袁亮:煤与瓦斯共采 领跑煤炭科学开采

2011-2-21 13:02 来源: 中国科学院
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  2010年11月18日,由中国工程院、国家能源局举办的首届中国能源论坛明确提出:我国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”,2030~2050年煤炭年需求达35亿吨,在能源结构中的比例仍占50%。可见,在相当长的时期内,煤炭作为我国主导能源和基础能源的地位无法替代。

  然而,我国煤炭开采难度大,-1000米以下煤炭资源量占总资源量的53%,全国95%以上的煤矿为井工开采,瓦斯、水、火、地压、地温等自然灾害严重,特别是瓦斯问题尤为突出,国有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井,且大部分为低透气性煤层。长期以来,我国在低透气性煤层中开展的地面煤层气开采一直未能取得突破,国家曾引进美国技术在两淮矿区实施数口地面钻井开采煤层气,试验均告失败。同时,在煤矿井下引进德国、澳大利亚钻机直接在煤层中抽采瓦斯的尝试也没有成功。上述研究至今仍未取得进展,因此,自上世纪80年代以来,随着煤矿开采深度增加,瓦斯灾害升级,此类煤矿瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故频繁发生。

  淮南矿区是瓦斯危害最典型的矿区之一,历史上是全国煤矿瓦斯事故重灾区。近十多年来,我们针对低透气性煤层瓦斯治理状况,即地面煤层气开采和地下直接抽采瓦斯均走不通的客观事实,大胆从煤矿井下开采源头来解决低透气性高瓦斯煤层瓦斯治理难题,依靠井下采场卸压开采来增加煤层透气性,并抽采卸压瓦斯的煤与瓦斯共采理论。解决了低透气性煤层煤矿瓦斯治理这一世界性、历史性的难题,杜绝了瓦斯爆炸事故,大大解放了矿区生产力。十多年淮南矿区及全国类似条件安全开采瓦斯治理实践已证明,煤与瓦斯共采是实现煤炭科学开采的必由之路。

  把“老虎”关进笼子里

  淮南矿区资源丰富,探明资源量500亿吨,其中-1200米以浅国家批准的总体资源量285亿吨,煤层气资源近7000亿立方米,是我国东部和南部最大的一块整装煤田,占我国东部煤炭储量的50%,占安徽省煤炭储量的74%。

  然而,淮南煤炭赋存条件差,为低透气性煤层群开采条件,渗透率极低地质条件极为复杂,煤层瓦斯含量高,每分钟瓦斯涌出量达1100立方米,居全国前列,是我国开采难度最大的煤田之一,瓦斯事故多发。几十年来,被瓦斯这只“猛虎”所束缚,矿区煤炭产量一直徘徊在1000万吨左右,丰富的煤炭资源和良好的区位优势难以发挥。

  众所周知,低透气性煤层瓦斯治理是世界性难题,传统的治理办法是“拼刺刀”,即直接在低透气性高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层进行治理措施和采掘活动,对瓦斯是“堵”而不是“疏”。这个路子已经证明是行不通的,大量瓦斯仍然存留在煤层之中,治理效果差。要想降伏瓦斯这只“拦路虎”,消除瓦斯威胁,实现安全生产,就必须走出一条新路子。

  1996年4月,通过大量试验研究和理论论证,我提出了“卸压开采煤与瓦斯共采”的技术原理:打破传统自上而下的开采顺序,首先开采瓦斯含量相对较低的薄煤层,造成上下岩层移动,膨胀卸压,从而增加煤层透气性,使得相邻煤层的瓦斯被解析为游离瓦斯,再通过预先布置的巷道和钻孔“抽采”到地面。这样,实现了煤与瓦斯共采,煤层得以在低瓦斯状态下安全开采,抽采到地面的瓦斯通过地面永久抽采系统进行综合利用,实现低碳经济。

  这一理论提出之后,当时在推广实施的过程中却遇到了很大的阻力,因为煤矿技术创新不像其他行业的技术创新,如果失败风险很大,不但耗费人力、物力、财力,还极有可能威胁到安全生产。因此,需要大胆设想,小心求证。1996年10月,淮南煤矿举行了“卸压开采煤与瓦斯共采技术”专家论证会。当与会人员听懂这个方案后,一片哗然,不约而同地提出了质疑。有的人认为这是异想天开,其中一位专家说:“对于卸压开采,我们在50年代就已经搞过,都没有成功。”另外一位专家担心:“卸压瓦斯不进入钻孔,在巷道里四处乱窜,从而给安全造成巨大的威胁。”

  淮南煤矿已经别无选择,我们还是决定开展实验室研究和现场验证试验,并力推该项新技术,在新区的潘一矿和老区的新庄孜矿各选择一个工作面进行试验。

  1998年9月,令人惊喜的消息传来。“卸压开采抽采瓦斯煤与瓦斯共采技术”取得了巨大的成功,仅潘一矿一条巷道就抽出了1000多万立方米的瓦斯,煤层透气性增加了2880倍,低透气性煤层卸压增透后,煤层中60%以上瓦斯被抽采出来,瓦斯威胁得到了解除,实现了高瓦斯煤层在低瓦斯状态下的安全开采。

  2000年之后,该技术逐步成熟并在淮南矿区全面铺开,形成了井上下立体的卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采和先抽瓦斯后采煤的工程技术体系。瓦斯,这只昔日吞噬多少矿工生命的“老虎”终于被温顺地关进了笼子里。

  “代表了中国煤炭工业发展方向”

  “卸压开采煤与瓦斯共采技术”实现了瓦斯“治得住”,但它存在着巷道工程量大、瓦斯治理成本高等弊端。如何找到技术经济最佳结合点,有没有一种既能治理瓦斯保证安全,又能降低成本的技术呢?为此,2004年我提出了“无煤柱煤与瓦斯共采”理论,并开展了系统的研究工作。首先在通风方式上进行变革。2004年之前,我国煤矿均采用U型通风方式。它的好处是系统简单,一条进风巷道,一条回风巷道,但是存在着工作面上隅角瓦斯积聚的重大安全隐患。据统计,我国煤矿采煤工作面80%以上瓦斯事故发生在上隅角,且都是因为瓦斯积聚。而当时德国、波兰等世界先进采煤国家在20多年前就淘汰了U型通风方式,采用Y型通风方式。即采煤工作面采用两条进风巷道、一条回风巷道的通风方式,能有效地解决上隅角瓦斯积聚的问题,消除安全隐患。

  要实现Y型通风,最关键的就是回采工作面留巷,沿着采空区构筑一道密不透风、铜墙铁壁般的墙体,上能支撑顶板的压力,下能阻断采空区的瓦斯外溢,并利用这条巷道对煤层群开采条件下的上下煤层进行瓦斯抽采和综合治理。

  其实,我国老一代采矿界对Y型通风并不陌生,上世纪90年代初,煤炭部为了解决无煤柱开采问题,组织研究了一次沿空留巷工艺,采用一种高水充填材料,但是试验失败。从此,沿空留巷Y型通风在中国再无人问津。

  德国煤矿采用重型U型钢支护,壁后充填,实现Y型通风。在德国,开采一吨煤,政府补贴80欧元,吨煤成本高达1600元人民币,而淮南商品煤市场价只达到500多元,显然,如果走德国的技术路线既不经济,更不现实。

  好在我们已经从“卸压开采煤与瓦斯共采技术”的自主研发中尝到了创新的甜头,因此对Y型通风试验有了更大的热情。在淮南矿区要研究成功Y型通风,关键是研制出一种强度高、易于井下长距离泵送的充填材料和机械化护巷工艺系统。

  企业是创新的主体,2004年提出课题并立项研究,次年完成实验室模拟、相关材料、系统设计研究,在过去技术积淀的基础上,经过近四年理论研究和3000多次试验后,充填材料终于研制成功。2007年2月,膏体材料和远距离复杂条件下的泵送试验一举成功。

  同年7月,“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”——这项具有中国自主知识产权的煤矿工程技术与理论,在瓦斯绝对涌出量为我国第二位的新庄孜矿正式应用。几个月后,工作面安全顺利回采完毕,回采期间瓦斯抽采率最高达85%,平均为75%,工作面瓦斯威胁彻底消除,实现了安全开采。

  当年底,这项技术在我国高瓦斯、高地温、高地压复杂地质条件的顾桥煤矿1115(1)综采工作面再次成功应用,实现了“无煤柱煤与瓦斯共采”,最高日产安全煤量18681吨,月产36万吨,年产高达486万吨,充填留巷长度达2900米,是德国的2倍,成本仅为欧洲的1/3,抽采瓦斯气30946立方米,抽采率达72%,抽出的高浓瓦斯直接利用,实现了绿色开采、节能减排,创造了世界纪录。

  这项技术,一是解决了高瓦斯、高地应力、低透气性煤层等复杂地质条件煤矿煤与瓦斯共采技术难题,保证了安全高效开采;二是实现了无煤柱开采,煤炭资源回收率提高了5~8个百分点;三是简化系统,少掘3~4条巷道,降低了生产成本和瓦斯治理成本,实现连续开采;四是完善了通风流场,有利于防止煤层的自然发火;五是“两进一回”通风方式,工作面感觉温度降低3℃~5℃,大大改善了职工井下作业条件;六是经济效益、社会效益和环境效益显著,新区顾桥矿应用这项技术,一个工作面节省费用1亿元,老区矿井节省5000万元,并把煤矿井下有害温室气体——瓦斯高效利用,变害为利,变废为宝。

  2007年12月,中国煤炭学会组织专家对“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”进行了鉴定,由中国工程院钱鸣高、周世宁等院士和专家组成的鉴定委员会一致认为:无煤柱煤与瓦斯共采技术集成、创新了所涉及的理论、技术、材料、装备和工艺系统,形成了整套创新技术体系,达到国际领先水平,很有推广价值!钱鸣高院士评价说,这是我国第一个完整地在一个矿区实现煤与瓦斯共采、将瓦斯变害为宝的重大创新项目,使矿井开采向本质安全型迈进了一大步,取得了显著的经济和社会效益,开创了该类条件下国内外煤层安全高效开采先例。这项技术获中国煤炭工业协会科学技术奖特等奖、国家科技进步奖二等奖。

  2008年1月26日,时任国家安全生产监督管理总局局长的李毅中同志在顾桥煤矿1115(1)工作面考察时,感慨地说:“Y型通风沿空留巷很了不起,解决了煤与瓦斯共采问题,代表了中国煤炭工业发展的方向。”并用粉笔在井下写了“沿空留巷,Y型通风好”9个字,以表达自己对应用煤矿新技术的喜悦之情。

  杜宾斯基的三个“没想到”

  淮南矿区创新的以煤与瓦斯共采关键技术为核心的瓦斯综合治理技术不仅得到了国内的充分肯定,也受到了国际采矿界的关注和认可。自2007年以来,淮南矿业集团每年承办一次煤矿瓦斯治理技术国际会议,来自世界十多个产煤大国的煤矿瓦斯防治顶尖级专家以及科研机构的学者共同研讨煤矿瓦斯治理技术。

  2008年10月,世界采矿大会国际组委会主席杜宾斯基先生应邀参加了当年度的中国(淮南)煤矿瓦斯治理技术国际会议。会议期间,他认真听取了有关“煤与瓦斯共采关键技术”的介绍,并深入顾桥煤矿700多米深的井下实地考察后,激动地评价说:“我多次到中国,这次给了我很大的冲击。我没想到中国的瓦斯治理效果这样好,没想到淮南煤矿的瓦斯治理技术这样先进,没想到已经超过了我的祖国波兰,也超过了德国和欧洲。中国无疑是采煤大国,也是技术强国,袁亮在煤炭开采的技术理论研究上大胆创新,领跑了世界煤炭开采技术!”

  德国煤矿技术研究院首席科学家维利·卡莫是世界顶级的围岩控制和地压治理专家,曾经多次劝说淮南引进德国的“煤与瓦斯共采技术”,并断言在顾桥煤矿这样的地质情况下,不走德国路线是行不通的。2008年5月,他第三次来到淮南顾桥煤矿,当得知中国人自主创新的“煤与瓦斯共采技术”在顾桥煤矿成功应用,并且工作效率和经济性远远超过德国后,不禁翘起了大拇指。

  技术创新为企业插上翅膀

  煤与瓦斯共采技术创新带动了企业理念、管理的全面创新,同时借助国家和安徽省重大科技支撑项目和政策支持,淮南煤矿基本找到了瓦斯治理的方法与途径,淮南矿区连续13年杜绝了瓦斯爆炸事故,百万吨死亡率降至0.1左右,比历史平均百万吨死亡率下降30倍以上,淮南煤矿实现了科学发展、绿色发展,发生了脱胎换骨的变化。

  这些年,淮南煤矿建设和改造升级了顾桥、张集、谢桥三个千万吨级的特大型矿井,以及一批井型在400万吨以上的现代化煤矿,并用先进技术改造了一批老矿井,生产能力得到了充分发挥。原煤产量过去50多年一直徘徊在1000万吨,通过8年多的努力,提升到6000多万吨,2009年达到6715万吨。2010年在中国500强企业排名中列第183位。瓦斯抽采量由1997年的1000万立方米增加到3.5亿立方米,抽采率由5%提高到65%。抽出的瓦斯作为洁净能源直接利用,建成了世界第一座低浓度瓦斯发电站,共建成瓦斯发电站8座,装机容量24232kW,实施了亚太地区首例热电冷联供项目,同时实施瓦斯民用工程,能满足10万户居民需求。

  淮南煤矿被国家列为13个亿吨级煤炭基地和6个大型煤电基地之一,国家发改委于2008年12月在顾桥煤矿举行了两淮亿吨级煤电基地竣工投产仪式,也是全国第一个建成的大型煤电基地。企业被授予“国家第四批创新型试点企业”、“中华环境友好型企业”和“国家首批循环经济试点企业”。

  近10年来,淮南煤矿在瓦斯综合治理与利用方面由经验治理上升到科学治理,形成了瓦斯治理20种理念、50项技术和50条经验。获得国家授权有效发明专利11项,实用新型专利29项。主持(或参与)制定国际标准1项、国家标准2项、行业标准13项,获国家科技进步奖6项,获省部级科技进步奖55项。

  国家批准在淮南矿业集团组建煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室、煤矿生态环境保护国家工程实验室,顾桥矿为国家“高瓦斯、高地压、高地温示范矿井”、谢一矿为国家“深井开采试验矿井”。

  目前,淮南煤矿已成为安徽省、华东地区乃至黄河以南最大的煤电基地。现在,平均每天有2000多节满载“淮南煤”的火车皮从这里驶向浙江、江苏、江西、福建、上海等华东省市,发挥了能源对区域经济社会发展的重要作用。

  瓦斯治理技术实现重大突破后,淮南煤矿主业的实力逐步增强,目前电力权益总规模达1192万千瓦,成为安徽省最大的电力企业。淮南矿业集团在行业内首创煤电一体化,与合作方均股建成了田集电厂、凤台电厂,把一部分煤炭资源就地转化为电力,直送上海、浙江两地。

  世博会期间,淮南矿业集团累计向世博输送电量79.73亿千瓦时,上海每天所用的7度电中就有1度是“淮南电”。2010年11月,淮南矿业集团收到来自上海市人民政府的一封感谢信,来信真诚地说:“贵集团为保障上海能源供应、城市正常运行特别是上海世博会的成功举办作出了很大的贡献。”

  “淮南经验”惠及全行业

  2003年,吴邦国委员长视察淮南煤矿,对矿区在瓦斯治理上取得的成功经验给予了充分肯定。

  我国70%以上煤矿的开采条件和淮南矿区基本相似,淮南的瓦斯问题具有典型性和代表性。国家发改委有关领导指出,淮南瓦斯问题解决了,对全国高瓦斯煤矿的瓦斯治理能够起到很好的示范作用。

  2004年、2005年两年,我国煤矿共发生了6起死亡百人以上的瓦斯事故,党中央、国务院对此高度重视。为了有效控制煤矿瓦斯事故,温家宝总理在听取有关专家关于淮南矿区瓦斯治理情况的汇报后,决定在全国推广淮南瓦斯治理经验。

  2005年3月,由时任国务院副总理的黄菊同志主持,在淮南召开了全国煤矿瓦斯防治工作现场会,推广了淮南矿业集团瓦斯治理20种理念、50项技术和50条经验。企业还受国家发改委委托,编写了《全国煤矿瓦斯治理与利用总体方案》。

  5个月后,温家宝总理视察安徽,在听取淮南矿业集团汇报后说:淮南煤矿这几年在瓦斯治理和安全生产上是全国学习的一个榜样。

  同年12月,按照国务院第81次常务会议的精神,国家发改委批准,由淮南矿业集团联合中国矿业大学组建煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,在淮南落户。这个中心是我国第一个煤矿瓦斯治理领域的国家级研究中心,也是我国第一个设在企业的国家工程研究中心。国家要求,这个中心要以企业为产业化基地,加快煤矿瓦斯治理与利用技术研发,辐射全行业,为行业提供技术培训和技术服务。

  2006年以来,受国家发改委委托,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心共举办了全行业瓦斯治理技术和管理培训班30多期,培训6000多人次,其中包括45户全国煤矿安全重点监控企业的董事长、总经理、总工程师及所属矿井的矿长、总工程师等500多名企业高管。

  同时,根据国家发改委和国家煤监局授权,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心以技术咨询服务为主要发展方向,面向全行业开展技术服务。

  华晋焦煤公司沙曲矿是全国单井口瓦斯涌出量最大的煤矿之一,每分钟瓦斯涌出量高达479立方米。2006~2008年三年该矿的瓦斯超限次数分别为3635次、2605次、1648次。由于瓦斯的威胁,设计产量为300万吨的矿井,实际产量却只能达到120万吨。接受淮南瓦斯治理技术服务以后,2009年瓦斯超限次数下降到93次,同比下降90%以上,控制了瓦斯超限事故,实现了安全生产。2010年沙曲矿被山西焦煤集团公司授予“瓦斯治理先进矿”称号。

  而在整个山西焦煤集团,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心对该集团12对高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井和汾西矿业6对低瓦斯矿井进行安全技术会诊后,从根本上改变了山西焦煤集团瓦斯治理观念。

  皖北煤电公司的卧龙湖煤矿是在淮南矿业集团以外第一家成功实施“煤与瓦斯共采技术”的煤矿,该技术已成为皖北煤电公司保护层开采的主要模式。

  松藻煤矿是与淮南矿区瓦斯地质条件复杂程度相似的煤矿,在应用无煤柱煤与瓦斯共采技术后,生产效率提高了4倍,瓦斯从没超限过,瓦斯从根本上得到了治理。

  近几年来,国家发改委、煤矿瓦斯防治部际协调领导小组,国家煤矿安全生产监察局办公室先后下文,向全国推广低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术。

  截至目前,以“煤与瓦斯共采技术”为代表的淮南瓦斯治理技术创新成果在全国类似条件的40多个矿区100多个矿井推广应用,占全国高瓦斯突出矿井60%以上。2006年以来,全国煤矿瓦斯事故死亡人数减少二分之一以上,这是各方面工作的结果,但其中重要的一条就是国家从2005年开始推广淮南瓦斯治理的技术与经验。

  今年11月份,中澳煤矿安全技术国际研讨会在澳大利亚港口城市纽卡斯尔举行,我应邀参会并作主旨报告,系统介绍了我国淮南等高瓦斯矿区在低透气性煤层群瓦斯治理方面所取得的成绩。会后,澳大利亚采矿界同仁对“无煤柱煤与瓦斯共采技术”给予了高度评价,并发来信件,希望有机会实地考察淮南矿区煤与瓦斯共采技术,也有意将其引进到澳大利亚的高瓦斯煤矿区。

  全国众多高瓦斯矿区的实践已经证明,煤与瓦斯共采技术与理论能够有效解决此类矿区瓦斯治理的难题。

  科学开采面临的问题与思考

  我国煤矿95%以上是井工开采,平均开采深度近500米,且每年以20~30米的速度增加,将有一批矿井陆续进入深部开采。在我国煤炭资源储量中,近一半埋深在-1000米以上。据最新一轮的全国煤田预测结果,我国-2000米以浅的煤炭资源总量为5.57万亿吨,其中埋深在-1000米以下的为2.95万亿吨,占煤炭资源总量的53%。随着开采深度的增加,开采所遇到的难度并不是线性增加,而是几何级增加,超过浅部开采的几倍,甚至数十倍、上百倍,高瓦斯、高地温、高地压、高承压水“四高”等急难技术问题日益突出,成为世界性难题。瓦斯压力、含量快速升级,煤与瓦斯突出灾害日趋严重,瓦斯治理的难度越来越大;在高承压水作用下,突水危险趋于严重;随着开采深度的增加,热害威胁增加;深部地应力大,冲击地压现象急剧增加,破坏性很大;矿井生产规模逐步扩大,开采强度增大,生产系统日趋复杂,危险性不断增大,一旦发生事故,其灾难性、破坏性更大,且增大了事故应急救援的难度。

  应清醒地看到,我国煤炭行业还存在着一系列管理上的严重问题。一是部分煤矿企业对瓦斯、水、火等井下灾害认识不够,管理标准低,在安全没有保证的情况下盲目组织生产,为煤矿安全埋下重大隐患。二是技术落后、基础薄弱。煤矿深部开采理论研究不够,实时动态的灾害预防技术缺乏,煤矿开采设计、安全技术标准低,高瓦斯复杂地质条件矿区采场内构造场、应力场、裂隙场和瓦斯场不清楚,基础研究严重不足,已经在很多大事故中反映出来。三是安全投入存在历史欠账。由于过去煤矿企业经济困难,安全投入不够,装备得不到及时更新,许多矿区仍然使用落后的装备,达不到深部开采的安全标准。四是煤炭行业办矿门槛低,煤矿员工队伍整体素质与高危行业的灾害威胁和严格的作业要求差距较大,相当一批企业人才匮乏,煤炭行业高等教育距离培养高素质人才的要求有较大差距。

  今后相当长的时期内,煤炭作为我国主导和基础能源的地位不会改变,煤矿实现科学产能是保障煤炭能源安全和煤炭工业全面协调可持续发展的关键所在。

  建议国家和地方政府加大煤炭行业的科技攻关力度,开展煤矿瓦斯治理、水害防治、地压治理、深井开采、生态环保等重大技术难题的攻关研究。尤其是煤与瓦斯共采技术与理论要在全国煤矿进一步推广,需要对不同矿区、不同煤层地质条件等技术问题进行深入研究,使煤与瓦斯共采技术能够适用于我国各类条件的煤矿。

  淮南矿区依靠技术创新尝到了甜头,但是煤炭深部开采的许多重大科学和技术难题没有解决。因此,国家和地方政府要重点引导和支持创新要素向企业集聚,加快建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系。企业是技术创新的主体,煤炭行业面临的技术难题在企业,企业要有解决安全发展急难课题的迫切需求与动力,要开创资金、人才等国家级研究平台,组织科研院校和企业开展行业技术创新工作。特别提出,投入是煤炭实现安全高效开采和瓦斯治理的物质基础。没有高投入,不发展先进生产力,就没有瓦斯等重大事故的有效控制。高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安全费用提取标准应不低于50元/吨煤,其中瓦斯治理费用应不低于35元/吨煤。煤炭行业科研和技术装备投入应不少于销售收入的2%~3%,资金保障是提高企业技术创新能力和装备水平的关键。最后,建议国家和地方政府应高度重视煤炭科学产能,加快实现煤炭科学开采。

  (作者系中国工程院院士 袁亮)