寧 宇

（中國煤炭科工集團有限公司,北京 100013）

創(chuàng)新煤炭安全高效開發(fā)技術支撐特大型礦井建設

寧 宇

（中國煤炭科工集團有限公司,北京 100013）

煤炭是我國的基礎能源,特大型礦井的建設和開發(fā)是提高產業(yè)集中度,保障煤炭穩(wěn)定供給的主要途徑。從分析我國特大型礦井的建設現(xiàn)狀和趨勢入手,在總結“十一五”以來煤炭高效開發(fā)技術與裝備取得成就的基礎上,提出了未來特大型礦井建設的科技需求與趨勢。

煤炭;高效開發(fā);掘進;礦井建設

2009年我國煤炭產量和消費量分別為 3.05Gt和 3.02Gt,2010年分別達到 3.24Gt和 3.12Gt,分別占一次能源生產和消費的 77.8%,69.6%和77.3%,68.6%。受資源稟賦條件的限制,我國在未來相當長一段時間內以煤為主能源結構難以改變。據預測,到 2015年我國煤炭需求將達到 3.8～4.0Gt。因此,煤炭的穩(wěn)定供給直接關系到我國的能源安全和國民經濟與社會的快速發(fā)展。

1 建設特大型礦井,提升安全高效礦井生產水平

保持煤炭的穩(wěn)定供給,實現(xiàn)煤炭工業(yè)的安全、高效、可持續(xù)發(fā)展,首要任務是解決產業(yè)集中度過低的問題,只有通過加大特大礦井建設,才能有效帶動安全高效礦井建設和發(fā)展,提高礦井生產規(guī)模、生產效率和安全生產保障能力。《煤炭工業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》提出要以煤炭整合、有序開發(fā)為重點。對中小煤礦實施整合改造,實現(xiàn)資源、資產、技術、人力等生產要素的整合和重組。在大型煤炭基地內,一個礦區(qū)原則上由一個主體開發(fā),推進企業(yè)整合。鼓勵大型煤炭企業(yè)整合重組和上下游產業(yè)融合,提高產業(yè)集中度。形成 6～8個億噸級和 8～10個 5000萬噸級大型煤炭企業(yè)集團,煤炭產量占全國的 50%以上。

2005年以來,隨著 14個大型煤炭基地的建設及產業(yè)結構調整的加快,國有重點煤礦生產能力占全國年產量的比例逐漸提高,安全高效礦井的生產能力和發(fā)展水平得到進一步提高。從 2003年的47.11%增長到 2008年的 50.12%,增長了3.01%;2010年,全國 14個大型煤炭基地產量占全國煤炭產量的 87.5%。國有重點煤礦采煤機械化程度不斷提高,從 2003年的 81.47%增長到2008年的 89.97%,增長了 8.5%;國有重點煤礦百萬噸死亡率大幅下降,從 2003年的 1.07下降到2009年的 0.044,已經達到或接近發(fā)達國家水平;我國煤炭行業(yè)的產業(yè)集中度、生產效率、機械化水平低,安全狀況差的局面得到基本改善,同時提高了煤炭行業(yè)國際競爭力。

2 我國特大型礦井建設的現(xiàn)狀和趨勢

“十一五”期間,隨著技術與裝備的發(fā)展和進步,我國特大型礦井建設突飛猛進。據中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,截止 2009年底,全國已建成安全高效礦井 （露天）359處,產煤 1.017Gt,占當年全國總產量的 34.2%,安全高效礦井采煤機械化程度達到 90%以上,綜采程度達到 85%以上。大型煤炭企業(yè)集團快速發(fā)展壯大,2009年原煤產量超過 0.1Gt的企業(yè)有 2家,原煤產量為 0.396Gt,占全國煤炭產量的 14.4%。原煤產量達到 10Mt以上的企業(yè) 36家,原煤產量 1.376Gt,占全國原煤產量的 50.05%,其中年產 50Mt以上企業(yè) 7家,年產 40Mt以上企業(yè) 9家。

《煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出煤炭生產將以大型煤炭企業(yè)、大型煤炭基地和大型現(xiàn)代化煤礦為主,基本形成穩(wěn)定供應格局,到 2015年,形成 10個億噸級、10個 5000萬噸級特大型煤炭企業(yè);全國煤礦采煤機械化程度達到 75%以上,千萬噸級煤礦達到 60處;重特大事故大幅度減少,安全生產形勢明顯好轉。

3 依靠科技,提升特大型礦井建設科技支撐能力

我國安全高效礦井的建設是隨著采煤技術的變革而逐步發(fā)展起來。綜合機械化采煤技術經歷了摸索探討、規(guī)范發(fā)展和提高推廣等階段,特別是 20世紀 80年代以來,綜采、綜掘等技術裝備的升級,厚煤層一次采全高、特厚煤層大采高綜放開采,薄煤層全自動化開采等技術裝備的突破,礦井提升、運輸和裝車自動化、全礦井自動化等信息化技術的推廣應用,有效支撐了我國特大型礦井建設和發(fā)展。

3.1 厚煤層綜采技術與裝備

依托國家科技計劃項目和現(xiàn)場工程實踐,突破了厚煤層綜采關鍵技術,研制出了一批適應我國煤礦條件的厚煤層綜采裝備,關鍵元部件、設備的成套性有了重大創(chuàng)新,整體達到國際先進水平。如功率 1800kW以上的大功率電牽引采煤機,最大裝機功率可達 2505kW,最大采高 6.3m,生產能力2500～3500t/h,具有位置檢測和信息網絡自動化控制功能;大采高強力液壓支架最大支護高度可達6.4m、最高工作阻力 13000kN、加載循環(huán)超過50000次,并研制了具有自主知識產權的電液控制系統(tǒng),實現(xiàn)了雙向鄰架自動控制和成組順序控制,移架速度達到 6～8s/架;工作面刮板輸送機鋪設長度可達300m以上、總裝機功率可達 3×1000kW、運量超過 3500t/h,并成功攻克了大功率傳動、工況監(jiān)測監(jiān)控、高強度鑄焊結合中部槽等技術難關;膠帶輸送機實現(xiàn)了大運量長距離輸送,最大運距可達7km、最大運量可達 7000t/h,并在液壓自動儲卷帶、高度低阻托輥等技術上實現(xiàn)創(chuàng)新。目前采用國產成套綜采裝備的工作面年產量已達到 6Mt,以進口采煤機配套國產液壓支架、刮板輸送機和大運量帶式輸送機的綜采工作面年產量已超過 10Mt。

在國產厚煤層綜采成套技術與裝備方面,典型代表為煤科總院、神華集團、中煤裝備公司等單位完成的國家發(fā)改委十大裝備研制專項之一 “年產600萬噸大采高綜采成套技術與裝備”,該設備在神東礦區(qū)萬利一礦進行井下工業(yè)性試驗,2007年工作面單產達到了 7.62Mt,單臺設備開機率均達到 95%以上,回采工效達到 398.9t/工,2008年年產量達到了 10.25Mt,實現(xiàn)了我國國產成套大采高裝備的飛躍。在關鍵元部件上,自主研發(fā)了采煤機高強度搖臂、147mm節(jié)距高強度“齒 -銷”傳動系統(tǒng);刮板機 φ48×152mm刮板鏈、整體鑄焊式中部槽;液壓支架 φ420mm大缸徑立柱和液壓支架電液控制系統(tǒng),目前 80%左右的國產液壓支架全部應用國產電液控制系統(tǒng)。

3.2 厚煤層綜放開采技術與裝備

“十五”期間兗州礦業(yè)集團興隆莊煤礦 “600萬噸綜放工作面設備配套與技術研究”創(chuàng)造世界上綜放開采單產、工效和采出率 3項最高記錄,且“兩柱式”綜采放頂煤液壓支架成功出口澳大利亞。2008年,平朔安家?guī)X二號 300m綜放工作面創(chuàng)造了日產 54.1kt、月產 1.18Mt、年產 10.39Mt、人員工效 450t/h的全國綜放紀錄。目前,配套全部國產裝備綜放工作面可實現(xiàn)年產 6～8Mt。潞安礦業(yè)集團屯留煤礦采用國產 ZF7000/19.5/38型液壓支架,最高日產 24.2kt,最高月產 185.9kt,平均采出率達 90%。2005年潞安礦業(yè)集團王莊煤礦采用成套國產放頂煤裝備,年產量達到 6.08Mt。

3.3 薄煤層開采技術與裝備

在薄煤層開采方面,目前已自行研制出最低高度 0.67m的薄煤層液壓支架,可以滿足 1.0m左右薄煤層的開采,開發(fā)了適用于薄煤層的刮板輸送機,基本滿足了中硬以下薄煤層開采需求。大同煤礦集團公司采用天地科技股份有限公司上海分公司研制的MG200/450-WD型采煤機,配套國產支架與輸送機,2003年在晉華宮礦實現(xiàn)了年產原煤超1Mt。棗莊煤業(yè)集團與遼源煤機廠等單位合作,采用MG200-BW2型采煤機配套 ZY2400/08/19液壓支架、SGZ630/220輸送機,實現(xiàn)最高日產3.504kt,平均月產 89.636kt,創(chuàng)出了滾筒式薄煤層綜采年產百萬噸的新水平。2008年 10月,平頂山六礦采用MGTY250/600-1.1D采煤機、SGZ-764/500刮板機、ZY5000-1.45/3.0D液壓支架等全套國產裝備,實現(xiàn)了工作面無人跟機作業(yè)。

3.4 掘進技術與裝備

在掘進技術與裝備方面,我國中型掘進機發(fā)展日趨成熟,重型掘進機大批出現(xiàn),已能夠獨立研制截割煤層堅固性系數(shù) f≤8、機重 60t左右、截割功率 160～220kW的重型掘進機。配合巷道錨桿錨索支護新技術,顯著提高了巷道掘進施工的機械化水平和成巷速度。

此外,礦井建設方面,特殊鑿井技術、大直徑反井鉆井技術、煤巷綜掘技術及裝備、錨噴支護技術等取得突破性進展。特殊鑿井法穿過沖積層厚度最大達 587m,最大凍結深度 737m;鉆井法最大鉆鑿成井深度達 660m,最大鉆井直徑為 10.3m;注漿技術已從注漿材料的 “水泥時代”進入了 “黏土時代”,井筒地面預注漿最大深度達到 1048m。大直徑反井鉆機研制成功,實現(xiàn)了煤礦風井井筒施工技術的突破。反井鉆機一次擴孔成井,反井鉆井深度達到 500m,最大擴孔直徑達到 5m。在短壁機械化開采方面,研制出連續(xù)運輸系統(tǒng)、連續(xù)采煤機、行走液壓支架、四臂錨桿鉆機、鏟車、梭車等一系列設備,在性能和技術參數(shù)方面已接近國際先進水平,某些技術指標和結構性能甚至超過同類引進產品。

4 特大型礦井建設的科技需求與趨勢

近年來在國家支持和扶持下,煤礦特大型礦井建設的技術和裝備得到快速發(fā)展,依托自主知識產權的技術建設了一批具有國際先進水平的現(xiàn)代化示范礦井。我國大型安全高效礦井建設面臨著地質條件復雜,地質災害呈多樣性的趨勢;國產成套裝備研制取得顯著成效,但在關鍵元部件如采煤機記憶截割、故障診斷,刮板輸送機軟啟動,帶式輸送機多機功率等方面還依賴進口,需要運用創(chuàng)新思維進一步提升自主研發(fā)能力。

此外,還需在液壓支架、采煤機等設備關鍵元部件的材料、加工工藝等方面進行攻關,進一步提高設備的可靠性。

4.1 礦井建設與巷道掘進

在礦井建設施工方面,煤炭開發(fā)已向西部轉移,西部煤礦特點是生產規(guī)模大、斜井多、井筒直徑大,地層為弱膠結、不穩(wěn)定。已有特殊鑿井技術不能完全適應西部地層條件,特別是斜井凍結技術尚屬空白。需要研究斜井凍結技術、軟巖鉆進技術,以及豎井掘進機井筒機械化建井技術,滿足大直徑礦井快速建設的需要。

隨著礦井規(guī)模和工作面單產的進一步提高,大批千萬噸現(xiàn)代化礦井的建設,提出了生產能力大、掘進效率高的大斷面重型掘進機的需求。且因成巷速度的需求,對掘錨一體化作業(yè)效率提出了更高要求。為加快巖石巷道掘進速度,需開展巖巷全斷面綜合掘進機、鉆爆法快速掘進關鍵裝備、硬巖截割技術、巷道掘進粉塵控制技術在內的巖石巷道快速掘進技術及裝備研究。

4.2 煤礦開采技術與裝備

高效集約化礦井建設是煤炭工業(yè)的發(fā)展方向,是我國采用高新技術改造傳統(tǒng)產業(yè)、振興煤機裝備制造業(yè)的重大舉措。我國目前高端采掘設備在可靠性、自動化監(jiān)測監(jiān)控和生產效率等方面與國外產品還存在較大的差距。此外,我國小煤礦眾多,但機械化程度普遍偏低;大型露天礦設備主要依賴進口,急需提高設備的國產化速度。

需開展綜采裝備關鍵元部件材料、工藝和系統(tǒng)的匹配、成套設備的可靠性和自動控制、軟啟動和快速搬運裝備、深部礦井圍巖控制與巷道掘進、支護技術、新型高能量蓄電池、大功率防爆柴油機等關鍵元部件攻關。

我國傳統(tǒng)露天開采工藝較為落后,大型裝備國產化程度低,煤炭資源開發(fā)與環(huán)境的不協(xié)調現(xiàn)象嚴重,急需對大型露天煤礦連續(xù)、半連續(xù)采煤技術及大型裝備、生產智能監(jiān)控與決策系統(tǒng)和邊坡災害控制技術與裝備進行深入的研究。

“十一五”科技支撐計劃“特厚煤層大采高綜放開采成套技術與裝備研發(fā)”項目在大同塔山礦已完成工業(yè)性試驗,項目研制出了適應采放高度14～20m特厚煤層綜放開采成套技術與裝備,工業(yè)性試驗 3個月工作面推進 463m,最高日推進量8m,累計出煤 2.738Mt,最高日產量達到 39.4kt,具備年產千萬噸的能力。在綜放工作面及巷道自動化控制以及含厚層不均勻夾矸厚煤層大采高綜放支架等仍需進行攻關。

此外,在短壁機械化開采技術與裝備、輔助運輸裝備、薄煤層及難采煤層機械化開采方面均需加強科技攻關,實現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

5 結束語

煤炭是我國的能源基礎,以煤為主體的能源結構相當長一段時期內不會改變,為保障國家經濟發(fā)展對能源的需求,大型礦井的建設和煤炭工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的實現(xiàn),煤炭科技工作者要不斷努力,從而提高我國煤炭科技的現(xiàn)代化水平。

[1]中國煤炭工業(yè)協(xié)會 .煤炭工業(yè)信息 [R].2010-10,2011-1.

[2]中國煤炭學會巖石力學與支護專業(yè)委員會 .中國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化之路 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

Innovating Safe and High-efficiency Coal Min ing Technology and Supporting Extra-large Mine Construction

N ING Yu
（China Coal Technology&Engineering Group Corp,Beijing 100013,China）

Coal is a foundational energyof China and extra-large coalmine construction ismain approach of improving industry concentration and providing stable coal supply.By analyzing construction status and tendency of extra-large mine of China and concluding improvement of coal high-efficiencymining and equipments developing in 11th Five-year-plan,scientific demand and development tendency of future extra-large mine construction was put forward.

coal;high-efficientmining;driving;mine construction

TD2

A

1006-6225（2011）03-0001-03

2011-04-02

寧 宇 （1956-）,男,河北樂亭人,博士,研究員,中國煤炭科工集團有限公司副總經理。

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[責任編輯:施紅霞 ]