中国煤炭科学技术新进展.pdf

摇 第 36 卷第 11 期煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报Vol. 36摇 No. 11摇 摇 2011 年11 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYNov. 摇2011摇 摇 摇 文章编号0253-9993201111-1779-05 中国煤炭科学技术新进展 申宝宏,雷摇 毅,郭玉辉 中国煤炭科工集团有限公司,北京摇 100013 摘摇 要介绍了“十一五冶期间我国煤炭科技在地质保障、资源开发、煤矿安全、洁净利用等领域的 最新进展,分析了现阶段我国煤炭产业结构调整、资源保障能力、矿井开采深度等对我国煤炭科技 发展的影响,提出了我国煤炭科技面临的主要挑战。 指出了“十二五冶期间我国煤炭科技在煤炭开 发、地质保障、大型矿井建设、煤炭高效开采、煤与煤层气协调开发、煤矿灾害防治、煤矿安全避险和 应急救援、职业危害防治、煤炭加工与转化、节能减排与资源综合利用等领域的发展方向。 关键词煤炭科技;新进展 中图分类号F426郾 21摇 摇 摇 文献标志码A 收稿日期2011-10-18摇 摇 责任编辑许书阁 摇 摇 作者简介申宝宏1956,男,安徽凤阳人,研究员,博士生导师。 Tel010-84262769 Progress of coal science and technology in China SHEN Bao鄄hong,LEI Yi,GUO Yu鄄hui China Coal Technology new progress 摇 摇 煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业, 支撑着国民经济持续快速健康发展。 2010 年,在我 国一次能源生产和消费结构中,煤炭的比重分别达到 77郾 4和 68郾 6,煤炭在相当长时期内仍将是我国 的主体能源[1-2]。 “科学技术是第一生产力冶,煤炭科 技是实现煤炭高效、安全、洁净开发和利用,促进煤炭 工业健康可持续发展的重要保障。 “十一五冶期间, 煤炭行业相关科研单位、高等院校、煤炭企业等优势 科技资源注重加强科技合作,强化产学研用相结合, 广泛开展煤炭科技创新活动,在基础理论研究、关键 技术研发、重大装备研制及先进成果推广等方面取得 了重要突破,促进了煤炭科技的快速发展。 与此同 时,现阶段煤炭科技也面临一系列的新问题和新挑 战,“十二五冶期间,要进一步完善煤炭科技创新体 系,搭建煤炭科技创新平台,促进煤炭科技全面进步, 全面提升行业科技水平和核心竞争力[3]。 1摇 我国煤炭科学技术新进展 “十一五冶期间,煤炭行业科技创新步伐明显加 快,在科学技术研发、科研条件建设、先进成果推广等 方面取得重要进展。 煤炭行业共实施完成“973冶计 划、“863冶计划、国家科技重大专项、国家科技支撑计 划等国家科技计划 50 余项、课题 360 余个,建设完成 国家科技大型示范工程项目 13 个。 煤田地质勘探、 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2011 年第 36 卷 煤炭资源高效开采和清洁加工利用、煤矿重大灾害防 治、节能减排及环境保护等涉及煤炭资源高效、安全、 洁净开发利用的一系列共性、关键性技术难题取得突 破性进展,涌现出一大批具有先进性和创新性的优秀 科技成果。 1郾 1摇 煤炭地质保障技术装备取得新进展 深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探 测基础研究取得新进展。 揭示了深部煤炭资源赋存 规律、资源潜力、原地应力场及原地温场特征,建立了 以物探为主、钻探配合的深部煤炭资源快速、综合探 查技术体系。 高分辨三维地震勘探可以查出1 000 m 深度以内落差 3 5 m 以上的断层和直径 20 m 以内 的陷落柱。 瑞利波超前探测技术及装备实现了阵列 观测、时域叠加和空间迭加,提高了探测能力和精度, 形成了采掘工作面围岩松动圈和破碎带的处理和解 释方法,超前探测能力可达到 80 m。 采用发射接收 一体化技术、智能电极自动转换技术、基于叠加拟合 压制干扰信号的数据处理与解释技术,开发出了含水 层音频电透视探测技术与装备,提高了工作面探测精 度。 基于采集发射一体技术,采用高磁导率的磁芯定 向天线,开发的井下瞬变电磁法超前探测技术与装 备,提高了信号质量、工作效率及探测精度,超前探测 距离达 100 m。 声发射、微震、电磁辐射等监测技术 也得到广泛应用,井上下一体、采前采中配合的煤矿 地质保障技术体系初步形成。 1郾 2摇 煤炭生产开发技术装备取得新突破 深厚冲积层大型矿井建设技术取得新突破,冻 结、钻井、注浆等特殊凿井技术达到国际领先水平。 解决了在 600 800 m 冻结法凿井施工中的冻结管断 裂和外层井壁压坏等技术难题,冻结法凿井技术穿过 冲积层厚度达到 587 m,最大冻结深度 737 m。 地面 预注浆材料从“水泥时代冶进入“黏土时代冶,井筒地 面预注浆最大深度达到1 048 m。 研制的大型钻机能 力达到钻径 准13 m,钻深 700 m 以上;完成了最大钻 凿成井深度 660 m,最大钻井直径 10郾 3 m 的工程实 践。 研制成功大直径反井钻机,反井钻井深度达到 500 m,最大扩孔直径达到 5 m。 综合机械化开采技术和成套装备研发取得新突 破[4]。 自主研制了大功率电牵引采煤机、刮板输送 机和电液控制液压支架等工作面成套装备,初步攻克 了我国煤机装备普遍存在的设备性能参数低、关键元 件、单件设备、系统设备可靠性低、开机率低、自动化 水平低的装备“短板冶问题,适应煤层厚度 3 6 m,一 次采全高工作面年产量达到 1 025 万 t,创造了新纪 录。 综放工作面在煤层厚度 13 m 条件下,年产煤 1 039郾 1万 t,刷新综放工作面年产世界纪录。 研制成 功煤巷大断面掘锚联合机组,具备一次截割成形的高 效截割技术和机载全液压导轨式锚杆机技术;开发了 大断面煤巷锚杆快速支护技术,研制出小孔径预紧涨 楔锚杆,准22 mm 锚杆杆体破断载荷达 330 kN。 研制 成功功率大、机面高度低、过煤空间大的极薄煤层电 牵引采煤机,适应煤层厚度 0郾 8 1郾 25 m,煤层倾角 0 45毅;在薄煤层采煤机中引入 DSP 为核心的控制 系统,显著提高了控制系统的可靠性;工业性试验表 明,平 均 月 产 达 4 万 t。 研 制 成 功 总 装 机 功 率 597 kW、单向抗压强度臆40 MPa 的 EML340 型连续 采煤机,以及履带行走用 1 140 V 机载交流变频器, 在乌兰木伦矿开机率最高达到 98郾 87,在中煤东坡 煤矿平均月产达 5 万 t,刷新了国产装备新纪录。 1郾 3摇 煤矿安全技术装备水平再上新台阶 煤矿灾害防治基础研究取得新进展,为煤矿灾害 预测防治新技术、新装备研发应用提供了理论依据和 科学基础。 提出了瓦斯突出“准备阶段、发动阶段、 发展阶段和暂停阶段冶理论模型及各阶段的力学作 用机制,实现了瓦斯预测理论上的突破;提出了构造 煤分类新方案,获得了采动裂隙场与瓦斯流动场耦合 效应作用规律[5]。 得出了煤岩动力灾害演化过程的 地球物理响应规律,对多种爆炸物质共存井巷网络条 件下最低着火温度、最小点火能量等爆炸条件和瓦斯 煤尘爆炸致灾机理有了新认识;提出了矿井突水的水 文地质结构模式及形成条件,初步形成了采动岩体渗 流规律与突变机理;获得了采动应力场、裂隙场和瓦 斯流动场耦合效应作用规律[6]。 煤矿灾害预测预警及防治技术取得新进展。 瓦 斯含量快速准确测定技术解决了硬煤压风取样温升 加速瓦斯解吸、松软煤层取不到样或取样时间过长、 损失量估算误差大的难题,实现了120 m 长钻孔定点 取样,8 h 内快速测定瓦斯含量,测定误差小于 7, 在 100 多个矿井推广应用。 开发出红外甲烷传感器, 误差臆真值的依10,响应时间臆12 s,工作稳定性逸 12 个月,寿命逸5 a;红外二氧化碳传感器,解决了设 计、温度补偿、防尘防水结构等难题;激光甲烷传感 器,测量精度依0郾 05,响应时间12 s,工作稳定性逸 6 12 个月,寿命 逸 5 a;激光一氧化碳传感器检测 范围 0 2 000伊10-6,测量误差臆真值的依5,稳定 性逸12 个月,响应时间30 s,寿命逸5 a,已进入工业 性试验阶段。 安全生产综合监控技术实现升级换代, 井下易爆环境用以太环网现场总线、宽带接入设 备、大容量本安电源设备、异常联动控制等技术取得 突破。 开发了集地质测量、生产技术、通风安全、办公 0871 第 11 期申宝宏等中国煤炭科学技术新进展 自动化和数字化矿山、安全生产监控于一体的预警平 台,实现了隐患联动控制和动态预警。 煤矿井下千米 定向 瓦 斯 抽 采 技 术 及 装 备 填 补 了 国 内 空 白, ZDY600LD 型履带式钻机在陕煤彬长大佛寺矿业公 司钻孔深度达 1 212 m,创出国内新记录。 研制出的 适合于突出松软煤层的顺层钻机在坚固性系数 f臆 1郾 5 条件下煤层钻孔深度达到 168 m,创造了突出松 软煤层钻孔的最新深度,钻孔深度超过100 m 的成孔 率达到 70,已在 50 多个矿区进行了推广。 煤矿灾害应急救援技术及装备取得新进展。 开 发了人员精确定位技术,井下目标移动速度不大于 1 m/ s 的条件下,定位精度达 4 m。 研制出了采用无 线传输和无线中继技术的矿井无线救灾通讯系统技 术与装备,实现井下指挥基地与救援现场之间的灾区 图像、语音、环境参数CO、O2、CH4、温度等三位一 体的实时并行传输,井下无线传输距离达到 2 km。 建立了移动式矿井重大灾害应急救援指挥系统,可完 成气体采集、监测、危险性判别等信息、救援方案制 定、应急措施执行等。 研发了井下移动式救生舱,采 用分段组装式结构,在没有外界动力条件下可提供 8 人4 d的生存环境;采用 CO2、CO 等有毒有害气体吸 收清除技术,保障了救生舱安全的生存环境;研制了 救生舱专用蓄冷空调,解决了制冷除湿问题。 1郾 4摇 煤炭洁净利用技术水平取得新进步 难选煤高效分选关键技术取得突破。 采用“等 基元灰分冶分选技术,开发成功最大产率工艺系统, 研制成功世界首台煤用第一段锥形双供介无压给料 三产品重介质旋流器。 开发了重介质旋流器分选难 选煤工艺系统,实现了-80 mm 级别原煤的高效分级 入选,使精煤产率提高了 1郾 17。 研制成功 SSC900 型大型分级破碎机,破碎工艺指标达到国际先进水 平。 研究开发了干煤粉气化技术、水煤浆加压气化技 术,一批大型煤气化技术与装备相继进行示范和投入 工业化运行;多喷嘴对置式水煤浆气化技术单炉最大 规模 2 200 t/ d;华能绿色煤电 250 MW 级 IGCC 示范 项目,采用两段式干煤粉气化技术,规模达到2 000 t/ d。 百万吨级煤炭直接液化示范工程已经建成投产。 煤炭间接液化技术示范取得成功,自主研发了低温浆 态床 F-T 合成关键技术,目前有 3 套 20 万 t/ a 级的 间接液化示范项目在试运行。 煤制天然气工艺技术 成熟,大部分生产设备已实现国产化,在建规模达到 136 亿 m3/ a。 开发了工业煤粉锅炉专用燃烧器,在中 小容量锅炉高效燃烧、低 NOx排放技术取得重大突 破。 锅炉热效率达到 86 以上,比传统燃煤锅炉节 煤超过 1/3 以上,煤尘排放不超过 20 mg/ m3,SO2等 污染物排放量远低于国家排放标准的要求[7]。 煤矿瓦斯利用技术取得重要突破[8-9]。 研制成 功浓度低于 1的乏风氧化、浓度低于 30的易爆炸 瓦斯安全燃烧、浓度高于 30 的瓦斯浓缩提纯与深 冷液化中试装置,解决了低浓度瓦斯安全利用的难 题。 在国内外首创以煤为原料制备的低浓度瓦斯浓 缩专用煤基碳分子筛,甲烷氮气吸附分离系数 3郾 4 4郾 6,且甲烷吸附容量较大及解吸性能较好,强度达到 99。 建成国内外首套原料气处理能力 4 800 m3/ d 含氧煤层气混合工艺制冷液化中试装置,原料气甲烷 浓度 26郾 98 32郾 05,液化后产品纯度达 99郾 10 以上,甲烷回收率达 98郾 75。 2摇 我国煤炭科技面临的挑战 随着煤炭工业可持续发展对资源、安全和环境等 方面的要求不断提高,煤炭科技也面临一系列新问题 和新挑战。 1煤炭资源开发基础理论研究相对滞后,亟待 攻关。 一方面,我国煤炭资源赋存条件复杂、自然灾 害众多威胁,大量重大共性、关键技术需要攻关;另一 方面,煤炭产量增长、大规模开发与生态环境的协调 发展,迫切需要解决煤炭绿色开采与洁净利用的科学 问题[10]。 2煤炭资源保障能力较低,煤炭开发重心逐步 西移。 我国查明煤炭资源储量为 13 058郾 8 亿 t,其中 基础储量 3 176郾 2 亿 t,西部煤炭资源超过总量的 60。 我国东部资源日渐枯竭,深部开采技术亟待解 决;中部资源富集区开发强度大,但生态环境脆弱,资 源开发与环境协调技术需要研究;西部资源丰富,煤 炭开发重心逐步西移,但适应西部地层特点的高强度 开发技术装备缺乏,煤炭转化、转运技术、特厚煤层开 采、易自燃煤层火灾防治技术等急需攻关[11]。 3煤炭产业结构调整,提升煤矿现代化水平对 煤炭科技创新提出新要求。 综采综掘装备能力、关键 元部件可靠性、智能化控制以及煤矿管理信息化、安 全监控现代化水平仍需提高。 极薄、急倾斜、赋存状 况变化大、受煤与瓦斯突出等灾害威胁严重的难采煤 层的安全高效开采技术,小型煤矿和小块段煤炭机械 化开发技术等亟待攻关。 4集约发展、清洁发展、安全发展和可持续发 展对煤炭科技创新提出更高要求。 我国煤炭资源综 合精细勘查技术和装备相对落后,地质保障水平仍有 待提高;保水开采、采煤沉陷治理、粉尘与噪声治理、 热害防治与地热利用、地下水利用等亟待攻关;煤层 1871 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2011 年第 36 卷 气开发、煤矿瓦斯灾害形成机理和监控监测预警与治 理、井下充填和煤矿三下采煤,特别是矿井带高压水 威胁开采以及冲击地压预测与防治等一系列重大关 键技术和装备均需要开展研究。 3摇 我国煤炭科技发展方向 “十二五冶煤炭科技发展重点方向如下 1煤炭资源开发地质保障。 开展煤田精细勘 探和多源地质灾害探测技术研究,提高戈壁、黄土塬、 采空区等区域煤田地质勘探精度,在煤矿井下增强多 源地质灾害全方位、可视化超前预测预报能力,增强 煤矿灾害超前预测预报与防治能力,为实现安全高效 开采提供技术支撑。 重点加强资源整合煤矿与矿井 多源地质灾害防治技术研究,实现对小煤矿边界及其 富水性、冒落状态的高效、高精度探查。 2特殊地层大型矿井建设。 重点开展东部厚 冲积层深立井、西部斜井冻结、软岩钻进机械施工和 岩巷全断面综合快速掘进等关键技术和装备研发,满 足大直径矿井快速建设的需要。 在西部大型矿井建 设方面,要解决斜井冻结孔施工和冻结法凿井关键技 术,实现井深 400 800 m 的竖井钻掘,月成井速度达 到 50 150 m。 3煤炭高效开采。 重点开展综采装备关键零 部件新材料、新工艺、系统匹配、大型设备软起动、快 速搬运,煤矿深部围岩控制与支护和极薄煤层机械化 开采技术装备研究。 开展西部矿区保水开采和生态 修复技术研究,研制出高效充填开采成套装备,年充 填能力达 120 万 t 以上,充填率不低于 90;地面开 采损害控制在一级范围以内,实现低损害开采。 研发 大型露天煤矿装备和新型大功率防爆运输装备,电驱 动半连续开采单机产能达 1 000 万 3 000 万 t/ a;连 续采煤单系统生产能力达 500 万 t/ a;大型挖掘机铲 斗容量达 55 80 m3,额定负载达 104 200 t。 4煤矿信息化和管理现代化。 重点开展煤矿 物联网关键技术研究,研发基于高可靠性的矿井一体 化综合监测监控关键技术与装备,推动煤矿智能控制 与决策系统现代化;研发促进煤矿企业管理信息化和 现代化的电子商务关键技术,以及煤矿员工培训等关 键技术。 5煤与煤层气开发。 重点开展煤系地层煤层 气成藏规律研究,开发煤层气高效抽采、煤层气与煤 炭一体化开发和低浓度煤层气利用技术装备与工艺。 研究多分支水平井技术、井壁稳定技术、分层连续压 裂技术及煤层气低压集输工艺和监控技术。 强化煤 层气开发与煤炭开采工程紧密结合,建立不同赋存条 件的煤层气开发与煤炭开采协调发展模式,为煤层气 产业化开发提供先进的技术与装备。 6煤矿灾害预测与防治。 重点开展煤岩动力 灾害多因素耦合致灾机理、前兆信息探测分析与监测 预警技术研究,研发煤与瓦斯突出及冲击地压综合防 治、隐蔽火源探测等关键技术装备,完善深部矿井煤 岩动力灾害防治技术体系,提升煤矿动力灾害的综合 防治技术水平。 7煤矿安全避险和应急救援。 重点研发地面 大直径救生专用钻机与破拆工器具、快速安装的大流 量成套排水装备;开发功能完善、性能可靠的井下移 动式避难大型设备及固定式避险硐室系列设施以及 个体防护装备;实现灾区环境参数及音视频信号的稳 定传输,无线通信组网距离达到 2 500 m 以上;研究 建立适合我国煤矿灾害事故风险管理与分级控制的 标准体系[12]。 8煤矿职业危害防治。 开展以呼吸性粉尘为 主的尘害防治关键技术以及粉尘预警、粉尘浓度传感 器和实时监测等关键技术的研究。 随着开采深度的 增加,矿井地温不断升高,且机械设备放热也已成为 井下重要热源之一,我国热害矿井数量明显增加。 针 对现有降温技术与装备集成化低、制冷效率差,运行 费用高等问题,急需进行深部矿井热害预测与防治技 术及装备的研究。 9煤炭加工与转化。 重点开展大型选煤厂成 套技术与装备、井下选煤技术、深度脱硫及其它有害 重金属元素脱除技术以及在线监测技术的研究,开发 出单系统 600 万 t/ a 炼焦煤、1 000 万 t/ a 动力煤特大 型选煤厂关键装备,形成具有自主知识产权的技术体 系。 开发出大型低阶煤提质、煤炭气化、新型催化剂 和加氢处理等关键技术装备,加强褐煤干燥、改性、热 解等提质技术开发和大型关键设备攻关,制备出黏结 指数较原料煤增加 20 以上的增塑煤,使低阶煤发热 量升高至 23 014郾 2 kJ/ kg。 10节能减排与资源综合利用。 重点研发低浓 度煤层气高效分离及浓缩技术和提高煤炭燃烧效率 及固硫、脱硫的技术装备;研发矿井水井下处理、规模 化循环利用和煤化工废水处理以及矿井热能高效利 用技术装备。 4摇 结摇 摇 语 针对煤炭科技发展重点方向,要强化煤矿重大灾 害防治、煤炭资源开发、煤炭转化等方面的基础理论 研究,大力攻克煤矿多源地质灾害防治、特设条件下 大型矿井建设、高效辅助运输、煤矿高效充填开采、露 2871 第 11 期申宝宏等中国煤炭科学技术新进展 天煤矿安全高效开采、煤矿安全避险及应急救援处 置、千万吨级高效选煤、低阶煤提质与综合利用等一 系列重大关键技术,着力建设千万吨高效自动化开采 矿井、绿色开采生态矿山、煤与瓦斯突出防治、高承压 及深部矿井防治水、煤层气开发利用、煤矿井下高效 选煤厂、规模化褐煤物理干燥技术、大型煤炭间接液 化、煤矿物联网等一批示范工程。 通过大力推广科技 成果,加强科技成果转化,促进高新技术产业化,提高 煤炭生产技术与装备的应用水平。 参考文献 [1]摇 钱鸣高. 煤炭的科学开采[J]. 煤炭学报,2010,354529-534. 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