我国煤矿科学开采技术的新进展

范 建，于健浩

(1.北京科技大学，北京 100083；2.天地科技股份有限公司，北京 100013;3.煤炭科学研究总院 开采设计分院，北京 100013;4.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

我国煤矿科学开采技术的新进展

范 建1，2，于健浩2,3,4

(1.北京科技大学，北京 100083；2.天地科技股份有限公司，北京 100013;3.煤炭科学研究总院 开采设计分院，北京 100013;4.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

阐述了我国煤矿实现科学开采的重要性及科学开采的内涵，总结了自身企业科学开采的技术进展，包括难采煤层安全高效开采技术、巷道安全高效掘进支护成套技术、绿色开采技术等。从煤炭行业自身出发，分析了科学开采技术应用存在的问题，得出制约科学开采发展、阻碍先进技术装备推广应用的3个主要因素，即初期投入大，企业难以承受；行业规范缺失，监管力度不足；煤炭开采的负外部性。最后有针对性地提出了促进科学开采技术发展的几点建议。

科学开采；技术进展；安全高效；制约因素

煤矿开采在我国一次能源的供给中起着举足轻重的作用，源源不断的煤炭供应为我国经济发展提供充足动力。冶金建材等重点煤炭消耗行业对煤炭的依赖决定了我国能源结构中煤炭所占比例在未来几十年内仍将处于主导地位。但随着我国主体产业的逐步转型和能源战略的调整，中国逐渐由高能耗、高污染的经济发展模式向符合中国特色的低碳环保型经济模式探索转变，作为中国最主要的一次能源的生产企业——煤矿，经过十几年快速增长，产能的过快释放造成煤炭产量的供过于求，煤炭价格持续走低，煤炭滞销，部分煤矿停产整顿甚至倒闭，同时煤矿生产安全及生态环境保护形势依然严峻，因此在保证生产安全和保护生态环境的前提下实现煤炭高效高采出率开采成为关键，即实现煤矿的科学开采。

1 科学开采的内涵

上世纪90年代，科学开采概念首次提出，但只针对于矿产资源的综合开发和利用，并未对其内涵、理论进行详细阐述和论证。2008年钱鸣高院士结合我国煤炭行业的具体情况正式提出了科学开采概念[1-3]，论述了科学采矿的含义及实现科学采矿所需的必要性和前提条件，为我国煤炭行业的健康发展指明了道路。谢和平院士、王金华、申宝宏等人就科学开采内涵进行了深入阐述[4]，并对煤矿科学开采的4个重要理念——安全开采、高效开采、绿色开采和经济、社会协调可持续开采进行了详细论述。王家臣教授从科学开采的关键技术出发，解释了厚煤层开采、煤机制造、充填开采、自动化开采与远程控制、煤与瓦斯共采、土地复垦与植被再造等技术进步对发展科学开采的现实意义[5]。王社平、刘建功等人结合自身企业特点，从安全保障、集约高效、绿色生态开采等角度，寻求技术突破，探索科学开采实践[6]。由以上观点可以看出，煤矿科学开采是在维护生态环境、保证资源可持续开发利用的前提下，安全高效地回收煤炭资源，要实现这一目标，必须依赖于开采技术的创新与发展。

2 煤矿开采技术的新进展

随着煤矿科学开采体系的不断完善和科学开采技术的创新发展，越来越多的煤矿基于自身技术特点，探索适合的科学开采之路。作为我国煤炭行业最为重要的研究机构——天地科技股份有限公司，依托强大的科研实力和现场技术项目，研发和实践科学采矿关键技术，在难采煤层安全高效开采、巷道安全高效掘进支护成套技术、绿色开采等领域取得突破，获得大批具有国际领先水平的应用研究成果，为我国煤矿实现科学开采、寻求技术进步奠定了技术基础。

2.1 难采煤层安全高效开采技术

在常规煤层安全高效开采技术的基础上，与煤炭企业合作，推陈出新，针对难采煤层——薄煤层、特厚煤层、急倾斜煤层赋存特点，研发了薄煤层自动化综采成套技术装备、特厚煤层大采高综放开采成套装备与技术、急倾斜薄煤层刨运综采机组，解决了难采煤层产量低、设备稳定性差、安全性差等诸多问题，为难采煤层实现科学开采提供技术装备支持。

(1)薄煤层安全高效自动化综采成套技术装备 我国薄煤层储量巨大，但由于作业空间狭小、通风困难、开采技术难度大，长期以来被大量弃采。天地科技股份有限公司与多家煤炭企业合作，针对薄煤层赋存特点及煤矿技术要求，开发了基于滚筒式采煤机的薄煤层开采成套技术装备[7]，对于开采各类薄煤层具有较强的适应性。薄煤层综采成套装备主要由薄煤层滚筒采煤机、矮型刮板输送机和液压支架组成，如图1所示。研发了一系列矮机身薄煤层大功率采煤机及大伸缩比薄煤层液压支架[8]，并集成研发了薄煤层工作面成套装备自动化控制系统，实现了采煤机、液压支架、刮板输送机远程联动控制，保证了工人作业安全。仅MG100/ 238-WD型采煤机就在枣庄煤业集团公司、贵州盘江精煤有限公司、攀枝花煤业(集团)有限公司、山东里彦生建煤矿、内蒙乌海煤焦化、山东淄博矿业集团公司等多家单位应用并取得了良好效果。

图1 滚筒式薄煤层综采机组

(2)特厚煤层大采高综放开采成套技术及装备 分别针对特厚煤层整层综放开采存在割煤高度大、煤壁易片帮、顶煤厚度大、冒放性差、“低瓦斯赋存，高瓦斯涌出”等诸多技术难题，研究了相应的防治技术，包括控制开采速度、提高支架初撑力、提高支架护帮能力的片帮综合防治技术；一刀一放，多轮间隔顺序多口放煤工艺；以顶板高抽巷为主的大采高综放工作面瓦斯综合治理技术[9]。同时对相关装备进行研发，研制出5.2m大采高综放液压支架、大采高综放液压支架高效放煤机构、高效高可靠性电牵引采煤机、大采高综放后部刮板输送机、刮板输送机电液控制自动伸缩机尾、大运量长距离工作面巷道带式输送机等关键装备[10]，并在同煤塔山煤矿现场应用，达到平均开机率92.1%、煤炭采出率88.9%、平均月产904kt、年产突破千万吨的骄人成绩，实现了千万吨级综放工作面技术装备国产化。

(3)急倾斜薄煤层综采刨运机组 天地科技股份有限公司开采设计事业部采矿技术研究所联合川煤集团攀枝花煤业公司，在深入研究急倾斜薄煤层赋存条件及已有技术设备的基础上，研发了急倾斜薄煤层综采刨运机组，如图2所示。

图2 急倾斜薄煤层综采刨运机组

该机组由液压支架及刨运机组成，刨运机梁上的刨头在作业时往返切削煤壁，实现落煤[11]。对原有采煤工艺进行改进，该机组可沿工作面倾向布置，走向推进，由于倾角较大，刨落的煤炭能够依靠自重或由刨头带动运出工作面，省去了输送机。研发了电气与液压控制系统，在落煤时，无需司机跟机作业。同时支架配有独立的防倒、防滑、斜挡拉装置，可以有效地避免机组下滑[12]。2013年在攀枝花煤业太平煤矿进行工业性试验，应用情况良好，能够适应煤层倾角70°左右的煤层开采，月产量达到15000t，实现了急倾斜薄煤层安全高效开采，为类似条件矿井实现科学开采提供借鉴。

2.2 巷道安全高效掘进与支护成套技术

随着煤炭产能的不断提高，矿井的生产规模逐步扩大，特大断面巷道、高地应力巷道、软岩的支护难题逐渐显现，这对巷道掘进和支护技术提出了更高要求。天地科技开采装备技术研究所在深入研究煤岩破碎机理和高效截割理论的基础上，研制出轨道式锚杆钻臂大断面煤巷掘进机、抗冲击大载荷新型回转机构，实现了掘进与支护一体化作业；并针对深部开采工作面端头矿压显现强烈、来压持续时间较长的特点，研制出强矿压冲击工作面巷道超前支护系统和工作面端头巷道“O”形支架[13]，解决了工作面端头及巷道支护难题。

巷道矿压与支护技术研究所经过多年研究探索和工程实践，开发出煤矿巷道锚杆支护成套技术体系，采用高预应力、高韧性、强力支护技术[14]解决了极软岩巷道、深部开采沿空留巷的支护问题；提出煤岩体地质力学快速测试方法，开发出相关成套仪器，解决了煤矿井下地质力学参数快速测试难题，为煤矿巷道提供了安全、高效的支护方式。

2.3 绿色开采技术与装备研发

多年高强度、低采出率开采使许多矿井煤炭资源几近枯竭，“三下”压煤等难采煤层逐渐成为这些矿井的主采煤层，因此，“三下”压煤开采成为其维持矿井产量、延长矿井服务年限的技术发展方向。“三下”压煤开采是绿色开采体系的重要分支，包括保水开采技术、土地与建筑物下充填与条带开采技术等。随着新型充填材料的不断研发和充填技术的日趋完善，充填开采逐渐成为解决“三下”压煤开采的关键技术。特殊采煤与矿区环境治理研究所将充填开采作为核心业务，成功研制出多种充填材料和充填支架设备，提出宽条带充填全柱开采、风积砂膏体充填保水开采、高水膨胀材料条带充填开采等绿色开采理念[15-18]，并在多个矿井得到实际应用，为矿区综合减沉、“三下”压煤开采、地表移动与岩层控制等方面做出重要贡献。

3 科学开采面临的问题与建议

3.1 制约科学开采技术发展的因素

采矿技术的进步为煤矿实现科学开采奠定了基础，安全高效开采技术提高了开采难采煤层的机械化程度，降低了工人劳动强度和安全风险，开采效率也得到大幅提升；巷道安全高效掘进与支护成套技术保证了掘进作业及巷道安全；绿色开采技术的发展成为解决地表沉陷、维护矿区资源环境协调发展、提高矿井资源综合回收利用的关键动力。然而目前在我国，这些技术的推广应用受到了诸多因素的制约，不能得到很好地应用推广，概括起来有如下几点：

(1)初期投入大，企业难以承受 较高的开发研制成本及材料成本致使成套技术装备造价昂贵，技术改造一次性投入资金巨大，绝大部分中小煤矿无力负担，随着煤价的持续走低，许多大中型煤矿利润下跌甚至亏损，资金问题成为制约技术装备革新的最大障碍。

(2)行业规范缺失，监管力度不足，阻碍先进技术有效推广 我国煤炭行业现行规章制度不尽完善，部分规范过于空泛，管理部门存在监管漏洞，致使一些煤矿管理者只关注短期利益，依然坚持粗放式开采，不注重技术更新及设备换代，造成资源浪费和安全隐患的同时也给企业的长期健康发展带来不利。

(3)煤炭开采的负外部性 煤炭资源的开发利用势必对生态环境产生影响，造成土地、水资源、植被等环境要素的破坏。如今我国生态环境资源恢复补偿机制尚不健全，煤矿开采破坏环境的“违法”成本较低，煤炭企业只管生产而不愿为生态环境破坏买单，导致绿色开采技术无法得到真正意义上的推广应用；此外，煤炭产品的质量取决于煤炭形成过程中的沉积环境和变质程度，而非开采技术水平，这也是先进开采技术无法得以大范围推广的重要原因。

3.2 促进科学采矿发展的建议

(1)发挥政策导向作用，鼓励煤炭行业创新技术的研发与推广。政府的方针政策是促进行业进步、明确前进方向的主要动力，应充分发挥行业战略政策的导向作用，鼓励技术创新和科研成果产业化，对于困难企业适当给予资金支持促使技术进步，积极引导煤炭行业新技术、新装备的研发和推广使用。

(2)提高执行监管力度，完善煤炭行业规范标准。提高煤炭行业规范的执行力和监管水平，完善行业规范和标准，同时调动企业自身主管能动性，扩展其探寻科学采矿技术的思路和渠道，提升先进开采技术及装备的应用水平。

(3)构建完善的煤炭行业生态环境恢复补偿机制。基于煤炭行业特点，建立健全相关的环境资源恢复补偿机制，分类细化补偿范围、途径、方式及标准[19]，提高煤炭企业的“违法”成本，使其更倾向于采用对生态环境破坏程度较低的开采模式，降低煤矿开采的负外部性，保护环境的同时也能够促进绿色开采技术的应用进步，实现煤炭行业良性健康发展。

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[5]王家臣. 煤炭科学开采的内涵及技术进展[J]. 煤炭与化工，2014(1)：5-9.

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[责任编辑：邹正立]

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，高级经济师，北京科技大学在读博士研究生，天地科技副总经理兼董事会秘书。

范 建，于健浩.我国煤矿科学开采技术的新进展[J].煤矿开采，2014，19(5)：4-7.

TD821

A

1006-6225(2014)05-0004-04