科技創(chuàng)新
——平煤神馬打通深部礦井開采之路

文/張建超

●河南省首個全自動化綜采工作面在中平能化集團(tuán)六礦井下投入使用

平煤神馬集團(tuán)首山一礦在2015年實現(xiàn)利潤1億元的基礎(chǔ)上，2016年前9個月再次贏利9075萬元。

“作為大采深、高瓦斯礦井，我們能夠連續(xù)保持贏利，離不開集團(tuán)在我們礦解決了不具備保護(hù)層開采條件的單一低透突出煤層開采難題。”首山一礦相關(guān)負(fù)責(zé)人說，“這一技術(shù)使我們礦高突頭面月產(chǎn)平均達(dá)10萬噸以上，最高22萬噸，瓦斯治理噸成本由180元降低到87元，首次實現(xiàn)了自2010年建成投產(chǎn)后的達(dá)產(chǎn)目標(biāo)”。

這是平煤神馬集團(tuán)以科技創(chuàng)新推動深部礦井安全高效開采取得的重要成效之一。

破解深部礦井安全高效生產(chǎn)難題，對煤礦生存與發(fā)展具有重大意義。在平頂山礦區(qū)現(xiàn)有的14對生產(chǎn)礦井中，占平煤神馬集團(tuán)總產(chǎn)量70%以上的10對礦井采深均超過了800米，十二礦開采深度更是曾超過1201米。

據(jù)了解，發(fā)達(dá)國家均已在深地、深海、深藍(lán)、深空領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略布局，其中在深地領(lǐng)域的先進(jìn)勘探開采能力甚至達(dá)到了2500米至4000米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國大多數(shù)深地項目小于500米的現(xiàn)實水平。但在中國，煤炭資源作為國家主體能源，卻有76.3%埋深超600米、59.5%埋深超1000米。至2015年，全國煤礦千米深井已有47對，最深的山東省新汶集團(tuán)孫村煤礦更是達(dá)到1501米。近年來，隨著多數(shù)煤礦開采深度繼續(xù)以每年10米至25米的速度向下延伸，高瓦斯、高地應(yīng)力、高地溫問題，特別是高瓦斯與高地應(yīng)力引起的復(fù)合動力災(zāi)害，其預(yù)測防治更加困難，日益成為制約深部煤炭資源安全高效開采的瓶頸。

“因此，積極向地球深部進(jìn)軍，搶占發(fā)展制高點，成為平煤神馬集團(tuán)和國家都必須解決的戰(zhàn)略科技問題。近年來，平煤神馬集團(tuán)堅持把“服務(wù)安全高效、服務(wù)轉(zhuǎn)型發(fā)展”作為科技創(chuàng)新的主攻方向，不斷完善創(chuàng)新機制體系，攻克了深井瓦斯治理、深井開采技術(shù)等方面的難題，在提高深井開采水平的同時，為行業(yè)發(fā)展提供了有益借鑒。”平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院院長呂有廠說。

完善科技創(chuàng)新機制體系

2016年，平煤神馬集團(tuán)投入科研補助資金規(guī)劃達(dá)到3億元。

在平煤神馬集團(tuán)，大力強化科技創(chuàng)新對企業(yè)安全高效生產(chǎn)的保障作用，始終是黨政主要領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注的主要工作目標(biāo)之一。特別在近年行業(yè)經(jīng)濟低迷的特殊時期，集團(tuán)更是一直保持科技投入不減少、創(chuàng)新強度不弱化，將科技創(chuàng)新作為破解煤礦采深困境等發(fā)展難題，推動企業(yè)提高效率、效益，加快轉(zhuǎn)型升級和發(fā)展動能轉(zhuǎn)換的支撐力量，持續(xù)加大科技開發(fā)和完善創(chuàng)新體系等工作力度。

實施科技創(chuàng)新，機制體系先行。

入冬之前，雖然天氣漸冷，而在集團(tuán)能源化工研究院大院內(nèi)，獲得科技部正式批準(zhǔn)建設(shè)的“煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室”施工現(xiàn)場，施工人員卻干得熱火朝天。

這是平煤神馬集團(tuán)積極搭建高層次創(chuàng)新平臺的又一重要收獲。

隨著“煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室”獲科技部批準(zhǔn)加緊建設(shè)，平煤神馬集團(tuán)現(xiàn)已擁有5個國家級創(chuàng)新平臺、21個省部級創(chuàng)新中心。此外，與浙江大學(xué)、遼寧大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、北京化工大學(xué)等10余家重點高等院校、科研院所簽定了科技戰(zhàn)略合作協(xié)議，為推進(jìn)科技成果研究與轉(zhuǎn)化打下了堅實基礎(chǔ)。

允許研究人員按照成果評價后的價值作為入股資本，參與分紅。也可以對關(guān)鍵研發(fā)人員獎勵股權(quán)（股份）或者按一定價格系數(shù)出售股權(quán) （股份）——這是平煤神馬集團(tuán)相關(guān)配套文件中關(guān)于加大科研人員創(chuàng)新激勵力度的部分內(nèi)容。

2016年，平煤神馬集團(tuán)借助國家大力推進(jìn)“創(chuàng)新企業(yè)”的政策機遇，持續(xù)加強科技創(chuàng)新制度建設(shè)，及時出臺《深化科研體制改革，加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略實施意見》等配套文件，進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新管理模式，調(diào)整科技成果權(quán)益分配方法，建立創(chuàng)新容錯機制，加強科技工作流程管控，有效釋放了科技創(chuàng)新的動力與活力。

不久前，平煤神馬集團(tuán)在其十二礦、首山一礦探索、實施的深部礦井復(fù)合動力災(zāi)害增透技術(shù)取得突破，解決了單一低透抽采松軟煤層瓦斯抽采難題。

“全集團(tuán)每年‘舍得’投入占總銷售收入3%的資金用于科技創(chuàng)新，其中僅科技獎勵兌現(xiàn)就達(dá)1000萬元以上。”該集團(tuán)相關(guān)部門負(fù)責(zé)人說。

近年來，圍繞“服務(wù)安全高效、服務(wù)轉(zhuǎn)型發(fā)展”主攻方向和“抓重點、促轉(zhuǎn)型、見效快”的原則，平煤神馬集團(tuán)不斷投入資金，針對影響深井瓦斯治理等煤礦安全發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)瓶頸難題及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展、高價值產(chǎn)業(yè)鏈延伸等課題，組織開展立項研究，攻克了一大批深部煤炭災(zāi)害防治技術(shù)難題，為促進(jìn)企業(yè)安全高效生產(chǎn)提供了強大技術(shù)保障。

3項國家科技進(jìn)步二等獎、1項國家技術(shù)發(fā)明二等獎、1項河南省科技進(jìn)步一等獎、8項全煤行業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎，這一批沉甸甸的榮譽證書，展現(xiàn)了平煤神馬集團(tuán)科技創(chuàng)新取得的豐碩成果。

攻克深井瓦斯治理技術(shù)瓶頸

2016年9月份，平煤神馬集團(tuán)十二礦己15-17220綜采工作面在埋深超900米，原始瓦斯壓力2.7MPa的條件下，單月回采達(dá)到了68米。

這是平煤神馬集團(tuán)成功破解單一低透氣性突出煤層瓦斯治理技術(shù)瓶頸取得的成果。

據(jù)了解，平煤神馬集團(tuán)與中國礦業(yè)大學(xué)合作，開展底板巖巷穿層水力沖孔增透及網(wǎng)絡(luò)高效抽采技術(shù)攻關(guān)，積極破解長期困擾災(zāi)害嚴(yán)重的東部礦區(qū)突出煤層瓦斯抽采難、治理周期長、單進(jìn)水平低等難題，為單一低透突出煤層瓦斯治理，找到了有效的理論支持和技術(shù)路線，使東部礦區(qū)單進(jìn)、單產(chǎn)水平大幅提升，并獲得2015年度國家科技進(jìn)步二等獎。

瓦斯是煤礦開采的“大敵”。尤其在平煤神馬集團(tuán)，高瓦斯礦井產(chǎn)量占總產(chǎn)量的75%、礦井可采煤層組內(nèi)近和組間遠(yuǎn)、礦井開采深度不斷增加等特點，要求必須攻克深井瓦斯治理技術(shù)難題。為此，該集團(tuán)按照應(yīng)保盡保原則，對具備條件區(qū)域全部實施了保護(hù)層開采，并在保護(hù)層開采難度大區(qū)域，圍繞單一低透氣性突出煤層瓦斯治理、高壓脈沖旋轉(zhuǎn)射流割縫增透、千米深井極薄煤層保護(hù)層的安全開采、大采長“一面多巷”瓦斯治理等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，取得了顯著效果。

——通過高壓脈沖旋轉(zhuǎn)射流割縫增透技術(shù)研究與工程實踐成果，自主開發(fā)出流量、壓力可控可調(diào)的集高效鉆進(jìn)、定向割縫、氣水渣分離為一體的卸壓增透技術(shù)，豐富了復(fù)合動力災(zāi)害治理技術(shù)理論，推動了煤炭行業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，獲得2016年度河南省科技進(jìn)步一等獎。

據(jù)平煤神馬集團(tuán)十二礦相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，高壓脈沖旋轉(zhuǎn)射流割縫增透技術(shù)在十二礦的工程應(yīng)用實踐表明，這一成果使瓦斯抽采鉆孔數(shù)量較原方案減少約52%，煤層透氣性系數(shù)提高200倍以上，單孔瓦斯抽采純量提高35%以上，煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時間縮短20%至30%，實現(xiàn)了采面的均勻卸壓與安全回采。

——千米深井極薄煤層保護(hù)層的安全開采技術(shù)難題，被平煤神馬集團(tuán)在十二礦成功破解。

針對保護(hù)層開采這一最有效的區(qū)域瓦斯治理技術(shù)，受制于深部己組煤開采過程中高瓦斯及高應(yīng)力現(xiàn)象的難題，該集團(tuán)在十二礦深部平均厚度為0.5米的極薄煤層，探索、實施了極薄煤層保護(hù)層開采技術(shù)研究和實踐，首次實現(xiàn)了巖石保護(hù)層安全開采，使被保護(hù)層生產(chǎn)期間上隅角瓦斯低于1.0%，回風(fēng)流瓦斯低于0.5%，月均生產(chǎn)15萬噸。瓦斯抽采濃度、抽采量大幅提升，2015年全年瓦斯發(fā)電1800萬千瓦時，2016年前8個月瓦斯發(fā)電1200萬千瓦時。

破解系列技術(shù)難題

“我們一礦三水平下延主運輸巷和-517石門修復(fù)等試驗巷道的收斂變形降低50%，返修周期提高1倍以上，巷道支護(hù)維修的綜合成本降低15%。”平煤神馬集團(tuán)一礦相關(guān)負(fù)責(zé)人說，這些都是應(yīng)用集團(tuán)與中科院武漢巖土力學(xué)所合作完成《深部巷道破碎軟弱圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》項目后發(fā)生的變化。

據(jù)了解，平煤神馬集團(tuán)采用與中科院武漢巖土力學(xué)所合作研發(fā)的數(shù)字化鉆孔全景觀測、圍巖松動圈測試分析及地應(yīng)力測試三項適用于煤礦深部巷道環(huán)境的防爆型技術(shù)裝備，在集團(tuán)公司一礦、五礦、十一礦實現(xiàn)了行業(yè)內(nèi)首次煤礦圍巖結(jié)構(gòu)精細(xì)探測和地應(yīng)力場達(dá)2年的長期動態(tài)監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握了其分布規(guī)律，以顯著的成效推動了行業(yè)技術(shù)發(fā)展。該成果被授予2016年度國家科技進(jìn)步二等獎。

●焦化廠出焦

據(jù)集團(tuán)能源化工研究院相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，平頂山礦區(qū)深部煤層賦存環(huán)境復(fù)雜，多數(shù)煤層巷道頂板強度低，易于破碎風(fēng)化，嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)與支護(hù)，經(jīng)常出現(xiàn)采掘交替的失衡。再加上煤層的厚度、角度、水害等的復(fù)雜性，單一的開采方法難以有效滿足整個礦區(qū)高效開采的需要。為此，平煤神馬集團(tuán)以煤礦深井巷道穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)，開展巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)、極薄煤層安全高效等技術(shù)研究，有效解決了深部巷道破碎軟弱圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測控制、深井一體化綠色開采、灰?guī)r承壓水治理及綜合利用等深井開采技術(shù)難題。

在十二礦千米井下，采出的煤與矸石得到分離，在煤被提升到地面的同時，矸石全部被現(xiàn)場破碎，回填到了采過的區(qū)域，使綠色環(huán)保開采在這里成為了現(xiàn)實。

——這是平煤神馬集團(tuán)與中國礦業(yè)大學(xué)合作，打造的千米深井一體化綠色開采系統(tǒng)。該系統(tǒng)成果整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平，獲得了2016年度中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎。

平煤神馬集團(tuán)為解決十二礦己15上覆己14煤層由于賦存不穩(wěn)定、厚度薄，造成不具備常規(guī)保護(hù)層開采的技術(shù)難題，在這里千米深井開展了“采、選、抽、充、防”集成型深井開采技術(shù)研究，形成了集近全巖保護(hù)層開采、井下煤矸分選、瓦斯卸壓抽采以及固體充填與傳統(tǒng)綜采混采一體化的綠色開采系統(tǒng)，達(dá)到了解放建筑物下壓煤并控制上覆巖層運動及地表沉陷的目的，實現(xiàn)了采煤與充填兼顧。

實現(xiàn)灰?guī)r承壓水“可防、可控、可治”，是平頂山礦區(qū)水害防治的目標(biāo)和安全高效生產(chǎn)的重要保障。

近年來，平煤神馬集團(tuán)堅持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，貫徹“查、探、堵、截、疏、排、防、躲”的綜合防治水技術(shù)措施，構(gòu)建了現(xiàn)代化防治水技術(shù)體系。

特別是在灰?guī)r承壓水治理及綜合利用等方面，該集團(tuán)通過研究完成的《煤層底板灰?guī)r水害防治的減排節(jié)能示范技術(shù)與工程》《煤層底板采動破壞規(guī)律研究》等項目，實現(xiàn)了七礦、八礦、朝川、十一礦、二礦等單位底板灰?guī)r含水層疏水降壓、井下環(huán)境溫度降低和地?zé)崴C合利用的有機結(jié)合，減少礦井涌水量三分之二，完成了礦井地?zé)釣?zāi)害由被動防治到主動利用的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，對于保護(hù)寶貴的地?zé)崴Y源和實現(xiàn)礦區(qū)綠色快速發(fā)展均具有重要意義。

據(jù)介紹，當(dāng)前，平煤神馬集團(tuán)在參與2016年國家重點研發(fā)計劃項目 “深部巖體力學(xué)與開采理論”研究，建立適應(yīng)深部礦井環(huán)境的深部采礦學(xué)新原理、新理論、新方法的同時，與國家“973”項目首席科學(xué)家謝和平院士簽署合作協(xié)議，共同開展《深部煤炭開發(fā)煤與瓦斯共采理論》研究，平煤神馬集團(tuán)也由此成為國家首個煤與瓦斯共采理論研究示范基地，并總結(jié)出了采動影響下己組煤層上覆煤巖體采動裂隙變化規(guī)律。其中有4項研究成果獲得省部級科技進(jìn)步獎。

平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院院長呂有廠說：“我們將通過探索深部采礦學(xué)基礎(chǔ)理論，為行業(yè)徹底認(rèn)識、掌握深井開采規(guī)律、最終‘馴服’深井做出積極貢獻(xiàn)?！?/p>