我国煤矿开采技术发展现状及方向

惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室我国煤矿开采技术发展现状及方向二零一二年五月宋振骐院士山东科技大学惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室第一部分煤炭生产在我国国民经济发展中的地位第二部分我国煤炭开采理论发展的成就第三部分我国煤炭开采技术发展的现状和方向惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室煤炭生产在我国国民经济发展中的地位惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室1.1能源是人类生存和发展的基础，世界能源资源竞争日趋激烈惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室煤炭资源储量①2010年已探明的地质储量为1.5万亿t②预计储量4万亿t1.2煤炭是我国化石能源的主体中国煤炭资源按深度分布的储量惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室年份煤炭所占比重(%)石油所占比重(%)天然气所占比重(%)1980年98.41.50.11990年98.41.60.12000年98.01.70.42006年97.71.60.72010年97.91.40.7煤炭资源储量在化石能源中的地位①我国化石能源可采储量查明情况年份煤炭查明资源储量(亿t)石油查明资源储量(亿t)天然气查明资源储量(亿m3)1980年6424.8(6424.8亿t标准煤)14.2(72.3亿t标准煤)1881.3(4.1亿t标准煤)1990年9543.9(7074.9亿t标准煤)21.9(111.6亿t标准煤)2419.0(5.3亿t标准煤)2000年10030.0(7435.2亿t标准煤)24.6(125.3亿t标准煤)13504.5(29.6亿t标准煤)2006年11597.8(8597.4亿t标准煤)27.6(140.6亿t标准煤)30009.2(65.8亿t标准煤)2010年15000(11119.4亿t标准煤)31.4(160亿t标准煤)33300(73亿t标准煤)②我国煤炭储量在化石能源中所占比重惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室③我国能源储量排名能源探明储量居世界位次煤炭1.5万亿t3石油70亿t6天然气33.3万亿m316水电6.8亿kw▪t1惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室①我国近十年煤炭产量情况我国煤炭产量由2001年的13.81亿t增长到2010年的33亿t，年均增加1.9亿t，保证了经济和社会发展的需要，是国民经济发展和国力保障的重要基础。1999～2010全国煤炭产量煤炭产量在我国能源结构中比重超过65%惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室②2010年煤炭产量及2020年需求量预计国家目前仍然处于基础设施建设、制造业和城市化的高峰期，对矿产品的需求仍然以较高的速度增长。2010年煤炭产量33亿t（占世界产煤总量的45%），“十二五”末规划38亿t，增长24.6%。③煤炭生产在我国能源结构中的比重煤炭在一次能源结构中的比例2008年中国一次能源消费构成惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室顶板、瓦斯、冲击地压、透水等重大事故没有从根本上（即在依靠正确的理论指导和现代装备、管理手段的基础上）得到控制，严重影响我国煤炭安全生产形象。1.3我国煤炭生产中存在的问题年份200320042005200620072008200920102011煤炭产量（亿吨）17.2219.9221.923.225.2327.162932.433事故死亡人数（人）643460275938474637863210270024332000百万吨死亡率3.743.032.712.041.501.1820.930.7980.560惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室20032004200520062007事故起数比例死亡人数比例事故起数死亡人数事故起数死亡人数事故起数死亡人数事故起数死亡人数事故起数死亡人数顶板214024551985230918052058163319021299151854.038.3瓦斯5842061492190041421713271319272108413.632.3机电1371289789105105949390863.21.9运输53157058260553657846751740945314.59.6放炮929910512289101789069772.51.7水害137551118357109605100417632553.38.0火灾20751791115872610720.41.5其他5024952455542372622393822092418.56.8总计4143643436416027330659382945474624213786100100惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室199920002001200220032004200520062007事故死亡总人数（人）605855275670699564346027593847463786重大事故起数（次）43039133632128624920825428重大死亡人数（人）2040172315871423125710908771071573重大事故死亡人数所占比例%33.6731.1727.9920.3419.5418.0914.7722.5%15.1%特大事故起数（次）687849555142583925特大死亡人数（人）11651450101511371180100817391142402特大事故死亡人数所占比例%19.2326.2317.9016.2518.3416.7229.2924%10.6%重特大事故死亡总人数32053173260225602437209826162213171重特大事故死亡所占比例%52.9157.4145.8936.6037.8834.8144.0646.5%4.5%惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室开采沉陷环境灾害严重，采用留设煤柱护巷和控制地表沉陷传统开采方法造成的煤炭资源损失比例超过40%，违背中央提出的“资源节约型、环境友好型、可持续发展”方针。实现煤炭安全高效开采，有效地控制环境灾害，最大限度地采出煤炭资源是我国能源安全和国民经济发展保障体系建设中的重中之重。惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室我国煤炭开采理论发展的成就惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室2.1理论发展成就上区段工作面h1h2h3H新开工作面h1——垮落带高度；h2——裂缝带高度；h3——连续弯曲带高度；H——埋深介质属性复杂开采扰动强烈应力分布复杂开采空间范围大我国“实用矿山压力控制理论”，从研究的系统性、深度、体系的完整性，以及用以指导开采实践取得的成就走在世界的前列。惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室1.针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采必须面对复杂多变的地理环境和煤层地质条件的现实，明确了理论建设的指导思想和体系，科学的定义了相关学术名词和术语，正确的阐述了相应的基本概念。主要成果包括：(1)严格的区分和定义了“矿山压力”（促使围岩向已采空间运动的力）和“矿山压力显现”（在矿山压力作用下产生的围岩破坏及支架受力现象）两个基本概念，正确的指出“矿山压力”存在的绝对性（采动即有）和“矿山压力显现”的相对性，以及矿山压力控制（设计）的目标就是把“矿山压力显现”控制在安全上可靠、技术上可能、经济上合理的范围。惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室(2)正确指出由于采场不断推进，无论是“矿山压力”还是“矿山压力显现”都在不断发展变化之中，它的变化是有规律的，这个规律是岩层运动和破坏决定的。明确的提出矿山压力控制研究必须以“岩层运动为中心”，把不同采动条件下覆岩运动和支承压力大小分布范围及其发展变化的规律，包括相关动态结构模型的建设和相关结构参数的确定放在首要地位。(3)正确指出任何开采深度条件下，影响“矿山压力显现”的岩层范围是有限的，即采动破坏失去向四周支承传递作用力的岩层（直接顶）和保持了传递作用力联系，运动时对矿压显现明显影响的岩层（老顶）两个部分；可知的，即通过岩层动态监测可以确定；可变的，即可通过采动条件的变更加以改变。惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室(4)对于可能垮坍的冒落岩层（直接顶）一般只能取坚决顶住，即“给定载荷”的控制方案，对“老顶”相关岩层的运动，则可以根据安全可靠、技术可能、经济合理的原则和相应的力学保证条件，分别采取“给定变形”，即将作用力完全转移给四周支承体上，和“限定变形”，即将沉降限定到要求状态（位态）两种方案。明确指出对于老顶相关岩层的运动，不分条件地采用强顶硬抗的控制方案是不科学的、错误的。2.根据安全高效开采，特别是顶板冲击地压、瓦斯煤层突出、透水突水及开采沉陷灾害有效控制的目标，建立、发展并逐步完善了以“采动覆岩运动和支承压力分布”为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控制决策结构力学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模型的建设。把煤矿安全高效生产，特别是重大事故的控制决策从统计经验推进到针对具体煤层条件科学定量的发展阶段。惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室(1)科学的界定了采场结构力学模型的内涵和结构模型的结构组成特征。创造性的针对定量控制设计需要，把采场推进过程中分布在四周煤壁上的支承压力分为煤壁已进入破坏，其受力由工作面长度等采动条件确定的“结构拱”内岩层运动决定的“内应力场”和“结构拱”内、外参与运动的岩层作用力决定的“外应力场”两个部分。工作面惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室(2)正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了“第一次来压”和“正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。推进方向岩层运动和支承压力发展规律惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室(2)正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了“第一次来压”和“正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。“内应力场”发展演化规律S岩梁ⅢSASiSmaxL0IIabC01C02C03HgL0L0LiLi1L0剖面I－IL(T＝－)LVp岩梁I岩梁Ⅱ惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室(3)在深入揭示动态结构模型发展规律，特别是支承压力分布和岩层运动关系的基础上，创造性提出了通过“矿山压力显现”推断支承压力分布（包括分布范围及“内应力场”、“外应力场”及应力高峰位置）预测采场顶板来压的“井下岩层动动态观测研究方法”，并成功研究相关监测仪表测试系统，较好的解决了通过现场实测确定相关结构参数问题。惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室3.通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与生产现场“采场结构模型”建设关系的研究基础上，在推进重大事故控制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。顶板灾害控制直接顶第一岩梁第二岩梁采场顶板控制结构模型组成及分类惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室①有“内应力场”的结构力学模型a.单岩梁老顶结构b.多岩梁老顶结构mE1CE1CE1mE2mZh惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室②无“内应力场”的结构力学模型a.单岩梁老顶结构b.多岩梁老顶结构惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室①直接顶厚度确定a.理论判定b.实测推断1nZiiMM)1(11AninKMhM)1(11AninKMhM1AAhSZKM采场结构参数确定惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室②老顶厚度确定a.实测推断单一岩梁和多岩梁上覆岩层结构组成情况及其采场矿压显现如图a、图b所示mERLcbbcahmZ(a)(b)mZhmE2mE1RLb1a1b1c1c1b2c2b1a1惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室b.理论判定挠度法相邻岩层同时运动（组成同一岩梁）则：相邻岩层分别运动（构成不同岩梁）则：裂断步距法242)25.1~15.1(CCSSMEME242(1.15~1.25)SSCCEMEMcskCC)1(k惟真求新矿山灾害预防控制重点实验室①支架支护方案确定a.工况方案直接顶：给定载荷老顶：可给