《中國(guó)能源中長(zhǎng)期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》報(bào)告預(yù)測(cè)，2050年煤炭占我國(guó)一次能源消費(fèi)比重將控制在50%以下，但需求量仍將保持在25至30億噸，煤炭將長(zhǎng)期是我國(guó)主導(dǎo)能源。根據(jù)國(guó)土部最新數(shù)據(jù)，我國(guó)煤炭資源總量5.97萬(wàn)億噸，其中埋深在1000米以下的資源量占53%。
9月12日，在國(guó)家煤監(jiān)局科技裝備司、美國(guó)環(huán)保局煤層氣辦公室主辦的“2016第十六屆國(guó)際煤層氣暨頁(yè)巖氣研討會(huì)”上，中國(guó)工程院院士袁亮指出：“我國(guó)采深超千米的礦井有47座，現(xiàn)有煤礦采深正以平均每年10-25米的速度增加。隨著煤炭開(kāi)采向深部延伸，將會(huì)遇到一系列新的技術(shù)難題，必須持續(xù)推動(dòng)煤炭工業(yè)科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)以智能、無(wú)人、安全開(kāi)采為核心的煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采。”
有望實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人化
“煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采”是將煤炭開(kāi)采擾動(dòng)影響、致災(zāi)因素等統(tǒng)籌考慮的煤炭無(wú)人(少人)智能開(kāi)采與災(zāi)害防控一體化的未來(lái)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)等無(wú)人開(kāi)采技術(shù)和以大數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)、防控、監(jiān)控預(yù)警等安全開(kāi)采技術(shù)為支撐的智能無(wú)人安全開(kāi)采。
傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采一個(gè)礦動(dòng)輒需要3000-4000人，礦工長(zhǎng)期在陰暗潮濕的井下作業(yè)，是公認(rèn)的高危勞動(dòng)密集型企艱苦行業(yè)，而煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采能將每個(gè)礦的工作人數(shù)控制在100人以內(nèi)，90%地面作業(yè)，10%井下巡檢工作，井下幾乎無(wú)人。
實(shí)現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采的第一步是地面和井下相結(jié)合的遠(yuǎn)程控制無(wú)人開(kāi)采，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(wú)人操作。
第二步則是智能化無(wú)人精準(zhǔn)開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制的智能化、自動(dòng)化、信息化、可視化，煤炭無(wú)人、精確、智能感知，災(zāi)害智能監(jiān)控預(yù)警與防治技術(shù)。
面臨諸多挑戰(zhàn)
目前，我國(guó)80%以上重特大事故存在地質(zhì)情況不清、災(zāi)害升級(jí)、威脅不明、安全投入欠賬、人才匱乏嚴(yán)重、現(xiàn)場(chǎng)管理不到位等重大問(wèn)題。煤礦動(dòng)力災(zāi)害是非線性復(fù)雜問(wèn)題，涉及多場(chǎng)耦合、煤巖破壞、過(guò)程瞬態(tài)、動(dòng)力響應(yīng)等多個(gè)方面，機(jī)理尚不清楚，監(jiān)控預(yù)警沒(méi)有解決，缺乏專(zhuān)業(yè)技術(shù)裝備，災(zāi)后應(yīng)急救援效率低。
因此，煤礦精準(zhǔn)開(kāi)采與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警面臨煤與瓦斯突出機(jī)理不清，防治技術(shù)與裝備不完備，沖擊地壓機(jī)理研究處于起步階段，缺乏隱蔽致災(zāi)因素動(dòng)態(tài)智能綜合探測(cè)技術(shù)等問(wèn)題，尚未開(kāi)展基于大數(shù)據(jù)的煤礦重大災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)及新技術(shù)研究，救災(zāi)通信、人員定位及災(zāi)情偵測(cè)技術(shù)與裝備不完善，缺乏災(zāi)難礦井應(yīng)急生命通道快速構(gòu)建技術(shù)與裝備。
袁亮認(rèn)為，要想解決上述挑戰(zhàn)，關(guān)鍵是采場(chǎng)及開(kāi)采擾動(dòng)區(qū)多源信息采集、礦井復(fù)雜環(huán)境下多源信息多網(wǎng)融合傳輸、人機(jī)環(huán)參數(shù)全面采集、共網(wǎng)傳輸。其次是基于大數(shù)據(jù)云技術(shù)的多源海量動(dòng)態(tài)信息評(píng)估與篩選機(jī)制，基于大數(shù)據(jù)的災(zāi)害多相多場(chǎng)耦合災(zāi)變理論，深度感知災(zāi)害前兆信息智能仿真與控制。
因此，將地理空間服務(wù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、CT掃描技術(shù)、VR技術(shù)等積極推向礦山可視化建設(shè)，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”，對(duì)煤層賦存進(jìn)行真實(shí)反演，實(shí)現(xiàn)斷層、陷落柱、礦井水、瓦斯等致災(zāi)因素進(jìn)行精確定位是煤礦精準(zhǔn)開(kāi)采未來(lái)的主要研究方向。
其他研究方向還包括創(chuàng)新地下、地面、空中一體化多方位綜合探測(cè)新手段;研制磁、核、聲、光、電等物理參數(shù)綜合成像探測(cè)新儀器;構(gòu)建探測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化重構(gòu)等數(shù)據(jù)融合處理方法;研發(fā)海量地質(zhì)信息全方位透明顯示技術(shù)，構(gòu)建透明礦山，實(shí)現(xiàn)瓦斯、水、陷落柱、資源稟賦等1:1高清顯示，地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯層、礦井水等礦井致災(zāi)因素高清透視。
精準(zhǔn)開(kāi)采三步走
據(jù)袁亮介紹，煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采已取得了一些初步成果，成功開(kāi)發(fā)井上下立體的卸壓開(kāi)采抽采瓦斯、煤與瓦斯共采的工程技術(shù)模型及無(wú)煤柱煤與瓦斯共采工程技術(shù)新方法，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯的精準(zhǔn)開(kāi)采，從源頭上消除瓦斯災(zāi)害威脅;首次開(kāi)發(fā)了14-20米特厚煤層大采高綜放開(kāi)采技術(shù);研制成功煤礦巖巷全斷面高效掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)與裝備;率先實(shí)現(xiàn)了采煤工作面無(wú)人精準(zhǔn)開(kāi)采;“以地震主導(dǎo)，多手段配合，井上下聯(lián)合”的立體式綜合勘探體系逐漸成熟; 基于“煤與瓦斯共采”工程技術(shù)模型，研發(fā)了地面井和礦井井下抽放相結(jié)合的立體化抽采瓦斯綜合治理成套技術(shù);提出了煤與瓦斯突出、沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害統(tǒng)一失穩(wěn)理論，建立了基于地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的深部動(dòng)力災(zāi)害一體化預(yù)測(cè)方法，創(chuàng)新了煤與瓦斯突出和沖擊地壓微震監(jiān)測(cè)技術(shù);提出“煤礦地下水庫(kù)新構(gòu)想”，在煤礦地下水庫(kù)理論框架、建設(shè)技術(shù)、安全運(yùn)行技術(shù)等方面取得突破，建成近40座煤礦地下水庫(kù);研發(fā)了高效阻化泡沫防滅火等多項(xiàng)滅火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采煤層自燃火災(zāi)零事故;自主研發(fā)了瓦斯抽采計(jì)量系統(tǒng)、防突安全信息系統(tǒng)等30余套應(yīng)用系統(tǒng)，信息化滲透到企業(yè)的安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理等各個(gè)領(lǐng)域，煤炭企業(yè)信息化監(jiān)控預(yù)警水平不斷提高;以礦山的高度信息化、自動(dòng)化、高效率和遙控采礦(以至無(wú)人采礦)為特色的數(shù)字礦山物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架基本成型。
展望未來(lái)，袁亮表示煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采可采取“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略：到2020年取得重大突破;到2030年，基本實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化，全國(guó)煤礦采煤機(jī)械化程度達(dá)到95%以上;到2050年，全面實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)開(kāi)采。
