创新煤炭安全高效开发技术支撑特大型矿井建设

宁 宇

（中国煤炭科工集团有限公司,北京 100013）

创新煤炭安全高效开发技术支撑特大型矿井建设

宁 宇

（中国煤炭科工集团有限公司,北京 100013）

煤炭是我国的基础能源,特大型矿井的建设和开发是提高产业集中度,保障煤炭稳定供给的主要途径。从分析我国特大型矿井的建设现状和趋势入手,在总结“十一五”以来煤炭高效开发技术与装备取得成就的基础上,提出了未来特大型矿井建设的科技需求与趋势。

煤炭;高效开发;掘进;矿井建设

2009年我国煤炭产量和消费量分别为 3.05Gt和 3.02Gt,2010年分别达到 3.24Gt和 3.12Gt,分别占一次能源生产和消费的 77.8%,69.6%和77.3%,68.6%。受资源禀赋条件的限制,我国在未来相当长一段时间内以煤为主能源结构难以改变。据预测,到 2015年我国煤炭需求将达到 3.8～4.0Gt。因此,煤炭的稳定供给直接关系到我国的能源安全和国民经济与社会的快速发展。

1 建设特大型矿井,提升安全高效矿井生产水平

保持煤炭的稳定供给,实现煤炭工业的安全、高效、可持续发展,首要任务是解决产业集中度过低的问题,只有通过加大特大矿井建设,才能有效带动安全高效矿井建设和发展,提高矿井生产规模、生产效率和安全生产保障能力。《煤炭工业发展“十一五”规划》提出要以煤炭整合、有序开发为重点。对中小煤矿实施整合改造,实现资源、资产、技术、人力等生产要素的整合和重组。在大型煤炭基地内,一个矿区原则上由一个主体开发,推进企业整合。鼓励大型煤炭企业整合重组和上下游产业融合,提高产业集中度。形成 6～8个亿吨级和 8～10个 5000万吨级大型煤炭企业集团,煤炭产量占全国的 50%以上。

2005年以来,随着 14个大型煤炭基地的建设及产业结构调整的加快,国有重点煤矿生产能力占全国年产量的比例逐渐提高,安全高效矿井的生产能力和发展水平得到进一步提高。从 2003年的47.11%增长到 2008年的 50.12%,增长了3.01%;2010年,全国 14个大型煤炭基地产量占全国煤炭产量的 87.5%。国有重点煤矿采煤机械化程度不断提高,从 2003年的 81.47%增长到2008年的 89.97%,增长了 8.5%;国有重点煤矿百万吨死亡率大幅下降,从 2003年的 1.07下降到2009年的 0.044,已经达到或接近发达国家水平;我国煤炭行业的产业集中度、生产效率、机械化水平低,安全状况差的局面得到基本改善,同时提高了煤炭行业国际竞争力。

2 我国特大型矿井建设的现状和趋势

“十一五”期间,随着技术与装备的发展和进步,我国特大型矿井建设突飞猛进。据中国煤炭工业协会统计,截止 2009年底,全国已建成安全高效矿井 （露天）359处,产煤 1.017Gt,占当年全国总产量的 34.2%,安全高效矿井采煤机械化程度达到 90%以上,综采程度达到 85%以上。大型煤炭企业集团快速发展壮大,2009年原煤产量超过 0.1Gt的企业有 2家,原煤产量为 0.396Gt,占全国煤炭产量的 14.4%。原煤产量达到 10Mt以上的企业 36家,原煤产量 1.376Gt,占全国原煤产量的 50.05%,其中年产 50Mt以上企业 7家,年产 40Mt以上企业 9家。

《煤炭工业发展“十二五”规划》指出煤炭生产将以大型煤炭企业、大型煤炭基地和大型现代化煤矿为主,基本形成稳定供应格局,到 2015年,形成 10个亿吨级、10个 5000万吨级特大型煤炭企业;全国煤矿采煤机械化程度达到 75%以上,千万吨级煤矿达到 60处;重特大事故大幅度减少,安全生产形势明显好转。

3 依靠科技,提升特大型矿井建设科技支撑能力

我国安全高效矿井的建设是随着采煤技术的变革而逐步发展起来。综合机械化采煤技术经历了摸索探讨、规范发展和提高推广等阶段,特别是 20世纪 80年代以来,综采、综掘等技术装备的升级,厚煤层一次采全高、特厚煤层大采高综放开采,薄煤层全自动化开采等技术装备的突破,矿井提升、运输和装车自动化、全矿井自动化等信息化技术的推广应用,有效支撑了我国特大型矿井建设和发展。

3.1 厚煤层综采技术与装备

依托国家科技计划项目和现场工程实践,突破了厚煤层综采关键技术,研制出了一批适应我国煤矿条件的厚煤层综采装备,关键元部件、设备的成套性有了重大创新,整体达到国际先进水平。如功率 1800kW以上的大功率电牵引采煤机,最大装机功率可达 2505kW,最大采高 6.3m,生产能力2500～3500t/h,具有位置检测和信息网络自动化控制功能;大采高强力液压支架最大支护高度可达6.4m、最高工作阻力 13000kN、加载循环超过50000次,并研制了具有自主知识产权的电液控制系统,实现了双向邻架自动控制和成组顺序控制,移架速度达到 6～8s/架;工作面刮板输送机铺设长度可达300m以上、总装机功率可达 3×1000kW、运量超过 3500t/h,并成功攻克了大功率传动、工况监测监控、高强度铸焊结合中部槽等技术难关;胶带输送机实现了大运量长距离输送,最大运距可达7km、最大运量可达 7000t/h,并在液压自动储卷带、高度低阻托辊等技术上实现创新。目前采用国产成套综采装备的工作面年产量已达到 6Mt,以进口采煤机配套国产液压支架、刮板输送机和大运量带式输送机的综采工作面年产量已超过 10Mt。

在国产厚煤层综采成套技术与装备方面,典型代表为煤科总院、神华集团、中煤装备公司等单位完成的国家发改委十大装备研制专项之一 “年产600万吨大采高综采成套技术与装备”,该设备在神东矿区万利一矿进行井下工业性试验,2007年工作面单产达到了 7.62Mt,单台设备开机率均达到 95%以上,回采工效达到 398.9t/工,2008年年产量达到了 10.25Mt,实现了我国国产成套大采高装备的飞跃。在关键元部件上,自主研发了采煤机高强度摇臂、147mm节距高强度“齿 -销”传动系统;刮板机 φ48×152mm刮板链、整体铸焊式中部槽;液压支架 φ420mm大缸径立柱和液压支架电液控制系统,目前 80%左右的国产液压支架全部应用国产电液控制系统。

3.2 厚煤层综放开采技术与装备

“十五”期间兖州矿业集团兴隆庄煤矿 “600万吨综放工作面设备配套与技术研究”创造世界上综放开采单产、工效和采出率 3项最高记录,且“两柱式”综采放顶煤液压支架成功出口澳大利亚。2008年,平朔安家岭二号 300m综放工作面创造了日产 54.1kt、月产 1.18Mt、年产 10.39Mt、人员工效 450t/h的全国综放纪录。目前,配套全部国产装备综放工作面可实现年产 6～8Mt。潞安矿业集团屯留煤矿采用国产 ZF7000/19.5/38型液压支架,最高日产 24.2kt,最高月产 185.9kt,平均采出率达 90%。2005年潞安矿业集团王庄煤矿采用成套国产放顶煤装备,年产量达到 6.08Mt。

3.3 薄煤层开采技术与装备

在薄煤层开采方面,目前已自行研制出最低高度 0.67m的薄煤层液压支架,可以满足 1.0m左右薄煤层的开采,开发了适用于薄煤层的刮板输送机,基本满足了中硬以下薄煤层开采需求。大同煤矿集团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型采煤机,配套国产支架与输送机,2003年在晋华宫矿实现了年产原煤超1Mt。枣庄煤业集团与辽源煤机厂等单位合作,采用MG200-BW2型采煤机配套 ZY2400/08/19液压支架、SGZ630/220输送机,实现最高日产3.504kt,平均月产 89.636kt,创出了滚筒式薄煤层综采年产百万吨的新水平。2008年 10月,平顶山六矿采用MGTY250/600-1.1D采煤机、SGZ-764/500刮板机、ZY5000-1.45/3.0D液压支架等全套国产装备,实现了工作面无人跟机作业。

3.4 掘进技术与装备

在掘进技术与装备方面,我国中型掘进机发展日趋成熟,重型掘进机大批出现,已能够独立研制截割煤层坚固性系数 f≤8、机重 60t左右、截割功率 160～220kW的重型掘进机。配合巷道锚杆锚索支护新技术,显著提高了巷道掘进施工的机械化水平和成巷速度。

此外,矿井建设方面,特殊凿井技术、大直径反井钻井技术、煤巷综掘技术及装备、锚喷支护技术等取得突破性进展。特殊凿井法穿过冲积层厚度最大达 587m,最大冻结深度 737m;钻井法最大钻凿成井深度达 660m,最大钻井直径为 10.3m;注浆技术已从注浆材料的 “水泥时代”进入了 “黏土时代”,井筒地面预注浆最大深度达到 1048m。大直径反井钻机研制成功,实现了煤矿风井井筒施工技术的突破。反井钻机一次扩孔成井,反井钻井深度达到 500m,最大扩孔直径达到 5m。在短壁机械化开采方面,研制出连续运输系统、连续采煤机、行走液压支架、四臂锚杆钻机、铲车、梭车等一系列设备,在性能和技术参数方面已接近国际先进水平,某些技术指标和结构性能甚至超过同类引进产品。

4 特大型矿井建设的科技需求与趋势

近年来在国家支持和扶持下,煤矿特大型矿井建设的技术和装备得到快速发展,依托自主知识产权的技术建设了一批具有国际先进水平的现代化示范矿井。我国大型安全高效矿井建设面临着地质条件复杂,地质灾害呈多样性的趋势;国产成套装备研制取得显著成效,但在关键元部件如采煤机记忆截割、故障诊断,刮板输送机软启动,带式输送机多机功率等方面还依赖进口,需要运用创新思维进一步提升自主研发能力。

此外,还需在液压支架、采煤机等设备关键元部件的材料、加工工艺等方面进行攻关,进一步提高设备的可靠性。

4.1 矿井建设与巷道掘进

在矿井建设施工方面,煤炭开发已向西部转移,西部煤矿特点是生产规模大、斜井多、井筒直径大,地层为弱胶结、不稳定。已有特殊凿井技术不能完全适应西部地层条件,特别是斜井冻结技术尚属空白。需要研究斜井冻结技术、软岩钻进技术,以及竖井掘进机井筒机械化建井技术,满足大直径矿井快速建设的需要。

随着矿井规模和工作面单产的进一步提高,大批千万吨现代化矿井的建设,提出了生产能力大、掘进效率高的大断面重型掘进机的需求。且因成巷速度的需求,对掘锚一体化作业效率提出了更高要求。为加快岩石巷道掘进速度,需开展岩巷全断面综合掘进机、钻爆法快速掘进关键装备、硬岩截割技术、巷道掘进粉尘控制技术在内的岩石巷道快速掘进技术及装备研究。

4.2 煤矿开采技术与装备

高效集约化矿井建设是煤炭工业的发展方向,是我国采用高新技术改造传统产业、振兴煤机装备制造业的重大举措。我国目前高端采掘设备在可靠性、自动化监测监控和生产效率等方面与国外产品还存在较大的差距。此外,我国小煤矿众多,但机械化程度普遍偏低;大型露天矿设备主要依赖进口,急需提高设备的国产化速度。

需开展综采装备关键元部件材料、工艺和系统的匹配、成套设备的可靠性和自动控制、软启动和快速搬运装备、深部矿井围岩控制与巷道掘进、支护技术、新型高能量蓄电池、大功率防爆柴油机等关键元部件攻关。

我国传统露天开采工艺较为落后,大型装备国产化程度低,煤炭资源开发与环境的不协调现象严重,急需对大型露天煤矿连续、半连续采煤技术及大型装备、生产智能监控与决策系统和边坡灾害控制技术与装备进行深入的研究。

“十一五”科技支撑计划“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备研发”项目在大同塔山矿已完成工业性试验,项目研制出了适应采放高度14～20m特厚煤层综放开采成套技术与装备,工业性试验 3个月工作面推进 463m,最高日推进量8m,累计出煤 2.738Mt,最高日产量达到 39.4kt,具备年产千万吨的能力。在综放工作面及巷道自动化控制以及含厚层不均匀夹矸厚煤层大采高综放支架等仍需进行攻关。

此外,在短壁机械化开采技术与装备、辅助运输装备、薄煤层及难采煤层机械化开采方面均需加强科技攻关,实现煤炭工业的可持续健康发展。

5 结束语

煤炭是我国的能源基础,以煤为主体的能源结构相当长一段时期内不会改变,为保障国家经济发展对能源的需求,大型矿井的建设和煤炭工业可持续健康发展的实现,煤炭科技工作者要不断努力,从而提高我国煤炭科技的现代化水平。

[1]中国煤炭工业协会 .煤炭工业信息 [R].2010-10,2011-1.

[2]中国煤炭学会岩石力学与支护专业委员会 .中国煤炭工业可持续发展的新型工业化之路 [M].北京:煤炭工业出版社,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

宁 宇 （1956-）,男,河北乐亭人,博士,研究员,中国煤炭科工集团有限公司副总经理。

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[责任编辑:施红霞 ]