煤炭的智能化和生態(tài)化開(kāi)采回顧與展望

閆磊

摘 要：煤炭開(kāi)采及其利用正面臨著越來(lái)越大的生態(tài)環(huán)境保護(hù)壓力。本文圍繞中國(guó)煤炭工業(yè)3.0的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)中國(guó)煤炭工業(yè)4.0和5.0的支持進(jìn)行了分析和展望，為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)煤炭能源向清潔能源的轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支持和戰(zhàn)略方向。

關(guān)鍵詞：煤炭開(kāi)采;智能化;生態(tài)化

1 背景

如圖1所示，研究預(yù)測(cè)，煤炭消費(fèi)的絕對(duì)總量將保持相對(duì)穩(wěn)定，煤炭消費(fèi)在一次能源中的比重將逐漸下降，但仍保持在50%以上的。全球煤炭需求增速相對(duì)于過(guò)去大幅放緩（過(guò)去20年年均增速為2.7%，而現(xiàn)在為0.2%）;全球煤炭消費(fèi)將在本世紀(jì)20年代中期達(dá)到峰值。這種放緩在很大程度上是由中國(guó)推動(dòng)的，因?yàn)橹袊?guó)經(jīng)濟(jì)正在調(diào)整，以適應(yīng)更可持續(xù)的增長(zhǎng)模式，政府政策也促使中國(guó)從煤炭轉(zhuǎn)向更清潔、更低碳的燃料。預(yù)計(jì)未來(lái)20年，中國(guó)的煤炭消費(fèi)將大致處于平穩(wěn)狀態(tài)，這與過(guò)去20年多數(shù)時(shí)間由工業(yè)化推動(dòng)的快速增長(zhǎng)形成了鮮明對(duì)比。盡管如此，中國(guó)仍然是世界上最大的煤炭市場(chǎng)，2035年占全球煤炭消費(fèi)的近一半[1-3]。

圖1 2000-2030年中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)及預(yù)測(cè)。

2 中國(guó)煤炭工業(yè)3.0發(fā)展目標(biāo)與技術(shù)路線

這是從量變到質(zhì)變的過(guò)程。推進(jìn)機(jī)械化、智能化開(kāi)采、低碳、清潔利用的生產(chǎn)技術(shù)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)煤炭工業(yè)3.0的戰(zhàn)略目標(biāo)：

2.1 減少地下工作人員

地下工作人員減少70%;煤礦開(kāi)采應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化;自動(dòng)化和信息化的比例應(yīng)達(dá)到80%。

2.2 生態(tài)破壞超低

伴生地下資源（沼氣、水、熱）的保護(hù)利用率應(yīng)在50%以上;地面沉降損傷降低50%;地表生態(tài)回收率應(yīng)在80%以上。

2.3 超低排放

排放水平接近天然氣，總排放量接近峰值;50%以上的煤炭資源可實(shí)現(xiàn)清潔利用和超清潔排放。

3 智能生態(tài)采煤技術(shù)

生態(tài)煤炭開(kāi)采作為一種主要能源，不僅要應(yīng)對(duì)自然環(huán)境的變化，保證資源開(kāi)采活動(dòng)的順利進(jìn)行，而且要重點(diǎn)減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響。經(jīng)過(guò)十幾年的高強(qiáng)度開(kāi)采，我國(guó)的能源需求得到了極大的滿足，追求目標(biāo)從單純的資源數(shù)量逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

3.1 基于互聯(lián)網(wǎng)的多信息融合數(shù)字挖掘技術(shù)

目前，大多數(shù)大型煤礦都建立了數(shù)字化礦井模型，將鉆孔、地震勘探、雷達(dá)掃描等獲取的早期信息數(shù)字化，形成了煤礦地質(zhì)資料的初始模型。然后，將采礦開(kāi)發(fā)、巷道布置、通風(fēng)、安全監(jiān)控等信息進(jìn)行融合?；A(chǔ)平臺(tái)搭建，用于整體生產(chǎn)調(diào)度、安全保障、運(yùn)輸、人員監(jiān)控，然而，目前大多數(shù)平臺(tái)都只是簡(jiǎn)單的集合和統(tǒng)一管理，缺乏實(shí)用的信息融合。因此，每一級(jí)的決定主要是由人員作出的。同時(shí)，由于生產(chǎn)控制系統(tǒng)與基礎(chǔ)平臺(tái)無(wú)關(guān)，地質(zhì)數(shù)據(jù)模型不能根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)動(dòng)態(tài)修正，地質(zhì)信息也不能參與決策。

3.2 礦山開(kāi)發(fā)方法的技術(shù)變革和智能快速開(kāi)挖

目前，礦業(yè)發(fā)展正朝著大型化、集中化方向發(fā)展。推廣的做法是，每個(gè)礦井只有一個(gè)長(zhǎng)壁工作面，鏈柱較少。由于柵欄門(mén)道路的發(fā)展速度普遍滯后于滿足長(zhǎng)壁能力所需要的發(fā)展速度，長(zhǎng)壁工作面推進(jìn)與柵欄門(mén)道路發(fā)展之間的矛盾一直是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，如何解決這一問(wèn)題一直是一個(gè)重要的研究方向。為了解決這一問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了“N00施工法”、采空區(qū)側(cè)向留巷等非鏈柱采礦方法[2]。此外，提高閘門(mén)道路開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的智能化和協(xié)同能力也是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，如開(kāi)發(fā)集驅(qū)動(dòng)、錨桿、支護(hù)、運(yùn)輸、勘察為一體的綜合設(shè)備。因此，應(yīng)突破以下關(guān)鍵技術(shù)：智能切割、快速支撐、快速運(yùn)輸、智能通風(fēng)、安全保障。

3.3 工作面自動(dòng)智能采礦設(shè)備系統(tǒng)

目前，綜采的發(fā)展趨勢(shì)是自動(dòng)化、智能化開(kāi)采。20世紀(jì)90年代以來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)在世界范圍內(nèi)被應(yīng)用到采礦工程中，如加拿大的遠(yuǎn)程采礦/遙控采礦技術(shù)和瑞典的自動(dòng)采礦“Grountecknik 2000”戰(zhàn)略。從2000年開(kāi)始，我國(guó)對(duì)液壓頂板支架的電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)以及其他設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行了逐步的研究。通過(guò)采煤機(jī)、裝甲工作面輸送機(jī)（AFC）、液壓頂板支架、長(zhǎng)工作面可視化、長(zhǎng)工作面通信遠(yuǎn)程控制等協(xié)同工作，大大提高了長(zhǎng)工作面作業(yè)的效率和安全性。

4 總結(jié)

中國(guó)煤炭工業(yè)3.0階段是清潔生態(tài)煤炭開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期，將取得顯著的成績(jī)，為中國(guó)煤炭工業(yè)4.0和5.0的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。它是一個(gè)基本的轉(zhuǎn)換階段，是一個(gè)從“功能形式”到“質(zhì)量形式”的過(guò)渡時(shí)期。要制定嚴(yán)格的管理制度，扭轉(zhuǎn)舊的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理模式，保證新技術(shù)順利、成功實(shí)施。加大研發(fā)投入，建設(shè)智慧礦業(yè)基地，資源綜合利用循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)。強(qiáng)化安全、高效、綠色指標(biāo)監(jiān)管體系，在中國(guó)煤炭工業(yè)3.0階段推廣先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)煤炭資源從傳統(tǒng)能源向生態(tài)能源、從燃料向原材料的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王曉振，朱衛(wèi)兵.案例教學(xué)法在采礦工程學(xué)科中的應(yīng)用與實(shí)踐—以《煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)》課程為例[J].教育現(xiàn)代化，2018，v.5（19）：123-125+140.

[3]姜有，滑懷田.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育“54321”特色項(xiàng)目創(chuàng)建研究—以采礦工程專業(yè)為例[J].內(nèi)蒙古教育，2018（4）.