袁 亮

(安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽省淮南市，232001)

2020年，我國創(chuàng)新指數(shù)位居世界第14位，已經(jīng)進入了創(chuàng)新型國家行列[1]。2035年我國科技事業(yè)發(fā)展目標是進入創(chuàng)新型國家前列，到新中國成立100年時成為世界科技強國。

面臨新一輪科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革，煤炭工業(yè)必須推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與采礦業(yè)跨界融合，走智能、無人、安全精準開采的道路，爭取到新中國成立100年之時，全面實現(xiàn)煤炭安全智能精準開采[2-5]。加強煤礦安全生產(chǎn)是國家安全發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，中央財經(jīng)委員會第三次會議強調(diào)建立高效科學自然災害防治體系，為保護人民群眾生命財產(chǎn)安全和國家安全提供有力保障。黨中央、國務院《關于推進安全生產(chǎn)領域改革發(fā)展的意見》指出：大力實施安全發(fā)展戰(zhàn)略，始終把人生命安全放在首位，發(fā)展決不能以犧牲安全為代價。黨的十八大以來，習近平總書記多次強調(diào)要加強安全生產(chǎn)監(jiān)管執(zhí)法，強化基層監(jiān)管力量，著力提高安全生產(chǎn)法治化水平。我國出臺一系列適合煤礦安全生產(chǎn)實際的政策法規(guī)和文件，并大力組織落實，成立國家重點實驗室、國家工程研究中心等，專門從事煤礦安全生產(chǎn)科技研究，連續(xù)多年立項資助持續(xù)創(chuàng)新。

1 我國煤炭安全開采現(xiàn)狀

1.1 以煤炭為主導能源是國家發(fā)展的必然選擇

我國“缺氣、少油、相對富煤”，2020年我國煤炭占一次能源消費比例為56.7%左右。2020年原油、天然氣對外依存度分別達73%、43%[6]，中國工程院預測：2050年煤炭占一次能源消費比例還將保持在50%左右[7]。2050年以前，以煤炭為主導的能源結構難以改變。

我國煤炭開采條件復雜，災害威脅嚴重。煤炭資源分布差異大，極薄煤層與特厚煤層、近水平與急傾斜煤層廣泛分布，復雜地質(zhì)條件煤層占70%[8]。晉陜蒙寧甘區(qū)資源儲量豐富、開采條件相對簡單，生態(tài)環(huán)境脆弱；華東區(qū)煤質(zhì)優(yōu)良、煤層較穩(wěn)定，已轉入深部開采；東北區(qū)開采地質(zhì)條件復雜，煤與瓦斯突出等災害威脅嚴重；華南區(qū)煤層不穩(wěn)定、構造復雜，煤與瓦斯突出礦井占全國79.7%、熱害問題突出；新青區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，保水采煤面臨突出問題，凍土區(qū)域煤炭開發(fā)難度大[9]。我國煤炭開采受瓦斯、沖擊地壓、煤自燃、水害、粉塵、頂板、熱害等威脅嚴重。

1.2 煤炭安全開采取得的成績

1.2.1 煤炭資源勘探和煤礦地質(zhì)保障體系初步形成

“以地震主導，多手段配合，井上下聯(lián)合”立體式綜合勘探體系逐漸成熟，以高分辨三維地震勘探為核心的技術得到應用。井下水平定向鉆機能力超過1 000 m，無線電波、直流電法、微震等超前探測、監(jiān)測預警技術得到推廣應用[10]。井上下一體、采前采中配合的煤礦地質(zhì)保障技術體系初步形成。

1.2.2 煤與瓦斯共采研究國際領先

經(jīng)過20年的艱苦探索研究，實現(xiàn)了煤與瓦斯精準開采及高瓦斯煤層在低瓦斯狀態(tài)下的安全開采。攻克了多分支水平井鉆完井等重大核心技術，形成一系列具有獨立自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新成果和50余項重要標準規(guī)范。創(chuàng)立了卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術體系。

1.2.3 綜采技術和成套裝備研發(fā)取得重大突破

開創(chuàng)薄煤層刨煤機無人工作面安全高效開采技術模式，實現(xiàn)0.8～2.0 m煤層高瓦斯工作面自動化開采[11-12]。研發(fā)成功14～20 m特厚煤層大采高綜放開采關鍵技術及裝備，首次實現(xiàn)年產(chǎn)千萬噸特厚煤層工作面安全高效開采。隨著我國世界首臺馬蹄形和斜井雙模式盾構機、最大矩形盾構機以及全球首臺永磁電機驅動盾構機的相繼研發(fā)成功，曾經(jīng)完全依靠進口盾構機的時代已經(jīng)過去，自主研制的盾構機現(xiàn)在已占全球市場份額的2/3，拉低外國同類產(chǎn)品價格的40%。

1.2.4 智能開采技術及裝備取得歷史性突破

創(chuàng)新研發(fā)了采區(qū)工作面無人開采新技術，攻克了三角煤自動化開采、轉載機和液壓支架聯(lián)動、采煤機電纜防脫槽、采煤機和液壓支架遙控等多項技術難題。集成創(chuàng)新了工作面盾構無人掘進新技術，研制成功具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)盾構機，完成盾構掘進技術在神華、淮南等礦區(qū)的成功應用。自首個無人開采工作面——黃陵一號煤礦1001工作面試驗成功以來，我國已有近500個采煤工作面實現(xiàn)無人開采[13]。幾代煤炭人期待的“有人巡視，無人值守”智能化無人開采由夢想變成現(xiàn)實。

煤礦安全生產(chǎn)的科技進步，支撐了國民經(jīng)濟快速發(fā)展。近些年來，我國煤炭產(chǎn)量逐年增加，已從2005年的21.5億t躍升至2020年的39億t。在強有力的能源供給支撐下，我國GDP總量也逐年增加，已從2005年的18.73萬億元增至2020年的101.59萬億元。煤礦百萬噸死亡率不斷創(chuàng)出新低，已從2005年的2.76降至2020年的0.059。煤礦瓦斯事故基本得到控制，2020年全國煤礦瓦斯事故7起，死亡30人，較2005年分別減少407起，2 141人。

1.3 煤炭安全開采主要存在的問題

依靠科技進步，我國煤礦安全生產(chǎn)取得歷史性成就，但依然面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。

1.3.1 煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻

2020年，煤礦發(fā)生事故122起、死亡225人，較大生產(chǎn)安全事故仍時有發(fā)生。目前全國還有840處高瓦斯、719處煤與瓦斯突出煤礦。隨著開采深度不斷增加，部分煤礦由低瓦斯向高突礦井演變，煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻。

1.3.2 可供開采的綠色煤炭資源量極其有限

綠色煤炭資源量是指能夠滿足煤礦安全、技術、經(jīng)濟、環(huán)境等條件，支撐煤炭科學產(chǎn)能和科學開發(fā)的資源量。煤炭資源預測量約5.97萬億t，綠色資源量只有5 048.95億t，約占1/10。煤炭回收率平均僅50%，遠低于美國等發(fā)達國家的80%。我國綠色資源量僅可開采40～50年，未來或將大面積進入非綠色煤炭賦存區(qū)開采。

1.3.3 深部煤炭資源安全開采威脅巨大

我國探明煤炭埋深1 000 m以下資源量占53%，淺部資源枯竭，煤炭采深以平均每年10～25 m的速度增加。深部煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害威脅更大。日本、英國、德國等國家相繼關閉礦井，我國需要迎難而上[14]。

1.3.4 我國主動淘汰落后煤炭產(chǎn)能

國家制定了煤炭行業(yè)去產(chǎn)能目標，主動淘汰煤炭落后產(chǎn)能。2016-2020年，我國煤炭行業(yè)累計淘汰落后產(chǎn)能約9.9億t/a。中國工程院預測：2030年我國廢棄礦井數(shù)量將達到1.5萬處[15]。主動淘汰落后產(chǎn)能，礦井關閉或廢棄將成為常態(tài)。

1.3.5 直接關閉或廢棄礦井面臨大量問題

直接關閉或廢棄礦井造成資源的巨大浪費，可能誘發(fā)安全、環(huán)境及社會問題。關閉或廢棄礦井中蘊藏著大量資源，其中煤炭約420億t、非常規(guī)天然氣約5 000億m3(殘存瓦斯是隱患也是清潔能源)、約占全國1/3的礦井水資源，同時擁有豐富的地熱能、地下空間資源(約60萬m3/礦)、土地(約30 km2/礦)及可再生能源、生態(tài)開發(fā)及工業(yè)旅游資源等[16-17]。“12·4”重慶吊水洞煤礦停產(chǎn)關閉后發(fā)生CO超限事故，造成23人遇難。煤礦在停產(chǎn)關閉過程中存在諸多安全隱患，嚴重威脅礦井安全、生態(tài)環(huán)境及區(qū)域生產(chǎn)生活。

2 煤礦安全科技最新進展

在依然嚴峻的煤礦安全生產(chǎn)形勢下，煤炭行業(yè)的科研人員堅持創(chuàng)新驅動，堅持“政-產(chǎn)-學-研-用”協(xié)同創(chuàng)新，在煤礦智能精準開采、重大安全生產(chǎn)風險的預測預警等方面取得重大進展。

2.1 煤炭安全智能精準開采協(xié)同創(chuàng)新

“煤炭安全智能精準開采協(xié)同創(chuàng)新組織”2017年8月8日成立并揭牌。2018-2020年，連續(xù)3年召開學術研討會，69人次院士、1萬人次學者共同分享了最新研究進展和成果。通過“政-產(chǎn)-學-研-用”協(xié)同創(chuàng)新，其成員單位在煤與瓦斯突出預警、沖擊地壓預警、無煤柱煤與瓦斯共采等領域的科技攻關進展顯著。

2.2 煤與瓦斯突出預警新進展

在煤與瓦斯突出理論方面，揭示了多場耦合誘突機理及突出發(fā)展演化規(guī)律，成功開展了全球首次大尺度真三維煤與瓦斯突出物理模擬試驗，揭示了多場耦合誘突機理，構建了煤與瓦斯突出臨界判據(jù)[18-19]。

在煤與瓦斯突出預警方向領域，構建了煤與瓦斯突出工作面風險、區(qū)域風險、生產(chǎn)系統(tǒng)風險的一級預警指標共13個，二級預警指標共36個的多參量預警指標體系。建立了煤與瓦斯突出多源信息融合預警模型，實現(xiàn)了多指標自動融合分析與決策、預警模型的自修正、預警原因可追溯。同時，開發(fā)了采掘面分布式聲電突出預警系統(tǒng)、基于B/S結構和支持跨平臺礦井突出智能預警系統(tǒng)和煤與瓦斯突出區(qū)域遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)的云平臺。

2.3 沖擊地壓預警新進展

在沖擊地壓理論方面，揭示了沖擊地壓應力場-能量場-震動場疊加誘沖機理和煤厚變異區(qū)開采沖擊地壓的發(fā)生機制，構建了沖擊地壓發(fā)生的臨界判據(jù)[18-19]。在沖擊地壓預警方面，構建了沖擊地壓時空強分區(qū)分級篩選方法，多參量綜合監(jiān)測預警模型，單參量綜合異常指數(shù)模型，指標監(jiān)測預警判別方法，權重確定的R值評分方法等多參量綜合監(jiān)測預警指標體系。提出了沖擊危險分區(qū)分級監(jiān)測預警思想，包括對全礦井沖擊危險進行分區(qū)分級，確定重點區(qū)域；對重點區(qū)域進行重點監(jiān)測預警和檢驗，確定危險范圍；對局部危險范圍進行局部實時監(jiān)測預警和檢驗。研發(fā)了雙源震動波一體化CT探測預警設備、煤巖電荷監(jiān)測系統(tǒng)、鉆孔組合式動態(tài)應力監(jiān)測系統(tǒng)，建立了沖擊地壓預警云平臺，實現(xiàn)了沖擊地壓危險的綜合監(jiān)測預警。

2.4 無煤柱煤與瓦斯共采新進展

無煤柱煤與瓦斯共采方面，構建了“高位環(huán)形體”理論模型，首次開展大尺度(1∶1)現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬研究，提出了卸壓系數(shù)新概念，實現(xiàn)了深井采動煤巖體“三場”定量描述和瓦斯高效抽采[20-21]。

2004年提出了無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術，包括抽采瓦斯?jié)舛?0%～40%、首采層采空區(qū)瓦斯抽采率70%以上、連續(xù)抽采最高達90%的首采層采空區(qū)留巷鉆孔法瓦斯抽采技術；瓦斯抽采濃度達60%～95%、單孔瓦斯抽采流量0.25～1.50 m3/min、上向被卸壓煤層瓦斯抽采率72%以上、被卸壓煤層瓦斯含量由30 m3/t降至8 m3/t以下的留巷鉆孔法上向鉆孔抽采卸壓瓦斯技術；以及瓦斯抽采濃度85%～100%、單孔瓦斯抽采流量0.12～0.98 m3/min、多層開采后瓦斯抽采率達70%以上、被卸壓煤層瓦斯含量降至8 m3/t以下的留巷鉆孔法下向鉆孔抽采卸壓瓦斯技術等，都達到了安全開采標準。

3 煤礦安全生產(chǎn)科技戰(zhàn)略

新一輪科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革積極推進，面臨“百年未有之大變局”及碳達峰、碳中和目標，立足煤礦安全生產(chǎn)，積極制定并推進煤礦安全生產(chǎn)科技戰(zhàn)略，是保障國家能源安全、落實“雙碳”目標的重要舉措。

3.1 戰(zhàn)略框架

3.1.1 戰(zhàn)略思想

以追求煤礦工人的生命安全與健康生活為目的，以先進的工程科技支撐綠色本質(zhì)安全和職業(yè)健康，實現(xiàn)煤礦安全“五化”：透明化，精準探測，實現(xiàn)礦井全息透明；智能化，精準開采，設備智能高效操控；減災化，精準監(jiān)控、解危、救援，實現(xiàn)全過程減災；健康化，精準防護、有效控制職業(yè)病，保證工人健康；低碳化，精準開發(fā)、分級分類充分開發(fā)利用廢棄礦井資源。按照“五化”的要求，構建面向未來的煤炭開采全過程(采前、采中、采后)災害防治的精準智能開采新藍圖。

3.1.2 戰(zhàn)略藍圖

2050年煤礦實現(xiàn)精準開采，包括全息透明礦井、精準智能開采、智能防災治災及廢棄資源開發(fā)，助力煤礦升級為技術密集型企業(yè)。煤炭行業(yè)成為技術含量高、安全水平高、綠色無害化的高科技行業(yè)。以最少用工、最少動用儲量、最少人員傷亡，保障我國煤炭安全穩(wěn)定可持續(xù)供應。提升廢棄礦井資源開發(fā)利用，降低碳排放，助力國家低碳戰(zhàn)略。

3.1.3 戰(zhàn)略路線

2025年，實現(xiàn)精準智能開采“25版”，完成精準開采試驗和示范工程；煤礦井下作業(yè)人員減少30%以上；煤礦百萬噸死亡率控制在0.1以內(nèi)；煤礦塵肺病發(fā)病率降低10%以上；廢棄礦井開發(fā)利用率達到25%以上；安全生產(chǎn)形勢發(fā)生根本好轉。2035年，實現(xiàn)精準智能開采“35版”，精準開采煤礦占比達到30%以上；煤礦井下作業(yè)人員減少70%以上；煤礦百萬噸死亡率控制在0.01以內(nèi)；煤礦塵肺病發(fā)病率降低40%以上；廢棄礦井開發(fā)利用率達到35%以上；安全生產(chǎn)技術水平達到世界前列。2050年，實現(xiàn)精準智能開采“50版”，精準開采煤礦占比達到90%；人員白領化，井下無人作業(yè)，煤礦死亡人數(shù)控制在個位數(shù)以內(nèi)；廢棄礦井開發(fā)利用率達到50%以上；安全生產(chǎn)技術水平世界領先。

3.2 煤礦安全發(fā)展技術體系

遵循煤礦安全生產(chǎn)科技規(guī)律，推進落實科技戰(zhàn)略思想，聚焦全息透明礦井，精準智能開采，智能應急救援，智能健康防護安全發(fā)展技術體系。

3.2.1 全息透明礦井

全息透明礦井是運用全息成像技術，構筑三維分布圖像，精準確定煤炭資源賦存、資源儲量、地質(zhì)構造、地質(zhì)災害和伴生資源等，能為災害源頭防治、區(qū)域治理、資源綜合利用提供支撐的礦井。聚焦全息透明礦井基礎理論研究、應用技術和裝備研發(fā)，實現(xiàn)礦井資源和災害探查透明化。研發(fā)具有透視功能的地球物理科學，智能感知與多網(wǎng)融合傳輸技術及裝備，復雜井下空間定位及自主導航技術，井下地質(zhì)構造探測和災源定位高精度技術與裝備。2020-2035年，探測精度達到分米級；2035-2050年，探測精度達到厘米級。并且形成成套精準探測技術裝備，實現(xiàn)礦井全息透明化，大幅提升礦井隱蔽災害探查能力，如圖1所示。

圖1 構建全息透明礦井

3.2.2 精準智能開采

精準智能開采是在透明礦井的基礎上，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術，實現(xiàn)智能精準的無人采掘作業(yè)。持續(xù)推進基礎理論研究，突破核心關鍵技術，研發(fā)尖端裝備，對精準智能開采煤礦進行工程示范，實現(xiàn)煤礦智能無人安全開采。具體開展煤巖識別研究、智能遙控開采技術與示范應用、遠程可控的少人精準開采技術及其裝備研發(fā)，深部煤炭資源流態(tài)化開采關鍵技術及其裝備研發(fā)。2020-2035年，實現(xiàn)精準開采煤礦占比達到30%以上；2035-2050年，實現(xiàn)精準開采煤礦占比達到80%以上。同時，建立智能控制及自主避險的煤礦精準智能安全開采技術體系，實現(xiàn)煤礦精準智能安全開采，大幅提高煤炭開發(fā)技術水平及安全保障能力。煤炭安全智能精準開采戰(zhàn)略藍圖如圖2所示。

圖2 煤炭安全智能精準開采戰(zhàn)略藍圖

3.2.3 智能應急救援

智能應急救援是以全息透明礦井為前提，明確礦井災害源定位，并實時在線監(jiān)測，設備自動報警和智能響應，井下機器人進行操作的智能精準應急救援。具體要研發(fā)煤礦災害探測防控智能制造裝備(機器人)，實現(xiàn)煤礦災害智能化、無人化探測與防治；研發(fā)基于透明礦山技術的復合災害預警技術，智能機器人探測、識別、防控災害技術；建設全國災害防治大數(shù)據(jù)平臺；研發(fā)深部復合動力災害防控技術。2020-2035年，實現(xiàn)煤與瓦斯突出、水災、火災、頂板、沖擊地壓預測準確率90%，百萬噸死亡率0.01；2035-2050年，實現(xiàn)煤與瓦斯突出、水災、火災、頂板、沖擊地壓預測準確率100%，煤礦死亡人數(shù)個位數(shù)(百萬噸死亡率不大于0.003)。進一步提升我國煤礦安全技術水平，形成智能化局部精準開采，實現(xiàn)隱蔽災害的精確定位、監(jiān)測、預警，構建井下安全生產(chǎn)系統(tǒng)和災害管控可視化監(jiān)控體系，從開發(fā)源頭控制煤礦災害，加強復合災害的綜合治理和區(qū)域治理，協(xié)調(diào)資源利用與災害治理。智能應急救援戰(zhàn)略藍圖如圖3所示。

圖3 智能應急救援戰(zhàn)略藍圖

3.2.4 智能健康防護

智能健康防護是指基于全息透明礦井和智能減災核心技術，標識煤礦井下潛在危險區(qū)；運用高精準人員定位、風險監(jiān)測、智能控制系統(tǒng)，實時分析工人位置危險程度、個體接塵量及健康狀況，并實時反饋給個人，通過智能控制消除安全風險的健康防護。研發(fā)煤礦井下環(huán)境優(yōu)化關鍵技術、個體健康精準防護裝置和解危技術，提高礦井職業(yè)危害監(jiān)測預警及防治技術水平。開展礦山呼吸性粉塵在線監(jiān)測與防治技術及裝備、礦井一體化高效除塵技術裝備、煤層硫化氫含量測定方法和高效吸收技術裝備、礦井協(xié)同增效降溫移熱技術裝備、礦井有毒有害氣體及噪聲抑控技術的研發(fā)。2020-2035年，實現(xiàn)呼吸性粉塵除塵效率大于90%，煤礦塵肺病發(fā)病率降低40%以上；2035-2050年，實現(xiàn)職業(yè)病發(fā)病率降低90%以上。提高煤礦職業(yè)危害防治技術的有效性、適應性和經(jīng)濟性，實現(xiàn)職業(yè)危害監(jiān)測預警及防治系統(tǒng)的技術裝備突破。從源頭控制煤礦職業(yè)危害，結合呼吸性粉塵監(jiān)測治理及高溫熱害、噪聲、有毒有害氣體控制技術，提高礦井職業(yè)危害監(jiān)測預警及防治技術水平。智能健康防護戰(zhàn)略藍圖如圖4所示。

圖4 智能健康防護戰(zhàn)略藍圖

4 展望

隨著煤礦動力災害防控水平及煤炭精準開采不斷發(fā)展，未來爭取用最少礦井數(shù)量和最少開采面積支撐國家25億～30億t煤炭需求，構建能源生產(chǎn)和環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展新格局，為實現(xiàn)科技強國夢做出貢獻。我國煤礦安全發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃是：力爭2025年，煤炭智能精準開采取得重大突破；2035年，基本實現(xiàn)煤炭安全智能精準開采；2050年，全面實現(xiàn)煤炭安全智能精準開采。