创新绿色开采 勇攀科技高峰——记中国平煤神马集团深部炼焦煤资源安全高效绿色开采创新团队

□王满

张建国在井下指导工作

平顶山矿区是新中国自行勘探、开发、建设的第一个特大型煤炭基地，煤种齐全，煤质优良，尤其是炼焦煤品质“亚洲第一、世界第二”，在促进中原地区国民经济发展中发挥了重要作用。但同时，矿区地质构造复杂，瓦斯、水、火、地温、地压、顶板等灾害严重，尤其是瓦斯含量高、突出危险性大、煤层透气性低的特征，导致煤矿瓦斯治理难度大。根据2020年国家煤监局统计，全国采深超过千米灾害严重的煤矿共有39处，河南有5处，且全部属于平顶山矿区。随着采深的增加，浅部灾害防治技术已远不能适应安全生产需要，成为制约深部煤炭资源安全高效开采的瓶颈。为解决这些关键性难题，在团队负责人张建国的带领下，依托中国平煤神马控股集团有限公司（原中国平煤神马能源化工有限责任公司），于2010年10月成立了中国平煤神马集团深部炼焦煤资源安全高效绿色开采创新团队。目前，有团队成员66人，其中教授级高级工程师19人，高级工程师35人，博士17人。

10余年的科技创新与工程实践，创新团队在瓦斯治理、灾害防治、安全开采等方面取得了诸多的成果，首创了煤层卸压均衡增透理论，研发了树状钻孔精准抽采技术，解决了煤矿瓦斯抽采空白带、应力孤岛问题，填补了国内外空白。创建了瓦斯预测、分级方法，在瓦斯防治技术装备方面取得重大突破。首次提出集瓦斯抽采-发电-集中制冷-热害治理于一体的开发新模式，实现抽采瓦斯近零排放。有力推动了平煤神马集团开采67年的煤矿长年保持盈利。

坚持技术创新驱动 杜绝瓦斯爆炸事故

团队建设过程中注重创新能力培养。为破解深部矿井复合动力灾害治理技术难题，团队成员始终奋战在煤矿灾害治理第一线，在开展松软低透气性煤层瓦斯抽采增效理论、深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律研究的基础上，深入开展高瓦斯突出煤层“钻-冲-割”耦合卸压及瓦斯高效抽采技术、深部矿井自进式水力喷射钻孔煤层增透成套装备与技术、极薄煤层保护层绿色开采、二氧化碳相变致裂强化预抽、“一面多巷”等多项瓦斯治理新技术与装备研究，形成深部突出矿井大采高工作面瓦斯综合治理及循环利用技术体系及工程示范。连续攻克多项瓦斯治理技术难题，使我国的瓦斯防治水平实现了革命性突破，其完成的重大科技项目，获国家科技进步二等奖3项、省部级科技进步奖28项(其中一等奖15项)、取得专利26项，研发的数十项瓦斯治理技术与装备，在全国40多座矿井推广应用，累计产生经济效益35亿元以上，使历史上曾经瓦斯灾害严重的平顶山矿区连续27年杜绝瓦斯爆炸事故。

创新平台建设理念强化智能矿井建设

团队注重加强科技创新平台建设。以创新团队为依托，着手组建了平煤神马集团能源化工研究院，开创了全国煤炭企业和河南省企业的先河，也标志着平煤神马集团在自主创新方面迈出了重大步伐。团队坚持“产、学、研、用”相结合，注重借智生力，力促平顶山市政府、平煤神马集团和上海交大联合成立上海联合研发中心，使得成果研发和转化实现无缝对接。截至目前，建立1个国家重点实验室、3个国家级企业技术中心，2个国家级博士后科研工作站、37个省部级创新平台。并与浙江大学、上海交通大学、中科院等20余家高等院校、科研院所签订了科技战略合作协议，为企业推进科技成果研究与转化提供了强大的平台支撑。

团队注重煤矿智能化建设，带领工程技术人员率先在条件复杂、灾害严重的平煤神马十矿建成全省首个千米突出深井智能化综采工作面，实现了远程操作、一键启停、惯性导航、可视可控，采面单产提升60%以上，人员减少2/3，并创造了当时“国内第一套纯国产智能化装备、国内第一套成功使用惯导系统、国内调试用时最短”三项纪录，标志着河南省煤矿开采进入无人少人的智能化时代。

深入一线深耕细作多项技术国内首创

张建国（左）在指导团队进行实验研究

团队以平顶山矿区为依托，围绕矿井深部瓦斯治理、灾害防治、安全开采开展研究，取得了一批创新性研究成果，并将研究成果在全国进行推广，取得了良好的经济效益和社会效益，使团队的学术能力得到行业专家的认可，在行业具有较大的影响力和学术地位。

国际交流合作

在团队成立早期，为解决平顶山矿区煤与瓦斯突出严重、预测准确性差的难题，团队开展瓦斯突出预测关键技术攻关研究，建立了多因素耦合瓦斯突出致灾机理模型，首次将突出煤层按五级划分，实行分级管控，并开发了突出预警系统，实现动态监测，使煤与瓦斯突出灾害预测准确率由不到60%提高到80%以上。通过在平顶山矿区进行应用，使原来煤与瓦斯突出灾害严重的平顶山矿区连续27年杜绝了瓦斯爆炸事故。目前，该技术已在全国80%高瓦斯矿区推广应用，有效减少了瓦斯事故发生，形成了良好的经济效益和社会效益。在项目鉴定中，专家组认为：该成果在瓦斯灾害准确预测方面达到了国际领先水平。其中，瓦斯分级标准写入国家《煤矿安全规程》《矿井瓦斯抽放理论与技术》，填补了国内空白。同时，围绕该技术开展的矿井瓦斯综合治理示范工程配套技术研究、煤与瓦斯突出矿井深部动力灾害一体化预测与防治关键技术研究先后均获得国家科技进步二等奖。

对煤与瓦斯突出危险区域进行瓦斯抽采是减少突出事故发生的根本，但平顶山矿区特殊的煤层特征，导致渗透性极差，必须通过储层增透才能从根本上提高瓦斯抽采效率。为此，团队围绕储层增透开展深入研究，首次描述了瓦斯吸附与解吸对煤体变形与渗透的作用机理，率先研究了应力集中对钻孔增透范围的影响规律，首创“钻孔+射流割缝+致裂”网格化定向造缝增透技术及成套设备。实现了煤层均衡卸压增透，解决了煤矿瓦斯抽采空白带、应力孤岛问题，填补了国内外空白。使瓦斯治理周期由24个月缩短至8个月，抽采范围扩大8~10倍，治理成本降低50元/吨，仅平顶山矿区每年解放深部优质煤炭资源3000万吨，产值200亿元。该技术已在全国高瓦斯矿井推广应用，取得较好的卸压增透效果。在该项目评审会上，专家组评价：该技术破解了多项瓦斯治理难题，实现了高瓦斯低透煤层高效治理，成果达到国际领先水平。团队负责人张建国受邀在中国工程科技论坛做特邀报告。围绕该技术取得的研究成果先后获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步奖一等奖8项。

通过煤层卸压增透，实现了瓦斯的高效抽采，但是由于抽采浓度低、流量不稳定，瓦斯利用量仅有1/5，不仅造成资源巨大浪费，而且加重了温室效应。为此，团队研发了瓦斯富集区域识别和高、中、低“三位一体”立体布孔方法，解决了瓦斯抽采浓度低、不稳定的难题，并构建瓦斯“抽采-发电-制冷”一体化绿色开发新模式。使瓦斯抽采浓度由不到5%提高到50%以上，实现了“瓦斯灾害治理”到“瓦斯资源化利用”的转变。通过该技术使平顶山矿区瓦斯抽采量由2000年的3000万立方米提高到目前的1.7亿立方米，该成果已在全国90%以上的高瓦斯矿井推广应用，每年创收60亿元，减排温室气体相当于2.4亿吨二氧化碳，具有极强的经济效益和社会效益。在项目鉴定会上，专家组鉴定：该成果支撑了深部煤炭资源的绿色协同高效开采，成果达到国际领先水平。围绕该技术取得的研究成果获得中国煤炭工业科学技术一等奖2项，河南省科技进步一等奖1项。同时，该技术被各大媒体广泛报道，比如新华社报道的《平煤神马集团变‘黑’为‘绿’的转型之路》、《河南日报》刊登的《中国平煤神马集团积极探寻‘智慧+绿色’发展新模式》等。

团队围绕瓦斯治理取得了一系列原创性成果，有效解决了瓦斯治理过程存在的部分瓶颈问题，推动了瓦斯治理技术进步与科学发展，提高了我国瓦斯治理技术与设备的自主创新能力，对推动经济发展、社会进步具有重要意义。

煤炭是我国的主要能源，在一次能源消耗中占主体地位，并且在未来很长一段时间内煤炭都将是我国能源消耗的主体。但是，我国煤矿每年仍有大量瓦斯直接排放到大气中，因此在国家“碳达峰、碳中和”战略下，解决瓦斯排放利用问题是煤炭企业发展必须迈过的重大关口。

中国平煤神马集团深部炼焦煤资源安全高效绿色开采创新团队将不忘初心牢记使命，砥砺奋进再攀高峰。

研究矿区整体规划