我國煤炭工業科技創新進展及“十四五”發展方向

劉 峰曹文君張建明曹光明郭林峰

(1.中國煤炭工業協會,北京 100013;2.中國煤炭學會,北京 100013)

煤炭作為我國的基礎能源和工業原料,長期以來為經濟社會發展和國家能源安全穩定供應提供了有力保障?！笆濉币詠?在國家推動供給側結構性改革政策措施指導下,經過5 a 的不懈努力,過剩產能得到了有效化解,煤炭生產結構優化,市場供需實現了基本平衡,行業效益回升,轉型升級取得實質進展,煤炭行業改革發展邁上新臺階。

作為煤炭工業健康有序發展的核心動力,煤炭行業自主創新能力得到了大幅提升,建立起以企業為主體、市場為導向、產學研協同創新的科技創新體系,初步形成功能互補、導向明確的行業研發平臺和創新基地合理布局,煤炭科技實現了從跟蹤、模仿到部分領域并跑、領跑的轉變,取得了突出的成就。其中,在大型礦井建設、地質精細化勘探、特厚煤層綜放開采、燃煤超低排放發電、高效煤粉型和水煤漿漿體化工業鍋爐、現代煤化工等領域的共性關鍵技術達到國際領先水平;煤機裝備實現了國產化,裝備制造水平位于世界先列,引領了國際煤炭智能化開采發展方向;超大采高智能開采關鍵技術與成套裝備研發應用,煤制油品/烯烴大型現代煤化工成套技術開發及應用,煤間接液化成套技術創新開發及產業化等大型示范工程項目實施取得成功,為行業平穩運行,提高發展質量和效益,推動現代化煤炭經濟體系建設奠定了堅實基礎。

因此,總結“十三五”期間煤炭行業科技創新成果,回顧各領域取得的進展,分析煤炭科技面臨的共性問題,確定“十四五”科技創新發展目標,厘清煤炭科技發展所面臨的制約因素,部署科技創新重點任務,對于引導煤炭行業深化改革創新及供給側結構性改革,推動新時期煤炭工業高質量發展具有重要意義。

1 “十三五”煤炭工業科技創新進展

1.1 煤炭地質勘探

“十三五”以來,煤炭地質勘查理論體系不斷完善,形成了具有中國特色的煤炭地質學新理論與綜合勘查技術體系、礦井復雜地質構造與災害源探測體系、礦井災害源超深探測地質雷達裝備及技術方法、采煤工作面涌水量多階動力學動態預測技術等代表性理論與技術成果。

(1)資源勘查方面。發展出適合中國煤炭資源分布特點的煤炭資源綜合勘查技術體系,將“煤田地質勘探”發展為以煤為主、包含煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣以及高嶺土、鋁土礦、“三稀(稀有、稀土、稀散金屬)”等多能源礦產協同勘查,并涵蓋煤炭勘查、礦井建設、安全生產、環境保護等內容的“煤炭資源綜合勘查”。

(2)地質構造探測方面。建立了礦井復雜地質構造與災害源探測體系,“地震主導、多手段聯合、采前采中配合”礦井地質保障技術的成熟應用,可查明1 000 m 深度以內落差3～5 m 以上的斷層和直徑20 m 以上的陷落柱。國產井下隨鉆測量定向鉆進技術與裝備取得重要進展,創造了井下深孔定向鉆進3 353 m 的新記錄。開發了礦井災害源超深探測地質雷達裝備及技術方法[1],首次實現了80 m 范圍內的地質構造和災害源的精細探測,探測距離提高1.6 倍以上,地質構造驗證率平均達75%;開發礦井低頻地質雷達探測系統及CT 透視反演軟件,實現了透射法300 m 跨度工作面的地質構造和災害源的精細探測,探測精度提高30%以上[2]。

(3)在礦井水害預測方面。開發出基于工作面涌水量采前快速預測與采中動態校正方法的涌水量動態預測軟件,實現了工作面推采過程采空區峰值涌水量、動態穩定涌水量及發生位置的精細預測,將應用礦井工作面涌水量預測精度從70%以下提高到85%以上,完善了礦井涌水量預測技術體系[3]。

1.2 礦井建設

“十三五”以來,礦井建設理論體系不斷完善,立(斜)井鑿井、快速高效掘進、巷道支護等關鍵技術取得歷史性突破,形成了以凍結、鉆井、注漿為主的建井理論與技術體系,研制出超大直徑深立井建井技術和大型成套裝備。

(1)立(斜)井鑿井建設方面。攻克了深厚巖層中新型單層凍結井壁技術、深部凍土成套實驗裝置與技術和凍結孔固管充填緩凝水泥漿液及施工技術,使得深立井建設最大主井井筒凈直徑達到9.6 m[4];建立了復雜地層深長斜井凍結壁三維動態模型和凍結壁設計計算體系,研發了深厚含水砂層深長斜井凍結段井壁結構、施工工藝技術及裝備,解決了深長斜井凍結調控難題和“凍掘”矛盾[5];形成了盾構施工煤礦斜井的成套裝備與技術體系,解決了煤礦長距離斜井深埋超長、連續下坡、富水高壓、地層多變等重大技術難題[6];變革了豎井和斜井施工方法,攻克了深井、大直徑、堅硬巖石和復雜地層反井鉆井的破巖、排渣、偏斜和井幫穩定性控制等難題,并研發了大直徑反井鉆井成套技術與裝備[7-8]。

(2)巷道掘進方面。研發了井巷掘進爆破新技術和液壓鑿巖控制的鉆裝錨一體機,解決了鉆爆施工中存在的“周邊成型差、炮孔利用率低、圍巖損傷嚴重”等難題[9];引入成熟的山嶺隧道、城市地鐵全斷面掘進機施工技術和裝備,降低了勞動強度、提高了煤礦深井巖巷掘進效率;研發了煤礦深井巷道全斷面硬巖掘進機,實現了掘進、支護、排矸、輔助運輸同步作業;研發了國內首臺煤礦大直徑、大埋深、長距離煤礦巖巷全斷面盾構機(新礦1 號);應用了掘、支、運一體化快速掘進技術與裝備的應用;形成了掘錨一體機、錨桿轉載機和柔性連續系統為主體的智能快速掘進成套裝備,突破了掘支運一體化快速掘進技術,實現了高效掘進;并研發了首套集智能截割、自動運網、自動鉆錨等技術為一體的智能快速掘進系統,有效提高了掘進水平和支護質量。

(3)巷道支護方面。創建了首臺用于測試井下錨桿支護系統復雜受力狀態的綜合試驗平臺,攻克了高強度錨桿受沖擊載荷作用易破斷難題,形成了煤礦巷道抗沖擊預應力支護成套技術體系[10];提出了沖擊地壓巷道防沖吸能支護理論及技術體系,發明了系列巷道防沖吸能支護裝備,有效降低了沖擊地壓巷道破壞程度[11];研發了具有NPR 結構的新型恒阻大變形錨桿/索,并成功應用于巷道大變形控制與預測[12];研發了錨架充協同控制技術,實現了千米深井軟巖大巷圍巖大變形的有效控制。

1.3 煤及共伴生資源開采

“十三五”以來,煤及共伴生資源綠色開采理論與技術創新百花齊放,形成了厚及特厚煤層開采、煤炭資源綠色開采、煤與瓦斯共采、煤與油型氣共采等代表性理論與技術成果。

(1)厚及特厚煤層開采方面。開發了7.0 m 特厚硬煤層超大采高智能化綜放開采成套技術與裝備,研發了8.2 m 一次采全高綜采工藝及裝備技術,形成了千萬噸級綜放工作面智能控制關鍵技術,創建了特厚煤層開采堅硬頂板大空間采場堅硬巖層控制理論,研發了基于地面壓裂技術與井下預裂的遠近場協同控制技術體系,實現了特厚煤層安全開采理念、技術和裝備的重大突破[13-15]。在急傾斜煤層開采方面,揭示了急傾斜特厚煤層綜放開采覆層形成和頂煤結構畸變致災機制,創建了急傾斜厚煤層綜放開采頂煤放出理論(BBR 理論),研發了急傾斜厚煤層綜放開采的專用支架與采場圍巖控制技術[16]。

(2)煤炭資源綠色開采方面。提出了西部淺埋地層隔水巖組隔水性判據和保水開采分類方法,開發了柔性條帶充填保水開采技術,建立了保水采煤技術體系,有效指導了生態脆弱礦區煤炭資源開采和生態環境[18];發現了遺煤開采的擾動面接觸塊體梁巖體結構,提出了遺留煤柱群鏈式失穩的關鍵柱理論,研發了遺煤開采可行性定量判定方法,研發了遺煤開采巖層控制的關鍵技術,指導優質遺煤高效回收[19-20];提出了“切頂短臂梁”理論,研發了無煤柱自成巷110工法和N00 工法,實現了采(盤)區內無煤柱和無巷道掘進,形成了具有我國自主知識產權的采煤工藝和裝備系統[21];發明了柔模支護無煤柱開采技術及其配套裝備,開發了柔模支護充填開采技術和柔模充填支架,提出了錨桿與柔模混凝土碹相結合的巷道支護方法;提出了煤炭資源“采選充+X”綠色化開采技術構想,形成了煤炭“采選充+X”(控、留、抽、防、保)協同生產模式[22-23]。除此之外,還開發了露天礦區綠色開發的系列關鍵技術[24]。

(3)煤與瓦斯共采方面。開發了碎軟低滲煤層頂板巖層水平井分段壓裂成套開發技術工藝[25],研發了煤礦用履帶式鉆進高壓旋轉水射流破煤鉆擴造穴一體化技術,提出了高壓水壓裂-沖孔聯作的煤巖縫網改造技術[26],發明了脈動水力壓裂裂縫導向控制高效致裂增透技術[27-28],創建了以全孔段均衡作業為核心技術思想的可控沖擊波煤層增透技術[29],研發了水平井與千米鉆孔對接抽采、大孔徑裂隙帶定向長鉆孔抽采、厚煤層沿空留巷及留巷鉆孔抽采、雙向立體交錯抽采、大直徑水平鉆孔橋接抽采、雙管柱篩管完井與洗井增產、采動卸壓瓦斯分域聯動導流抽采、軟巖保護層卸壓抽采等瓦斯增產技術等,完善了煤層氣高效抽采數字系統[25-31];除此之外,還發明了煤層氣高效開發無線隨鉆測量鉆進技術,研制了具有多邏輯保護回路與鉆進參數監測功能的超長定向孔鉆進裝備,研制了?89 mm 高強度大通孔無纜定向鉆桿、磁吸牙片限位反轉式鉆頭和內附導向襯管式鉆桿,研發了煤礦井下3 000 m 超長距離傳輸的泥漿脈沖無線隨鉆測量系統,發明了復雜結構井導向鉆井隨鉆測控技術[1]。

(4)煤與油型氣共采方面。建立了油型氣(瓦斯)勘查技術,創新了油型氣(瓦斯)“預-探-抽”一體化精準防治技術,研究了油型氣爆炸與巷道擴散規律,研制了煤礦油型氣檢測裝置;發明了油型氣不均勻涌出工作面連續高效開采方法,研發了超前預測多機聯動智能控制系統,首創了煤與油型氣共生礦區安全智能開采技術體系;研發了煤與油型氣共生礦井安全保障及智能開采配套技術與裝備,制定了安全智能開采技術和管理標準體系[32]。

1.4 礦井災害防治

“十三五”以來,礦井災害防治理論體系不斷完善,沖擊地壓防治、瓦斯災害防控、礦井水害防治、煤層自燃與火災防治、復合動力災害防控等關鍵技術取得歷史性突破,形成了以災害預測和防控為核心的理論與技術體系。

(1)沖擊地壓防治方面。建立了集中靜載荷疏導的區域防范沖擊地壓的理論與技術體系,開發了以誘發沖擊啟動的載荷源為中心,分源監測、分源防治的局部沖擊地壓防治技術[33];研發了沖擊地壓危險動靜載區域探測技術與裝備,研發了沖擊地壓危險多尺度多元融合預警關鍵技術與方法[34];構建了以“分類分治”為核心的深部煤層沖擊地壓防治“七模塊”技術體系[35];提出了沖擊地壓巷道防沖吸能支護理論及技術體系,發明了系列巷道防沖吸能支護裝備,發明了沖擊地壓能量釋放與吸收監測裝備[11]。

(2)瓦斯災害防治方面。論證了瓦斯含量法指標預測煤與瓦斯突出的科學性,發展了基于瓦斯含量法預測煤與瓦斯突出的瓦斯含量臨界值[36];在煤與瓦斯突出防控方面,確定了礦井煤與瓦斯突出的力學作用機理,發明了全過程監測、多元信息融合的突出預警方法[37];創建了多尺度強湍流瓦斯爆炸動態傳播和湍流-火焰-超壓多場耦合理論,形成了礦井瓦斯封閉抑爆與隔爆協同防控技術體系[38]。

(3)礦井水害防治方面。制訂和實施了有效的底板寒武灰巖水害防治措施和地熱水利用方案[39],創建了“直孔水平三分支互嵌”和“直孔垂向兩分層重疊”的射流孔含水層改造技術[40],提出了砂-土-基巖水害、高承壓基巖水害、白堊系巨厚砂層離層水害和地表水-薄基巖水害4 種頂板水害模式,制定了不同模式下水害防治技術,構建了“系統解析→動態預測→分區防控→控制疏放”的礦井頂板水害綜合防控體系,并開發了燒變巖帷幕墻注漿保水技術[3,41-42]。

(4)煤層自燃與火災防治方面。研發了基于熱-磁-電位復合異常響應的火區范圍初探技術與附帶導溫桿的紅外熱像測溫反演高溫點精探相結合的火源探測成套技術,提出了煤自燃階段躍遷理論及其預警決策體系,研發了適用于容易自燃復雜采空區下開采的風壓自動調節技術,提出了CO 氣體分源治理方法;發明了多種等高效抑制煤層發火的材料,研發了非間隔連續拖管注氮防火裝備與防滅火工藝;在此基礎上,集成創新形成了堵漏控風、覆蓋隔氧、阻化降溫的井上下聯動防滅火技術體系[43-44]。

(5)復合動力災害防控方面。應用蝶形破壞理論解釋了巷道冒頂、底臌、非對稱大變形、沖擊地壓、煤與瓦斯突出以及地震等動力災害形成的機理[45];研發了雙系煤層開采水氣下泄災害預警系統和安全開采技術體系[46];界定了控制復合煤巖動力災害的“主控地質體”概念,研發了基于聲發射和微震技術的復合煤巖動力災害微震預警新方法[47];研發了深部區采場礦壓控制技術系統、巷道支護輔助決策支持系統、采場礦壓預警系統、采空區煤自燃災害預測系統、綜采工作面綜合防塵系統等5 大系統,實現了多災害數據開發與管理、海量數據壓縮保真及多災害智能預測與防控[48]。

除此之外,我國學者還走出國門服務孟加拉國煤炭資源安全開采,構建了特厚煤層多災源安全開采模式,形成了極強含水層下特厚煤層開采頂板水害“上保下疏”、沖擊地壓“動靜轉移”、自燃火災“時空適配”的綜合防控技術體系,形成了中國-孟加拉國煤電聯營模式,為推進“一帶一路”建設做出重大貢獻[49]。

1.5 煤機裝備與智能化

“十三五”以來,煤炭行業綜采裝備、巷道掘進裝備、主要運輸裝備和輔助運輸裝備等實現了重大革新,保障了煤炭資源的安全高效開采。

(1)綜采裝備研發方面。研制出能夠適應于7.2 m 厚煤層開采的MG1000/2540-GWD 型采煤機,研發了基于30CrNiMo 的中碳合金鋼高強度厚煤層搖臂,形成了高承載能力行走系統,開發了工況自適應智能截割技術[50];研發了8.8 m 大采高智能化液壓支架、22 000 kN 四柱支撐掩護式強力放頂煤液壓支架、20 000 kN 急傾斜強力液壓支架、純水液壓支架和巷道防沖液壓支架[14,51-52];制造了高性能3×1 600 kW 系列智能型刮板輸送機,研發出直角轉彎大功率重型刮板輸送機,形成了主要部件整體鑄造重型刮板輸送機制造技術[53-55]。在此基礎上,研發了適應0.65～10.00 m 煤層高智能綜采成套技術裝備[56]。同時,在煤礦綜采成套裝備再制造的設計方法、新型激光器研制、激光熔覆用合金粉末研發、采煤機械設備典型零部件綠色清洗與再制造成形加工關鍵技術等方面也取得了突破。

(2)巷道掘進裝備研發方面。制造了大功率全斷面自動截割成形遠控掘進機,發明了掘、支、運三位一體巷道掘進方法,開發了智能快速掘進成套裝備,形成了掘進、支護、運輸一體化智能快速掘進生產線[9]。

(3)主要運輸裝備研發方面。研制了6 000 m 超長運距低阻智能機頭集中驅動礦用帶式輸送機,發明了長距離大運力帶式輸送系統永磁電機直驅、分布式張力調節、空間轉彎等本體關鍵技術,研發了長距離大運力帶式輸送系統控制與監測技術,發明了長距離大運力帶式輸送系統安全保障技術[57-58];研發了“礦山超大功率提升機全系列變頻智能控制技術與裝備”,攻克了重載平穩起動、寬范圍精確調速、高精度定位、整流器無網側電動勢傳感器電網優化接入、低開關頻率整流器柔性啟動、超大功率三電平高功率密度變頻調速等核心技術,建立了基于物聯網的二維遠程故障預測診斷系統,實現了大型提升機的智能化控制、無人化運行和遠程監控[59-60]。

(4)輔助運輸裝備研發方面。發明了隔爆型永磁交流變頻同步電機系統和隔爆型鋰離子蓄電池電源,設計了整車智能主動安全防護體系,發明了礦用防爆車輛整車控制系統,形成了礦用防爆鋰電池無軌膠輪車系列產品;開發一種新型摩擦輪與齒輪混合驅動電噴柴油單軌吊,首創性研發出礦用大功率防爆蓄電池、柴油機混合驅動單軌吊,全方位滿足煤礦輔助運輸需求;研發了無人駕駛礦用自卸卡車,實現了裝運排一體化運行作業。還研發了基于機器視覺的煤礦運輸節能與安全智能控制關鍵技術,實現了危險區域的人員監測、膠帶防縱撕和振動篩流量異常監測功能[61-62]。除此之外,研發了千萬噸級綜采工作面智能高壓型大流量乳化液泵站系統,發明了礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻調速一體機,開發出基于一體機的智能驅動綜采裝備,實現了煤炭開采裝備傳動技術升級換代[63]。

基于上述煤機裝備,我國煤炭智能開采格局初步形成?！笆濉币詠?煤炭綠色開發與智能精準開采技術體系逐步建立。同時,制定了煤礦智能化發展規劃和實施方案,為煤礦智能化建設描繪了路線圖和施工圖。具體如下:

(1)智能開采裝備研發方面。發明了工作面直線度精確檢測與智能控制、采煤機記憶截割控制、刮板機智能控制、工作面集中遠程智能控制等多個關鍵技術,研發了適用各種煤層條件具有較高智能化水平的系列化綜采(放)成套裝備使不同區域、不同煤層條件實現了智能安全高產高效生產[64]。

(2)智能遠程管控研發方面。提出了智能化與遠程干預結合的綜合機械化采煤新模式,研發了綜采工作面采煤、支護、運輸等工序的智能化協調控制技術,開發了礦井人員與車輛等動目標精確定位關鍵技術與系統,開發了煤礦供電無人值守及防越級跳閘技術與系統,研發了一體化礦山生產綜合智能監控系統,研發了面向智能開采的煤礦安全高效生產空間信息處理關鍵技術,創建了億噸級礦區復雜系統的全流程信息協同系統平臺,實現了礦井群資源的智能配置和管理[65-66]。

此外,提出了數字孿生智采工作面新系統(DTSMW),并把物聯網、5G 通信、云計算等技術融合于智采工作面,創建精確的虛擬智采工作面模型,實現智采工作面生產、管理的高度數字化及模塊化[67];提出了煤礦機器人的分類方法,構建了科學合理的煤礦機器人分類體系,規劃了不同種類、層次煤礦機器人的研發路徑[68];開通并優化了井上井下5G 網絡,建成了礦用高可靠5G 專網系統,研發出3 ∶1 時隙配比5G 網絡,開展了5G 成套裝備規?；瘧?發布《5G+煤礦智能化白皮書》,倡議建設煤礦5G 應用生態,引導煤礦科學有序開展5G 網絡建設;實現了智能開采環境下煤層空間信息的動態修正、管理模式的創新和各類空間及屬性數據的一體化存儲,開發了具有我國自主知識產權的軟件平臺和應用系統,并在陽泉、大同、平頂山等礦區實現應用,初步實現了對智能化煤礦安全生產運營“一盤棋、一張網、一張圖、一個庫”的新型管理理念[69]。

截至目前,全國已建成約500 個智能化采煤工作面,形成薄、中厚、厚煤層的完整智能化開采實踐應用示范體系,構建了“有人巡視、無人操作”的智能開采工作面新模式[67-69]。

1.6 潔凈煤技術

煤炭是高碳化石能源,煤炭資源的洗選加工與清潔高效利用,是社會主義生態文明建設的要求,同時對緩解油氣資源短缺、降低對外依存度、保障國家能源安全、降低碳排放都具有十分重大的現實意義,也是貫徹落實“六?！惫ぷ鞯闹匾緩健！笆濉币詠?形成了包含煤炭洗選、提質加工、清潔轉化與污染物控制的潔凈煤技術體系。

(1)選煤技術方面。千萬噸級濕法全重介選煤技術、大型復合干法和塊煤干法分選技術、大型井下選煤排矸技術和新一代空氣重介干法選煤技術成功應用;發明了大型復合式干法分選技術和干法重介質流化床分選技術,開發了世界上首套模塊式高效干法選煤工藝系統,形成了煤炭高效干法分選關鍵技術,解決了長期影響干法選煤工程化的技術難題[70];此外,還研發出了融合圖像識別和X 射線識別的高壓噴嘴式高精度智能干選機,以及超大處理能力原料煤、粗煤泥重介質分選及煤泥水濃縮設備等[71]。

(2)提質加工及污染物控制方面。中小型高效煤粉工業鍋爐、水煤漿漿體化CFB 供熱供暖鍋爐、大容量高效煤粉工業鍋爐、民用固硫抑塵型煤、煙煤解耦新型爐具、大型低階煤熱解分質分級利用等技術取得突破;同步建設和投入運行廢水處理、VOCs 治理與脫硫、脫硝等裝置,研發了具有靶向清洗、選擇性活性補充、結構補強和脫硝催化劑全壽命管理解決方案的神華脫硝催化劑再生技術,實現了蘭炭粉燃料無助燃穩定運行,攻克了粒徑小于30 mm、產量占低階煤總產量80%以上的混煤熱解的系列關鍵技術難題,突破了煤焦油分質轉化高性能油品及高附加值產品的瓶頸,構建了低階煤分質清潔高效利用技術體系。

“十三五”以來,我國現代煤化工產業快速發展,在煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等方面都取得了較大突破,在生產工藝、關鍵大型裝備和特殊催化劑等領域逐步實現了國產化,傳統煤化工的大型合成氨行業已全面升級換代為煤炭高溫氣化技術。

(1)煤氣化方面。攻克了大型、超大型水煤漿氣化和干煤粉氣流床高壓氣化成套關鍵技術與裝備,研發了多噴嘴對置式水煤漿氣流床加壓氣化技術、航天干煤粉氣流床加壓氣化技術、水煤漿水冷壁廢鍋流程氣流床加壓氣化技術(晉華爐)、“神寧爐”干煤粉氣流床加壓氣化技術、“東方爐”干煤粉氣流床加壓氣化技術等,建成單爐日處理3 000 t 級、4 000 t 級煤氣化示范工程,解決了“三高”煤難氣化等煤種適應性問題;開發出氣化煤漿?？靥釢庀盗泄に嚰把b備,并完成了工業化,緩解了煤漿濃度低影響氣化效率、煤化工污泥難處理且成本高、中濃度管輸煤漿直接氣化效率低等痛點。

(2)煤直接液化方面。完成了煤制油品/烯烴大型現代煤化工成套技術開發與應用,首創了高效大型現代煤制油品和烯烴工程化技術,突破了超大超厚裝備設計及制造技術,實現了核心裝備的國產化,世界首個煤直接液化和煤制烯烴工程長周期穩定運行。

(3)煤間接液化方面。根據費托反應的溫度不同,開發出3 種不同的工藝:①實現了超大型工業反應器放大設計制造的重大突破,建成國內首套百萬噸級煤間接液化工業示范裝置;②解決了中溫條件下鐵基催化劑活性結構控制和產物選擇性控制的技術難題,建設成世界上單廠生產能力最大的400 萬t/a煤間接液化產業化示范項目;③研發了高溫流化床費托合成催化劑YHFT?-C01 的制備工藝,并在國內首套10 萬t/a 高溫費托合成工業示范裝置上成功應用。

(4)碳減排方面。習近平總書記在聯合國成立75 周年大會上向世界做出莊嚴承諾,中國將“采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,爭取在2060年前實現碳中和。煤炭行業主動作為,首創了煤化工CO2捕集、咸水層封存與監測成套技術,建成了世界首個10 萬t 級煤化工CCS 示范工程,提高了我國在國際氣候戰略博弈的話語權;開發了低滲咸水層多地層分類改造與多組同注、多維度監測與安全預警等成套CO2封存關鍵技術。

1.7 節能環保與職業健康

“十三五”以來,我國在低濃度瓦斯利用、礦井余熱利用、煤礦低品位熱能利用、采煤沉陷區治理、礦井生態環境修復和礦井粉塵防治等方面取得了顯著的進展。

(1)低濃度瓦斯利用方面。系統開展了集瓦斯治理、抽采、發電、制冷、熱害治理為一體的瓦斯綜合治理與循環利用關鍵技術與示范研究;發明了瓦斯自適應混配和自回熱蓄熱氧化技術,研發了瓦斯階梯式清潔利用技術,破解了低品質瓦斯化學能的熱電轉換、高效氧化提熱的難題[30]。

(2)礦井余熱利用方面。研發了低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱技術,開發了風排瓦斯引風技術、風排瓦斯與抽采瓦斯混配技術、遠距離安全輸送技術、大型脫水技術、蓄熱式非催化氧化技術(RTO)和熱電聯供技術等關鍵技術研究,發明了焦化廠荒煤氣高溫余熱回收技術[74]。

(3)煤礦低品位熱能高效利用方面。發明了兼顧煤礦通風安全與熱能高效提取的系列噴淋式礦井回風換熱器,開發了噴淋式礦井回風余熱利用成套裝備;研發了殼管式防結垢、防堵塞、強換熱的換熱器以及與其配套的礦井排水余熱利用成套裝備。

(4)采煤沉陷區治理方面。創建了采煤沉陷區中高層建筑群建設技術體系,提出了采煤沉陷區城市服務功能開發理念,研發了采煤沉陷區濕地建設、城市功能開發等關鍵技術,研發了高強度開采礦區生態環境修復與調控技術[75-77],并首次在沉陷治理中創新性采用定向鉆探、城市建筑廢棄物再生利用、分布式光纖動態監測、深層地熱資源利用等先進技術工藝,建成了全國首例條帶式采煤沉陷區綜合治理與利用項目,改善了沉陷區生態環境,增加了采空區土地再利用,實現了人與自然和諧共生的重大民生工程。

(5)在礦井生態環境修復方面。發明了煤矸石山自燃污染控制與生態修復關鍵技術[78],構建了礦區生態環境與地質災害時空信息多尺度監測技術體系,發展了高強度開采礦區生態環境演變鏈式響應理論和生態環境損害動態預警方法;研發了采煤沉陷區土壤重構、植被恢復和區域尺度農業景觀再塑關鍵技術,形成了能促進植物根系生長發育、抗拉傷能力強的微生物修復技術,研發了集約化開采源頭減損與地表生態修復一體化技術[79]。

(6)礦井粉塵防治方面。揭示了機械化掘進巷道煤巖塵微觀理化特性對其潤濕性影響規律,確定了綜掘工作面宏觀粉塵團及細觀顆粒流擴散規律,揭示了巷道噴霧細觀降塵機制;發明了射流汽化吸液及低阻高效產泡方法與裝置,研制了環形承壓泡沫的噴射裝置,研發了活性磁化水幕簾與泡沫聯用除塵系統;發明了三向旋流全斷面風幕控塵方法及關鍵技術,研發了綜掘工作面高效小型化風霧雙幕協同增效控除塵成套裝備[80]。

2 “十四五”煤炭科技發展目標

經過“十三五”期間的快速發展,煤炭行業科技創新取得了長足的進步。同時,煤炭資源開發面臨著地質條件復雜、采深逐年增加、災害頻發等多重壓力,資源采出率有待提高;2020年,全國煤礦采煤、掘進機械化程度已分別達到78.5%,60.4%,已建成約500 個智能化采掘工作面,但智能化水平仍需進一步提高;動力煤入洗率偏低,褐煤轉化利用率低,廢棄礦井空間、礦井水、地熱等伴生資源利用率低;煤炭開發造成的土地塌陷面積大,且產生大量的煤矸石等固體廢物;煤礦職業危害問題突出,累計煤礦職業病發病人數占全國職業病發病總數的一半左右。

當前,我國煤炭工業發展面臨著煤炭產能過剩與先進產能占比不高的矛盾、規模資源開發與剛性環境約束的矛盾、災害威脅加重與安全生產保障的矛盾。煤炭科技創新支撐我國煤炭工業高質量發展的能力依然不足。行業基礎理論研究相對薄弱分散,關鍵技術原創性突破、顛覆性創新仍然較少,高端裝備未能完全滿足應用需求,科技創新領軍人才和高技能人才大量缺乏,研發經費投入強度達不到全社會平均水平,知識產權保護運用和標準引領水平滯后。因此,煤炭行業必須以新發展理念為引領,主動適應新一輪科技革命與產業變革的發展趨勢,加快構建現代化煤炭安全綠色智能開發和清潔高效低碳利用技術體系,引領煤炭行業步入具有高科技特點的高質量發展道路。

為實現煤炭科技自立自強、完善現代化煤炭開發利用理論與技術體系,提出“十四五”煤炭科技的發展目標是:到2025年,行業自主創新能力大幅提升,實現科技自立自強,產業重點領域關鍵技術自主可控,現代化煤炭開發利用理論與技術體系明顯完善,科技創新人才隊伍建設取得顯著成效,建成特色鮮明、產學研深度融合的行業科技創新體系;煤炭綠色智能開采、煤礦重大災害防控、煤炭清潔高效轉化基礎理論研究取得突破;大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化,實現井下重點崗位機器人作業,露天煤礦智能連續作業和無人化運輸,建立煤礦智能化技術規范與標準體系;冒頂、火災、爆炸、沖擊地壓、水害、煤與瓦斯突出等災害防治能力進一步提升,工作面粉塵防治取得明顯成效,煤礦作業人員安全防護與職業健康保障更加完備,礦山應急救援體系與技術更加完善;大型煤機裝備、露天開采裝備、煤炭洗選裝備與煤化工裝備的智能化和可靠性水平大幅提升,關鍵零部件、核心元器件、控制系統與軟件實現自主化;現代煤化工實現高效、環保、低耗發展,突破煤油共轉化制清潔燃料與化學品、煤制芳烴、煤制乙醇等關鍵工藝技術;煤轉化有機固廢和污廢水、礦井水低成本資源化利用技術,千萬噸級煤炭分質分級利用技術取得積極進展;礦區生態環境顯著改善;采煤沉陷區土體整治與生態修復技術不斷完善,礦區大宗固廢資源利用取得明顯成效;減碳減量可行先進技術取得突破,實現礦區生態與碳匯減排協同發展。

3 “十四五”科技創新重點任務

為實現新時期煤炭科技發展目標,提出開展“31110”科技創新主要任務,包括三大基礎理論研究,十大重點領域核心技術攻關,十項重大技術創新示范和百項先進適用技術推廣應用。科技創新主要任務框架如圖1所示。

圖1 “十四五”科技創新主要任務框架Fig.1 Main tasks of scientific and technological innovation in the 14th Five-Year Plan period

3.1 煤炭基礎理論研究

在煤炭綠色智能開采、煤礦重大災害防控、煤炭清潔高效轉化等領域開展基礎理論研究,為我國煤炭資源的安全綠色智能開發和清潔高效低碳利用提供基礎支撐。

(1)煤炭綠色智能開采。重點研究煤系礦產資源精細勘查與生態地質理論,時空變化條件下的礦井地質精準探測及建模理論,面向礦井復雜環境的自適應感知理論,礦山多源異構數據融合及信息動態關聯理論,復雜條件下采掘設備群的協同控制理論,面向復雜礦井環境的動態協同控制與數據驅動決策理論,黃河流域等重點區域煤炭開發生態大尺度演變規律與生態修復方法等;探索深部原位流態化開采的采動巖體力學理論和采礦方法。

(2)煤礦重大災害防控。重點研究深部礦井多災種一體化智能防控理論,煤巖瓦斯復合動力災害發生機制,煤礦沖擊地壓主控地質因素及發生機理,沖擊地壓風險判識理論與防控方法,復雜地質條件下頂板水害形成機理,大采深礦井煤層底板巖溶發育規律,高地應力及高水壓條件下深部煤層底板突水機理,采空區遺煤自燃引爆機理,露天開采與生態環境動態響應耦合機理,露天礦滑坡災害精準化預警理論,礦井粉塵產生機理,風流-水霧-粉塵多相流多場耦合機理,職業危害接觸限值與致病機制等。

(3)煤炭清潔高效轉化。重點研究原煤多尺度精細化深度分離與高效提質基礎理論,微細粒難選煤分選過程強化基礎理論,煤系稀貴礦產和關鍵元素、有毒有害物質資源高效分選加工理論,煤炭智能分選加工基礎理論,煤基原料協同制備功能化材料基礎理論,煤制大宗清潔燃料與化學品新工藝及催化基礎理論,煤炭氣化、液化在原料、工藝過程匹配和產品靈活性調控理論,煤炭利用多點源、多污染物協同控制理論與方法等;探索煤制氫能源大規模制備理論方法。

3.2 重點領域核心技術攻關

開展煤炭資源勘查與地質保障、大型現代化礦井建設、煤炭與共伴生資源協調開采、煤礦災害防治、煤礦智能化與機器人、煤炭清潔高效加工、煤炭高效轉化利用、煤礦職業危害防治、煤礦應急救援、資源綜合利用與生態保護10 個重點領域的核心技術攻關。

(1)煤炭資源勘查與地質保障。研究煤系資源與生態環境的空天地一體化協同勘查方法,侏羅紀煤田地層沉積相與構造控水機理,華北型煤田深部煤層底板巖溶水精準探查與防控方法,西南地區巖溶復雜地形條件下高分辨率地球物理探測方法等;研發全數字高密度三維三分量地震技術、礦區地質災害精準監測預警技術、水文地質三維高精度動態表征技術,采掘工作面地質異常體高精度超前探查技術等。

(2)大型現代化礦井建設。研發千米深井地層凍結及地面預注漿改性技術,大型礦井井巷工程機械破巖全斷面鉆進技術,超長定向鉆孔為基礎的斜井沿軸線凍結技術,復雜地層大斷面斜井盾構機掘進技術,韌性為基礎材料的地層加固和薄噴支護技術等;研制千米豎井掘進機、千米反井鉆機、變徑巷道全斷面掘進機及掘進機機器人;構建礦井構筑物智能建設及全生命周期智能檢測控制體系。

(3)煤炭與共伴生資源協調開采。深入研究充填開采、無煤柱開采、保水開采、采動圍巖大范圍超前控制等綠色安全開采技術;研發遺留煤炭資源安全復采技術,復雜難采煤層高效綜采技術,煤炭地下氣化開采技術,流態化開采技術,大型露天煤礦強化內排開采技術,煤與油、氣、稀貴關鍵元素等共伴生資源協調開采技術,碎軟低滲煤層區地質條件和產能預測評價方法,地面水平井工廠化抽采技術,復雜儲層煤層氣高效立體抽采技術,深部煤系氣一體化共采技術。

(4)煤礦災害防治。研發礦井通風系統災變狀態識別及控制技術,突出礦井分級預警及高效防控減災技術,高瓦斯礦井低透氣性煤層瓦斯高效抽采技術,采空區自燃誘發瓦斯爆炸災害預測預警預控技術,近距離煤層群防滅火技術,礦井爆炸災區殘存火源、頂板垮塌或突出瓦斯逆流等繼發性災害特征識別技術,火區惰化短期有效性判別技術,火災、突出、冒頂、沖擊地壓、瓦斯(煤塵)爆炸等多災害協同防治技術,沖擊地壓智能預警與共性關鍵因素防控技術,采掘工作面頂板水害精細控制疏水治理技術,全空間水情水害智能精準監測預警技術,燒變巖區等特殊區域水害防治技術,滑坡災害智能感知與早期識別技術,千米深井強采動巷道圍巖大變形與破壞機理及長期穩定性控制技術等。

(5)煤礦智能化與機器人。研發復雜地質條件的工作面智能開采技術,4D-GIS 透明地質技術,煤礦5G 無線通信技術,井下視頻高效處理及AR/VR 技術,井下精確定位與設備導航技術,輔助運輸系統連續化和無人化技術,智能化無人快速掘進技術,重大危險源智能感知與預警預報技術,高可靠性智能裝備(終端)技術,煤礦機器人路徑規劃與長時供電技術,露天開采無人化連續作業技術,煤炭智能化采樣檢測技術,礦井機電設備在線監測與診斷維護技術等。

(6)煤炭清潔高效加工。研發高硫、高氯、高氟煤分選新技術與新工藝,濕法全重介選煤設備智能控制技術,干法選煤智能化工藝技術,微細粒難選煤泥強化重力場高效分級分選技術,煤巖深度解離與高效富集技術裝備,煤礦井下大型智能分選排矸裝備,大型智能選煤廠關鍵傳感、閉環控制和輔助決策技術與系統等。

(7)煤炭高效轉化利用。研發低階煤大型分質分級轉化技術及裝備,超臨界煤氣化、加氫煤氣化、催化氣化等新型煤氣化技術,煤炭溫和加氫直接液化和間接液化耦合新工藝及催化劑技術,煤炭液化制取特種油品、富氧油品添加劑技術,高可靠性余熱回收技術,高溫煤氣深度除塵凈化技術,液化殘渣綜合利用技術,煤耦合甲烷等離子體合成乙烯、乙炔技術,高效高選擇性乙烯丙烯靈活調控的甲醇制烯烴催化劑、反應器及工藝,多污染物聯合精確控制和脫除技術,低能耗CO2捕集、封存及碳循環利用技術。

(8)煤礦職業危害防治。研發粉塵在線高精度感知技術,高通量氣水兩相流云霧產生與噴嘴布控技術,采掘工作面產塵源有效控制技術,礦井高溫熱害高性價比防治技術及個人防護裝備,作業現場噪聲消除技術,職業危害研判與快速篩查技術,職業危害分級防護技術,職業病危害信息化監管云平臺技術等。

(9)煤礦應急救援。研發礦山災害救援信息化技術與智能決策系統,礦山應急救援通訊技術裝備,災后救援快速自組網技術裝備,礦災應急救援智能專業服務機器人,復雜環境水陸兩棲偵檢機器人,災后多維度生命保障技術裝備,井下坍塌松散體快速構建救援通道技術,地面快速構建救援通道技術,礦山應急救援綜合培訓演練系統等。

(10)資源綜合利用與生態保護。研發礦區水環境保護與水資源一體化利用技術,高礦化度礦井水凈化和利用技術,礦區煤矸石等固廢資源化利用與污染防治技術,矸石山綜合治理技術,采煤沉陷區治理及土地利用技術,礦區土壤改良技術,低濃度瓦斯高效提濃技術,超低濃度乏風瓦斯銷毀和余熱利用技術,閉坑礦井地下空間資源開發與維護技術,共伴生礦產資源和稀貴關鍵元素無害化利用技術,礦區生態環境管理信息化技術等。

3.3 重大技術創新示范

積極培育技術創新示范企業,重點推進煤礦井巷全斷面快速掘進、復雜地質條件煤層智能綜采、井工煤礦智能化建設、露天煤礦智能高效開采、智能精細高效洗選、煤炭分質利用、煤炭液化及高端化工品制備、廢棄礦井地下空間資源綜合利用、礦區大宗固廢資源利用、大型礦區生態修復等10 項重大技術創新示范。

(1)煤礦井巷全斷面快速掘進示范。針對特大型礦井豎井、斜井和巷道的快速非爆破建設,研制煤礦防爆型豎井掘進機、豎井鉆機、全斷面巖巷掘進機與后配套運輸及支護裝備,形成井巷結構設計方法和技術標準體系,開發遠程可視化掘錨支監控平臺,滿足掘進直徑5.0～10.0 m 豎井、斜井、巷道需求,綜合掘進速度達到200～300 m/月、作業人員減少40%的目標,構建煤礦硬巖井巷智能快速掘進示范工程。

(2)復雜地質條件煤層智能綜采示范。針對復雜地質條件煤層(大傾角、薄煤層、高瓦斯、多構造),因地制宜研發配套智能綜采技術及成套裝備,建設智能綜采示范工程;針對西部礦區特厚硬煤層資源不宜采用放頂煤開采方式,研發特厚煤層一次采全高智能化綜采技術與成套裝備,設計生產能力5 000 t/h,傾角≤15°,年產能力10 Mt。

(3)智能化煤礦建設示范。建設以采掘生產為核心,融人員、設備、環境為一體的智能化井工煤礦,實現不同地質條件的智能綜采和快速掘進、智能主運輸和連續化輔助運輸、智能供配電、安全生產監測監控、礦井綜合管控和大數據分析等;建設高效開采智能化露天煤礦,研制大運量帶式輸送機組、自移式破碎站、自動穿孔爆破設備、大容量輪斗挖掘機、柴油發動機重型運輸卡車、礦用卡車無人駕駛系統和智能生產調度系統等。

(4)智能精細高效洗選示范。研制千萬噸級特大型濕法智能選煤廠的關鍵設備和在線檢測儀器,包括大型破碎機、跳汰機、旋流器、振動篩、浮選機、渣漿泵和高效脫介、脫水設備,原煤和產品質量在線檢測儀器等;研發重介、浮選分選過程大數據平臺,建立煤炭洗選工藝智能化控制平臺;研制千萬噸級干法分選智能化裝備,研究干濕混合流程新工藝,建立千萬噸級智能選煤廠示范工程。

(5)煤炭分質利用技術示范。研發單爐50 萬t級塊煤熱解和單線100 萬t 級粉煤熱解新技術,完善中/低溫煤焦油全餾分加氫多產中間餾分油(FTH)、中低溫煤焦油制取輕質化燃料工藝,以及煤氣無變換提濃制氫、煤化工多聯產廢水分質利用處理、煤焦油加氫廢氣回收利用等關鍵技術,建成200 萬t 級蘭炭示范廠和千萬噸級粉煤熱解低階煤(富油長焰煤)煤炭分質利用工業化示范工程。

(6)煤炭液化及高端化工品制備示范。完善日投煤量3 000～4 000 t/d 的大型高效氣化爐和大型高效空分裝置、大型甲醇合成塔、甲烷化反應器、大型高壓壓縮機等關鍵技術裝備,建立百萬噸級及以上煤炭間接液化及高端化工產品(如α-烯烴、高檔潤滑油、茂金屬聚乙烯等)工業化生產示范工程。

(7)廢棄礦井地下空間資源綜合利用示范。系統評價井工煤礦地下空間開展地質存儲的適應性和可改造性,開展關閉礦井地下空間資源定量評估;選擇地熱資源豐富的廢棄礦井,研究地熱資源反季節循環利用技術和關鍵裝備、設計智能監控系統,實現地熱資源利用;推進廢棄礦井地下倉儲、煤層氣抽采等其他綜合利用技術的應用,建設廢棄礦井地下空間資源利用示范工程。

(8)礦區大宗固廢資源利用示范。以煤矸石、尾煤、粉煤灰等大宗固廢資源多元化利用為對象,建設礦區固廢資源利用示范工程。主要研究礦區大宗固廢資源化及協同處置技術,高效低成本煤矸石充填置換技術,高滲量高強度粉煤灰水泥制備技術,煤矸石和粉煤灰制備陶粒、加氣混凝土技術,粉煤灰中有價元素提取技術等,推動建筑垃圾、尾礦等大宗固廢與礦井充填協同處置技術發展,擴大礦井充填材料來源,拓寬其他大宗固廢的處置途徑。

(9)大型礦區生態修復示范。以華北、華東、西北等大型礦區采煤沉陷區土地損毀與生態修復為主,創建大型礦區生態修復示范工程。研究應用采煤沉陷區建筑群建設技術,復墾土壤重構與區域農業、景觀、林果、養殖、光伏協同技術,人工濕地構建及城市功能開發技術等,形成東部礦區以土地復墾、沉陷地建筑利用和人工濕地構建為主,西部生態環境薄弱礦區以水資源保護、植被恢復、綠化固沙抑塵、特色無公害綠色林果產業和荒漠化治理為主的生態修復模式。

(10)煤炭產品質量精準調控示范。以滿足動力煤、化工用煤、煉焦煤等消費端不同用戶的定制需求為主,創建生產端的煤炭產品質量精準調控示范工程。研究用戶需求驅動的煤炭定制生產技術,包括精益生產、精準配煤以及數據分析平臺,貫通生產端和消費端的數據鏈條,推動煤炭生產過程的智能調控和節能,通過精準供給為生產端低碳化提供更有力的支撐。

3.4 先進適用技術推廣

“十四五”期間,大力加強先進適用技術推廣,促進科技成果規?；D化應用。

(1)煤礦地質保障方面。重點推廣高精度高密度全數字三維地震勘探、復雜地質構造槽波地震探測、地理信息系統與遙感遙測資源勘測、掘進巷道超前定向長鉆孔探查等先進適用技術。

(2)現代化礦井建設方面。重點推廣“一擴成井”軟巖地層鉆井法鑿井、導井豎井掘進機鑿井、定向控斜大直徑反井鉆井鑿井、多圈孔深厚沖積層控制凍結等先進適用技術。

(3)煤炭綠色高效開采方面。重點推廣掘支運一體化全斷面巖巷掘進、無煤柱自成巷110/N00 工法、直角拐彎大功率重型刮板輸送機、礦用新能源防爆無軌膠輪輔助運輸等先進適用技術。

(4)煤層氣開發利用方面。重點推廣煤層氣抽采地面遠距離自動控制鉆進、煤礦井下大功率定向鉆進、煤礦井下水力壓裂增透、低濃度瓦斯發電等先進適用技術。

(5)煤礦安全方面。重點推廣煤礦水害區域治理地面超前注漿加固、礦井通風智能決策與遠程控制、煤層可變徑造穴卸壓增透一體化、露天煤礦邊坡合成孔徑雷達監測預警等先進適用技術。

(6)煤炭加工與清潔利用方面。重點推廣干法礦物高效分離、高硫煤矸石高密度重介分選硫精砂、煤泥循環流化床潔凈燃燒利用、工業和民用蘭炭清潔替代等先進適用技術。

(7)資源綜合利用與生態保護方面。重點推廣采煤沉陷區土地復墾與農業生態再塑、西部干旱半干旱煤礦區土地微生物修復、煤礦礦井水深度處理、礦井乏風源和礦井水源余熱綜合利用等先進適用技術。

(8)煤礦智能化與機器人方面。重點推廣智能無人綜采工作面、井下智能巡檢機器人、智能煤矸分選機器人、基于UWB 的井下精確定位等先進適用技術。

4 結 論

(1)面對“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”的目標,作為我國基礎能源的煤炭,無論是其開發還是利用必須走減碳化的道路,大力推廣應用煤炭清潔生產、低碳利用和高效轉化技術,加強開發利用全過程的節能。

(2)煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐。一方面,應靠提升自動化和智能化水平將礦工從危險繁重一線解放出來,實現煤礦開采總體少人化、主要工藝流程無人化;另一方面需提升煤炭開采技術水平,保證在少人(無人)情況下的煤炭安全高效開采,以滿足經濟社會的發展需求。

(3)煤炭開發過程必須堅持綠水青山就是金山銀山理念,推動實現開發過程的近零生態環境損傷,不斷提高礦井水、煤層氣(瓦斯)的資源綜合利用率,減少煤矸石等大宗固廢的排放并提升其利用水平,加強廢棄礦井的資源化和功能化。

(4)“十四五”及未來更長一段時間,煤炭科技發展應堅持目標導向和問題導向,以現代化煤炭開發利用技術體系構建為目標,不斷創新新理論、新技術和新方法,支撐煤炭工業轉型升級和高質量發展。