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)濟社會發(fā)展和國家能源安全穩(wěn)定供應提供了有力保障?！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,市場供需實現(xiàn)了基本平衡,行業(yè)效益回升,轉(zhuǎn)型升級取得實質(zhì)進展,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、市場為導向、產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新的科技創(chuàng)新體系,初步形成功能互補、導向明確的行業(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)達到國際領(lǐng)先水平;煤機裝備實現(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目實施取得成功,為行業(yè)平穩(wěn)運行,提高發(fā)展質(zhì)量和效益,推動現(xiàn)代化煤炭經(jīng)濟體系建設(shè)奠定了堅實基礎(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,厘清煤炭科技發(fā)展所面臨的制約因素,部署科技創(chuàng)新重點任務,對于引導煤炭行業(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)學新理論與綜合勘查技術(shù)體系、礦井復雜地質(zhì)構(gòu)造與災害源探測體系、礦井災害源超深探測地質(zhì)雷達裝備及技術(shù)方法、采煤工作面涌水量多階動力學動態(tài)預測技術(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。建立了礦井復雜地質(zhì)構(gòu)造與災害源探測體系,“地震主導、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技術(shù)與裝備取得重要進展,創(chuàng)造了井下深孔定向鉆進3 353 m 的新記錄。開發(fā)了礦井災害源超深探測地質(zhì)雷達裝備及技術(shù)方法[1],首次實現(xiàn)了80 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和災害源的精細探測,探測距離提高1.6 倍以上,地質(zhì)構(gòu)造驗證率平均達75%;開發(fā)礦井低頻地質(zhì)雷達探測系統(tǒng)及CT 透視反演軟件,實現(xiàn)了透射法300 m 跨度工作面的地質(zhì)構(gòu)造和災害源的精細探測,探測精度提高30%以上[2]。

(3)在礦井水害預測方面。開發(fā)出基于工作面涌水量采前快速預測與采中動態(tài)校正方法的涌水量動態(tài)預測軟件,實現(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)生位置的精細預測,將應用礦井工作面涌水量預測精度從70%以下提高到85%以上,完善了礦井涌水量預測技術(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、巷道支護等關(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)、深部凍土成套實驗裝置與技術(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到9.6 m[4];建立了復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)巷道掘進方面。研發(fā)了井巷掘進爆破新技術(shù)和液壓鑿巖控制的鉆裝錨一體機,解決了鉆爆施工中存在的“周邊成型差、炮孔利用率低、圍巖損傷嚴重”等難題[9];引入成熟的山嶺隧道、城市地鐵全斷面掘進機施工技術(shù)和裝備,降低了勞動強度、提高了煤礦深井巖巷掘進效率;研發(fā)了煤礦深井巷道全斷面硬巖掘進機,實現(xiàn)了掘進、支護、排矸、輔助運輸同步作業(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(新礦1 號);應用了掘、支、運一體化快速掘進技術(shù)與裝備的應用;形成了掘錨一體機、錨桿轉(zhuǎn)載機和柔性連續(xù)系統(tǒng)為主體的智能快速掘進成套裝備,突破了掘支運一體化快速掘進技術(shù),實現(xiàn)了高效掘進;并研發(fā)了首套集智能截割、自動運網(wǎng)、自動鉆錨等技術(shù)為一體的智能快速掘進系統(tǒng),有效提高了掘進水平和支護質(zhì)量。

(3)巷道支護方面。創(chuàng)建了首臺用于測試井下錨桿支護系統(tǒng)復雜受力狀態(tài)的綜合試驗平臺,攻克了高強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應力支護成套技術(shù)體系[10];提出了沖擊地壓巷道防沖吸能支護理論及技術(shù)體系,發(fā)明了系列巷道防沖吸能支護裝備,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,并成功應用于巷道大變形控制與預測[12];研發(fā)了錨架充協(xié)同控制技術(shù),實現(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)與井下預裂的遠近場協(xié)同控制技術(shù)體系,實現(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)畸變致災機制,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式失穩(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,實現(xiàn)了采(盤)區(qū)內(nèi)無煤柱和無巷道掘進,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)明了柔模支護無煤柱開采技術(shù)及其配套裝備,開發(fā)了柔模支護充填開采技術(shù)和柔模充填支架,提出了錨桿與柔?；炷另巯嘟Y(jié)合的巷道支護方法;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高壓旋轉(zhuǎn)水射流破煤鉆擴造穴一體化技術(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)動導流抽采、軟巖保護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)無線隨鉆測量鉆進技術(shù),研制了具有多邏輯保護回路與鉆進參數(shù)監(jiān)測功能的超長定向孔鉆進裝備,研制了?89 mm 高強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)明了復雜結(jié)構(gòu)井導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-探-抽”一體化精準防治技術(shù),研究了油型氣爆炸與巷道擴散規(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)了超前預測多機聯(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)和管理標準體系[32]。

1.4 礦井災害防治

“十三五”以來,礦井災害防治理論體系不斷完善,沖擊地壓防治、瓦斯災害防控、礦井水害防治、煤層自燃與火災防治、復合動力災害防控等關(guān)鍵技術(shù)取得歷史性突破,形成了以災害預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理論及技術(shù)體系,發(fā)明了系列巷道防沖吸能支護裝備,發(fā)明了沖擊地壓能量釋放與吸收監(jiān)測裝備[11]。

(2)瓦斯災害防治方面。論證了瓦斯含量法指標預測煤與瓦斯突出的科學性,發(fā)展了基于瓦斯含量法預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作用機理,發(fā)明了全過程監(jiān)測、多元信息融合的突出預警方法[37];創(chuàng)建了多尺度強湍流瓦斯爆炸動態(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。制訂和實施了有效的底板寒武灰?guī)r水害防治措施和地熱水利用方案[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)煤層自燃與火災防治方面。研發(fā)了基于熱-磁-電位復合異常響應的火區(qū)范圍初探技術(shù)與附帶導溫桿的紅外熱像測溫反演高溫點精探相結(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警決策體系,研發(fā)了適用于容易自燃復雜采空區(qū)下開采的風壓自動調(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、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)復合動力災害防控方面。應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害形成的機理[45];研發(fā)了雙系煤層開采水氣下泄災害預警系統(tǒng)和安全開采技術(shù)體系[46];界定了控制復合煤巖動力災害的“主控地質(zhì)體”概念,研發(fā)了基于聲發(fā)射和微震技術(shù)的復合煤巖動力災害微震預警新方法[47];研發(fā)了深部區(qū)采場礦壓控制技術(shù)系統(tǒng)、巷道支護輔助決策支持系統(tǒng)、采場礦壓預警系統(tǒng)、采空區(qū)煤自燃災害預測系統(tǒng)、綜采工作面綜合防塵系統(tǒng)等5 大系統(tǒng),實現(xiàn)了多災害數(shù)據(jù)開發(fā)與管理、海量數(shù)據(jù)壓縮保真及多災害智能預測與防控[48]。

除此之外,我國學者還走出國門服務孟加拉國煤炭資源安全開采,構(gòu)建了特厚煤層多災源安全開采模式,形成了極強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“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“一帶一路”建設(shè)做出重大貢獻[49]。

1.5 煤機裝備與智能化

“十三五”以來,煤炭行業(yè)綜采裝備、巷道掘進裝備、主要運輸裝備和輔助運輸裝備等實現(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。研制出能夠適應于7.2 m 厚煤層開采的MG1000/2540-GWD 型采煤機,研發(fā)了基于30CrNiMo 的中碳合金鋼高強度厚煤層搖臂,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 四柱支撐掩護式強力放頂煤液壓支架、20 000 kN 急傾斜強力液壓支架、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,研發(fā)出直角轉(zhuǎn)彎大功率重型刮板輸送機,形成了主要部件整體鑄造重型刮板輸送機制造技術(shù)[53-55]。在此基礎(chǔ)上,研發(fā)了適應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)巷道掘進裝備研發(fā)方面。制造了大功率全斷面自動截割成形遠控掘進機,發(fā)明了掘、支、運三位一體巷道掘進方法,開發(fā)了智能快速掘進成套裝備,形成了掘進、支護、運輸一體化智能快速掘進生產(chǎn)線[9]。

(3)主要運輸裝備研發(fā)方面。研制了6 000 m 超長運距低阻智能機頭集中驅(qū)動礦用帶式輸送機,發(fā)明了長距離大運力帶式輸送系統(tǒng)永磁電機直驅(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)的二維遠程故障預測診斷系統(tǒng),實現(xiàn)了大型提升機的智能化控制、無人化運行和遠程監(jiān)控[59-60]。

(4)輔助運輸裝備研發(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無軌膠輪車系列產(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、柴油機混合驅(qū)動單軌吊,全方位滿足煤礦輔助運輸需求;研發(fā)了無人駕駛礦用自卸卡車,實現(xiàn)了裝運排一體化運行作業(yè)。還研發(fā)了基于機器視覺的煤礦運輸節(jié)能與安全智能控制關(guān)鍵技術(shù),實現(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,開發(fā)出基于一體機的智能驅(qū)動綜采裝備,實現(xiàn)了煤炭開采裝備傳動技術(shù)升級換代[63]。

基于上述煤機裝備,我國煤炭智能開采格局初步形成。“十三五”以來,煤炭綠色開發(fā)與智能精準開采技術(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、采煤機記憶截割控制、刮板機智能控制、工作面集中遠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、不同煤層條件實現(xiàn)了智能安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)[64]。

(2)智能遠程管控研發(fā)方面。提出了智能化與遠程干預結(jié)合的綜合機械化采煤新模式,研發(fā)了綜采工作面采煤、支護、運輸?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)復雜系統(tǒng)的全流程信息協(xié)同系統(tǒng)平臺,實現(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];提出了煤礦機器人的分類方法,構(gòu)建了科學合理的煤礦機器人分類體系,規(guī)劃了不同種類、層次煤礦機器人的研發(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)模化應用,發(fā)布《5G+煤礦智能化白皮書》,倡議建設(shè)煤礦5G 應用生態(tài),引導煤礦科學有序開展5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè);實現(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)的軟件平臺和應用系統(tǒng),并在陽泉、大同、平頂山等礦區(qū)實現(xiàn)應用,初步實現(xiàn)了對智能化煤礦安全生產(chǎn)運營“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踐應用示范體系,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)實意義,也是貫徹落實“六?！惫ぷ鞯闹匾緩?。“十三五”以來,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)成功應用;發(fā)明了大型復合式干法分選技術(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,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、選擇性活性補充、結(jié)構(gòu)補強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),實現(xiàn)了蘭炭粉燃料無助燃穩(wěn)定運行,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。

(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)定運行。

(3)煤間接液化方面。根據(jù)費托反應的溫度不同,開發(fā)出3 種不同的工藝:①實現(xiàn)了超大型工業(yè)反應器放大設(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)化示范項目;③研發(fā)了高溫流化床費托合成催化劑YHFT?-C01 的制備工藝,并在國內(nèi)首套10 萬t/a 高溫費托合成工業(yè)示范裝置上成功應用。

(4)碳減排方面。習近平總書記在聯(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年前達到峰值,爭取在2060年前實現(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)境修復和礦井粉塵防治等方面取得了顯著的進展。

(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)明了瓦斯自適應混配和自回熱蓄熱氧化技術(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)了風排瓦斯引風技術(shù)、風排瓦斯與抽采瓦斯混配技術(shù)、遠距離安全輸送技術(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)明了兼顧煤礦通風安全與熱能高效提取的系列噴淋式礦井回風換熱器,開發(fā)了噴淋式礦井回風余熱利用成套裝備;研發(fā)了殼管式防結(jié)垢、防堵塞、強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)了高強度開采礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復與調(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、深層地熱資源利用等先進技術(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)境修復方面。發(fā)明了煤矸石山自燃污染控制與生態(tài)修復關(guān)鍵技術(shù)[78],構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)災害時空信息多尺度監(jiān)測技術(shù)體系,發(fā)展了高強度開采礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變鏈式響應理論和生態(tài)環(huán)境損害動態(tài)預警方法;研發(fā)了采煤沉陷區(qū)土壤重構(gòu)、植被恢復和區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)景觀再塑關(guān)鍵技術(shù),形成了能促進植物根系生長發(fā)育、抗拉傷能力強的微生物修復技術(shù),研發(fā)了集約化開采源頭減損與地表生態(tài)修復一體化技術(shù)[79]。

(6)礦井粉塵防治方面。揭示了機械化掘進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及細觀顆粒流擴散規(guī)律,揭示了巷道噴霧細觀降塵機制;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

經(jīng)過“十三五”期間的快速發(fā)展,煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新取得了長足的進步。同時,煤炭資源開發(fā)面臨著地質(zhì)條件復雜、采深逐年增加、災害頻發(fā)等多重壓力,資源采出率有待提高;2020年,全國煤礦采煤、掘進機械化程度已分別達到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、地熱等伴生資源利用率低;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。

當前,我國煤炭工業(yè)發(fā)展面臨著煤炭產(chǎn)能過剩與先進產(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)費投入強度達不到全社會平均水平,知識產(chǎn)權(quán)保護運用和標準引領(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的高質(zhì)量發(fā)展道路。

為實現(xiàn)煤炭科技自立自強、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)展目標是:到2025年,行業(yè)自主創(chuàng)新能力大幅提升,實現(xiàn)科技自立自強,產(chǎn)業(yè)重點領(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)新人才隊伍建設(shè)取得顯著成效,建成特色鮮明、產(chǎn)學研深度融合的行業(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;大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現(xiàn)智能化,實現(xiàn)井下重點崗位機器人作業(yè),露天煤礦智能連續(xù)作業(yè)和無人化運輸,建立煤礦智能化技術(shù)規(guī)范與標準體系;冒頂、火災、爆炸、沖擊地壓、水害、煤與瓦斯突出等災害防治能力進一步提升,工作面粉塵防治取得明顯成效,煤礦作業(yè)人員安全防護與職業(yè)健康保障更加完備,礦山應急救援體系與技術(shù)更加完善;大型煤機裝備、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)與軟件實現(xiàn)自主化;現(xiàn)代煤化工實現(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品、煤制芳烴、煤制乙醇等關(guān)鍵工藝技術(shù);煤轉(zhuǎn)化有機固廢和污廢水、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;減碳減量可行先進技術(shù)取得突破,實現(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)新重點任務

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

圖1 “十四五”科技創(chuàng)新主要任務框架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。重點研究煤系礦產(chǎn)資源精細勘查與生態(tài)地質(zhì)理論,時空變化條件下的礦井地質(zhì)精準探測及建模理論,面向礦井復雜環(huán)境的自適應感知理論,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,復雜條件下采掘設(shè)備群的協(xié)同控制理論,面向復雜礦井環(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)修復方法等;探索深部原位流態(tài)化開采的采動巖體力學理論和采礦方法。

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

(3)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化。重點研究原煤多尺度精細化深度分離與高效提質(zhì)基礎(chǔ)理論,微細粒難選煤分選過程強化基礎(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、煤礦災害防治、煤礦智能化與機器人、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、煤礦應急救援、資源綜合利用與生態(tài)保護10 個重點領(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,侏羅紀煤田地層沉積相與構(gòu)造控水機理,華北型煤田深部煤層底板巖溶水精準探查與防控方法,西南地區(qū)巖溶復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)災害精準監(jiān)測預警技術(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)及地面預注漿改性技術(shù),大型礦井井巷工程機械破巖全斷面鉆進技術(shù),超長定向鉆孔為基礎(chǔ)的斜井沿軸線凍結(jié)技術(shù),復雜地層大斷面斜井盾構(gòu)機掘進技術(shù),韌性為基礎(chǔ)材料的地層加固和薄噴支護技術(shù)等;研制千米豎井掘進機、千米反井鉆機、變徑巷道全斷面掘進機及掘進機機器人;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采技術(shù),復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)能預測評價方法,地面水平井工廠化抽采技術(shù),復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)煤礦災害防治。研發(fā)礦井通風系統(tǒng)災變狀態(tài)識別及控制技術(shù),突出礦井分級預警及高效防控減災技術(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)瓦斯爆炸災害預測預警預控技術(shù),近距離煤層群防滅火技術(shù),礦井爆炸災區(qū)殘存火源、頂板垮塌或突出瓦斯逆流等繼發(fā)性災害特征識別技術(shù),火區(qū)惰化短期有效性判別技術(shù),火災、突出、冒頂、沖擊地壓、瓦斯(煤塵)爆炸等多災害協(xié)同防治技術(shù),沖擊地壓智能預警與共性關(guān)鍵因素防控技術(shù),采掘工作面頂板水害精細控制疏水治理技術(shù),全空間水情水害智能精準監(jiān)測預警技術(shù),燒變巖區(qū)等特殊區(qū)域水害防治技術(shù),滑坡災害智能感知與早期識別技術(shù),千米深井強采動巷道圍巖大變形與破壞機理及長期穩(wěn)定性控制技術(shù)等。

(5)煤礦智能化與機器人。研發(fā)復雜地質(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)備導航技術(shù),輔助運輸系統(tǒng)連續(xù)化和無人化技術(shù),智能化無人快速掘進技術(shù),重大危險源智能感知與預警預報技術(shù),高可靠性智能裝備(終端)技術(shù),煤礦機器人路徑規(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),礦井機電設(shè)備在線監(jiān)測與診斷維護技術(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),微細粒難選煤泥強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),礦井高溫熱害高性價比防治技術(shù)及個人防護裝備,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)煤礦應急救援。研發(fā)礦山災害救援信息化技術(shù)與智能決策系統(tǒng),礦山應急救援通訊技術(shù)裝備,災后救援快速自組網(wǎng)技術(shù)裝備,礦災應急救援智能專業(yè)服務機器人,復雜環(huán)境水陸兩棲偵檢機器人,災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),礦山應急救援綜合培訓演練系統(tǒng)等。

(10)資源綜合利用與生態(tài)保護。研發(fā)礦區(qū)水環(huán)境保護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)與維護技術(shù),共伴生礦產(chǎn)資源和稀貴關(guān)鍵元素無害化利用技術(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),重點推進煤礦井巷全斷面快速掘進、復雜地質(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)修復等10 項重大技術(shù)創(chuàng)新示范。

(1)煤礦井巷全斷面快速掘進示范。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機、豎井鉆機、全斷面巖巷掘進機與后配套運輸及支護裝備,形成井巷結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和技術(shù)標準體系,開發(fā)遠程可視化掘錨支監(jiān)控平臺,滿足掘進直徑5.0～10.0 m 豎井、斜井、巷道需求,綜合掘進速度達到200～300 m/月、作業(yè)人員減少40%的目標,構(gòu)建煤礦硬巖井巷智能快速掘進示范工程。

(2)復雜地質(zhì)條件煤層智能綜采示范。針對復雜地質(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,實現(xiàn)不同地質(zhì)條件的智能綜采和快速掘進、智能主運輸和連續(xù)化輔助運輸、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,研制大運量帶式輸送機組、自移式破碎站、自動穿孔爆破設(shè)備、大容量輪斗挖掘機、柴油發(fā)動機重型運輸卡車、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、跳汰機、旋流器、振動篩、浮選機、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、甲烷化反應器、大型高壓壓縮機等關(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;選擇地熱資源豐富的廢棄礦井,研究地熱資源反季節(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),實現(xiàn)地熱資源利用;推進廢棄礦井地下倉儲、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)修復示范。以華北、華東、西北等大型礦區(qū)采煤沉陷區(qū)土地損毀與生態(tài)修復為主,創(chuàng)建大型礦區(qū)生態(tài)修復示范工程。研究應用采煤沉陷區(qū)建筑群建設(shè)技術(shù),復墾土壤重構(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、植被恢復、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)修復模式。

(10)煤炭產(chǎn)品質(zhì)量精準調(diào)控示范。以滿足動力煤、化工用煤、煉焦煤等消費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)、精準配煤以及數(shù)據(jù)分析平臺,貫通生產(chǎn)端和消費端的數(shù)據(jù)鏈條,推動煤炭生產(chǎn)過程的智能調(diào)控和節(jié)能,通過精準供給為生產(chǎn)端低碳化提供更有力的支撐。

3.4 先進適用技術(shù)推廣

“十四五”期間,大力加強先進適用技術(shù)推廣,促進科技成果規(guī)?；D(zhuǎn)化應用。

(1)煤礦地質(zhì)保障方面。重點推廣高精度高密度全數(shù)字三維地震勘探、復雜地質(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、掘進巷道超前定向長鉆孔探查等先進適用技術(shù)。

(2)現(xiàn)代化礦井建設(shè)方面。重點推廣“一擴成井”軟巖地層鉆井法鑿井、導井豎井掘進機鑿井、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)等先進適用技術(shù)。

(3)煤炭綠色高效開采方面。重點推廣掘支運一體化全斷面巖巷掘進、無煤柱自成巷110/N00 工法、直角拐彎大功率重型刮板輸送機、礦用新能源防爆無軌膠輪輔助運輸?shù)认冗M適用技術(shù)。

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

(5)煤礦安全方面。重點推廣煤礦水害區(qū)域治理地面超前注漿加固、礦井通風智能決策與遠程控制、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監(jiān)測預警等先進適用技術(shù)。

(6)煤炭加工與清潔利用方面。重點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適用技術(shù)。

(7)資源綜合利用與生態(tài)保護方面。重點推廣采煤沉陷區(qū)土地復墾與農(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、煤礦礦井水深度處理、礦井乏風源和礦井水源余熱綜合利用等先進適用技術(shù)。

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

4 結(jié) 論

(1)面對“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標,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,大力推廣應用煤炭清潔生產(chǎn)、低碳利用和高效轉(zhuǎn)化技術(shù),加強開發(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)展應堅持目標導向和問題導向,以現(xiàn)代化煤炭開發(fā)利用技術(shù)體系構(gòu)建為目標,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。