固体煤炭资源流态化开采教学模型

【摘要】本文设计了一套固体煤炭资源流态化开采的教学模型，介绍了该模型的基本结构与功能，实现了固体煤炭资源流态化开采全过程的真实模拟和演示。该模型有助于学生理解固体煤炭资源流态化开采全过程及运行机理，有助于培养学生积极探索的精神和应对新问题的能力。

【关键词】煤炭  流态化开采  教学模型

【基金项目】国家自然科学基金项目（52009131，52142302）;中国矿业大学（北京）2021年本科教育教学改革与研究项目——提升创新能力培养的《采矿概论》课程教学方法研究（J211105）;中国矿业大学（北京）2021年研究生课程思政建设项目（YKCSZ202100101B）。

【中图分类号】TD-05   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2022）03-0196-03

1.引言

能源与资源的开发利用是人类文明进步的基础，煤炭作为能源资源的主体构成部分，支撑着我国经济与社会的发展。然而，随着人类对煤炭的持续开采利用，地球浅部煤炭资源已逐渐趋向枯竭，煤炭资源开发需要不断走向地球深部，千米级矿井开采将成为常态。习近平主席于 2016年5月强调指出：“当前，国家对战略科技支撑的需求比以往任何时期都更加迫切……从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下10000 m，目前，世界先进水平勘探开采深度已达2500～4000 m，而我国大多小500 m，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”因此，向地球深部要资源已上升为国家战略需求，对煤炭开发利用进行变革已势在必行[1]。

向地球深部进军是我国和全球未来的必然趋势，国家正在启动的面向2030国家重大科技项目“地球深部探测”提出深地科学钻探深度将突破13000 m，深部资源开采目标为油气10000 m、地热6000 m、固态资源3000 m。特别是高效开采2000 m以深的煤炭资源，必须突破现有的开采方法、理论和技术，研究深部资源开采理论与技术。基于目前勘测结果，结合岩石力学实验与力学理论分析，6000 m以深的岩体基本处于三向等压状态，深部岩体进入全范围塑性流变状态，岩层运动、围岩支护、灾害预警与防治等将难以控制，现有的固体矿物资源的开采方式将难以适用于6000 m以深。但是，石油、天然气等流态型油气资源，目前采用流态化开发的方式使得开采深度已超过7500 m，采用钻机下井，人不下井的方式，通过压差流态传输至地表，与深地固体矿物资源现有开采方式有本质区别[1]。

基于此，谢和平院士2014年6月在中国工程院国际工程科技大会上首次提出的新的资源与能源开采方式的变革，目前已初步形成了煤炭深部原位流态化开采的技术框架，明确了深部固态矿产资源流态化开采的目标，即实现对深地固态资源采、选、冶、充、电、气、热的原位、实时和一体化开发，颠覆传统的固态资源开发的开采模式、运输模式和利用模式;引领矿产资源开采技术革命，实现固态矿产资源开采深度上的突破，为我国可采资源总量翻一番提供技术支撑[2-7]。

流態化开采是指将深部固体矿产资源原位转化为气态、液态或气固液混态物质，在井下实现无人智能化的采选充、热电气等转化的开采技术体系[1-12]（图1）。该技术突破了固体矿产资源临界开采深度的限制，使深地煤炭资源开采可以像油气开发那样实现“钻机下井，人不下井”、依靠压差作用进行开采，从根本上颠覆固体资源的开采模式。实现深地煤炭资源的流态化开采，关键在于要去探索深地井下采、选、充、气、电、热的一体化无人、智能采掘与转化系统，通过无人作业、智能采掘、原位转化、高效传输等颠覆性技术，实现将深地固体资源气化、液化、电气化等系统的流态化开采。原位流态化开采可以改变目前矿业领域生产效率低、安全性差、生态破坏严重、资源采出率低、地面运输/转化能量损耗大等一系列问题，实现深部煤炭资源开采理念与模式的变革。

基于此，中国矿业大学（北京）能源与矿业学院设计了固体煤炭资源流态化开采教学模型。本文详细介绍了固体煤炭资源流态化开采教学模型的基本结构与功能，实现了固体煤炭资源流态化开采全过程的真实模拟和演示。

2.模型结构与功能

2.1整体设计

固体煤炭资源流态化开采教学模型的整体设计如图2所示，通过全新高效、安全、可靠、无人、智能化的全断面盾构方式巷道掘采工艺，实现盾构机采掘设备与智能移动选煤舱、煤炭快速液化舱、减沉协同自适应充填系统的统一，实现煤炭采、充与转化的实时、协同运转。通过新型支护推进方式的盾构机，有效实现采掘煤岩、输送渣土、支护巷道、导向纠偏、一次断面成型以及采、掘、运、支护一体化等多功能一体化的掘进设备，实现多种功能的高效集成。盾构机掘采设备需要完成智能移动选煤舱、煤炭快速液化舱、减沉协同自适应充填等多种功能一体化集成设计，实现结构紧凑、功能完善，实现采、掘、运、支护一体化。

流态化开采的盾构机类似蚯蚓的结构（图3），可以拆卸和重新组装，以适应巷道掘进和煤层开采的不同。图4为煤层掘进的采掘部分，该模块为蠕虫状自由弯曲结构，由多个功能模块组成，以满足独立操作和隧道挖掘的需要。各功能模块通过可拆卸的柔性组件连接，在开挖过程中，柔性组件可以进行转弯、沿倾斜煤层上坡和下坡运动。这些柔性组件将不同的功能模块连接起来，形或适合于煤层掘进的采掘部分。

深部煤层的智能、无人开采需要在地面搭建无线遥控平台，对流态化开采设备的运行和工作状态进行管理和监控。流态化开采设备的每个功能模块都安装了一个电动驱动器，允许模块根据远程监控平台接收到的指令独立向前或向后移动。流态化开采设备的柔性组件使用高强度和高韧性材料制造，以确保功能模块之间的安全连接。这也使得流态化开采设备可以随时调整其轨道，以便转弯、上坡和下坡，从而促进其适应复杂的地形结构。

2.2 掘进部分

煤巷掘进部分主要包括一个采掘模块（配备了一个刀盘和一个微波辐射装置）和一个支护模块。采掘模块主要用于岩石破碎和挖掘。紧接着，采掘模块的后面安装了锚式钻机，在井筒和巷道掘进过程中提供初步支护。如图4所示，掘进机头配有微波辐射装置，用于破碎煤岩，以及用于机械切割的刀盘，从而提高了硬岩或硬煤层钻孔的效率。掘进机头使用微波辐射来降低位于其前面的煤和岩石的强度，同时使用刀盘进行机械切割。因此，通过岩层或煤层的挖掘效率显著提高。支护模块的主要功能是对井筒和巷道的围岩进行锚杆支护。采用全数字化计算机控制系统，确保井筒和巷道的稳定。

2.3 盾构机的结构和功能

盾构机依次由采掘、选煤、流态化反应、储能模块组成。煤与矸石在分选模块中由破碎机和电动跳汰机自动破碎分离。经刀盘破碎的煤和煤矸石由传送带运输到支护模块后方的流态化反应舱。流态化反应模块将分离的固体煤转化成气态、液态或混合气体/固体/液体能源或通过流态化反应模块转化成电能，如物理粉碎、化学转化、生物降解和发电煤粉爆燃。转化的电能一部分用于盾构机供电，其余部分电能存储在储能模块中，并通过埋设在巷道中的发电输送管道输送到地面。流态化开采过程产生的固体废物，如煤矸石和残余物，不需送到地面（与传统采矿不同），而是通过传送带输送到选煤模块进行后续破碎分选，分选后的煤矸石通过侧管排出，作为骨料储存在采空区中进行回填。分选后的煤输送到流态化反应模块。将分选后的固体煤通过流态化反应转化为气、液或气/固/液混合流态化能源或电。反应后的固体废物作为骨料排入采空区进行充填。一小部分由流态化反应模块产生的电能被用于为流态化开采设备提供动力，而其余部分電能则临时存储在能量存储模块中，然后被输送到地面。这样降低了运输成本，减轻有毒固体废弃物对地面环境的污染，实现对矸石、矿渣等废弃物的就地安全处理。

3.结语

本文设计了一套固体煤炭资源流态化开采的教学模型，流态化开采的盾构机类似蚯蚓的结构，可以拆卸和重新组装，以适应巷道掘进和煤层开采的不同。盾构机依次由采掘、选煤、流态化反应、储能模块组成。本文介绍了该模型的基本结构与功能，实现了固体煤炭资源流态化开采全过程的真实模拟和演示。该模型有助于学生理解固体煤炭资源流态化开采全过程及运行机理，有助于培养学生积极探索的精神和应对新问题的能力。

参考文献：

[1]谢和平，高峰，鞠杨，等.深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想[J].煤炭学报，2017，42（3）：547-556.

[2]谢和平.煤炭科学开采与技术变革[Z].中国工程院国际工程科技大会报告，2014.

[3]谢和平.煤炭科技之探索和展望[Z].煤炭工业十三五科技发展规划编制会议报告，2015.

[4]谢和平.深地资源开采的颠覆性理论与技术[Z].中国地质科学院：深地颠覆性技术研讨会报告，2016.

[5]谢和平.中国工程院咨询项目“煤炭绿色开发利用与煤基多元协同清洁能源技术革命研究”研讨会报告[Z].北京：西郊宾馆，2016.

[6]谢和平.深地科学技术探索[Z].教育部科技委“深部固体矿产资源流态化开采”圆桌论坛报告，成都：四川大学，2016.

[7]谢和平.深部固体矿产资源流态化开采关键技术[Z].教育部科技委“深部固体矿产资源流态化开采关键技术”专家研讨会报告，北京：北京科技大学，2016.

[8]谢和平，高峰，鞠杨，等.深地科学领域的若干颠覆性技术构想和研究方向[J].工程科学与技术，2016，49（1）：1.

[9]谢和平，鞠杨，高明忠，等.煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系[J].煤炭学报，2018，43（5）：1210-1219.

[10]Xie Heping， Ju Yang， Gao Feng， et al. Ground⁃breaking theoretical and technical conceptualization of fluidized mining of deep underground solid mineral resources[J].Tunnelling and Underground Space Technology.

[11]Ju Yang，Zhu Yan， Xie Heping，et al. Fluidized mining and in⁃situ transformation of deep underground coal resources： a novel approach to ensuring safe， environmentally friendly， low⁃carbon， and clean utilization[J].International Journal of Coal Science & Technology，2019，6（2）：184-196.

[12]谢和平，王金华，鞠杨，等.煤炭革命的战略与方向[M].北京：科学出版社，2018.

作者简介：

陈宇龙（1988年-），男，四川泸州人，博士，讲师，主要研究方向为岩石力学与工程。