(安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽省淮南市，232001)
摘 要 近年来煤炭工业科技发展迅猛，煤炭智能无人化开采成绩显著，煤炭工业发展获得长足进步，然而我国煤炭开采条件复杂，灾害威胁严重，煤矿安全生产仍面临多重挑战。同时，可供开采的绿色煤炭资源储量极其有限，深部煤炭安全开采威胁巨大，淘汰煤炭落后产能过程中关闭或废弃矿井面临大量问题。在此基础上，提出了以追求煤矿工人生命安全与健康为目的，构建面向未来煤炭开采全过程灾害防治精准智能开采模式，推进煤矿生产透明化、智能化、减灾化、健康化、低碳化(“五化”)的煤矿安全科技发展战略，以构建能源生产和环境保护协调发展的新格局，助力国家低碳战略、保障国家能源安全。
关键词 科技创新；智能精准开采；“五化”；灾害防控；安全发展
2020年，我国创新指数位居世界第14位，已经进入了创新型国家行列[1]。2035年我国科技事业发展目标是进入创新型国家前列，到新中国成立100年时成为世界科技强国。
面临新一轮科技创新与产业变革，煤炭工业必须推动互联网、大数据、人工智能与采矿业跨界融合，走智能、无人、安全精准开采的道路，争取到新中国成立100年之时，全面实现煤炭安全智能精准开采[2-5]。加强煤矿安全生产是国家安全发展战略的重要内容，中央财经委员会第三次会议强调建立高效科学自然灾害防治体系，为保护人民群众生命财产安全和国家安全提供有力保障。党中央、国务院《关于推进安全生产领域改革发展的意见》指出：大力实施安全发展战略，始终把人生命安全放在首位，发展决不能以牺牲安全为代价。党的十八大以来，习近平总书记多次强调要加强安全生产监管执法，强化基层监管力量，着力提高安全生产法治化水平。我国出台一系列适合煤矿安全生产实际的政策法规和文件，并大力组织落实，成立国家重点实验室、国家工程研究中心等，专门从事煤矿安全生产科技研究，连续多年立项资助持续创新。
我国“缺气、少油、相对富煤”，2020年我国煤炭占一次能源消费比例为56.7%左右。2020年原油、天然气对外依存度分别达73%、43%[6]，中国工程院预测：2050年煤炭占一次能源消费比例还将保持在50%左右[7]。2050年以前，以煤炭为主导的能源结构难以改变。
我国煤炭开采条件复杂，灾害威胁严重。煤炭资源分布差异大，极薄煤层与特厚煤层、近水平与急倾斜煤层广泛分布，复杂地质条件煤层占70%[8]。晋陕蒙宁甘区资源储量丰富、开采条件相对简单，生态环境脆弱；华东区煤质优良、煤层较稳定，已转入深部开采；东北区开采地质条件复杂，煤与瓦斯突出等灾害威胁严重；华南区煤层不稳定、构造复杂，煤与瓦斯突出矿井占全国79.7%、热害问题突出；新青区生态环境脆弱，保水采煤面临突出问题，冻土区域煤炭开发难度大[9]。我国煤炭开采受瓦斯、冲击地压、煤自燃、水害、粉尘、顶板、热害等威胁严重。
1.2.1 煤炭资源勘探和煤矿地质保障体系初步形成
“以地震主导，多手段配合，井上下联合”立体式综合勘探体系逐渐成熟，以高分辨三维地震勘探为核心的技术得到应用。井下水平定向钻机能力超过1 000 m，无线电波、直流电法、微震等超前探测、监测预警技术得到推广应用[10]。井上下一体、采前采中配合的煤矿地质保障技术体系初步形成。
1.2.2 煤与瓦斯共采研究国际领先
经过20年的艰苦探索研究，实现了煤与瓦斯精准开采及高瓦斯煤层在低瓦斯状态下的安全开采。攻克了多分支水平井钻完井等重大核心技术，形成一系列具有独立自主知识产权的创新成果和50余项重要标准规范。创立了卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系。
1.2.3 综采技术和成套装备研发取得重大突破
开创薄煤层刨煤机无人工作面安全高效开采技术模式，实现0.8～2.0 m煤层高瓦斯工作面自动化开采[11-12]。研发成功14～20 m特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备，首次实现年产千万吨特厚煤层工作面安全高效开采。随着我国世界首台马蹄形和斜井双模式盾构机、最大矩形盾构机以及全球首台永磁电机驱动盾构机的相继研发成功，曾经完全依靠进口盾构机的时代已经过去，自主研制的盾构机现在已占全球市场份额的2/3，拉低外国同类产品价格的40%。
1.2.4 智能开采技术及装备取得历史性突破
创新研发了采区工作面无人开采新技术，攻克了三角煤自动化开采、转载机和液压支架联动、采煤机电缆防脱槽、采煤机和液压支架遥控等多项技术难题。集成创新了工作面盾构无人掘进新技术，研制成功具有自主知识产权的国产盾构机，完成盾构掘进技术在神华、淮南等矿区的成功应用。自首个无人开采工作面——黄陵一号煤矿1001工作面试验成功以来，我国已有近500个采煤工作面实现无人开采[13]。几代煤炭人期待的“有人巡视，无人值守”智能化无人开采由梦想变成现实。
煤矿安全生产的科技进步，支撑了国民经济快速发展。近些年来，我国煤炭产量逐年增加，已从2005年的21.5亿t跃升至2020年的39亿t。在强有力的能源供给支撑下，我国GDP总量也逐年增加，已从2005年的18.73万亿元增至2020年的101.59万亿元。煤矿百万吨死亡率不断创出新低，已从2005年的2.76降至2020年的0.059。煤矿瓦斯事故基本得到控制，2020年全国煤矿瓦斯事故7起，死亡30人，较2005年分别减少407起，2 141人。
依靠科技进步，我国煤矿安全生产取得历史性成就，但依然面临诸多问题与挑战。
1.3.1 煤矿安全生产形势依然严峻
2020年，煤矿发生事故122起、死亡225人，较大生产安全事故仍时有发生。目前全国还有840处高瓦斯、719处煤与瓦斯突出煤矿。随着开采深度不断增加，部分煤矿由低瓦斯向高突矿井演变，煤矿安全生产形势依然严峻。
1.3.2 可供开采的绿色煤炭资源量极其有限
绿色煤炭资源量是指能够满足煤矿安全、技术、经济、环境等条件，支撑煤炭科学产能和科学开发的资源量。煤炭资源预测量约5.97万亿t，绿色资源量只有5 048.95亿t，约占1/10。煤炭回收率平均仅50%，远低于美国等发达国家的80%。我国绿色资源量仅可开采40～50年，未来或将大面积进入非绿色煤炭赋存区开采。
1.3.3 深部煤炭资源安全开采威胁巨大
我国探明煤炭埋深1 000 m以下资源量占53%，浅部资源枯竭，煤炭采深以平均每年10～25 m的速度增加。深部煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害威胁更大。日本、英国、德国等国家相继关闭矿井，我国需要迎难而上[14]。
1.3.4 我国主动淘汰落后煤炭产能
国家制定了煤炭行业去产能目标，主动淘汰煤炭落后产能。2016-2020年，我国煤炭行业累计淘汰落后产能约9.9亿t/a。中国工程院预测：2030年我国废弃矿井数量将达到1.5万处[15]。主动淘汰落后产能，矿井关闭或废弃将成为常态。
1.3.5 直接关闭或废弃矿井面临大量问题
直接关闭或废弃矿井造成资源的巨大浪费，可能诱发安全、环境及社会问题。关闭或废弃矿井中蕴藏着大量资源，其中煤炭约420亿t、非常规天然气约5 000亿m3(残存瓦斯是隐患也是清洁能源)、约占全国1/3的矿井水资源，同时拥有丰富的地热能、地下空间资源(约60万m3/矿)、土地(约30 km2/矿)及可再生能源、生态开发及工业旅游资源等[16-17]。“12·4”重庆吊水洞煤矿停产关闭后发生CO超限事故，造成23人遇难。煤矿在停产关闭过程中存在诸多安全隐患，严重威胁矿井安全、生态环境及区域生产生活。
在依然严峻的煤矿安全生产形势下，煤炭行业的科研人员坚持创新驱动，坚持“政-产-学-研-用”协同创新，在煤矿智能精准开采、重大安全生产风险的预测预警等方面取得重大进展。
在煤与瓦斯突出理论方面，揭示了多场耦合诱突机理及突出发展演化规律，成功开展了全球首次大尺度真三维煤与瓦斯突出物理模拟试验，揭示了多场耦合诱突机理，构建了煤与瓦斯突出临界判据[18-19]。
在煤与瓦斯突出预警方向领域，构建了煤与瓦斯突出工作面风险、区域风险、生产系统风险的一级预警指标共13个，二级预警指标共36个的多参量预警指标体系。建立了煤与瓦斯突出多源信息融合预警模型，实现了多指标自动融合分析与决策、预警模型的自修正、预警原因可追溯。同时，开发了采掘面分布式声电突出预警系统、基于B/S结构和支持跨平台矿井突出智能预警系统和煤与瓦斯突出区域远程监控预警系统的云平台。
在冲击地压理论方面，揭示了冲击地压应力场-能量场-震动场叠加诱冲机理和煤厚变异区开采冲击地压的发生机制，构建了冲击地压发生的临界判据[18-19]。在冲击地压预警方面，构建了冲击地压时空强分区分级筛选方法，多参量综合监测预警模型，单参量综合异常指数模型，指标监测预警判别方法，权重确定的R值评分方法等多参量综合监测预警指标体系。提出了冲击危险分区分级监测预警思想，包括对全矿井冲击危险进行分区分级，确定重点区域；对重点区域进行重点监测预警和检验，确定危险范围；对局部危险范围进行局部实时监测预警和检验。研发了双源震动波一体化CT探测预警设备、煤岩电荷监测系统、钻孔组合式动态应力监测系统，建立了冲击地压预警云平台，实现了冲击地压危险的综合监测预警。
无煤柱煤与瓦斯共采方面，构建了“高位环形体”理论模型，首次开展大尺度(1∶1)现场实测及数值模拟研究，提出了卸压系数新概念，实现了深井采动煤岩体“三场”定量描述和瓦斯高效抽采[20-21]。
2004年提出了无煤柱煤与瓦斯共采关键技术，包括抽采瓦斯浓度10%～40%、首采层采空区瓦斯抽采率70%以上、连续抽采最高达90%的首采层采空区留巷钻孔法瓦斯抽采技术；瓦斯抽采浓度达60%～95%、单孔瓦斯抽采流量0.25～1.50 m3/min、上向被卸压煤层瓦斯抽采率72%以上、被卸压煤层瓦斯含量由30 m3/t降至8 m3/t以下的留巷钻孔法上向钻孔抽采卸压瓦斯技术；以及瓦斯抽采浓度85%～100%、单孔瓦斯抽采流量0.12～0.98 m3/min、多层开采后瓦斯抽采率达70%以上、被卸压煤层瓦斯含量降至8 m3/t以下的留巷钻孔法下向钻孔抽采卸压瓦斯技术等，都达到了安全开采标准。
新一轮科技创新与产业变革积极推进，面临“百年未有之大变局”及碳达峰、碳中和目标，立足煤矿安全生产，积极制定并推进煤矿安全生产科技战略，是保障国家能源安全、落实“双碳”目标的重要举措。
3.1.1 战略思想
以追求煤矿工人的生命安全与健康生活为目的，以先进的工程科技支撑绿色本质安全和职业健康，实现煤矿安全“五化”：透明化，精准探测，实现矿井全息透明；智能化，精准开采，设备智能高效操控；减灾化，精准监控、解危、救援，实现全过程减灾；健康化，精准防护、有效控制职业病，保证工人健康；低碳化，精准开发、分级分类充分开发利用废弃矿井资源。按照“五化”的要求，构建面向未来的煤炭开采全过程(采前、采中、采后)灾害防治的精准智能开采新蓝图。
3.1.2 战略蓝图
2050年煤矿实现精准开采，包括全息透明矿井、精准智能开采、智能防灾治灾及废弃资源开发，助力煤矿升级为技术密集型企业。煤炭行业成为技术含量高、安全水平高、绿色无害化的高科技行业。以最少用工、最少动用储量、最少人员伤亡，保障我国煤炭安全稳定可持续供应。提升废弃矿井资源开发利用，降低碳排放，助力国家低碳战略。
3.1.3 战略路线
2025年，实现精准智能开采“25版”，完成精准开采试验和示范工程；煤矿井下作业人员减少30%以上；煤矿百万吨死亡率控制在0.1以内；煤矿尘肺病发病率降低10%以上；废弃矿井开发利用率达到25%以上；安全生产形势发生根本好转。2035年，实现精准智能开采“35版”，精准开采煤矿占比达到30%以上；煤矿井下作业人员减少70%以上；煤矿百万吨死亡率控制在0.01以内；煤矿尘肺病发病率降低40%以上；废弃矿井开发利用率达到35%以上；安全生产技术水平达到世界前列。2050年，实现精准智能开采“50版”，精准开采煤矿占比达到90%；人员白领化，井下无人作业，煤矿死亡人数控制在个位数以内；废弃矿井开发利用率达到50%以上；安全生产技术水平世界领先。
遵循煤矿安全生产科技规律，推进落实科技战略思想，聚焦全息透明矿井，精准智能开采，智能应急救援，智能健康防护安全发展技术体系。
3.2.1 全息透明矿井
全息透明矿井是运用全息成像技术，构筑三维分布图像，精准确定煤炭资源赋存、资源储量、地质构造、地质灾害和伴生资源等，能为灾害源头防治、区域治理、资源综合利用提供支撑的矿井。聚焦全息透明矿井基础理论研究、应用技术和装备研发，实现矿井资源和灾害探查透明化。研发具有透视功能的地球物理科学，智能感知与多网融合传输技术及装备，复杂井下空间定位及自主导航技术，井下地质构造探测和灾源定位高精度技术与装备。2020-2035年，探测精度达到分米级；2035-2050年，探测精度达到厘米级。并且形成成套精准探测技术装备，实现矿井全息透明化，大幅提升矿井隐蔽灾害探查能力，如图1所示。
图1 构建全息透明矿井
3.2.2 精准智能开采
精准智能开采是在透明矿井的基础上，结合物联网、大数据、人工智能、区块链等新技术，实现智能精准的无人采掘作业。持续推进基础理论研究，突破核心关键技术，研发尖端装备，对精准智能开采煤矿进行工程示范，实现煤矿智能无人安全开采。具体开展煤岩识别研究、智能遥控开采技术与示范应用、远程可控的少人精准开采技术及其装备研发，深部煤炭资源流态化开采关键技术及其装备研发。2020-2035年，实现精准开采煤矿占比达到30%以上；2035-2050年，实现精准开采煤矿占比达到80%以上。同时，建立智能控制及自主避险的煤矿精准智能安全开采技术体系，实现煤矿精准智能安全开采，大幅提高煤炭开发技术水平及安全保障能力。煤炭安全智能精准开采战略蓝图如图2所示。
图2 煤炭安全智能精准开采战略蓝图
3.2.3 智能应急救援
智能应急救援是以全息透明矿井为前提，明确矿井灾害源定位，并实时在线监测，设备自动报警和智能响应，井下机器人进行操作的智能精准应急救援。具体要研发煤矿灾害探测防控智能制造装备(机器人)，实现煤矿灾害智能化、无人化探测与防治；研发基于透明矿山技术的复合灾害预警技术，智能机器人探测、识别、防控灾害技术；建设全国灾害防治大数据平台；研发深部复合动力灾害防控技术。2020-2035年，实现煤与瓦斯突出、水灾、火灾、顶板、冲击地压预测准确率90%，百万吨死亡率0.01；2035-2050年，实现煤与瓦斯突出、水灾、火灾、顶板、冲击地压预测准确率100%，煤矿死亡人数个位数(百万吨死亡率不大于0.003)。进一步提升我国煤矿安全技术水平，形成智能化局部精准开采，实现隐蔽灾害的精确定位、监测、预警，构建井下安全生产系统和灾害管控可视化监控体系，从开发源头控制煤矿灾害，加强复合灾害的综合治理和区域治理，协调资源利用与灾害治理。智能应急救援战略蓝图如图3所示。
图3 智能应急救援战略蓝图
3.2.4 智能健康防护
智能健康防护是指基于全息透明矿井和智能减灾核心技术，标识煤矿井下潜在危险区；运用高精准人员定位、风险监测、智能控制系统，实时分析工人位置危险程度、个体接尘量及健康状况，并实时反馈给个人，通过智能控制消除安全风险的健康防护。研发煤矿井下环境优化关键技术、个体健康精准防护装置和解危技术，提高矿井职业危害监测预警及防治技术水平。开展矿山呼吸性粉尘在线监测与防治技术及装备、矿井一体化高效除尘技术装备、煤层硫化氢含量测定方法和高效吸收技术装备、矿井协同增效降温移热技术装备、矿井有毒有害气体及噪声抑控技术的研发。2020-2035年，实现呼吸性粉尘除尘效率大于90%，煤矿尘肺病发病率降低40%以上；2035-2050年，实现职业病发病率降低90%以上。提高煤矿职业危害防治技术的有效性、适应性和经济性，实现职业危害监测预警及防治系统的技术装备突破。从源头控制煤矿职业危害，结合呼吸性粉尘监测治理及高温热害、噪声、有毒有害气体控制技术，提高矿井职业危害监测预警及防治技术水平。智能健康防护战略蓝图如图4所示。
图4 智能健康防护战略蓝图
随着煤矿动力灾害防控水平及煤炭精准开采不断发展，未来争取用最少矿井数量和最少开采面积支撑国家25亿～30亿t煤炭需求，构建能源生产和环境保护协调发展新格局，为实现科技强国梦做出贡献。我国煤矿安全发展战略规划是：力争2025年，煤炭智能精准开采取得重大突破；2035年，基本实现煤炭安全智能精准开采；2050年，全面实现煤炭安全智能精准开采。
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YUAN Liang
(State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines, Anhui University of Science and Technology, Anhui 232001, China)
Key words science and technology innovation; intelligent and accurate mining; intelligent, specialization, customization, clustering and green; disaster prevention and control; safety development
中图分类号 TD7
文献标志码 A
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基金项目：我国煤矿安全及废弃矿井资源开发利用战略研究(二期)(2020-XZ-13)