破解深部煤炭開采重大科技難題的思考與建議

袁亮

（煤炭開采國家工程技術研究院，淮南232000）

破解深部煤炭開采重大科技難題的思考與建議

袁亮

（煤炭開采國家工程技術研究院，淮南232000）

袁亮 安徽金寨人，煤炭開采及瓦斯治理專家，中國工程院院士。現任煤炭開采國家工程技術研究院院長、煤礦瓦斯治理國家工程研究中心主任、深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室主任。

煤炭長期以來是我國主要能源。未來一段時期內，隨著新能源和可再生能源開發利用技術的進步，我國能源結構向清潔和優質化方向發展，煤炭的發展方向是安全綠色開采和清潔高效利用。我國煤炭資源賦存條件復雜，53%的資源埋深在千米以下，隨著煤炭開采逐步加深，深部煤炭開采不可避免地面臨著煤與瓦斯突出、沖擊地壓、巷道圍巖控制、水害、熱害等諸多重大科學問題和技術難題，深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室研究團隊根據我國深部開采典型礦區的長期研究實踐提出以下科學思考與建議：

煤與瓦斯突出防治。隨著開采深度增加，煤層賦存及開采條件日趨復雜，煤與瓦斯突出發生頻次和強度不斷增加，而突出機理尚不清楚，措施存在盲目性。必須從煤礦井下開采源頭來解決深部低透氣性、高瓦斯煤層瓦斯突出防治難題。采用卸壓開采煤與瓦斯共采技術，打破傳統開采程序，選擇好首采關鍵層，造成上下巖層移動，膨脹卸壓，從而增加煤層透氣性，使相鄰煤層高瓦斯突出煤層瓦斯解析為游離瓦斯，再通過預先布置的巷道和鉆孔抽采瓦斯，實現區域治理，高瓦斯煤層在低瓦斯狀態下安全開采。

沖擊地壓防治。煤礦沖擊地壓以其突然、急劇、猛烈的破壞特征嚴重威脅著礦井安全生產。深部開采沖擊地壓發生頻次和強度明顯增加，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。開采關鍵卸壓層實現區域卸壓，對于防治沖擊地壓至關重要，能夠最大限度地發揮“降壓、減震、吸能”的作用。具有沖擊危險性的工作面實施采前“大范圍、高強度”的煤巖預卸壓，采時實施多參量預警，對預警危險區實施“二次”卸壓。

巷道圍巖控制。巷道是礦井的咽喉，既是礦井的生產通道也是生命通道。進入深部開采后，巷道圍巖呈現軟巖特征，容易發生大流變、大破壞，造成巷道斷面大變形，通風網絡失靈，進而引發重特大事故。深部巷道圍巖的控制應基于深部巷道圍巖穩定控制理論，強化圍巖與強化支護結構相結合，采用分步聯合支護。對不同級別的深部巷道圍巖，采取不同的技術措施。

礦井水害防治。礦井水害極易造成群死群傷，在煤礦重特大事故中所占比重較大。隨著煤礦開采深度的增加，礦井水文地質條件更加復雜，煤層開采受底板高承壓水威脅日趨嚴重，突水機率不斷上升，水害防治難度進一步加大。疏水降壓和注漿改造是防治深部承壓水突出的有效手段。在開采受高承壓水威脅的深部煤層時，一般采取疏水降壓的方法將承壓水水頭值降到安全水頭值以下；承壓含水層的集中補給邊界已經基本查清的情況下，可采取帷幕注漿；當承壓含水層的補給水源充沛，可考慮注漿加固和改造提高隔水煤巖層自身強度，確保不潰水。

礦井熱害治理。礦井熱害在我國絕大部分深部礦井中已經相當突出，成為煤礦向深部延深的重要瓶頸之一。在深度為1000 m時，地溫高達40～50℃，尤其在掘進工作面，氣溫高、濕度大、空氣含氧量低、工作環境惡劣，嚴重制約安全高效生產。開展井上下立體降溫降濕技術和新型隔熱材料研究，最大限度降低或消除礦井熱害威脅，采用巷道隔熱材料降溫技術隔絕高溫圍巖，將熱源隔離，減少圍巖熱量放散，有效緩解對巷道風流加熱，降低工作面的空氣溫度，改善井下的工作條件。

深部煤炭開采面臨的幾大災害既相互聯系、相互依存，又相互制約，給災害防治研究帶來極大挑戰。國際上由于深部煤層不開采，很少開展此類研究，為確保我國能源安全，應超前探索出深部煤炭開采災害防治的科學手段，為我國主導能源安全綠色開采提供支撐，建議如下：一是加大基礎研究支持力度。國家制定科技攻關年度計劃和中長期計劃，通過整合國家研發資源平臺，采取產學研合作，協同創新，加大“973計劃”“863計劃”、“國家科技支撐計劃”及國家自然科學基金項目等重大科技攻關力度，重點開展深部煤炭開采應用基礎理論和關鍵技術研究，依靠科技創新突破制約我國深部煤炭開采的理論與技術瓶頸。二是在研究思路方面，國家應支持自主創新重大儀器及科學裝置開發研究，開展微觀、細觀、宏觀多尺度研究。重點研究采動應力場、滲流場、裂隙場的3場發育及演化特征和致災機理，以大尺度真三軸最大相似比的新型實驗室物理模擬、數值模擬為手段，形成從現場實測到實驗室，從定性到定量，可重復推演的現場試驗、物理模擬、數值模擬和虛擬現實相結合的系統研究方法，研究深部動力災害致災機理，尋求災害預防與控制對策。三是在災害治理方法上，堅持先卸壓后開采的科學治理。深井動力災害是多場耦合作用的結果，應力是災害的源頭，必須在營造低值應力區上做文章，通過首采關鍵層形成卸壓區，對被卸壓煤層的大范圍卸壓，實現對煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害的區域性治理。四是科學確定開采下限。在充分認清深部各種災害特征、治理能力極限和技術經濟可行性的基礎上，科學確定開采下限。同時，在滿足合理需求的前提下，逐步降低煤炭的依存度，調整能源結構，大力發展新能源及可再生能源。開發利用煤層氣是近期實現能源結構調整最有效、可能性最大的途徑。

未來我國煤炭開采逐漸走向深部，我們認為只有堅持科學開采，依靠科技創新，加強基礎理論研究和關鍵技術的攻關才能有效解決深部煤炭開采面臨的科學問題和重大技術難題。

—— 摘自《科技導報》2016年 第2期 第1頁