍超前控制等綠色安全開采技術(shù);研發(fā)遺留煤炭資源安全復(fù)采技術(shù),復(fù)雜難采煤層高效綜采技術(shù),煤炭地下氣化開采技術(shù),流態(tài)化開采技術(shù),大型露天煤礦強(qiáng)化內(nèi)排開采技術(shù),煤與油、氣、稀貴關(guān)鍵元素等共伴生資源協(xié)調(diào)開采技術(shù),碎軟低滲煤層區(qū)地質(zhì)條件和產(chǎn)能預(yù)測評價方法,地面水平井工廠化抽采技術(shù),復(fù)雜儲層煤層氣高效立體抽采技術(shù),深部煤系氣一體化共采技術(shù)。

(4)煤礦災(zāi)害防治。研發(fā)礦井通風(fēng)系統(tǒng)災(zāi)變狀態(tài)識別及控制技術(shù),突出礦井分級預(yù)警及高效防控減災(zāi)技術(shù),高瓦斯礦井低透氣性煤層瓦斯高效抽采技術(shù),采空區(qū)自燃誘發(fā)瓦斯爆炸災(zāi)害預(yù)測預(yù)警預(yù)控技術(shù),近距離煤層群防滅火技術(shù),礦井爆炸災(zāi)區(qū)殘存火源、頂板垮塌或突出瓦斯逆流等繼發(fā)性災(zāi)害特征識別技術(shù),火區(qū)惰化短期有效性判別技術(shù),火災(zāi)、突出、冒頂、沖擊地壓、瓦斯(煤塵)爆炸等多災(zāi)害協(xié)同防治技術(shù),沖擊地壓智能預(yù)警與共性關(guān)鍵因素防控技術(shù),采掘工作面頂板水害精細(xì)控制疏水治理技術(shù),全空間水情水害智能精準(zhǔn)監(jiān)測預(yù)警技術(shù),燒變巖區(qū)等特殊區(qū)域水害防治技術(shù),滑坡災(zāi)害智能感知與早期識別技術(shù),千米深井強(qiáng)采動巷道圍巖大變形與破壞機(jī)理及長期穩(wěn)定性控制技術(shù)等。

(5)煤礦智能化與機(jī)器人。研發(fā)復(fù)雜地質(zhì)條件的工作面智能開采技術(shù),4D-GIS 透明地質(zhì)技術(shù),煤礦5G 無線通信技術(shù),井下視頻高效處理及AR/VR 技術(shù),井下精確定位與設(shè)備導(dǎo)航技術(shù),輔助運(yùn)輸系統(tǒng)連續(xù)化和無人化技術(shù),智能化無人快速掘進(jìn)技術(shù),重大危險源智能感知與預(yù)警預(yù)報技術(shù),高可靠性智能裝備(終端)技術(shù),煤礦機(jī)器人路徑規(guī)劃與長時供電技術(shù),露天開采無人化連續(xù)作業(yè)技術(shù),煤炭智能化采樣檢測技術(shù),礦井機(jī)電設(shè)備在線監(jiān)測與診斷維護(hù)技術(shù)等。

(6)煤炭清潔高效加工。研發(fā)高硫、高氯、高氟煤分選新技術(shù)與新工藝,濕法全重介選煤設(shè)備智能控制技術(shù),干法選煤智能化工藝技術(shù),微細(xì)粒難選煤泥強(qiáng)化重力場高效分級分選技術(shù),煤巖深度解離與高效富集技術(shù)裝備,煤礦井下大型智能分選排矸裝備,大型智能選煤廠關(guān)鍵傳感、閉環(huán)控制和輔助決策技術(shù)與系統(tǒng)等。

(7)煤炭高效轉(zhuǎn)化利用。研發(fā)低階煤大型分質(zhì)分級轉(zhuǎn)化技術(shù)及裝備,超臨界煤氣化、加氫煤氣化、催化氣化等新型煤氣化技術(shù),煤炭溫和加氫直接液化和間接液化耦合新工藝及催化劑技術(shù),煤炭液化制取特種油品、富氧油品添加劑技術(shù),高可靠性余熱回收技術(shù),高溫煤氣深度除塵凈化技術(shù),液化殘渣綜合利用技術(shù),煤耦合甲烷等離子體合成乙烯、乙炔技術(shù),高效高選擇性乙烯丙烯靈活調(diào)控的甲醇制烯烴催化劑、反應(yīng)器及工藝,多污染物聯(lián)合精確控制和脫除技術(shù),低能耗CO2捕集、封存及碳循環(huán)利用技術(shù)。

(8)煤礦職業(yè)危害防治。研發(fā)粉塵在線高精度感知技術(shù),高通量氣水兩相流云霧產(chǎn)生與噴嘴布控技術(shù),采掘工作面產(chǎn)塵源有效控制技術(shù),礦井高溫?zé)岷Ω咝詢r比防治技術(shù)及個人防護(hù)裝備,作業(yè)現(xiàn)場噪聲消除技術(shù),職業(yè)危害研判與快速篩查技術(shù),職業(yè)危害分級防護(hù)技術(shù),職業(yè)病危害信息化監(jiān)管云平臺技術(shù)等。

(9)煤礦應(yīng)急救援。研發(fā)礦山災(zāi)害救援信息化技術(shù)與智能決策系統(tǒng),礦山應(yīng)急救援通訊技術(shù)裝備,災(zāi)后救援快速自組網(wǎng)技術(shù)裝備,礦災(zāi)應(yīng)急救援智能專業(yè)服務(wù)機(jī)器人,復(fù)雜環(huán)境水陸兩棲偵檢機(jī)器人,災(zāi)后多維度生命保障技術(shù)裝備,井下坍塌松散體快速構(gòu)建救援通道技術(shù),地面快速構(gòu)建救援通道技術(shù),礦山應(yīng)急救援綜合培訓(xùn)演練系統(tǒng)等。

(10)資源綜合利用與生態(tài)保護(hù)。研發(fā)礦區(qū)水環(huán)境保護(hù)與水資源一體化利用技術(shù),高礦化度礦井水凈化和利用技術(shù),礦區(qū)煤矸石等固廢資源化利用與污染防治技術(shù),矸石山綜合治理技術(shù),采煤沉陷區(qū)治理及土地利用技術(shù),礦區(qū)土壤改良技術(shù),低濃度瓦斯高效提濃技術(shù),超低濃度乏風(fēng)瓦斯銷毀和余熱利用技術(shù),閉坑礦井地下空間資源開發(fā)與維護(hù)技術(shù),共伴生礦產(chǎn)資源和稀貴關(guān)鍵元素?zé)o害化利用技術(shù),礦區(qū)生態(tài)環(huán)境管理信息化技術(shù)等。

3.3 重大技術(shù)創(chuàng)新示范

積極培育技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè),重點(diǎn)推進(jìn)煤礦井巷全斷面快速掘進(jìn)、復(fù)雜地質(zhì)條件煤層智能綜采、井工煤礦智能化建設(shè)、露天煤礦智能高效開采、智能精細(xì)高效洗選、煤炭分質(zhì)利用、煤炭液化及高端化工品制備、廢棄礦井地下空間資源綜合利用、礦區(qū)大宗固廢資源利用、大型礦區(qū)生態(tài)修復(fù)等10 項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新示范。

(1)煤礦井巷全斷面快速掘進(jìn)示范。針對特大型礦井豎井、斜井和巷道的快速非爆破建設(shè),研制煤礦防爆型豎井掘進(jìn)機(jī)、豎井鉆機(jī)、全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)與后配套運(yùn)輸及支護(hù)裝備,形成井巷結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,開發(fā)遠(yuǎn)程可視化掘錨支監(jiān)控平臺,滿足掘進(jìn)直徑5.0～10.0 m 豎井、斜井、巷道需求,綜合掘進(jìn)速度達(dá)到200～300 m/月、作業(yè)人員減少40%的目標(biāo),構(gòu)建煤礦硬巖井巷智能快速掘進(jìn)示范工程。

(2)復(fù)雜地質(zhì)條件煤層智能綜采示范。針對復(fù)雜地質(zhì)條件煤層(大傾角、薄煤層、高瓦斯、多構(gòu)造),因地制宜研發(fā)配套智能綜采技術(shù)及成套裝備,建設(shè)智能綜采示范工程;針對西部礦區(qū)特厚硬煤層資源不宜采用放頂煤開采方式,研發(fā)特厚煤層一次采全高智能化綜采技術(shù)與成套裝備,設(shè)計生產(chǎn)能力5 000 t/h,傾角≤15°,年產(chǎn)能力10 Mt。

(3)智能化煤礦建設(shè)示范。建設(shè)以采掘生產(chǎn)為核心,融人員、設(shè)備、環(huán)境為一體的智能化井工煤礦,實(shí)現(xiàn)不同地質(zhì)條件的智能綜采和快速掘進(jìn)、智能主運(yùn)輸和連續(xù)化輔助運(yùn)輸、智能供配電、安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控、礦井綜合管控和大數(shù)據(jù)分析等;建設(shè)高效開采智能化露天煤礦,研制大運(yùn)量帶式輸送機(jī)組、自移式破碎站、自動穿孔爆破設(shè)備、大容量輪斗挖掘機(jī)、柴油發(fā)動機(jī)重型運(yùn)輸卡車、礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)和智能生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等。

(4)智能精細(xì)高效洗選示范。研制千萬噸級特大型濕法智能選煤廠的關(guān)鍵設(shè)備和在線檢測儀器,包括大型破碎機(jī)、跳汰機(jī)、旋流器、振動篩、浮選機(jī)、渣漿泵和高效脫介、脫水設(shè)備,原煤和產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測儀器等;研發(fā)重介、浮選分選過程大數(shù)據(jù)平臺,建立煤炭洗選工藝智能化控制平臺;研制千萬噸級干法分選智能化裝備,研究干濕混合流程新工藝,建立千萬噸級智能選煤廠示范工程。

(5)煤炭分質(zhì)利用技術(shù)示范。研發(fā)單爐50 萬t級塊煤熱解和單線100 萬t 級粉煤熱解新技術(shù),完善中/低溫煤焦油全餾分加氫多產(chǎn)中間餾分油(FTH)、中低溫煤焦油制取輕質(zhì)化燃料工藝,以及煤氣無變換提濃制氫、煤化工多聯(lián)產(chǎn)廢水分質(zhì)利用處理、煤焦油加氫廢氣回收利用等關(guān)鍵技術(shù),建成200 萬t 級蘭炭示范廠和千萬噸級粉煤熱解低階煤(富油長焰煤)煤炭分質(zhì)利用工業(yè)化示范工程。

(6)煤炭液化及高端化工品制備示范。完善日投煤量3 000～4 000 t/d 的大型高效氣化爐和大型高效空分裝置、大型甲醇合成塔、甲烷化反應(yīng)器、大型高壓壓縮機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)裝備,建立百萬噸級及以上煤炭間接液化及高端化工產(chǎn)品(如α-烯烴、高檔潤滑油、茂金屬聚乙烯等)工業(yè)化生產(chǎn)示范工程。

(7)廢棄礦井地下空間資源綜合利用示范。系統(tǒng)評價井工煤礦地下空間開展地質(zhì)存儲的適應(yīng)性和可改造性,開展關(guān)閉礦井地下空間資源定量評估;選擇地?zé)豳Y源豐富的廢棄礦井,研究地?zé)豳Y源反季節(jié)循環(huán)利用技術(shù)和關(guān)鍵裝備、設(shè)計智能監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源利用;推進(jìn)廢棄礦井地下倉儲、煤層氣抽采等其他綜合利用技術(shù)的應(yīng)用,建設(shè)廢棄礦井地下空間資源利用示范工程。

(8)礦區(qū)大宗固廢資源利用示范。以煤矸石、尾煤、粉煤灰等大宗固廢資源多元化利用為對象,建設(shè)礦區(qū)固廢資源利用示范工程。主要研究礦區(qū)大宗固廢資源化及協(xié)同處置技術(shù),高效低成本煤矸石充填置換技術(shù),高滲量高強(qiáng)度粉煤灰水泥制備技術(shù),煤矸石和粉煤灰制備陶粒、加氣混凝土技術(shù),粉煤灰中有價元素提取技術(shù)等,推動建筑垃圾、尾礦等大宗固廢與礦井充填協(xié)同處置技術(shù)發(fā)展,擴(kuò)大礦井充填材料來源,拓寬其他大宗固廢的處置途徑。

(9)大型礦區(qū)生態(tài)修復(fù)示范。以華北、華東、西北等大型礦區(qū)采煤沉陷區(qū)土地?fù)p毀與生態(tài)修復(fù)為主,創(chuàng)建大型礦區(qū)生態(tài)修復(fù)示范工程。研究應(yīng)用采煤沉陷區(qū)建筑群建設(shè)技術(shù),復(fù)墾土壤重構(gòu)與區(qū)域農(nóng)業(yè)、景觀、林果、養(yǎng)殖、光伏協(xié)同技術(shù),人工濕地構(gòu)建及城市功能開發(fā)技術(shù)等,形成東部礦區(qū)以土地復(fù)墾、沉陷地建筑利用和人工濕地構(gòu)建為主,西部生態(tài)環(huán)境薄弱礦區(qū)以水資源保護(hù)、植被恢復(fù)、綠化固沙抑塵、特色無公害綠色林果產(chǎn)業(yè)和荒漠化治理為主的生態(tài)修復(fù)模式。

(10)煤炭產(chǎn)品質(zhì)量精準(zhǔn)調(diào)控示范。以滿足動力煤、化工用煤、煉焦煤等消費(fèi)端不同用戶的定制需求為主,創(chuàng)建生產(chǎn)端的煤炭產(chǎn)品質(zhì)量精準(zhǔn)調(diào)控示范工程。研究用戶需求驅(qū)動的煤炭定制生產(chǎn)技術(shù),包括精益生產(chǎn)、精準(zhǔn)配煤以及數(shù)據(jù)分析平臺,貫通生產(chǎn)端和消費(fèi)端的數(shù)據(jù)鏈條,推動煤炭生產(chǎn)過程的智能調(diào)控和節(jié)能,通過精準(zhǔn)供給為生產(chǎn)端低碳化提供更有力的支撐。

3.4 先進(jìn)適用技術(shù)推廣

“十四五”期間,大力加強(qiáng)先進(jìn)適用技術(shù)推廣,促進(jìn)科技成果規(guī)模化轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

(1)煤礦地質(zhì)保障方面。重點(diǎn)推廣高精度高密度全數(shù)字三維地震勘探、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造槽波地震探測、地理信息系統(tǒng)與遙感遙測資源勘測、掘進(jìn)巷道超前定向長鉆孔探查等先進(jìn)適用技術(shù)。

(2)現(xiàn)代化礦井建設(shè)方面。重點(diǎn)推廣“一擴(kuò)成井”軟巖地層鉆井法鑿井、導(dǎo)井豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井、定向控斜大直徑反井鉆井鑿井、多圈孔深厚沖積層控制凍結(jié)等先進(jìn)適用技術(shù)。

(3)煤炭綠色高效開采方面。重點(diǎn)推廣掘支運(yùn)一體化全斷面巖巷掘進(jìn)、無煤柱自成巷110/N00 工法、直角拐彎大功率重型刮板輸送機(jī)、礦用新能源防爆無軌膠輪輔助運(yùn)輸?shù)认冗M(jìn)適用技術(shù)。

(4)煤層氣開發(fā)利用方面。重點(diǎn)推廣煤層氣抽采地面遠(yuǎn)距離自動控制鉆進(jìn)、煤礦井下大功率定向鉆進(jìn)、煤礦井下水力壓裂增透、低濃度瓦斯發(fā)電等先進(jìn)適用技術(shù)。

(5)煤礦安全方面。重點(diǎn)推廣煤礦水害區(qū)域治理地面超前注漿加固、礦井通風(fēng)智能決策與遠(yuǎn)程控制、煤層可變徑造穴卸壓增透一體化、露天煤礦邊坡合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警等先進(jìn)適用技術(shù)。

(6)煤炭加工與清潔利用方面。重點(diǎn)推廣干法礦物高效分離、高硫煤矸石高密度重介分選硫精砂、煤泥循環(huán)流化床潔凈燃燒利用、工業(yè)和民用蘭炭清潔替代等先進(jìn)適用技術(shù)。

(7)資源綜合利用與生態(tài)保護(hù)方面。重點(diǎn)推廣采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾與農(nóng)業(yè)生態(tài)再塑、西部干旱半干旱煤礦區(qū)土地微生物修復(fù)、煤礦礦井水深度處理、礦井乏風(fēng)源和礦井水源余熱綜合利用等先進(jìn)適用技術(shù)。

(8)煤礦智能化與機(jī)器人方面。重點(diǎn)推廣智能無人綜采工作面、井下智能巡檢機(jī)器人、智能煤矸分選機(jī)器人、基于UWB 的井下精確定位等先進(jìn)適用技術(shù)。

4 結(jié) 論

(1)面對“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo),作為我國基礎(chǔ)能源的煤炭,無論是其開發(fā)還是利用必須走減碳化的道路,大力推廣應(yīng)用煤炭清潔生產(chǎn)、低碳利用和高效轉(zhuǎn)化技術(shù),加強(qiáng)開發(fā)利用全過程的節(jié)能。

(2)煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。一方面,應(yīng)靠提升自動化和智能化水平將礦工從危險繁重一線解放出來,實(shí)現(xiàn)煤礦開采總體少人化、主要工藝流程無人化;另一方面需提升煤炭開采技術(shù)水平,保證在少人(無人)情況下的煤炭安全高效開采,以滿足經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展需求。

(3)煤炭開發(fā)過程必須堅持綠水青山就是金山銀山理念,推動實(shí)現(xiàn)開發(fā)過程的近零生態(tài)環(huán)境損傷,不斷提高礦井水、煤層氣(瓦斯)的資源綜合利用率,減少煤矸石等大宗固廢的排放并提升其利用水平,加強(qiáng)廢棄礦井的資源化和功能化。

(4)“十四五”及未來更長一段時間,煤炭科技發(fā)展應(yīng)堅持目標(biāo)導(dǎo)向和問題導(dǎo)向,以現(xiàn)代化煤炭開發(fā)利用技術(shù)體系構(gòu)建為目標(biāo),不斷創(chuàng)新新理論、新技術(shù)和新方法,支撐煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展。