煤炭精准开采科学构想

　第42卷第1期煤　　炭　　学　　报Vol.42　No.1　　2017年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJan.　2017　袁亮.煤炭精准开采科学构想[J].煤炭学报,2017,42(1):1-7.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1661YuanLiang.Scientificconceptionofprecisioncoalmining[J].JournalofChinaCoalSociety,2017,42(1):1-7.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1661煤炭精准开采科学构想袁　亮1,2,3,4(1．中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京　100083;2．煤炭开采国家工程技术研究院,安徽淮南　232000;3．深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室,安徽淮南　232000;4．煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,安徽淮南　232000)摘　要:新世纪互联网+及智能化发展势头强劲,在总结煤炭开采历史及科技发展趋势的基础上,思考了煤炭开采如何应对新一轮科技创新的到来,针对我国煤炭开采面临的挑战和机遇,提出了煤炭精准开采的科学构想。煤炭精准开采是基于透明空间地球物理和多物理场耦合,以智能感知、智能控制、物联网、大数据云计算等作支撑,将不同地质条件的煤炭开采扰动影响、致灾因素、开采引发生态环境破坏等统筹考虑,时空上准确高效的煤炭少人(无人)智能开采与灾害防控一体化的未来采矿新模式。煤炭精准开采可显著提高煤炭安全开采自动化、智能化、信息化水平,实现煤炭工业由劳动密集型向具有高科技特点的技术密集型转变。本文凝练了煤炭精准开采的7个关键科学问题和八个主要研究方向,为实现互联网+科学开采的未来少人(无人)采矿提出了技术路径。关键词:煤炭精准开采;透明地球;互联网+;科学开采中图分类号:TD82　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2017)01-0001-07收稿日期:2016-11-02　　修回日期:2017-01-20　　责任编辑:毕永华　　基金项目:中国工程院重点咨询资助项目(2015-XZ-15);国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801400);国家自然科学基金资助项目(51427804)　　作者简介:袁　亮(1960—),男,安徽金寨人,中国工程院院士。E-mail:[e-mail]fprecisioncoalminingYUANLiang1,2,3,4(1.SchoolofResourceandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China;2.StateCoalMiningNationalEngineeringTechnologyResearchInstitute,Huainan　232000,China;3.StateKeylaboratoryofDeepCoalMiningandEnvironmentProtection,Huainan　232000,China;4.NationalEngineeringResearchCenterforCoalGasControl,Huainan　232000,China)Abstract:AstheInternetpluseraandintelligencedevelopmentareintensifiedinthenewcentury,thisresearchinves-tigateshowcoalminingcopeswiththeadventofanewroundofscienceandtechnologyinnovationbysummarizingthehistoryofcoalminingandthetechnologicaldevelopmenttrendstherein.AscientificconceptofprecisecoalminingisproposedtomeetthechallengesandopportunitiesfacingcoalmininginChina.Bymeansoftechnologiesincludingin-tellisense,intelligentcontrol,theInternetofThings,cloudcomputingandbigdata,precisecoalminingisproposedasanewfutureminingmodeintegratingintelligentminingtechniquewithfewworkers(unmanned),anddisasterpreventionandcontrol.Thismodeisbasedontransparentspacesandgeophysics,aswellasmulti-fieldcouplingtoachievespa-tial-temporalaccuracyandefficiency.Itisabletocomprehensivelyconsiderfactorsrelatingminingunderdifferentgeo-logicalconditions,includingmininginfluences,relevantfactorsinducingdisasters,andecologicaldestructioncausedbyexploitation:itisabletoenhancetheautomatisation,intelligentisation,andinformatizationlevelsofsafecoalproductionwhichpromotesthetransformationofthecoalindustryfromalabor-intensive,toatechnology-intensivesector.There-searchproposessevenkeyscientificproblemsandeightmajorresearchdirectionsforcoalminingandthereforedirectsthetechnologyrouteforfuturescience-basedminingwithfewpeople(unmanned)intheInternetplusera.煤　　炭　　学　　报2017年第42卷Keywords:precisecoalmining;transparentearth;internetplus;science-basedmining　　煤炭作为不可再生资源,具有能源、工业原料双重属性,不仅可以作为燃料取得热量和动能,还是化工产品等重要工业原料。自第1次工业革命以来,煤炭在为人类提供能源等领域扮演了重要角色,是工业“真正的粮食”。即使在科技高度发展的今天,煤炭仍然是宝贵的能源资源,在世界一次能源消耗结构中仍占29．2%,甚至在部分国家占据能源消费主导地位,如2015年我国煤炭消费量占国家能源消费总量的64%[1],美国、澳大利亚等国家将煤炭作为国家战略资源保护[2]。近百年来,煤炭开采在理论、技术和装备方面取得了举世瞩目的成就,在地质勘探、煤炭高效开采、矿井灾害预警与防治、煤与共伴生资源协调开发和煤矿大型化及精细化设备等科学领域取得了诸多进展[3-9],特别是综合机械化采煤和煤与瓦斯共采等取得的重大突破[10-12],极大地提高了煤炭的安全高效开采水平。我国煤炭资源相对丰富,但是煤层赋存条件差异大,从薄和极薄煤层到厚与特厚(巨厚)煤层、从近水平煤层到缓倾斜、急倾斜煤层均有分布,且地处欧亚板块结合部,地质构造复杂,自然发火、高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层多,开采难度大,同时深部煤炭开采基础研究薄弱,大部分煤矿煤炭开采存在信息化程度不高、用人多、效率低以及安全不可靠等问题,使得煤炭行业在满足国家能源需求、促进社会进步的同时也付出了巨大的代价[13]。不仅如此,煤炭开采引起采矿区地表沉陷、水污染、植被破坏等环境问题也日益突出。纵观国际采矿史,矿难发生的致灾机理和地质情况不清、灾害威胁不明、重大技术难题没有解决等是导致事故的主要原因。要想从根本上破解煤矿安全高效生产难题,煤炭工业须由劳动密集型升级为技术密集型,创新发展成为具有高科技特点的新产业、新业态、新模式,走智能、少人(无人)、安全的开采之路。一方面应靠提升自动化和智能化水平精简人员,实现煤矿开采总体少人化,主要工艺流程无人化。另一方面需提升煤炭开采技术水平,保证在少人(无人)情况下的煤炭安全高效开采,以满足经济社会的发展需求,并有国际竞争力。第3次工业革命势头强劲,信息化技术日新月异,给采矿业由传统的经验型、定性决策为主向精准型、定量智能决策转变提供了又一次创新、发展的机遇以及挑战,为实现智能少人(无人)的煤炭科学开采提供了可能。结合煤炭开采面临的挑战和现代信息技术发展方向,煤炭精准开采科学构想应运而生。本文详细阐述了煤炭精准开采的科学内涵,凝练出了煤炭精准开采的关键科学问题和主要研究方向,为实现互联网+科学开采的未来少人(无人)采矿提出了技术路径。1　煤炭开采面临的挑战1．1　绿色煤炭资源量少,回收率亟待提高绿色资源量是指能够满足煤矿安全、技术、经济、环境等综合约束条件,能够支撑煤炭科学产能和科学开发的煤炭资源量。我国煤炭资源总量相对丰富,已查明储量1．3万亿t,预测总量5．57万亿t,根据中国工程院重点咨询项目研究,绿色煤炭资源量5000~6000亿t,只有煤炭预测总量的1/10。更严峻的问题是,我国煤炭资源回收率低,平均仅为30%~40%,小煤矿回收率不足10%,远低于美国等发达国家80%的煤炭资源回收率[14]。若不提高煤炭资源回收率,按国家能源需求,绿色煤炭资源量仅可开采40~50a,或煤炭开采将大面积进入非绿色煤炭资源赋存区开采,这样势必造成安全、技术、经济和环境等面临巨大难题!1．2　开采条件复杂、安全形势依然严峻经济的快速发展、煤炭开采和需求量的不断增加,导致我国煤矿开采深度以平均10~25m/a的速度快速向深部延伸。特别是在中东部经济发达地区,煤炭开发历史较长,浅部煤炭资源已近枯竭,许多煤矿已进入深部开采(埋深800~1500m)。全国50对矿井深度超过1000m,山东新汶矿业孙村煤矿最大采深达1501m[15]。与浅部开采相比,深部煤岩体处于高地应力、高瓦斯、高温、高渗透压以及较强的时间效应的恶劣环境中,煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害问题更加严重,并且有多重灾害耦合发生的趋势,深部煤矿开采面临诸多重大科学技术难题,英国、德国等发达国家普遍采取国家关井措施,但煤炭仍将长期是我国的主要能源,深部煤炭开发难题只有面对无法回避。1．3　环境负外部性凸显,可持续发展势在必行由于采矿行业本身的特点,使得采矿过程中总是伴随着对环境或多或少的破坏。如采矿对地表和地下水系的破坏,加剧了水资源的匮乏;开采导致地表沉陷,造成了大面积的土地遭到破坏;排到地面堆积起来的矸石山则导致大量土地被占用;另外每年因开采煤炭而排放到大气中的大量有害气体,对大气环境2第1期袁　亮:煤炭精准开采科学构想造成严重的影响,煤炭开采环境成本与日俱增。上述煤炭开发的负外部性都与绿色、协调、可持续的发展战略冲突,未来煤炭开采若不改变发展战略和方向,行业的可持续性发展将面临巨大的挑战。1．4　煤矿地质保障水平亟待提高精确掌握开采地质条件是煤矿安全开采的重要保障,忽视地质条件的盲目开采常带来巨大的经济损失和人员伤亡[16]。经过多年的持续攻关,“以地震主导,多手段配合,井上下联合”的立体式综合勘探技术在我国得到广泛应用,以高分辨三维地震勘探为核心、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。然而,我国煤矿地质条件极