地下能源开发的未来

地下能源开发的未来摘要：能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。过去100多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源。当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然。中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安全，正在发挥着越来越重要的积极作用。因此地下能源开发的未来必将面临着新的机遇和挑战。关键词：能源物质基础开发利用组成部分机遇和挑战下面我讲重点介绍我国薄煤尘开发的技术现状和要面临的挑战。一、高效掘进与支护技术现状（一）煤巷高效掘进技术20世纪80年代以来，我国对矿井设计进行了改革，取消了岩石集中巷布置方式，将开拓巷道和采准巷道布置在煤层中，增加了煤巷在井巷工程中的比例。目前，煤矿掘进巷道中大量的是煤巷，约占总掘进巷道工程量的70％左右。我国煤巷高效掘进方式主要有3种：第1种是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机，它适应范围广；第2种是连续采煤机与锚杆钻车配套作业线，在我国神东、万利等矿区及鄂尔多斯地区进行了推广应用，主要掘进机械为连续采煤机，它需要多巷掘进，交叉换位施工；第3种是掘锚机组掘锚一体化掘进，仅在一些矿区进行了使用，目前处于试验阶段。1.煤巷综合机械化掘进煤巷综合机械化掘进由悬臂式掘进机、转载机、可伸缩带式输送机（或刮板输送机）、单体锚杆钻机、通风除尘设备及供电系统等设备组成。悬臂式掘进机是煤巷综合机械化掘进的关键设备，掘进机的性能对于提高掘进工效和掘进进尺具有重要作用。我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20世纪60年代，以30～50kW的小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。80年代初期，为适应煤矿机械化生产发展的需要，我国引进了AM50型、S-100型掘进机两种为代表的机型，对发展我国综掘机械化起到了推动作用。同时，国内加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。经过近30年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20多种型号的掘进机，初步形成系列化产品。2.大断面煤巷连续采煤机高效掘进连续采煤机掘进工作面设备配置按工作面运输方式一般分为两种：一种是间断式运输方式，工作面配置为连续采煤机、运煤车或梭车、给料破碎机、锚杆钻车、铲车及胶带输送机；另一种是连续运输方式，工作面配置为连续采煤机、锚杆钻车、连续运输系统、铲车及胶带输送机。连续采煤机在大断面煤巷掘进时，连续采煤机与锚杆钻车采用交叉换位作业方式，连续采煤机在运输巷道掘进的同时，锚杆钻车正在回风巷道进行锚杆支护作业，当连续采煤机完成一个掘进循环时，与锚杆钻车交换位置。为满足机器调动和运输的要求，两条巷道之间每隔50m掘一条联络巷。3.掘锚机组掘锚一体化掘进为了实现煤巷快速高效掘进，适应锚杆支护技术的快速发展，世界主要采煤国的快速掘进装备在不断的发展，掘锚机组是适用于高产高效矿井煤巷高效掘进的掘锚一体化设备，是在连续采煤机或悬臂式掘进机的基础上发展的一种新型掘进机型。掘锚机组是将掘进与支护有机地组合起来，减少掘进与支护设备的换位作业时间，在同一台设备上完成掘进和支护工艺。目前，掘锚机组主要两种：一种是以连续采煤机为基础的掘锚机组；另一种是悬臂式掘进机机载锚杆机的掘锚机。1)掘锚机组。掘锚机组在我国的应用还处于试验阶段，目前国内已有8台掘锚机组，其中7台ABM20掘锚机组和1台12CM15-15DDVG掘锚机组。掘锚机组按作业方式划分可化为两类：一类是同时实现掘锚作业的掘锚机组；另一类是先截割后支护的掘锚机组。ABM20掘锚机组为第一类，12CM15-15DDVG掘锚机组为第二类。ABM20掘锚机组是掘锚机组的典型代表，其作业方式是截煤和安装锚杆同时平行作业，即割煤滚筒联同装载运输机构整体向前推进割煤，与此同时，锚杆钻机则与发生履带主机架停在原位固定，锚杆钻机向顶板的侧帮打眼安装锚杆。随后，行走机构带着机体及锚杆机向前移动，完成一个掘进循环。掘锚机组在我国的试验取得了初步的成功，但掘进进尺还有待进一步提高。由于机器庞大，对巷道条件要求高，适应范围较小。国内掘锚机组的研制工作正在进行中。2）悬臂式掘进机机载锚杆钻机。煤巷掘进过程中，掘进机掘进与巷道顶板支护之间的矛盾一直未能很好的解决，尤其是巷道采用锚杆支护后，支护时间所占比重过大，使得这一矛盾尤为突出。我国曾在掘进机上机载锚杆钻机的研究上作了一些有益的尝试，相继研制了与AM-50型号和S100型掘进机配套的机载锚杆钻机，同时在20世纪末也引进了带有多台锚杆机的英国LH1300H型掘进机和日本MRH-S220型掘进机。但这种“机载锚杆机”与国外掘锚机组有相当大的区别，因为悬臂式掘进机在设计时未考虑锚杆机配置问题。综上所述，连续采煤机及掘锚机组适用于适合锚杆支护的煤巷高效掘进。在这类巷道条件下，连续采煤机及掘锚机组能够发挥其优势，具有成巷速度快、掘进工效高、巷道成型好、工人劳动强度低等优点，特别是大断面煤巷掘进优点更为突出。（二）半煤岩巷高效掘进技术我国煤矿除煤巷外还有大量的半煤岩巷道需要掘进，主要为薄煤层以及2.0m以下中厚煤层巷道，约占总掘进工程量的20％左右。半煤岩巷道是指在掘进断面中，岩石面积占断面面积的20％～80％的巷道。我国重点煤矿半煤岩巷的掘进基本上采用半煤岩悬臂式掘进机机械化作业线，半煤岩掘进机以中型和重型机为主，截割功率在120kW以上，机重在35t以上。煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进机以EBJ-120TP型、EBZ160TY型及S150J型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的80％以上。（三）岩巷高效掘进技术目前，国内岩巷施工仍以钻爆法为主，岩巷悬臂式掘进机在我国正在进行试验。以钻爆法为主的岩巷机械化作业线，主要有二种，一种是气腿式凿岩机配耙斗式或铲斗式装岩机作业线；另一种是全液压钻车配侧卸装岩机作业线。第一种在我国应用较多，掘进速度一般为60～70m/月。第二种在我国应用较少，据统计，2005年全国重点煤矿全液压钻车在用台数为27台，掘进进尺为6200m。1.全液压钻车配侧卸装岩机岩巷高效掘进我国大断面岩巷快速高效机械化综合配套作业线以CMJ17履带式全液压钻车配ZC-3履带式侧卸装岩机为代表，在岩巷掘进中取得了较好的成绩。CMJ17履带式全液压钻车主要优点：①双臂凿岩，凿岩速度快，工作效率高，凿岩速度可达0.8～2.0m/min；②液压系统先进，设有凿岩机自动返回及防卡钎装置，操作方便，安全可靠；③机身小、结构紧凑、重心低、机动灵活，采用履带行走方式，工作稳定，爬坡能力强，对工作面、顶板、侧帮、底板均能全断面凿岩作业；④采用模块式结构，拆装方便，动力单一化，能耗低，噪音低，可大幅度改善工作环境，提高施工效率和施工质量。2.全岩巷重型悬臂式掘进机掘进目前国内使用的掘进机截割岩石硬度仅为60～80MPa左右，在遇到断层多、地质条件复杂的岩层时，极易趴“窝”，掘进效率低下。AHM105型巷道掘进机是奥地利奥钢联公司的巷道掘进设备，已在美国、澳大利亚、南非等国使用。新汶矿业集团公司经对比分析，认为AHM105型掘进机比较适应复杂的地质条件，于2006年引进1台。AHM105现在用于龙固矿北区辅助运输大巷的掘进，该巷道为全岩巷道，巷道断面，净宽5.64m,净高4.5m。AHM105掘进机是从2006年10月开始使用，三个月累计进尺240m，消耗截齿35把，最高日进尺6m，曾实现15d进尺90m。截割最硬的岩石为细砂岩，硬度为f＝10左右，日进尺2.4m。试验反映机器的稳定性好，故障点少，遥控器的使用给操作带来了方便，但存在拱形巷道成型比较困难和湿式除尘器使用效果不好等问题。虽然全岩巷重型悬臂式掘进机在我国煤矿的应用还处于试验阶段，但代表了岩巷掘进技术的发展方向。（四）煤矿锚杆支护技术巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护是保证矿井实现高产高效的必要条件。近年来，煤巷锚杆支护技术发展极为迅速。由于这种支护方式具有支护效果好、成本低等诸多特点，它的广泛采用给煤矿企业带来巨大的技术经济效益。锚杆支护已经成为巷道支护的一个主要发展方向。在锚杆支护技术中施工机具起着非常重要的作用，它直接影响锚杆施工质量和施工速度。锚杆钻机按结构形式可分为单体式和钻车式两类，钻车式又分为履带式和胶轮式；按钻机破岩方式可分为旋转式、冲击式和冲击旋转式；按钻机动力形式可分为液压、电动及风动式。目前我国煤矿综掘巷道锚杆钻机以便携式单体锚杆机为主，连续采煤机掘进巷道以履带式锚杆钻车为主。从现场使用情况分析，风动单体锚杆机使用量大，应用范围广，经过近年来的提高和完善，可靠性和使用寿命都有所提高。与连续采煤机配套的CMM25-4型四臂锚杆钻车煤科总院太原研究院已研制成功，并批量生产。二、煤巷机械化掘进高效作业线煤巷是煤矿掘进量最大的巷道，高效综采工作面的快速推进，每年要消耗大量的煤巷。煤巷掘进速度直接影响着采掘接替，矿井掘进工作面中煤巷掘进面所占比重最大，投入的设备最多，最先进。煤巷机械化掘进高效作业线设备配置见表4。表4煤巷机械化掘进高效作业线设备配置配套设备特点及适应范围作业线一：悬臂式掘进机、单体锚杆钻机、桥式转载机、带式输送机、机载除尘设备适用于单巷掘进，适应范围广，掘锚不能平行作业作业线二：悬臂式掘进机机载锚杆机、桥式转载机、带式输送机、机载除尘设备适用于单巷掘进，适应范围广，有利于提高支护效率作业线三：连续采煤机、梭车、给料破碎机、带式输送机、四臂锚杆钻车、铲车适用于巷道条件较好的大断面双巷或多巷掘进，掘锚交叉作业，掘进速度快作业线四：掘锚机组、桥式转载机、带式输送机适用于巷道断面大的单巷掘进，掘锚平行作业，掘进速度快三、煤矿高效掘进技术发展趋势（一）煤巷高效掘进技术发展趋势1.发展掘锚一体化技术掘锚一体化施工工艺适合于顶板条件不太好的单巷及双巷掘进。掘锚机组在国外已经成熟并能得到广泛应用，全世界现在有130多台掘锚机组（包括安装有锚杆钻机的连续采煤机）在使用。澳、英等国应用中取得良好的效果，在大断面煤巷掘进中年进尺达15000～20000m。如澳大利亚长壁工作面顺槽80%以上采用掘锚一体化施工。英国1992年对澳大利亚掘锚一体化应用情况进行考察后认为，发展一次成巷的掘锚一体化作为煤巷掘进的主要手段在英国势在必行。目前几种主要的掘锚机组在英国得到了应用，使用台数为14台。煤巷掘锚一体化代表了煤巷快速掘进技术的发展方向，是高产高效矿井技术的重要组成部分。掘锚一体化施工技术优势明显，在我国有广泛的应用前景。煤巷高效掘进技术应重点发展掘锚一体化，要针对我国煤矿的地质条件和施工工艺进行研究，提供多种配套形式，如掘锚机组、掘进机机载锚杆钻机，同时要抓好配套设备的研制工作。2.大断面多巷掘进推广使用连续采煤机连续采煤机多巷掘进是美、澳等主要采煤国家长期采用的掘进技术，已成为高产高效工作面顺槽主要掘进方式。我国神东公司及晋城煤业集团寺河矿采用连续采煤机掘进工作面顺槽，取得了较好的效果。国内煤巷多项掘进进尺纪录都是由连续采煤机来实现，连续采煤机在我国的使用数量以每年15台左右递增。连续采煤机煤巷掘进的优点突出，采掘合一，掘进速度快。连续采煤机多巷高效掘进是目前高产高效工作面采掘准备的优选方式。（二）半煤岩及全岩巷高效掘进技术发展趋势我国煤矿半煤岩及全岩巷高效掘进技术是以发展大功率重型悬臂式掘进机为主，采用重型悬臂式掘进机实现高效掘进。大功率重型悬臂式掘进机是我国悬臂式掘进机的发展方向，具有重型化、大功率及自动化的特点。悬臂式掘进机切割功率在不断加大，