我国煤矿开采技术发展现状及方向

我国煤矿开采技术发展现状及方向,二零一二年五月,宋振骐院士,山东科技大学,第一部分煤炭生产在我国国民经济发展中的地位,第二部分我国煤炭开采理论发展的成就,第三部分我国煤炭开采技术发展的现状和方向,煤炭生产在我国国民经济发展中的地位,1.1能源是人类生存和发展的基础，世界能源资源竞争日趋激烈,煤炭资源储量,2010年已探明的地质储量为1.5万亿t预计储量4万亿t,1.2煤炭是我国化石能源的主体,中国煤炭资源按深度分布的储量,煤炭资源储量在化石能源中的地位,我国化石能源可采储量查明情况,我国煤炭储量在化石能源中所占比重,我国能源储量排名,我国近十年煤炭产量情况,我国煤炭产量由2001年的13.81亿t增长到2010年的33亿t，年均增加1.9亿t，保证了经济和社会发展的需要，是国民经济发展和国力保障的重要基础。,19992010全国煤炭产量,煤炭产量在我国能源结构中比重超过65%,2010年煤炭产量及2020年需求量预计国家目前仍然处于基础设施建设、制造业和城市化的高峰期，对矿产品的需求仍然以较高的速度增长。2010年煤炭产量33亿t（占世界产煤总量的45%），“十二五”末规划38亿t，增长24.6%。煤炭生产在我国能源结构中的比重,煤炭在一次能源结构中的比例,2008年中国一次能源消费构成,顶板、瓦斯、冲击地压、透水等重大事故没有从根本上（即在依靠正确的理论指导和现代装备、管理手段的基础上）得到控制，严重影响我国煤炭安全生产形象。,1.3我国煤炭生产中存在的问题,开采沉陷环境灾害严重，采用留设煤柱护巷和控制地表沉陷传统开采方法造成的煤炭资源损失比例超过40%，违背中央提出的“资源节约型、环境友好型、可持续发展”方针。实现煤炭安全高效开采，有效地控制环境灾害，最大限度地采出煤炭资源是我国能源安全和国民经济发展保障体系建设中的重中之重。,我国煤炭开采理论发展的成就,2.1理论发展成就,上区段工作面,h1,h2,h3,H,新开工作面,h1垮落带高度；h2裂缝带高度；h3连续弯曲带高度；H埋深,采空区,推进方向,新开工作面巷道,介质属性复杂,开采扰动强烈,应力分布复杂,开采空间范围大,我国“实用矿山压力控制理论”，从研究的系统性、深度、体系的完整性，以及用以指导开采实践取得的成就走在世界的前列。,1.针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采必须面对复杂多变的地理环境和煤层地质条件的现实，明确了理论建设的指导思想和体系，科学的定义了相关学术名词和术语，正确的阐述了相应的基本概念。主要成果包括：(1)严格的区分和定义了“矿山压力”（促使围岩向已采空间运动的力）和“矿山压力显现”（在矿山压力作用下产生的围岩破坏及支架受力现象）两个基本概念，正确的指出“矿山压力”存在的绝对性（采动即有）和“矿山压力显现”的相对性，以及矿山压力控制（设计）的目标就是把“矿山压力显现”控制在安全上可靠、技术上可能、经济上合理的范围。,(2)正确指出由于采场不断推进，无论是“矿山压力”还是“矿山压力显现”都在不断发展变化之中，它的变化是有规律的，这个规律是岩层运动和破坏决定的。明确的提出矿山压力控制研究必须以“岩层运动为中心”，把不同采动条件下覆岩运动和支承压力大小分布范围及其发展变化的规律，包括相关动态结构模型的建设和相关结构参数的确定放在首要地位。(3)正确指出任何开采深度条件下，影响“矿山压力显现”的岩层范围是有限的，即采动破坏失去向四周支承传递作用力的岩层（直接顶）和保持了传递作用力联系，运动时对矿压显现明显影响的岩层（老顶）两个部分；可知的，即通过岩层动态监测可以确定；可变的，即可通过采动条件的变更加以改变。,(4)对于可能垮坍的冒落岩层（直接顶）一般只能取坚决顶住，即“给定载荷”的控制方案，对“老顶”相关岩层的运动，则可以根据安全可靠、技术可能、经济合理的原则和相应的力学保证条件，分别采取“给定变形”，即将作用力完全转移给四周支承体上，和“限定变形”，即将沉降限定到要求状态（位态）两种方案。明确指出对于老顶相关岩层的运动，不分条件地采用强顶硬抗的控制方案是不科学的、错误的。2.根据安全高效开采，特别是顶板冲击地压、瓦斯煤层突出、透水突水及开采沉陷灾害有效控制的目标，建立、发展并逐步完善了以“采动覆岩运动和支承压力分布”为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控制决策结构力学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模型的建设。把煤矿安全高效生产，特别是重大事故的控制决策从统计经验推进到针对具体煤层条件科学定量的发展阶段。,(1)科学的界定了采场结构力学模型的内涵和结构模型的结构组成特征。创造性的针对定量控制设计需要，把采场推进过程中分布在四周煤壁上的支承压力分为煤壁已进入破坏，其受力由工作面长度等采动条件确定的“结构拱”内岩层运动决定的“内应力场”和“结构拱”内、外参与运动的岩层作用力决定的“外应力场”两个部分。,(2)正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了“第一次来压”和“正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。,推进方向岩层运动和支承压力发展规律,(2)正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了“第一次来压”和“正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。,“内应力场”发展演化规律,(3)在深入揭示动态结构模型发展规律，特别是支承压力分布和岩层运动关系的基础上，创造性提出了通过“矿山压力显现”推断支承压力分布（包括分布范围及“内应力场”、“外应力场”及应力高峰位置）预测采场顶板来压的“井下岩层动动态观测研究方法”，并成功研究相关监测仪表测试系统，较好的解决了通过现场实测确定相关结构参数问题。,3.通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与生产现场“采场结构模型”建设关系的研究基础上，在推进重大事故控制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。顶板灾害控制,直接顶,第一岩梁,第二岩梁,采场顶板控制结构模型组成及分类,有“内应力场”的结构力学模型a.单岩梁老顶结构b.多岩梁老顶结构,无“内应力场”的结构力学模型a.单岩梁老顶结构b.多岩梁老顶结构,直接顶厚度确定a.理论判定b.实测推断,采场结构参数确定,老顶厚度确定a.实测推断单一岩梁和多岩梁上覆岩层结构组成情况及其采场矿压显现如图a、图b所示,b.理论判定挠度法相邻岩层同时运动（组成同一岩梁）则：相邻岩层分别运动（构成不同岩梁）则：裂断步距法,支架支护方案确定a.工况方案直接顶：给定载荷老顶：可给定变形也可限定变形b.控制目标和准则直接顶：给定载荷老顶：对下位岩梁限定变形定载荷，上位岩梁给定变形定缩量以防止坚硬岩梁动态冲击要求对下位岩梁限定变形定阻力、对上位岩梁给定变形定缩量,支架设计参数确定,支架支护强度和支护阻力,支架缩量,瓦斯灾害控制,31,(1)瓦斯灾害预测和控制的模型及控制准则事故灾害原因：工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度超限是瓦斯事故灾害的根源事故灾害实现条件：采动空间聚集的瓦斯浓度超限，有充足的氧气和有明火引爆（三者缺一不可）是瓦斯爆炸灾害发生的条件。事故灾害预测和控制控制准则：,了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异是正确选择开采模式的基础。,32,单一重力应力场中掘进回采巷道模型,在构造破坏的复合应力场中掘进回采巷道,2020/5/28,33,(1)冲击地压原因及实现条件冲击地压概念：冲击地压是采动空间周边煤岩在矿山压力作用下以煤岩突出(高速喷出)为特征的矿山压力动力显现，是煤矿重大事故灾害。冲击地压发生原因：在储存高强度压缩弹性能的煤岩中，特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面，引发弹性能的释放。冲击地压的动力源及其影响因素：,冲击地压（煤与瓦斯突出）灾害控制,34,a煤层压缩弹性能开采深度愈大，覆岩强度愈高（即允许的悬露面积愈大），受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将愈大。b顶底板岩层弯曲（压缩）弹性能,2020/5/28,35,重力弯曲弹性能随支托岩层的强度和随动层的厚度成正比；构造弯曲弹性能受采深和顶底板岩层强度所决定的应力保持和释放条件控制。岩层强度愈高，埋深愈大，可能聚集和保持的弹性能的量级将愈高。冲击地压实现的条件a已采空间周围煤岩中聚集的压缩弹性能达到了足以产生煤岩冲击破坏的量级；b采动，包括采掘工作面推进、爆破、顶板断裂等震动性破坏，改变了相关部位煤岩的受力条件和极限平衡状态。c采动空间周围没有足够的缓冲体（包括已破坏的煤岩和柔性支护等构筑物等），把煤岩弹性能释放可能动力显现控制到安全的范围内。,2020/5/28,36,(2)掘进工作面推进冲击地压原因及实现条件：在有冲击地压危险的煤层条件下掘进巷道，冲击地压发生和实现的条件如图所示。,37,a留小煤柱（“内应力场”范围内）掘进在“内应力场”形成和稳定之前开掘巷道（图中1位置），存在冲击地压危险（采深大于300m）；在“内应力场”形成稳定后（图中2位置），开掘巷道可以避免冲击地压发生；在未经采动释放的构造应力场中掘进巷道，将有瓦斯和煤层同时突出的危险。,b大煤柱护巷方案高应力区开掘巷道（采深大于300400m）时，存在冲击地压危险；在低应力区开掘巷道，在采深小于600800m时，将避免冲击地压的发生。,2020/5/28,38,(3)回采工作面推进冲击地压原因及实现条件：a.回采工作面内冲击地压发生和实现的条件单一重力场冲击地压将发生在坚硬岩层顶板第一次裂断开始到采场第一次来压阶段完成，推进距离接近工作面长度的时的范围内。“内应力场”形成之后的采场推进全过程中，出现冲击地压的可能性将很小。,2020/5/28,39,.临近构造应力场应力高峰区掘进开切眼至坚硬岩层裂断来压完成期间时，始终存在冲击地压的威胁，进入出现“内应力场”的正常推进阶段后，冲击地压事故灾害出现的可能性同样将很小。,2020/5/28,40,b.回采巷道冲击地压实现的条件在采场推进全过程中，伴随坚硬顶板裂断，始终存在诱发冲击地压的威胁；,2020/5/28,41,随采场推进和坚硬顶板跨落，以及支承压力的增加，伴随坚硬顶板裂断，回采巷道破坏的范围将进一步加大，进入正常阶段将达到最大化,2020/5/28,42,受两侧坚硬顶板悬露，支承压力叠加的影响，回风巷道冲击地压破坏的范围远比运输巷道大得多。,2020/5/28,43,(4)煤柱充填护巷控制冲击地压的优势沿空掘巷“U”型通风方案a.实现了在稳定内应力场掘进，从而避免了掘进中冲击地压和瓦斯煤层突出事故的可能性。b.排出了护巷煤柱聚集高强度压缩弹性能的条件，使回风巷道始终处于已破坏的煤壁缓冲保护之下。,2020/5/28,44,沿空留巷“Y”型通风方案a.避免了在应力高峰区，高强度压缩弹性能的部位开掘回风巷道引发冲击地压的可能性。b.避免了回采工作面推进回风巷道发生冲击地压灾害的可能性。,45,无煤柱充填开采模式应用的水害控制,(1)顶板透水事故的预测和控制相关信息基础,2020/5/28,47,留煤柱与不留煤柱与突水的关系图,(a),(b),(2)底板突水事故的预测和控制相关信息基础,工作面跨断层开采的底板破坏模型,突水预测控制结构力学模型图,50,沉陷控制研究的相关理论成果通过不同工作面长度和开采深度条件下地表沉陷实测分析研究抽象建立的采动沉陷预测控制结构力学模型如图7所示。,采动沉陷预测控制结构力学模型,在既定工作面长度（L0）条件下的地表最大沉陷值max为：其中裂断拱两侧煤壁压缩量裂断拱上部岩层最大挠曲沉陷值表土含水层水位下降后压缩沉陷值,上述公式近似计算可表示为：其中沉陷岩层面积开采深度沉陷岩层边界移动角采场支承压力分布范围沉陷岩层平均容重煤层抗压刚度,既定工作面长度下，支承压力范围S分布如图11所示，模型由下列平衡方程表示：,采场支承压力三维结构力学模型,裂断拱上岩层挠曲沉陷值可用下式近似计算：其中，E岩层弹性模量；p岩层容重,既定采深H和工作面L0条件下的沉陷范围Sb可由下式表示：,1.煤炭安全高效开采技术发展成就(1)综合机械化技术取得重大突破。产量、效益、安全生产状况进入国际领先水平机采高度突破7m成功的制造和使用了世界最高的液压支架（6.2m支架成功的在神东、晋城等矿区使用，年产量超过1000万t）神东矿区工作面最大长度达到400m，年产超过1500万t，全员效率达到140t是美国、澳大利亚等发达采煤国家的1.5到2倍百万吨死亡率0到0.01是世界上最低的,2.2开采技术发展成就,(2)综采放顶煤安全高效开采技术和装备已形成体系，继续处于国际领先地位山西同煤集团塔山矿综采放顶煤的厚度突破20m（机采高度已达6m，可以满足1：3的采放比的控制目标）。采用了每小时3000t的放煤运输机，实现了工作面高速推进，年产突破1000万t的水平。随着放煤运输机能力的提高和新型放顶煤支架研制和使用的成功，使工作面长300m，年产突破1500万t的目标已经实现。保证防止瓦斯、顶板、火灾等重大事故的安全开采的理论和技术体系（新型巷道布置系统、瓦斯抽排技术装备、工作面和巷道顶板控制技术和装备等）,(3)“淮煤集团”成功开发的煤与瓦斯无煤柱同采成套技术实现了瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出以及火灾等重大事故一体化控制的新突破，相关技术包括：回采工作面高效综采综放开采技术；机械化巷旁充填锚网支护高效无煤柱留巷技术；回采工作面前、后方瓦斯同时抽排和通风系统一体化技术。(4)“龙煤集团”2000m海域海下三软煤层综放开采技术取得成功，相关技术包括:“三软煤层”高效综放开采技术；“三软煤层”煤岩巷道支护技术；海下透水等重大事故预测和控制技术；海下安全和生产装备地面集中遥测、遥控自动化技术。,2.煤化工技术取得重大的突破(1)煤的液化技术取得了突破（神华集团、兖矿集团已经进入工业化生产的阶段）(2)煤化工技术和产品（甲醇、乙烯、乙二醇、二甲醚、醋酸等）将和我国的石油化工技术和产品成为我国化工市场的主力，取得在世界上有影响的地位3.煤炭开采的环境控制技术取得了重要成就(1)开采沉陷控制技术取得了实用性突破（井下矸石充填的技术和装备），正在大面积推广应用中。(2)开采伴生的废弃物再利用技术取得了重要突破，已成功的进入使用阶段。4.循环经济的示范区在各大矿区取得了实践成果,我国煤炭开采技术发展的现状和方向,3.1发展现状,国有大型煤矿,发展现状,赋存条件好的薄及中厚煤层综采技术进入国际先进行列；厚煤层综放开采技术及经济指标处于国际领先地位。,存在的问题,采掘工作面推进引发的采场重大事故时有发生；对采用无煤柱充填开采技术控制重大事故和环境灾害重要性还不明确。,没有从根本上控制高应力区掘巷引发重大事故和留设煤柱造成的严重开采资源损失。,中小型矿井,综采工作面比例很低，开采技术与装备水平比较落后；管理水平依然停留在依靠统计经验决策，传统条例管理模式阶段；没有摆脱顶板事故威胁；冲击地压、水害等重大事故多发局面依然存在。,3.2发展方向,在深化“实用矿山压力控制理论”的基础上大力推进采掘工作面生产过程的机械化和自动化，突破传统管理模式的束缚，实现煤矿安全高效生产和环境灾害控制决策和实施监控的信息化、智能化和可视化。切实把煤矿安全生产和环境控制从依靠统计经验决策条例管理的模式推进到依靠正确的思想理论指导和现代高端技术保证，针对具体煤层条件和开采技术条件科学定量的发展阶段。也就是要把采掘工作面生产推进到以控制煤矿重大事故和环境灾害为目标，依靠正确的思想理论指导和现代高新技术保证的智能化发展阶段。,实施监控系统和决策支持系统的可视化、信息化、智能化,采掘生产过程远距离遥控机械化、自动化，特别是重大事故控制操作自动化,事故灾害发生时灾害控制决策指挥系统智能化和相关设施装备操控的自动化,3.3实现采掘工作面安全高效智能化开采技术突破的重点,在深化回采工作面顶板控制理论的基础上，成功的研制出具备发送支架所在工作地点安全工作环境信息、设备工况信息，以及与可能事故相关的顶板运动和煤层压缩（支承压力分布）动态信息，实现操作过程遥控的“支护机器人”（智能综采支架）和“挖底充填机器人”（智能挖底充填综掘机）装备薄及中厚煤层回采工作面，杜绝顶板事故和相关联的瓦斯、冲击地压、顶板透水、底板突水等重大事故。有效地解决数以千计的中小型煤矿采用传统综采难以承担的高额资金投入，以及因拆装搬家困难，不能适应多变的煤层地质条件造成的高成本、低效益的局面。,在深化巷道矿压控制理论的基础上，成功的研制出巷道“挖底充填机器人”（智能挖底充填综掘机），以及在具备发