煤炭開采進(jìn)入新時(shí)代

今年1~7月，我國(guó)煤炭消費(fèi)同比略增3.4%左右，盡管略有反彈，但與2013年的峰值水平相比，長(zhǎng)期下降已是大勢(shì)所趨。

福禍相依，不要總認(rèn)為煤炭消費(fèi)比重下降對(duì)煤炭行業(yè)是壞事，應(yīng)該堅(jiān)持節(jié)約、清潔、安全的發(fā)展思路，聚焦煤炭精準(zhǔn)開采、清潔高效利用，力爭(zhēng)用最少的煤礦數(shù)量、最小的開采面積、最小的煤炭消費(fèi)量支撐中國(guó)的能源需求。出于安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和節(jié)能降耗層面考慮，我國(guó)煤炭行業(yè)必須要推進(jìn)煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略。這意味著，煤炭行業(yè)處于一個(gè)重大的轉(zhuǎn)型期和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，正在步入一個(gè)安全智能精準(zhǔn)開采新時(shí)代。

綠色煤炭資源只夠四五十年

我國(guó)煤炭開采的基本國(guó)情是資源稟賦復(fù)雜。煤炭資源分布差異大，極薄煤層與特厚煤層、近水平與急傾斜煤層廣泛分布，開采條件極其復(fù)雜。煤炭開采受煤與瓦斯突出、沖擊地壓、煤自燃、水害、粉塵等災(zāi)害威脅嚴(yán)重，安全開采難度大。

在我國(guó)已探明的煤炭資源中，埋深在1000米以下資源量占53%，隨著淺部資源枯竭，煤炭采深以平均每年10~25米的速度增加，且深部煤炭資源安全開采威脅巨大，深部瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害相互耦合，成災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，防治愈加困難。

在煤炭開采過程中，普遍存在“棄薄采厚、挑肥揀瘦”現(xiàn)象，礦井資源回收率平均僅50%左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家約80%的回收率有較大差距，造成原設(shè)計(jì)80~100年服務(wù)年限縮短一半。在節(jié)能領(lǐng)域，煤炭生產(chǎn)噸煤能耗大，2012年原煤生產(chǎn)耗電28.4千瓦時(shí)/噸，煤炭生產(chǎn)綜合能耗17.1千克標(biāo)煤/噸。

近年來，依靠科技進(jìn)步，煤礦安全開采形勢(shì)持續(xù)好轉(zhuǎn)：在我國(guó)煤炭產(chǎn)量逐年增加的同時(shí)（從2000年的13億噸增加到2017年的35.4億噸，增幅達(dá)172.3%），百萬噸死亡率從2005年的2.76降至2017年的0.106。

但是，煤炭安全開采形勢(shì)依然嚴(yán)峻：雖然煤礦瓦斯、頂板、水害等事故逐年大幅下降，但重特大事故仍然時(shí)有發(fā)生，社會(huì)影響惡劣；煤礦百萬噸死亡率與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大差距，是美國(guó)的5倍，是澳大利亞的11倍。

解決這些問題，就需要“刀口向內(nèi)”，以精準(zhǔn)開發(fā)方式，推進(jìn)綠色煤炭資源發(fā)展，同時(shí)最大限度保護(hù)資源、生命和環(huán)境。綠色煤炭資源量是指能滿足煤炭安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合條件，并支撐煤炭科學(xué)產(chǎn)能和科學(xué)開發(fā)的煤炭資源量?；诂F(xiàn)有技術(shù)條件，我國(guó)可供開采的綠色煤炭資源量極其有限，只有5048.95億噸，不足探明煤炭?jī)?chǔ)量的一半，占全國(guó)預(yù)測(cè)煤炭資源量5.97億噸的十分之一。按國(guó)家能源需求和煤炭資源回收現(xiàn)狀，綠色煤炭資源量?jī)H可開采40~50年，未來或?qū)⒋竺娣e進(jìn)入非綠色煤炭資源賦存區(qū)開采，勢(shì)必讓煤礦安全面臨巨大難題。

安全、智能、精準(zhǔn)一個(gè)不能少

2016年，筆者首次提出“煤炭精準(zhǔn)開采”科學(xué)構(gòu)想，引發(fā)行業(yè)內(nèi)外廣泛熱議。2017年8月8日，“煤炭安全智能精準(zhǔn)開采協(xié)同創(chuàng)新組織”在淮南理工大學(xué)成立并揭牌。如今，煤炭安全智能精準(zhǔn)開采是未來采礦的必由之路，已成為行業(yè)共識(shí)。

“煤炭精準(zhǔn)開采”是將煤炭開采擾動(dòng)影響、致災(zāi)因素等統(tǒng)籌考慮的煤炭無人（少人）智能開采與災(zāi)害防控一體化的未來采礦技術(shù)。其科學(xué)內(nèi)涵是，基于透明空間地球物理，以多物理場(chǎng)耦合、智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算這些信息作為技術(shù)支撐，具有風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)、監(jiān)控預(yù)警與處置功能等安全開采技術(shù)為支撐的智能無人安全開采。

隨著新形勢(shì)的發(fā)展，煤炭精準(zhǔn)開采又增加了新的內(nèi)涵。

首先，要考慮在安全方面實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)開采，如果安全問題都解決不了，其他就如同無本之木。

其次，要實(shí)現(xiàn)智能化。過去，我國(guó)煤礦根本談不上智能化，連最基本的機(jī)械化也有很大差距，平均采煤機(jī)械化程度只有45%，國(guó)有重點(diǎn)企業(yè)為82.7%。相比其他行業(yè)，煤礦信息化、無人化、智能化水平尚處于啟蒙階段。未來，煤炭產(chǎn)業(yè)必須由高危勞動(dòng)密集型升級(jí)為高精尖技術(shù)密集型：每個(gè)礦100人以內(nèi)，90%的人在地面作業(yè)，10%的人在井下做生產(chǎn)準(zhǔn)備、巡檢；信息化、自動(dòng)化、智能化水平以及回收率、效率等指標(biāo)會(huì)達(dá)到較高水平。

但僅僅是智能化仍然不夠，最終目的還是要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)開采，對(duì)煤礦資源、開采之后的狀況做到先知先覺，開采過程中的機(jī)器設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行都能夠?qū)崟r(shí)感知，達(dá)到航空航天一樣的水平。

從技術(shù)路線來看，精準(zhǔn)開采有自己的路線圖：第一步，2035年以前，是地面和井下相結(jié)合的遠(yuǎn)程遙控?zé)o人開采階段，實(shí)現(xiàn)操作人員在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)遙控設(shè)備運(yùn)行，采掘工作面落煤區(qū)域無人操作；第二步，2035年到2050年，真正實(shí)現(xiàn)智能無人精準(zhǔn)開采，突破地面遠(yuǎn)程控制的智能化與信息化、可視化煤炭無人采與智能感知、災(zāi)害智能監(jiān)控預(yù)警與防治等技術(shù)。

如今，煤炭開采從傳統(tǒng)的人力礦山、機(jī)械礦山到信息礦山、數(shù)字礦山并逐步邁向智能礦山演進(jìn)，安全智能精準(zhǔn)開采正在成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自首個(gè)無人開采工作面——黃陵一號(hào)煤礦1001工作面試驗(yàn)成功以來，我國(guó)已有70余個(gè)采煤工作面實(shí)現(xiàn)智能無人開采。幾代煤炭人期待的“有人巡視，無人值守”智能化無人開采由夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。

要靠產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新

目前，煤炭精準(zhǔn)開采發(fā)展還面臨諸多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為多種煤巖動(dòng)力耦合災(zāi)害治理研究尚不成熟，隱蔽致災(zāi)因素動(dòng)態(tài)智能綜合探測(cè)技術(shù)缺乏，基于大數(shù)據(jù)的煤礦重大災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)及新技術(shù)研究尚未開展等幾個(gè)方面。

為此，煤炭安全智能精準(zhǔn)開采模式需要盡快研究并突破以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是要精準(zhǔn)掌握煤層賦存條件，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱、瓦斯等致災(zāi)因素高清透視，打造具有透視功能的地球物理科學(xué)支撐下的“互聯(lián)網(wǎng)+礦山”；二是要研發(fā)新型安全、靈敏、可靠的采場(chǎng)、采動(dòng)區(qū)及災(zāi)害前兆等信息采集傳感技術(shù)裝備，形成人機(jī)環(huán)參數(shù)全面采集、共網(wǎng)傳輸新方法；三是要突破多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與知識(shí)挖掘難題，創(chuàng)建面向煤炭精準(zhǔn)開采及災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共用快速分析模型與算法；四是采用“三位一體”科學(xué)研究手段，研究煤礦災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理及災(zāi)變理論模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦災(zāi)害的自適應(yīng)、超前、準(zhǔn)確預(yù)警；五是要探索多場(chǎng)耦合復(fù)合災(zāi)害知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方法，建立適用于區(qū)域性煤礦開采條件下災(zāi)害預(yù)警特征云平臺(tái)；六是以采煤機(jī)記憶切割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)及可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控等為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)系統(tǒng)智能化控制軟件為核心，研發(fā)遠(yuǎn)程可控的無人精準(zhǔn)開采技術(shù)與裝備；七是要融合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)于一體，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于云礦山建設(shè)，把煤炭資源開發(fā)變成智能工程或車間，建設(shè)基于云技術(shù)的智能礦山。

煤炭科技創(chuàng)新，不搞產(chǎn)學(xué)研協(xié)同合作，就是死路一條。因?yàn)楦鞣絻?yōu)勢(shì)可以互補(bǔ)，高等院校主要從事基礎(chǔ)研究，科研機(jī)構(gòu)主要從事技術(shù)裝備研發(fā)，大型煤炭企業(yè)主要從事成果應(yīng)用推廣及示范工程建設(shè)，形成產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)同創(chuàng)新體制，只有各展所長(zhǎng)、協(xié)同創(chuàng)新、聯(lián)合攻關(guān)，才能破解難題、引領(lǐng)行業(yè)，如果各干各的，一個(gè)教授一個(gè)團(tuán)隊(duì)，一個(gè)單位一個(gè)團(tuán)隊(duì)，難以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

“煤炭安全智能精準(zhǔn)開采協(xié)同創(chuàng)新組織”成立至今，一直致力于推動(dòng)煤炭安全智能精準(zhǔn)開采從科學(xué)構(gòu)想變成理論與技術(shù)現(xiàn)實(shí)。目前，該組織邊研究邊轉(zhuǎn)化邊示范，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯的精準(zhǔn)共采，并在液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、采煤機(jī)記憶截割、工作面視頻監(jiān)控技術(shù)與裝備等方面取得重大突破。通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，組織成員單位在信息智能傳感傳輸、互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)信息處理、災(zāi)害智能預(yù)警與防控、智能采掘技術(shù)與裝備等領(lǐng)域進(jìn)展顯著。

面向未來，建議政府主管部門更加重視煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新，以煤炭精準(zhǔn)開采引領(lǐng)資源科技未來發(fā)展，未來爭(zhēng)取用最少的礦井?dāng)?shù)量和開采面積支撐國(guó)家25億~30億噸煤炭需求?！?/p>

（作者系中國(guó)工程院院士、安徽理工大學(xué)校長(zhǎng)）