我国淮河流域煤炭安全绿色开采

针对淮河流域煤炭开采条件复杂、井下灾害严重等问题,开展了松软低透气性煤层群煤与瓦斯共采、深厚表土层千米深井现代化矿井井群建设、淮河流域"三下"采煤及特殊开采、深井软岩巷道围岩控制、矿井多源水害防治、煤炭安全绿色开采地质保障等理论与技术研究,形成了一套煤炭安全绿色开采技术体系;认为要实现煤炭安全绿色发展,需科学确定开采下限,查清"绿色煤炭资源储量",建立"全物质循环经济"理念,利用"三位一体"研发手段,加强基础科学研究,为安全绿色开采提供理论技术保障。     

西部煤炭绿色开发地质保障技术研究现状与发展趋势

西部地区是我国绿色煤炭资源的主要分布区域和国家大型煤炭生产基地聚集区,也是我国生态环境脆弱区。在煤炭作为我国主体能源短期内难以改变的情况下,安全绿色开采、清洁高效利用西部煤炭资源已成为保障国家能源安全的重大需求。从煤系矿产资源协同勘查、生态脆弱区采煤保水及生态环境保护、矿井地质灾害精细预测预报、"互联网+煤炭地质"和煤炭清洁利用5方面分析了西部煤炭绿色开发地质保障技术的研究现状,展望了未来西部煤炭绿色开发地质保障技术发展的3大方向:提高绿色煤炭资源的勘查精度,创建采煤保水技术体系,提升煤炭清洁利用地质保障程度。     

我国煤矿安全高效开采地质保障系统研究现状及展望

从近40年来我国煤炭工业的发展进程,分析和总结了我国煤矿安全高效开采地质保障系统建设随着煤炭工业从炮采和普采向机械化开采的转变,经历了从煤田地质学发展到采矿工程地质学和矿井工程物探的发展过程,并逐步构建了煤矿安全高效矿井地质保障系统的基本框架。20世纪90年代中后期,随着煤矿采区高分辨三维地震勘探技术体系研究成果的建立和完善,使煤矿精细地质构造、煤与瓦斯突出、矿井突水通道等灾害隐患的探测精度和预测准确度大大提高,促进了我国煤矿安全高效矿井的迅速发展,煤矿安全高效矿井地质保障系统也走向成熟并在全国煤炭系统推广应用。虽然煤矿地质保障系统在保障开采安全、提高开采效率等方面取得了显著的成效,但随着信息技术的深度融合和煤矿机械化水平的进一步提高,煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿安全高效开采地质保障系统提出了更高的要求,矿井地质透明化是当前煤矿安全高效矿井地质保障系统发展的努力方向。其重点任务是:①在统一的数据融合基础上,进一步提高地球物理勘探精度,提高矿井地质的透明化水平,构建煤矿智能开采地质保障平台;②研发与惯导技术一体的高分辨煤岩辨识仪器装备,实现对工作面前方5 m范围煤岩结构的自动化数据采集与精准识别;③以岩层结构为基础,以岩石力学和流体因子为重点,开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预警系统。     

论煤炭绿色开采的地质保障

受"缺油、少气、相对富煤"能源资源禀赋特点制约,煤炭一直是我国能源安全的基础保障。煤炭资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产,是近地表地壳的组成部分,煤炭开采会对地质条件和生态环境造成损害。煤炭绿色开采地质保障从煤炭资源赋存地质条件出发,为实现煤炭资源安全高效开采、减缓和减小采掘工程对地质条件和生态环境损害,提供地质理论和技术支撑。从绿色开采地质保障的内涵、科学问题、技术问题、研究思路4个方面系统阐释了煤炭绿色开采地质保障理论与技术。煤炭绿色开采地质保障突出深部煤炭资源开采扰动下的地质条件变化,强调煤炭开采活动与地质结构和地表生态环境变化的整体研究,关注地下采掘工程引起时空效应范畴的地质条件变化和生态环境演化之间的耦合机制。总体研究思路是开采前精细勘查、开采过程有效减损、开采后恢复利用。采前实施空天地一体化精细勘查,查明煤系矿产资源空间赋存特征及维系地表生态系统的主要地质因素,构建涵盖煤系资源、地质条件、生态环境等要素的高精度三维模型,评价煤炭资源最佳利用方向和区域环境承载能力;采中进行地质条件损害探测、监测,揭示应力场、形变场、渗流场变化规律,研究煤系气、地下水运移和涌出特点,分析导致围岩动力灾害发生的地质因素,提出煤与瓦斯突出、水害、冲击地压等灾害超前预警理论及防控措施;采后进行采空区水体、有害气体、遗留资源的探测,巷道围岩、煤柱变形特征监测,研究煤-岩-水相互作用及采空区稳定性变化,开展地质条件及地表生态恢复演化过程研究,提出地下空间及遗留资源的综合利用理论与技术。煤炭绿色开采地质保障涵盖找煤、勘探、开采及采空区利用全过程,追求煤系矿产资源和生态环境保护协调发展。     

煤炭精准开采地质保障与透明地质云计算技术

煤炭精准开采的目标是以最少的人力实现煤炭资源的低损失、高产出、无事故、少破坏的全程智能化开采,除了开采工艺、采矿装备、传感感知、物联网、自动化和信息技术外,实现煤炭精准开采的技术关键就是基于四维空间的地质保障和透明地质的云计算技术。全面地论述了煤炭精准开采地质保障的技术内涵和目的,其核心是利用先进的装备和软件实现煤炭开采前、开采中和开采后全矿井地质体和隐蔽属性的精准化、可视化和透明化,并能够对地质灾害和危险源超前预知和防治,从地质层面确保精准开采工作的顺利进行。关于地质保障技术,阐述了地质体几何计算、地质灾害预测预报2个科学问题,凝练了构造地质、煤层地质、地质力学、地质扰动、瓦斯地质、水文地质、透明地质7项云计算技术,同时描述了这些科学问题和关键技术的研究进展。为了发挥地质保障技术在煤炭精准开采中的核心作用,首先,对构造地质精准建模、煤层煤质智能预测、开采扰动破坏分析、瓦斯参数反演和瓦斯灾害预报、水文地质分析和水害预警以及综合地质属性透明化处理等比较困难的科学问题和关键技术给出了解题思路。其次,论述了地质保障软件系统及其应用的云计算架构、主要功能以及在煤炭精准开采中的应用方式,并通过部分应用案例说明了这些技术方案的可行性。最后,指出只要在三轴绝对地应力传感器、宽频段微震传感器、宽量程风速传感器、富水区超前探测、煤层自然发火状态监测和在线水质化验等技术上取得进一步突破,就能为煤炭精准开采提供比较完整的地质保障。     

煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系

向地球深部要资源已成为国家战略。然而,现有的煤炭开采理论、技术及方法难以解决深部开采遇到的技术难题与环境污染问题,对煤炭开发与利用方式进行变革已势在必行。以煤炭技术变革为导向,以解决2 000 m以深煤炭资源开发的瓶颈难题为目标,系统阐述了煤炭深部原位开采的科学技术构想,提出了深部原位流态化开采的采动岩体力学理论、深部原位流态化开采的"三场"可视化理论、深部原位流态化开采的原位转化多物理场耦合理论、深部原位流态化开采的原位开采设计、转化与输运理论、深部原位流态化开采的地质保障技术、深部原位流态化开采的精准探测与导航技术、深部原位流态化开采的智能开拓布局技术、深部原位智能化洗选技术、深部原位采选充电气热一体化的流态化开采技术、深部原位无人化智能输送与提升技术、深部原位能量诱导物理破碎流态化开采技术、深部原位化学转化流态化开采技术、深部原位生物降解流态化开采技术、深部原位煤粉爆燃发电关键技术等。明确了煤炭深部原位流态化开采的战略路线,构建了煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系。     

我国煤炭工业科技创新进展及“十四五”发展方向

煤炭是我国的基础能源和工业原料,长期以来为经济社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有力保障。作为煤炭工业健康有序发展的核心动力,“十三五”以来,我国煤炭行业自主创新能力得到了大幅提升,实现了从跟踪、模仿到部分领域并跑、领跑的转变,取得了突出的成就。系统总结了“十三五”以来我国煤炭科技取得的主要成果,梳理了煤炭地质勘探、矿井建设、煤及共伴生资源开采、矿井灾害防治、煤机装备与智能化、洁净煤技术、节能环保与职业健康等7个领域所取得的理论、技术及工程应用方面的进展。分析了当前煤炭科技发展面临的共性问题,指出煤炭科技创新支撑我国煤炭工业高质量发展的能力依然不足。提出了煤炭科技自立自强、完善现代化煤炭开发利用理论与技术体系的“十四五”煤炭科技发展目标。围绕煤炭安全绿色智能开采和清洁高效低碳利用,明确了“31110”科技创新主要任务,包括煤炭绿色智能开采、煤矿重大灾害防控、煤炭清洁高效转化三大煤炭基础理论研究,煤炭资源勘查与地质保障、大型现代化矿井建设、煤炭与共伴生资源协调开采、煤矿灾害防治、煤矿智能化与机器人、煤炭清洁高效加工、煤炭高效转化利用、煤矿职业危害防治、煤矿应急救援、资源综合利用与生态保护十大重点领域核心技术攻关,煤矿井巷全断面快速掘进、复杂地质条件煤层智能综采、智能化煤矿建设、智能精细高效洗选、煤炭分质利用技术、煤炭液化及高端化工品制备、废弃矿井地下空间资源综合利用、矿区大宗固废资源利用、大型矿区生态修复、煤炭产品质量精准调控10项重大技术创新示范,复杂地质构造槽波地震探测、导井竖井掘进机凿井、掘支运一体化全断面岩巷掘进、煤矿井下水力压裂增透、干法矿物高效分离、采煤沉陷区土地复垦与农业生态再塑、智能无人综采工作面等百项先进适用技术推广应用,为“十四五”时期煤炭科技的发展方向提供了指导意见。     

滇东矿区矿井水害音频电透视探测技术研究与实践

针对我国西南地区煤田水文地质条件复杂,煤矿水害的探测技术研究与实践不足的问题,开展了音频电透视探测技术在滇东矿区的研究与实践。研究了音频电透视探测技术的理论基础、技术特点、施工方法等;在滇东能源雨汪煤矿一井采煤工作面开展了音频电透视探测技术的工程实践,可靠地探测到了采煤工作面内部及其顶底板100 m高度范围内富水区、地质构造带等地质异常体的位置、分布及含水性强弱等,经钻探验证,探测成果可靠性高,为雨汪煤矿一井采煤工作面水害防治工作提供了可靠的地质依据,音频电透视探测技术为雨汪煤矿一井精准治理矿井水害,实现绿色安全开采提供了技术支撑,研究与实践取得的音频电透视法视电导率值等参数,填补了滇东矿区音频电透视探测技术研究与实践的空白,可为类似地质条件下矿井水文地质条件分析提供借鉴,具有一定的理论和现实意义。     

深部煤炭资源智能化开采技术现状与发展方向

深部煤炭资源开采采场地应力高、采动影响强烈,冲击地压灾害时有发生。智能化开采是深地资源开采的重要手段,深部资源安全绿色、智能高效开采技术与装备亟需研发,以加快开展千米深井智能开采实践。根据兖矿集团多年来煤矿开采的技术经验,在分析智能化开采技术现状的基础上,围绕煤炭资源深部开采灾害防治和探-掘-采等关键生产环节,分别对矿井地质探测与建模、深井灾害防治技术、智能化掘进与开采技术现状及存在的问题进行了阐述,展望了深部煤炭资源智能化开采趋势,提出了各项技术相对应的具体研究内容及预期研究目标。目前三维地质建模技术可基本辅助规划井下安全生产,但仍处于起步阶段,探测精度不够,缺乏实时处理功能,实现地层精准模型构建有待高精度探测技术与数据处理方法展开研究;矿震观测系统的引进及发展有助于冲击地压防治,但仍需在关键层运动特征监测及灾害治理手段方面深入研究,同时须进一步提升矿井热害防治智能化水平;智能化采掘技术在基础理论、装备研制等方面取得长足进步的同时,应该向复杂地质条件下煤层及装备协同控制方面投入更多研究。     

薄煤层炮采机械半机械化开采技术及工艺探索

根据我国煤炭资源情况,发展薄煤层炮采机械半机械化开采技术,对于开采利用我国的煤炭资源,延长矿井的开采年限,实现矿井高效开采,具有重要意义。随着采矿设备制造水平提高,炮采机械半机械化开采技术逐步发展成熟,薄煤层矿井根据不同地质条件选择适合的炮采机械半机械化开采技术,可有效提高薄煤层工作面采煤效率及机械化、自动化水平。     

井下综合物探技术探测隐伏小煤窑采掘范围研究

小煤窑肆意采掘形成杂乱无序的采空区,对煤矿采掘工作面形成重大安全隐患。为了达到准确探测的目标和靶向性治理,探讨了矿井瞬变电磁法、四极测深法和矿井地质雷达法的基本原理,分析了存在隐伏小煤窑采掘情况时地层的地球物理响应特征,提出了3种物探方法相结合的井下综合物探技术,对团柏煤矿2个隐伏小煤窑井筒及采掘范围进行探测研究,并对探测结果进行了分析解释并得到钻探验证。应用表明,利用井下综合物探技术有效地探测了隐伏小煤窑井筒位置及其采掘范围,达到了对隐伏小煤窑采掘范围的多方法佐证、高精度综合探测效果,为后期针对性地治理小煤窑采空区提供可靠的技术保障。     

基于透明地质大数据智能精准开采技术研究

透明工作面是目前智能化开采的重要研究方向,是实现无人化开采的重要途径。针对记忆割煤应用效果较差、传感器精度低、大数据融合应用率低、无法根据工作面地质条件变化进行自主感知、决策和调整等问题,开展了基于透明地质大数据智能精准开采的研究与实践应用。通过钻探、巷道测量和槽波勘探等物探手段来构建较精准的透明工作面三维模型,提前规划截割模板,再联合应用惯性导航技术、雷达定位技术和大数据分析决策技术,来不断修正截割模板,最后通过井下精准控制中心来完成对采煤机和液压支架的精准控制。该技术将当前基于记忆截割的"智能开采1.0"阶段升级为基于透明地质规划截割的"智能开采3.0"阶段,实现由传统的记忆割煤向三维空间感知和自动截割的技术跨越,具有很强的适应性和实用性。     

煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑

提出了煤矿智能化是煤炭工业高质量发展核心技术支撑的科学思想,阐述了煤矿智能化的定义和总体要求,明确了煤矿智能化发展的目标是建设智慧煤矿,分析了煤矿智能、智慧、信息化、数字化等术语的内涵和关联关系,提出了我国煤矿智能化建设原则和阶段目标。进行了煤矿智能化顶层设计,提出了统筹规划煤矿智能化发展模式、科学设计智慧煤矿总体架构、建设100个智能化示范煤矿的发展思路。探讨了井工煤矿精准地质探测与4D-GIS系统、智能化开拓规划与工作面设计、智能化巷道快速掘进成套技术、智能化综采工作面成套技术、智能化主/辅运输技术、危险源智能感知与预警技术、智能化洗选系统、智能化综合保障技术、矿井物联网综合管控系统和操作平台等主要环节的发展路线。阐述了露天煤矿智能化发展方向,提出了建设露天煤矿信息化系统、开发露天煤矿智能化连续开采技术、建立露天煤矿空-天-地一体化安全预警系统、推进露天煤矿生态环境协调绿色发展的理念。大力发展煤机装备智能制造,提高煤机装备的可靠性与适应性,促进煤炭资源开发的机器人化替代,为煤矿智能化发展提供智能装备保障。提出了加大煤矿智能化发展政策支持、设立煤矿智能化标准体系建设专项、建立国家级煤矿智能化技术创新研发实验平台等政策建议。     

智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

为解决煤炭开采面临的突出问题,找到煤炭开采未来发展方向和急需突破的关键核心技术,分析了国内外能源结构及煤炭的现状,指出利用科技进步实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向,建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究方向:① 数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系;② 复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;③ 矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理、井下机器人群协同智慧和馈电管理、井下精确定位导航和5G通信管理、地质及矿井采掘运通信息动态管理、视频增强及实时数据驱动三维场景再现远程干预、环境及危险源感知与安全预警系统管理、智能化无人工作面系统管理和全矿井设备和设施健康管理八大智能系统管理操作平台的构想,分析了各平台的功能、特征和关键核心问题,提出了相应的建设路径和方法;分析了智慧煤矿的构成和建设目标,提出了智能化开采的八大核心技术短板和亟待攻破的关键技术,提出了技术层面从数据获取利用、智能决策和装备研发3个主要方向进行突破,管理层面从科学产能布局、专业化运行服务和建立新规范规程体系等促进发展的措施,指出了智慧煤矿和智能化开采技术发展的目标和实现路径。     

综合物探方法在陷落柱探测中的应用

针对煤矿巷道掘进面前方地质构造预报问题,采用矿井瞬变电磁和瑞雷波综合超前探测技术对小回沟矿1号西回风大巷进行探测,划定异常区域进行钻探验证。结果表明:使用综合物探技术能准确预测掘进面前方陷落柱的范围及含水情况,对类似地质条件的矿区的安全掘进具有一定的示范作用。     

小浪底水库下采煤覆岩破坏综合探测技术研究

根据煤矿覆岩破坏观测的研究现状,从小浪底水库下采煤矿井防治水工作的需求出发,首次尝试采用钻探与物探手段相结合、多种物探手段相结合以及井上下观测相结合的综合探测手段进行小浪底水库下煤炭资源开采后覆岩破坏规律的观测,取得了较好的效果,准确判断了煤层开采后的覆岩破坏情况和导水裂隙带高度,为新安煤矿合理设计水库下开采的方式方法提供了重要的参数依据和技术支撑。     

煤矿采空区无损探测方法研究

随着煤矿的兼并重组以及资源整合,致使小煤矿采空区成为煤矿安全开采的突出隐患,为了对小煤矿采空区进行精确的探测,采用无损探测（综合物探）法,研究了瞬变电磁法、高密度电法等原理、然后分别采用三维地震综合法、高密度二维地震法、瞬变电磁法和高密度电法对该煤矿进行了探测,研究得出,二维探测结果和三维综合探测结果,在空间上异常区域具有较高的吻合关系,然后根据该异常区域,在地面圈定了7个验证孔的坐标,由验证孔的工程勘探,验证了该煤矿采空区的位置以及形成采空区的原由,表明了综合物探法对煤矿采空区的探测是可行的、有效的,研究为同地质条件下小煤矿采空区的探测提供了技术支持。