今年1—7月,我國煤炭消費同比略增3.4%左右,盡管略有反彈,但與2013年的峰值水平相比,長期下降已是大勢所趨。
福禍相依,不要總認為煤炭消費比重下降對煤炭行業(yè)是壞事,應該堅持節(jié)約、清潔、安全的發(fā)展思路,聚焦煤炭精準開采、清潔高效利用,力爭用最少的煤礦數(shù)量、最小的開采面積、最小的煤炭消費量支撐中國的能源需求。出于安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和節(jié)能降耗層面考慮,我國煤炭行業(yè)必須要推進煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略。這意味著,煤炭行業(yè)處于一個重大的轉(zhuǎn)型期和轉(zhuǎn)折點,正在步入一個安全智能精準開采新時代。
綠色煤炭資源只夠四五十年
我國煤炭開采的基本國情是資源稟賦復雜。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,開采條件極其復雜。煤炭開采受煤與瓦斯突出、沖擊地壓、煤自燃、水害、粉塵等災害威脅嚴重,安全開采難度大。
在我國已探明煤炭資源中,埋深在1000米以下資源量占53%,隨著淺部資源枯竭,煤炭采深以平均每年10?25米的速度增加,且深部煤炭資源安全開采威脅巨大,深部瓦斯、沖擊地壓等災害相互耦合,成災機理復雜,防治愈加困難。
在煤炭開采過程中,普遍存在“棄薄采厚、挑肥揀瘦”現(xiàn)象,礦井資源回收率平均僅50%左右,與發(fā)達國家約80%的回收率有較大差距,造成原設計80?100年服務年限縮短一半。在節(jié)能領域,煤炭生產(chǎn)噸煤能耗大,2012年原煤生產(chǎn)耗電28.4千瓦時/噸,煤炭生產(chǎn)綜合能耗17.1千克標煤/噸。
近年來,依靠科技進步,煤礦安全開采形勢持續(xù)好轉(zhuǎn):在我國煤炭產(chǎn)量逐年增加的同時(從2000年的13.0億噸增加到2017年的35.4億噸,增幅達172.3%),百萬噸死亡率從2005年的2.76降至2017年的0.106。
但是,煤炭安全開采形勢依然嚴峻:雖然煤礦瓦斯、頂板、水害等事故逐年大幅下降,但重特大事故仍然時有發(fā)生,社會影響惡劣;煤礦百萬噸死亡率與世界發(fā)達國家相比仍存在較大差距,是美國的5倍,是澳大利亞的11倍。
解決這些問題,就需要“刀口向內(nèi)”,以精準開發(fā)方式,推進綠色煤炭資源發(fā)展,同時,最大限度保護資源、生命和環(huán)境。綠色煤炭資源量是指能滿足煤炭安全、技術、經(jīng)濟、環(huán)境等綜合條件,并支撐煤炭科學產(chǎn)能和科學開發(fā)的煤炭資源量?;诂F(xiàn)有技術條件,我國可供開采的綠色煤炭資源量極其有限,只有5048.95億噸,不足探明煤炭儲量的一半,占全國預測煤炭資源量5.97億噸的十分之一。按國家能源需求和煤炭資源回收現(xiàn)狀,綠色煤炭資源量僅可開采40?50年,未來或?qū)⒋竺娣e進入非綠色煤炭資源賦存區(qū)開采,勢必讓煤礦安全面臨巨大難題。
安全、智能、精準一個都不能少
2016年,我首次提出“煤炭精準開采”科學構(gòu)想,引發(fā)行業(yè)內(nèi)外廣泛熱議。2017年8月8日,“煤炭安全智能精準開采協(xié)同創(chuàng)新組織”在淮南理工大學成立并揭牌。如今,煤炭安全智能精準開采是未來采礦的必由之路,已成為行業(yè)共識。
“煤炭精準開采”是將煤炭開采擾動影響、致災因素等統(tǒng)籌考慮的煤炭無人(少人)智能開采與災害防控一體化的未來采礦技術。其科學內(nèi)涵是,基于透明空間地球物理,以多物理場耦合、智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算這些信息作為技術支撐,具有風險判識、監(jiān)控預警與處置功能等安全開采技術為支撐的智能無人安全開采。
隨著新形勢的發(fā)展,煤炭精準開采又增加了新的內(nèi)涵。
首先,要考慮在安全方面實現(xiàn)精準開采,如果安全問題都解決不了,其他就如同無本之木。
其次,要實現(xiàn)智能化。過去我國煤礦根本談不上智能化,連最基本的機械化也有很大差距,平均采煤機械化程度只有45%,國有重點企業(yè)為82.7%。相比其他行業(yè),煤礦信息化、無人化、智能化水平尚處于啟蒙階段。未來,煤炭產(chǎn)業(yè)必須由高危勞動密集型升級為高精尖技術密集型:每個礦100人以內(nèi),90%的人在地面作業(yè),10%的人在井下做生產(chǎn)準備、巡檢;信息化、自動化、智能化水平以及回收率、效率等指標會達到較高水平。
但僅僅是智能化仍然不夠,最終目的還是要實現(xiàn)精準開采,對煤礦資源、開采之后的狀況做到先知先覺,開采過程中的機器設備、系統(tǒng)運行都能夠?qū)崟r感知,達到航空航天一樣的水平。
從技術路線來看,精準開采有自己的路線圖:第一步,2035年以前,是地面和井下相結(jié)合的遠程遙控無人開采階段,實現(xiàn)操作人員在監(jiān)控中心遠程干預遙控設備運行,采掘工作面落煤區(qū)域無人操作;第二步,2035年到2050年,真正實現(xiàn)智能無人精準開采。突破地面遠程控制的智能化與信息化、可視化煤炭無人采與智能感知、災害智能監(jiān)控預警與防治等技術。
如今,煤炭開采從傳統(tǒng)的人力礦山、機械礦山到信息礦山、數(shù)字礦山并逐步邁向智能礦山演進,安全智能精準開采正在成為現(xiàn)實。據(jù)統(tǒng)計,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70余個采煤工作面實現(xiàn)智能無人開采。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。
要靠產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新
目前煤炭精準開采發(fā)展還面臨諸多的挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)為多種煤巖動力耦合災害治理研究尚不成熟,隱蔽致災因素動態(tài)智能綜合探測技術缺乏,基于大數(shù)據(jù)的煤礦重大災害預警平臺及新技術研究尚未開展等幾個方面。
為此,煤炭安全智能精準開采模式需要盡快研究并突破以下幾項關鍵技術:一是要精準掌握煤層賦存條件,實現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱、瓦斯等致災因素高清透視,打造具有透視功能地球物理科學支撐下的“互聯(lián)網(wǎng)+礦山”;二是要研發(fā)新型安全、靈敏、可靠的采場、采動區(qū)及災害前兆等信息采集傳感技術
裝備,形成人機環(huán)參數(shù)全面采集、共網(wǎng)傳輸新方法;三是要突破多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與知識挖掘難題,創(chuàng)建面向煤炭精準開采及災害預警監(jiān)測數(shù)據(jù)的共用快速分析模型與算法;四是采用“三位一體”科學研究手段,研究煤礦災害致災機理及災變理論模型,實現(xiàn)對煤礦災害的自適應、超前、準確預警;五是要探索多場耦合復合災害知識庫構(gòu)建方法,建立適用于區(qū)域性煤礦開采條件下災害預警特征云平臺;六是以采煤機記憶切割、液壓支架自動跟機及可視化遠程監(jiān)控等為基礎,以生產(chǎn)系統(tǒng)智能化控制軟件為核心,研發(fā)遠程可控的無人精準開采技術與
裝備;七是要融合計算機網(wǎng)絡技術、現(xiàn)代控制技術、云計算技術于一體,將互聯(lián)網(wǎng)
技術應用于云礦山建設,把煤炭資源開發(fā)變成智能工程或車間,建設基于云技術的智能礦山。
煤炭科技創(chuàng)新,不搞產(chǎn)學研協(xié)同合作,就是死路一條。因為各方優(yōu)勢可以互補,高等院校主要從事基礎研究,科研機構(gòu)主要從事技術裝備研發(fā),大型煤炭企業(yè)主要從事成果應用推廣及示范工程建設,形成產(chǎn)、學、研協(xié)同創(chuàng)新體制,只有各展所長、協(xié)同創(chuàng)新、聯(lián)合攻關,才能破解難題、引領行業(yè),如果各干各的,一個教授一個團隊,一個單位一個團隊,難以實現(xiàn)創(chuàng)新。
“煤炭安全智能精準開采協(xié)同創(chuàng)新組織”成立至今,一直致力于推動煤炭安全智能精準開采從科學構(gòu)想變成理論與技術現(xiàn)實。目前,該組織邊研究邊轉(zhuǎn)化邊示范,已經(jīng)基本實現(xiàn)了煤與瓦斯的精準共采,并在液壓支架自動跟機、采煤機記憶截割、工作面視頻監(jiān)控技術與裝備等方面取得重大突破。通過產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新,組織成員單位在信息智能傳感傳輸、互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)信息處理、災害智能預警與防控、智能采掘技術與裝備等領域進展顯著。
面向未來,建議政府主管部門更加重視煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新,以煤炭精準開采引領資源科技未來發(fā)展,未來爭取用最少的礦井數(shù)量和開采面積支撐國家25—30億噸煤炭需求。