贵州煤炭工业科技创新进展及“十四五”时期发展方向
时间：2022-01-03 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 经济管理 ★
贵州煤炭工业科技创新进展及“十四五”时期发展方向
贵州煤炭资源储量丰富、分布广泛、煤种齐全，素有“江南煤海”之称。作为重要的能源资源，煤炭产业被列为贵州省的“八大支柱产业”和重点发展的“十大产业”之一，在推动贵州经济发展中起到重要的作用。“十三五”时期以来，在国家推动供给侧结构性改革政策措施指导下，贵州全面实施能源工业运行新机制，通过培育壮大煤矿主体企业、有序化解煤炭过剩产能、提高煤矿智能机械化开采水平、加强煤炭绿色开发利用、鼓励开展煤炭深加工等推动煤炭工业转型升级，取得重要进展和积极成效。
科技创新对于煤炭产业的发展具有举足轻重的作用。“十四五”期间，立足贵州煤炭产业科技发展实际，坚持需求导向、问题导向、目标导向，加快推动技术创新，有力支撑安全高效科技创新体系建设，紧密结合大数据等高新技术发展，以煤炭工业科技创新及其衍生产业带动能源产业优化升级，对实现煤炭工业高质量发展具有重要战略意义。
1 “十三五”期间贵州煤炭产业科技创新现状
“十三五”期间，贵州依靠科技创新为煤炭工业转型升级赋能，有力推动了煤炭产业安全、高效、绿色、智能发展，取得了一系列创新成果。
1.1 煤矿“两化”改造成果显著
通过大数据与煤炭产业深度融合，探索符合贵州实际的“开采机械化、控制智能化、管理信息化”为基础+融合大数据的煤炭智能化开采新模式，建成西南地区首个复杂地质条件下煤与瓦斯突出矿井智能化采煤工作面，破解了俯采煤层倾角大的难题，开启了贵州煤矿综采工作面智能化开采、“无人驾驶”的新模式[1]；突破了大于65°急倾斜煤层机械化开采装备、技术和工艺等难题；煤矿机器人巡检，实现对带式输送机执行24 h自动巡检；制定全国首个煤矿智能化技术标准，率先出台《贵州省煤矿智能机械化建设与验收暂行办法》，形成具有贵州特色的智能化技术标准体系，填补了全国空白；在全国煤矿智能化机械化领域取得“六个第一”，启动了少人/无人矿井“榜单”项目，并且进入全国无人少人示范矿井首批备选名单。截至2019年底，全省采煤机械化率达到85%，累计建成机械化采煤工作面233处、智能化辅助系统178处、智能化采煤工作面10处，井下岗位人员减少4 500人，年人工成本降低3.2亿元。
1.2 煤炭工业转型升级高质量发展步伐加快
率先建设全国首个能源云系统——贵州“能源云”，煤矿地面集控平台遥控采煤作业，能源云平台进行预测预警和综合决策分析，实现调度统计、地理信息、预测预警、视频监控、目标管理五大功能[2]；全面推进定向长钻孔大面积预抽煤层瓦斯技术，建成亿立方米级煤矿瓦斯抽采规模化矿区[3]；“先抽后建”国家示范工程点火成功；开展国内首例倾角30°以上大倾角充填开采试验；矿井水利用方面，实现矿井水100%抽采达标排放，推动了矿井水在工业、城镇居民、农业、林业和养殖业等方面的利用；煤层地下气采技术攻克了多项重大关键技术，实现了地下煤气化点火；开展复杂地质条件下煤矿巷道支护关键技术研究，达到国际领先水平；首次出台《贵州省煤矿瓦斯防治新技术、新工艺、新装备推广目录(第一批)》，推进煤矿瓦斯治理技术水平和体系建设。
1.3 能源装备制造业填补多项技术空白
贵阳林海机械制造有限公司生产了省内首台定向钻机，在勘探与瓦斯抽采钻孔施工等方面得到应用；中煤盘江重工有限公司研制了适用西南地区特殊地质条件煤矿的智能化、机械化成套综采综掘设备；重庆普什贵州分公司作为重点引进的煤矿瓦斯发电机组装备制造生产企业，主要生产瓦斯发电、沼气发电、天然气冷热发电机组等高端装备。
1.4 煤矿瓦斯(煤层气)地面抽采技术取得突破
查明了全省煤层气资源赋存规律和成藏特点，在有利区、有利井位和有利层段等开发地质评价方面形成了一批核心关键技术，以“选层射孔、分段压裂、合层排采”为核心的直井(含定向井)开发工艺技术取得了突破性进展，平均日抽采量相比“十二五”期间提升2～5倍，多地多井产能已实现1 000～2 000 m3/d，部分单井产能甚至突破5 000 m3/d；大河集气站井台产气5 000 m3/d左右，稳产期已达28个月，盘江煤层气公司在松河区块勘探中日产气2 000 m3/口以上[4]；在水平井方面，贵盘煤HF井创造了钻井深度最深、埋深最大、水平段最长(超过900 m)、目的层钻遇率最高4项省内煤层气水平井钻探施工记录，标志着贵州煤层气水平井钻完井技术取得初步突破。
2 “十四五”期间贵州煤炭工业科技创新发展目标
据预测，至2025年贵州煤炭消费比重仍占据70%左右，“十四五”期间以煤炭为主的能源格局不会发生改变，但是随着煤矿开采逐步向深部延伸，煤炭资源开发面临着地质条件越发复杂、多因素互为诱因的复合型动力灾害逐渐凸显等“卡脖子”技术难题。
从立足实现煤炭产业科技自主化、构建现代化煤炭开发利用理论与技术体系、建设新型科技创新平台等方面，贵州提出“十四五”期间煤炭工业科技创新发展目标：至“十四五”末，健全煤炭技术创新体系，以“补链、强链、延链”为目标，强化自主研发，主要煤炭科技创新成果取得新提升；构建适应煤炭产业高质量发展的科技创新体系，建设完备的政产学研用协同科技创新体系，技术创新基础设备、环境逐渐完善及科技创新平台体系建设达到国内一流；形成现代化煤炭智能绿色开发利用体系，加大巩固“两化”改造成果，推进智能煤矿建设，完成建设智能煤矿50对；在煤炭资源开发与生态环境保护方面，加强井下充填开采应用，推动煤炭基础能源产业与大数据、人工智能等技术深度融合，实现煤炭智能分选深加工，催生符合贵州省乃至西南地区的煤炭资源赋存和开采现状的智能化建设体系，初步形成符合贵州实际的智能化煤矿体系。
3 “十四五”期间贵州煤炭科技创新发展主要任务
为实现新时期煤炭产业科技创新发展目标，提出“十四五”时期贵州煤炭科技创新发展重点任务，主要包括核心技术攻关、重大科技示范、先进适用技术推广和创新平台建设。
3.1 核心技术攻关
开展煤岩瓦斯动力灾害控制作用、煤矿瓦斯动力灾害前兆信息智能识别与预警、松软煤层钻进及瓦斯抽采技术、煤层群穿层钻孔综合抽采在线监测与智能评价技术、煤矿瓦斯地质信息动态管理及可视化技术等核心技术攻关。
3.1.1 采动应力与瓦斯耦合机制对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用
开展煤岩瓦斯复合动力灾害机制研究，探究近距离煤层群采动条件下覆岩应力场、位移场及瓦斯压力场变化特征，建立围岩应力分布和瓦斯运移的多物理场耦合模型，并借助模拟软件分析掘进与回采工作面发生灾害的规律特征，揭示工作面煤层瓦斯压力与采动应力耦合及演化特征，提出煤岩瓦斯动力灾害的发生机制及其危险性分区分级评价方法和指标体系[5-6]，为煤与瓦斯动力灾害有效防治提供科学理论依据。
3.1.2 不同变质程度煤瓦斯吸附与解吸规律研究
开展不同变质程度煤的孔隙结构(孔容、比表面积、孔径分布)特征研究，研制瓦斯放散动力学试验系统，分析不同变质程度、不同吸附平衡压力条件下的瓦斯吸附与解吸规律，提出贵州不同煤矿区、不同含煤构造的不同变质程度煤吸附与解吸优化模型。
3.1.3 煤矿瓦斯动力灾害前兆信息智能识别与预警技术
开展瓦斯动力灾害前兆信息采集、传输及智能指标技术研究，构建瓦斯危险区域动态辨识模型，研究单一参量监测数据的特征挖掘与趋势分析、多参量监测信息融合模式与瓦斯动力灾害智能感知技术，实现煤矿瓦斯动力灾害的实时、动态预警[7-8]。
3.1.4 松软煤层钻进及瓦斯抽采技术
开展松软煤层构造和采动应力及瓦斯等因素对松软煤层抽采钻孔稳定性的影响与评判趋势研究，揭示松软煤层钻孔的多应力耦合作用失稳机制，提出有效的钻进工艺、装备及新型封孔材料等，实现松软煤层抽采钻孔流态化精准封孔。
3.1.5 地面抽采水平井增透消突与高效抽采技术
开展地面瓦斯抽采水平井选区地质研究，建立水平井地质模型，指导水平井钻井地质控制，优化水平井井眼轨迹和压裂参数，提出水平井排采控制方案，实现水平井的连续稳定排采和大面积消突，平均产气量达到现阶段贵州瓦斯地面抽采的10倍以上。
3.1.6 煤矿井上下“三区联动”抽采大区域瓦斯治理关键技术
开展煤矿区瓦斯资源综合评价，研究“大三区”(规划区、准备区、生产区)和“小三区”(采煤区、采动区、采空区)适配性瓦斯抽采工艺及井位、井网部署方式，探索井上下联合抽采瓦斯施工组织、生产协调、规划、技术方案设计及实施等一体化技术体系，实现贵州复杂地质条件下煤矿井上下“三区联动”瓦斯抽采技术突破[9-10]。
3.1.7 煤层群穿层钻孔综合抽采在线监测与智能评价技术
建立瓦斯抽采钻孔三维可视化模型，提出煤层群瓦斯抽采分段封孔和综合抽采瓦斯及大数据在线监测监控技术和相关标准规范，构建煤层群瓦斯抽采效果智能分层评价模型，实现煤层群瓦斯抽采评价关键参数及瓦斯抽采效果的自动化、规范化及精准化评价。
3.1.8 倾角30°以上煤层智能化采面电液控智能化系统
开展倾角30°以上煤层智能电液控系统关键技术研究，研制相适应的采煤机、液压支架、导向连接系统等配套设备，实现工作面采煤装备与工艺的智能集成控制系统，实现智能化精准定位[11-12]。
3.1.9 煤矿瓦斯地质信息动态管理及可视化技术
开展贵州煤矿区不同赋煤构造单元及矿井的瓦斯赋存、地质构造发育及演化特征，以矿井为单位建立瓦斯地质动态数据库，研制瓦斯地质信息的随钻、随掘、随采自动检测技术、装备和工艺，基于多元动态瓦斯地质信息构建瓦斯灾害区域智能识别和预警模型，实现对瓦斯地质信息的统一采集、管理、查询、分析和发布，实现矿井、采区、工作面多级多尺度瓦斯地质信息动态管理及瓦斯地质图自动更新，为分级管理瓦斯地质信息、直观分析瓦斯地质规律、及早发现安全隐患、工作面预警和及时处理突发事故提供支撑，实现图形信息和属性信息的有机统一和可视表达，解决瓦斯地质信息动态更新和在各部门之间进行实时交换的难题，实现全省瓦斯地质信息“一图可查、一图比对、一图共享、一图管理”。
3.2 重大科技示范
开展钻探式煤炭地下气化-选区评价一体化关键技术、煤矿井下充填(置换)开采技术、煤矿区保水开采技术、110/1-5G N00工法智能化技术等重大科技示范项目建设，建成多种类型、不同模式的示范基地。
3.2.1 钻探式煤炭地下气化、选区评价一体化关键技术与装备
开展煤炭地下气化评价体系与模型研究，对贵州煤矿区主要含煤构造单元进行煤炭地下气化资源评价，建立贵州省薄至中厚、急倾斜煤层煤炭地下气化资源评价、地质选区与评价体系和煤炭地下气化(UCG)示范基地，形成与贵州省地质条件相匹配的钻井式煤炭地下气化炉构建、气化过程稳定控制、地下水和环境污染监测预警及防治等关键技术，提出地下气化与煤层气热采发电、采空区瓦斯发电等分布式发电技术以及与微电网组网模式技术[13-15]。
3.2.2 煤矿井下充填(置换)开采技术与工艺
开展研究适合复杂开采条件的井下充填技术、矸石充填置换煤柱技术与工艺研究，建立井下矸石分选系统，在环境保护区、风景名胜区、“三下”压煤区、地质灾害易发多发区等区域建设充填开采示范区，形成矸石充填置换煤柱技术与工艺标准和成套技术、设备，实现矸石不出井[16-17]。
3.2.3 废弃矿山采空区瓦斯开发与利用关键技术与装备
开展试验区废弃煤矿的煤层瓦斯封盖能力评价、资源量评估和抽采试验工程，对采空区瓦斯抽采一体化设计、井下工程改造、开采过程控制、瓦斯发电等关键技术进行研究，建立贵州省首个废弃矿山瓦斯抽采与发电利用示范工程，研发与采空区瓦斯浓度相匹配的高效率燃气轮机发电设备，发电设备功率不小于30%，实现废弃矿山资源的再利用。
3.2.4 沿空留巷防漏风、防煤层自燃技术
开展不同开采工艺、不同煤层赋存条件的回采工作面及采空区分流分布规律和动态监测技术研究，建立与沿空留巷相适应的通风系统优化模型，结合优化参数，提出可靠的防漏风、防煤层自燃的工艺技术和材料。
3.2.5 煤矿区保水开采技术
结合贵州含煤地层含水脉、水系情况，系统分析导水断裂带发育高度，在多种因素影响的基础上，采用理论分析、现场调研及数值模拟等方法，合理规划选择开采区域，留设防水煤柱及进行采空区充填等方式，减少因煤矿开采引起的地表塌陷，防止含水层破坏，实现保水绿色开采[18-19]。
3.2.6 煤矿矿井水综合利用关键技术及示范研究
研究矿井水工业化利用、矿井水生产生活复用、矿井水集中化处理及利用、矿井水农业生态利用、矿井水生态补给利用等关键技术，根据煤矿实际地质情况，开展试点示范工程建设。实现矿井水100%达标处理、综合利用率达80%以上。
3.2.7 薄煤层无人智能综采关键技术
结合贵州省薄煤层赋存特点，研究适合贵州地质条件下的薄及较薄煤层智能化综采工作面开采配套模式、采煤机高效装煤及精确定位、液压支架支护状态在线分析、“黑匣子”采煤机状态监测与故障诊断等关键技术。
3.2.8 110/1-5G N00工法智能化技术和装备
增加传感、定位、行走、通信、连接等数字化模块，把110/N00工法专用设备改造为可在地面远程操作的遥控机器人，研制适用于近距离煤层群下的技术及装备，改进110/N00工法专用的采煤三机系统(采煤机系统、刮板输送机系统、支架系统)或智能化成巷四机系统(多功能支架、高效切顶钻机、恒阻锚索钻机、切顶护帮支架)，形成110/1-5G N00工法专用成套技术、软件和装备，利用工作面采煤留出运输系统、生产系统，从而大幅度简化矿井建设，取消井底车场、井下变电所以及大巷工程，缩短建井时间，实现全矿井无煤柱开采、无巷道掘进[20-21]。
3.2.9 煤矿井下关键环节机器人示范应用
研发采煤、掘进、运输、安控及救援机器人关键技术，推动人工智能、现代通信技术、煤矿机器人与煤矿开采技术深度融合，制定相关标准，研究机器人轻量化高可靠性结构设计技术，解决机器人因防爆增加重量与长时供电之间的矛盾；研制机器人井下无线充电装置，实现充电装置防爆安全设计；攻克煤矿机器人自主避障路径规划技术、基于深度学习算法的自主平衡控制技术；深入推进煤矿机器人信息融合感知与大数据交互技术，重构井下三维环境[22-23]。
3.2.10 智能化掘锚支一体化成套技术
针对煤矿开拓巷道、准备巷道、回采巷道和瓦斯抽排等场景，加装传感器、定位、行走、通信、连接等数字化、智能化模块，把井下设备改造为可在地面远程操作的遥控机器人，通过借鉴盾构机、凿岩台车、拱架安装机、3D扫描仪、湿喷机械手等隧道施工装备，研制具有打钻、(瓦斯和矿压)监测、(瓦斯)抽排、掘进、锚固、支护、运输等功能的一体机，形成成套技术、软件和装备，实现自动运行和地面操控，形成安全高效智能掘进与支护技术体系[24-25]。
3.3 先进适用技术推广
通过引进-消化-吸收-再创新的技术模式，加大对自有科研成果和先进适用技术的引进，重点开展透明工作面智能开采技术、煤矿采掘工作面地质构造超前探测与定位技术、低渗透突出煤层“固液耦合等离子脉冲波”增透装备与技术等的推广应用，推进科技成果向现实生产力转化。
3.3.1 透明工作面智能开采技术
通过钻孔、三维地震等手段，将煤层赋存与地理三维坐标联系起来，以地质勘探、激光扫描、GIS(地理信息系统)、5G等大带宽、低延时技术、传感器、网络系统等为基础，对采掘工作面的地质条件进行实时动态的感知及定位，为智能化开采、瓦斯精准防治及地质构造预测等提供基础，融合综采工作面地质地理数据、工作面实时状态数据等多源信息，实现工作面三维物理重现，进一步推动少人/无人开采技术进步[26-27]。
3.3.2 煤矿采掘工作面地质构造超前探测与定位技术
基于钻探与雷达探测技术的结合，雷达在孔内围岩单一的钻孔中对四周进行探测，探测范围是以钻孔为中心、10～20 m为半径、钻孔深度为高度的圆柱体，满足煤矿瓦斯构造的精细探测的要求；钻孔结合雷达技术、瞬变电磁技术，判定含水体的空间分布，以及获得钻孔周围数十米范围内的地质信息，从而达到提高钻孔探测效果[28-29]。
3.3.3 脉动水力压裂及增透效果评价技术
研制煤层脉动水力压裂增透瓦斯抽采成套装备，基于核磁共振技术提出煤体孔隙结构精准定量表达方法，创建致裂煤体孔隙结构变形和渗透率演化的实时动态评价技术，形成瓦斯抽采钻孔、射流割缝、脉动压裂一体化技术体系[30-31]。
3.3.4 低渗透突出煤层“固液耦合等离子脉冲波”增透装备与技术研究
分析不同波长、波幅及波型对煤体内部结构的微观变化，确定煤体内部结构改变最合理的波型。采集不同煤种的代表性煤样，利用等离子脉冲冲击观察不同煤种的煤体内部微观变化，确定各煤种最优的脉冲次数及最佳的煤体增透效果。根据设计位置的冲击范围、煤层卸压及瓦斯流动情况，将数据建立成三维立体的数字化模型，提出固液耦合等离子脉冲波增透技术和钻孔相结合的瓦斯抽采工艺和方法[32-33]。
3.4 科技创新平台建设
围绕技术转移、成果转化、技术研发、资源共享等，建设了一批涵盖煤矿瓦斯防治、煤层气勘探开发等工程技术研究中心和煤炭洁净利用、绿色化工与清洁能源等省重点实验室及院士工作站。“十四五”期间，围绕煤炭科技发展需求，旨在解决制约煤炭科技发展的共性技术、关键性技术和前瞻性技术，着力建设综合类、行业类技术创新平台。
3.4.1 贵州省能源科技城
推动贵州能源科技“产-学-研-城”深度融合发展，将贵州省科技城建设为集能源科技、文化交流、装备及产品展销、产学研结合、教学实训、公共服务、创新创业培育和孵化等为一体的能源科技创新及产业融合示范园。
3.4.2 煤矿瓦斯灾害预防与控制重点实验室
开展煤矿瓦斯预防与控制领域基础及应用研究，揭示煤与瓦斯突出机制，建立完整的瓦斯灾害预防及控制理论与技术体系，围绕瓦斯参数检测、煤层突出危险性的检测与智能预警、煤矿瓦斯灾害防治及工程技术服务、瓦斯综合利用开展业务，保障贵州复杂条件下煤矿区安全、高效、可持续、和谐发展。
3.4.3 贵州省煤炭地下气化技术创新中心和重点实验室
研发贵州薄至中厚、急倾斜煤层煤炭地下气化(钻井式)关键技术工艺与设备，探索煤层气热采技术，形成贵州省钻井式煤炭地下气化一体化的产业技术，建设贵州省煤炭地下气化地质选区自动系统、煤层埋深1 000 m以浅的地下气化成套模拟系统，全省煤炭地下气化异地远程监控调度中心与智能化操作平台。
3.4.4 贵州省智慧矿山信息技术重点实验室
开展智慧矿山软件系统、云计算与大数据技术、智能感知与AI识别技术、大带宽网络传输、智能传感和信息安全等方面的技术研发工作，围绕一个体系；两个中心、三个平台、四类应用去建设。“一”是智慧矿山管控体系；“两”是数据中心与集控中心；“三”是协同管理信息系统平台、矿井综合自动化平台和基于4D-GIS协同地理信息系统平台；“四”是协同设计类、安全管理类、经营管理类、专家分析类，为煤矿安全决策管控、产运销业务协同、决策管控一体化运营提供“智慧”服务。
4 结论
(1)煤炭科技创新发展坚持需求、问题和目标三大导向，在煤炭开发和利用领域，加大促进煤炭产业提质增效的核心技术攻关，实现一批关键核心技术及装备自主化。
(2)加快推广科技成果的运用，引导煤矿应用定向长钻孔钻机等先进设备，实现瓦斯治理“三区联动”，缩短治理周期，解决抽、掘、采失衡问题，实现安全、持续、高效释放产能；鼓励示范应用先进采煤工艺，减少回采巷道掘进，实现无煤柱开采，提高资源回采率，实现煤矿安全高效绿色智能开采。
(3)在智能化综采创新实践基础上，将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与采煤技术深度融合，实现设备运行、安全保障、生产管理等全过程智能化运行，建设新型绿色智能煤矿。依托“贵州能源云”建设贵州省煤矿智能化信息管理平台，实现省、市(州)、县(市、区、特区)及煤矿四级智能化数据在线监测。
(4)集中优势资源，推进政产学研深度融合，支持资质企业牵头组建创新联合体(瓦斯防治联盟、智能化联盟等)；发布重点项目技术榜单，实行能者上智者胜的“揭榜挂帅”，积极争取国家级创新平台的建设认定工作，努力争取国家级能源科技创新项目。设立省能源技术委员会，设置省能源科技奖，鼓励技术创新，形成“强强联合、集中力量办大事”的科技创新体系。
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The technological innovation progress and development direction of the 14th Five-Year Plan period in Guizhou coal industry
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HENG Xianwei, LI Qingsong, FU Jinlei, et al.The technological innovation progress and development direction of the 14th Five-Year Plan period in Guizhou coal industry[J].China Coal，2021，47(5)：13-19.doi：10.19880/j.cnki.ccm.2021.05.003
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