我国煤炭开采与岩层控制技术发展40a及展望

013501-1康红普,徐刚,王彪谋,等．我国煤炭开采与岩层控制技术发展40a及展望[J]．采矿与岩层控制工程学报,2019,1(1):013501．KANGHongpu,XUGang,WANGBiaomou,etal．FortyyearsdevelopmentandprospectsofundergroundcoalminingandstratacontroltechnologiesinChina[J]．JournalofMiningandStrataControlEngineering,2019,1(1):013501．我国煤炭开采与岩层控制技术发展40a及展望康红普1,2,3,徐　刚1,2,3,王彪谋1,2,3,吴拥政1,2,3,姜鹏飞1,2,3,潘俊锋1,2,3,任怀伟1,2,3,张玉军1,2,3,庞义辉1,2,3(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京　100013;2．煤炭科学研究总院开采研究分院,北京　100013;3．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京　100013)摘　要:开采方法与装备及岩层控制技术是保证煤炭正常生产的核心技术。介绍了改革开放40a来我国采煤方法与装备、岩层控制理论与技术、特殊采煤与矿区生态环境保护技术的发展历程。基于煤炭科学研究总院开采研究分院主持和参与的科研项目,总结了40a来煤炭开采与岩层控制技术取得的研究成果。包括薄及中厚煤层、厚煤层一次采全高综采技术与装备,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术与装备,及智能化开采技术与装备;采场覆岩运动与破断规律,岩层结构假说,液压支架与围压相互作用关系,及坚硬和破碎顶板控制技术;巷道锚杆支护理论与成套技术,破碎围岩注浆加固技术,及高应力、强采动巷道水力压裂卸压技术;冲击地压发生机理,冲击危险区域评价技术,冲击地压实时监测、预警及综合防治技术;开采沉陷理论,建(构)筑物下、近水体下、承压水上开采等特殊采煤技术,及矿区生态环境保护技术。40a的研究与实践表明,我国煤矿已形成具有中国特色的煤炭开采与岩层控制成套技术体系,为煤矿安全、高效、绿色开采提供了可靠的技术保障。最后,提出了煤炭开采与岩层控制技术的发展方向与建议。关键词:煤矿;采煤方法;装备;岩层控制;冲击地压;特殊采煤中图分类号:TD821　　　文献标志码:A　　　文章编号:收稿日期:2019-02-28　　修回日期:2019-04-29　　责任编辑:许书阁　　作者简介:康红普(1965—),男,山西五台人,中国工程院院士。FortyyearsdevelopmentandprospectsofundergroundcoalminingandstratacontroltechnologiesinChinaKANGHongpu1,2,3,XUGang1,2,3,WANGBiaomou1,2,3,WUYongzheng1,2,3,JIANGPengfei1,2,3,PANJunfeng1,2,3,RENHuaiwei1,2,3,ZHANGYujun1,2,3,PANGYihui1,2,3(1.CoalMiningandDesigningDepartment,TiandiScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China;2.CoalMiningandDesigningBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;3.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandCleanUtilization,Beijing100013,China)Abstract:Miningmethods,equipmentandstratacontroltechnologiesarethecoreelementstoensurethenormalpro-ductionofcoalmining.Thispaperintroducesthedevelopmentprocessofcoalminingmethodsandequipment,stratacontroltheoriesandassociatedtechnologies,specialcoalminingandminingecologicalenvironmentalprotectiontech-nologyduringthe40yearsofreformandopening-upinChinasince1978.Basedonthescientificandtechnicalre-searchprojectsinitiatedandparticipatedbytheMiningResearchBranchoftheChinaCoalResearchInstitute,themainachievementsobtainedfromcoalminingandstratacontroltechnologiesinthepast40yearsweresummarizedinthefollowingaspects:thefullymechanizedminingtechnologyandequipmentforthin,mediumthick,andthickcoalseams,thefullymechanizedtopcoalcavingminingtechnologyandequipmentforthickandextra-thickcoalseam,andthetechnologyandequipmentforintelligentmining;themovementandbreakinglawsofstrataoverlaidaboveworking　第1卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol．1　No．1　　2019年11月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGNov．　2019　康红普等:采矿与岩层控制工程学报Vol．1,No．1(2019):013501013501-2faces,themechanicalhypothesisofstratastructures,theinteractionbetweenshieldsandsurroundingrock,andthecon-troltechnologiesforhardandbrokenroofs;roadwayrockboltingtheoriesandcompletesetoftechnologies,groutingre-inforcementtechnologyforfracturedrock,andthedestressingtechnologywithhydraulicfracturingforroadwayswithhighstressesoraffectedbyseriousminingactivities;rockburstoccurrencemechanism,assessmentmethodsforburstriskzones,andtherockburstmonitoringwithearly-warningandintegratedcontroltechniques;miningsubsidencetheo-ries,specialminingmethodssuchasminingunderbuildings,waterbody,andminingaboveconfinedaquifer,aswellastheecosystemandenvironmentalprotectioninminingareas.The40-yearresearchesandpracticesshowthatacompletesetoftechnicalsystemsforcoalminingandstratacontrolhavebeenformedinChinawithspecialChinesecharacteris-tics,whichprovidesreliabletechnicalsupportsforsafe,efficientandgreenproductionofcoalmines.Besides,thefu-turedevelopmentandsuggestionsforcoalminingandstratacontroltechnologiesareprovided.Keywords:coalmines;coalminingmethod;miningequipments;stratacontrol;rockburst;specialcoalmining　　2018年是我国改革开放40周年。40a来,煤炭作为我国的主体能源,为社会经济的快速发展提供了稳定的能源保障。40a来,我国建成年产120万t及以上的大型煤矿1200余处,其中,千万吨级煤矿42处,在建和改扩建千万吨级煤矿37处[1]。原煤产量由1978年的6．2亿t增加至2018年的36．8亿t(图1),增加了近5倍,累计生产煤炭773亿t。煤矿百万吨死亡率则由1978年的9．713降低至2018年的0．093,降低了99%。大型煤炭基地已具规模,科学产能稳步提升,我国煤炭工业逐步进入了高质量发展轨道。图1　改革开放40a我国煤炭产量变化Fig．1　ChangesofcoalproductioninChinainthepast40years煤炭科技创新有力支撑了煤炭工业的快速发展。其中,煤炭开采与岩层控制作为核心,在基础理论、关键技术及工程实践方面均取得重大进展。煤炭开采技术与装备是实现煤炭安全、高效、高采出率开采的基础。经过40a持续不断的科研攻关与创新实践,我国煤炭工业实现了由人工采煤、炮采、普采、高档普采到综合机械化开采、自动化开采的跨越,并逐步向智能化开采迈进。综采是采煤史上的一次重大技术变革,它将井工煤矿工作面的主要生产环节———采、支、运、供电、检测、通信等有机结合、协同配置,极大地提高了采煤效率与安全[2]。我国1970年首次进行了综采技术与设备的工业性试验,70年代中后期引进了上百套国外综采设备,并根据我国煤层赋存条件进行了自主研发,使得80年代综采技术在我国煤矿得到推广应用,实现了采煤技术的跨越。针对我国煤炭资源赋存条件,研发出薄及中厚煤层综采技术与成套装备,厚煤层大采高、超大采高综采成套技术与装备,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术与成套装备等,并针对大倾角、急倾斜、破碎围岩等复杂条件进行了开采技术与装备的创新与实践,基本形成了具有我国煤炭资源赋存特色的开采技术与装备体系。最近几年,我国煤矿智能化开采技术取得快速发展,开发出以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础,以生产系统智能化控制软件为核心的综采成套装备智能系统,并在多个矿区得到成功应用。2018年,我国煤矿智能化工作面已达到145个。煤炭生产方式正在由粗放向集约高效方向转变。大型煤炭企业采煤机械化程度由1978年的32．3%提高到2018年的96．1%;掘进机械化程度由14．5%提高到54．1%;全国煤矿人均生产效率由137t/a提高到1000t/a,增长了6．3倍。最高年人均效率超过5万t(神东矿区补连塔煤矿,原煤工效达167．8t/工)。岩层控制技术是煤炭资源安全、高效开采的保证。岩层控制主要分为两个方面:采场岩层控制和巷道围岩控制。在采场岩层控制方面,经过40a的攻关,形成了“砌体梁”、“传递岩梁”、“关键层”等国内经典采场矿压理论[3-7]。之后,针对综放采场的“组合悬臂梁-铰接岩梁”、浅埋采场的“切落体”等条件的顶板运移理论成果又相继出现,提高了对采场覆岩运动及矿压活动的认识。围绕液压支架与围岩相互作用关系,建立了多种力学模型,提出多个估算液压支架工作阻力的公式,指导了液压支架设计与选型。开发出多种采场矿压监测预警系统,能实时监测液压支架工作