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我国煤炭工业实现三大科技革命

时间:2019-09-08 来源:果妈的小确幸

国家能源集团神东集团区域控制中心人员通过大屏幕查看生产实时数据


敏煤电露天矿引进世界第二、亚洲第一、全国首套半连续采煤系统


煤集团红柳林矿业公司工人遥控操作采煤机


978年党的十一届三中全会以来,我国将改革开放确定为基本国策,邓小平同志提出了“科学技术是第一生产力”的著名论断,科技创新成为提升我国综合国力的正确选择。40年来,煤炭行业改革发展的历史,就是一部煤炭行业坚持科技创新、推动科技进步,以科技创新和科技进步实现煤炭行业科学发展、跨越发展、转型发展的历史。煤炭工业40年取得的辉煌成就,科技创新起到了决定性的推动作用。在科技创新推动下,煤炭行业在40年波澜壮阔的发展进程中,推动并实现了三大科技革命。

科技创新推进采煤方法革命

我国煤炭资源丰富,是世界上最早利用煤炭的国家。中华人民共和国成立后,党和政府高度重视煤炭工业发展,专门成立主管煤炭工业发展的政府部门。由于当时煤炭工业的科技含量十分低,党和政府开始注重引进国外先进采煤技术。这一时期主要引进苏联和东欧的先进采煤技术和采煤装备,苏联、波兰在20世纪60年代前后开始陆续进行综合机械化采煤。1970年11月,我国按综合机械化开采模式在大同煤峪口矿进行实验,这是我国第一个综采工作面,由此拉开了综合机械化开采的序幕。2017年底,我国大型煤矿采煤机械化程度达到96%,掘进机械化程度提高到54%,智能化采煤工作面有70多个,无人开采工作面有47个。

综合机械化采煤技术是采煤史上的重大突破。1978年改革开放初期,我国煤炭生产方式以手工作业和半机械化为主,国有重点煤矿采掘机械化程度仅为30%。随着改革开放逐渐拉开序幕,经济迅速提高到较高发展水平,对能源的需求越来越大,综合机械化采煤技术需要大力推广。煤炭工业部很重视综合机械化开采技术的发展,把综合机械化开采作为煤炭工业发展方向,专门成立了机械化指挥部,煤炭科学研究总院也成立了机械化会战组。综合机械化采煤技术受地质条件影响比较大,我国煤炭科技工作者在实践中因地制宜地创造出煤矿长壁综合机械化采煤工艺、煤矿短壁综合机械化采煤技术、薄煤层综采工艺,辅以相应的综采支护设备和综采运输机械,形成独具特色的综合机械化采煤工艺,极大地提高了采煤效率和安全水平。

2005年,国有重点煤矿采煤机械化程度达到82.7%,一批煤炭企业的生产和安全指标达到世界先进水平,年产400万吨至600万吨煤炭的综采技术装备实现了国产化。到2017年底,我国煤炭工业通过多年技术改造,技术水平得到很大提高,建成了一批具有世界先进水平的大型煤炭企业,基本上实现了采煤综采化、掘进综掘化、运输机械化、监测监控自动化、管理手段现代化。

综采放顶煤技术是采煤机械化过程中的一个里程碑。随着我国大型煤炭基地的不断建成,煤炭采掘工效日益提高,对煤炭工业集中度和集约化提出了新的要求,综采放顶煤技术成为行业新宠。放顶煤采煤法是在开采厚煤层时,沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采高为2米至3米的采煤工作面,用综合机械化方式进行回采,利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法,使顶煤破碎成散体后,由支架后方或上方的“放煤窗口”放出,并由刮板运输机运出工作面。按照工艺方法可分为全厚放顶煤、预采顶分层放顶煤、倾斜分段放顶煤等三种放顶模式。

放顶煤采煤法由来已久,法国、苏联、南斯拉夫等国家于20世纪40年代末50年代初即开始应用放顶煤采煤法,综放开采曾一度成为东欧地区厚煤层开采的主要方法。中华人民共和国成立初曾在开滦、大同、峰峰等矿区采用放顶煤采煤法。上世纪80年代末90年代初,中华人民共和国综采放顶煤技术已走在世界前列,并向国外输出综放开采的成套技术。1992年8月,兖矿集团首个综采放顶煤工作面在兴隆庄矿成功投产,综采放顶煤技术获得国家科技进步奖一等奖。1999年,我国综合机械化采煤产量占国有重点煤矿的51.7%,较1975年提高了26倍。

进入新世纪,中国煤炭科工集团研制成功的国产大采高综采成套技术与装备达到年产600万吨至1000万吨生产能力,攻克了我国煤炭行业厚煤层综采技术发展中采煤方法比较落后、装备性能差的技术瓶颈,形成了大采高综采采煤方法与围岩控制理论与技术,提出了设备系统与单件设备可靠性、能力协调匹配的设计方法,单一工作面生产能力达到1025万吨/年,成套设备的主要技术指标达到国际先进水平,摆脱了我国此类煤层开采装备依赖进口的局面,相关技术成果先后荣获国家科技进步奖3项,煤炭工业特等奖和一等奖7项,具有里程碑意义。2005年5月,兖矿集团与德国鲁尔工业集团DBT公司签订“两柱式综采放顶煤液压支架”专利技术转让协议,获得技术转让费1600万美元,改写了由国外单一向我国输入先进采煤技术的历史。

“互联网+智慧矿山”引领现代煤炭工业发展方向。随着我国经济进入新常态和互联网+技术的逐渐普及,我国煤炭工业智慧矿山建设飞速发展。智慧矿山是基于互联网+技术,将采矿技术、人工智能技术和3S(地理信息、定位、遥感)技术等融为一体,以建设安全矿山、高效矿山和绿色矿山为目标的综合技术体系,是采矿技术发展的高级阶段,是推动煤矿安全、清洁、高效、绿色发展的新手段,是未来煤矿发展的必由之路,代表着煤炭工业发展的未来方向。来自国家煤监局的数据显示,全国很多矿井主要生产系统实现了地面远程集中控制,井下无人值守的机电岗位是2016年的2.4倍。全国已经建成70多个智能化采煤工作面。其中,智能开采煤岩识别技术将与4G/5G现代通信控制技术结合起来,将实现数字化智能开采。2008年,根据科技部《关于推进产业技术创新战略联盟构建的指导意见》精神,神华集团(后重组为国家能源集团)、中煤集团、中国矿业大学、煤炭科学研究总院等产学研单位发起成立智慧矿山联盟,加大智慧矿山关键技术攻关力度,建设智慧矿山示范工程,实现矿山本质安全、高产高效、绿色环保。中国煤炭工业协会在“十二五”期间提出,推进智慧矿山和数字矿山建设。进入“十三五”后,互联网+增值服务为我国建设全数字化智慧矿山、强化信息资源综合利用、实现煤炭工业转型升级提供了新的途径和有效手段。中国煤炭科工集团旗下的山西天地王坡矿智慧矿山建设,是综合了万兆工业以太网、数字化安全监控系统、智能化煤流系统、电力分控中心系统、移动通信定位系统、设备故障诊断系统、三维实景管理系统、煤矿数据中心和全矿井三维模型等的综合性智能化数字矿山,具有很好的示范工程意义。2017年,我国首座 TBM 施工长距离煤矿斜井建成启用,首台全断面矩形快速掘进机投入使用,首台矿用全断面硬岩快速掘进机、首套煤矿大型护盾式快速掘锚装备研制成功,8米大采高采煤机、8.2米超大采高智能输送系统、3米~4米煤层千万吨级智能化综采成套装备实现了国产化。

科技创新推进煤矿安全管理革命

众所周知,煤矿大多井下作业,井下环境复杂,水、煤尘、火、瓦斯、顶板灾害时刻威胁着井下作业人员生命健康安全,属于典型的高危行业。长期以来,我国煤矿采掘方式较为落后,科技含量不高,煤矿安全事故多发。改革开放初期的1978年,我国煤矿死亡4500多人,百万吨死亡率为9.44。到2017年底,我国煤矿年死亡人数为375人,百万吨死亡率为0.106,科技使煤矿的安全管理实现了质的飞跃。

科技创新使安全装备水平大幅提升,大幅度降低了煤矿事故起数。计划经济时期,煤矿安全科技投入虽然有一定的保障,但整体处于捉襟见肘状态,且科技含量明显不足。改革开放后,我国积极引进国外先进科技装备,并在实践中消化吸收改造提升成为自主国产装备,煤矿安全投入不断加大,以“一通三防”为主的安全技术改造逐渐升级,煤矿瓦斯监测监控系统、瓦斯抽放系统得到普及,有效地降低了事故起数和死亡人数。与此同时,综合机械化掘进工艺集掘进、装岩、运煤等多种功能为一体,实现了综合掘进机械化,支护模式也从木桩支护发展到锚杆支护,不但支护效果好,而且大大提升了安全性。目前,矿井建设与生产管理安全正依靠科技进步实现“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的“三化”工程,把人彻底从井下解放出来,使科技兴安达到新的高度。

科技创新提升了煤矿安全质量标准化和安全生产标准化水平,使煤矿安全生产工作实现标准化、规范化以及安全与质量的高度统一。1978年以前,我国煤矿安全质量标准不统一、不规范,全国统一标准成为大势所趋,改革开放后有关部门一直致力于标准统一。1986年,煤炭工业部在全国开始实施全国统一标准,并在以后的实施过程中不断修订完善,制定了《煤矿安全质量标准化考核评级办法(试行)》及《煤矿安全质量标准化基本要求及评分方法(试行)》。2017年,全国47处单班入井超千人矿井中,有42处减至千人以下,全国煤矿采、掘工作面单班最多作业人数同比分别下降10.9%、13.7%,井工煤矿原煤生产人员效率同比提高10.9%。2017年1月,国家煤监局发布《煤矿安全生产标准化基本要求及评分方法(试行)》,形成了风险分级管控、隐患排查治理、安全质量达标“三位一体”的煤矿安全生产标准化体系,将煤矿安全生产的科技含量提升到更高层次。开展煤矿安全质量标准化和安全生产标准化达标创建工作,是落实党中央、国务院关于煤炭工业安全发展、科学发展的必然要求,是保障煤矿安全生产必要且有效的手段,而科技创新在创建过程中起着基础性和决定性作用。

科技创新使煤矿六大系统得以建立、完善,为矿井安全生产插上科技的翅膀。煤矿六大系统是指监测监控系统、人员定位系统、通信联络系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统。煤矿安全监测监控系统主要用来监控和预警瓦斯、火、冲击地压等特大事故;人员定位系统在遏制超定员生产、防止人员进入危险区域、事故应急救援、及时发现未按时升井人员、领导下井带班管理、特种作业人员管理、井下作业人员考勤、持证上岗管理等方面发挥着重要作用;通信联络系统是煤矿安全生产调度、安全避险和应急救援的重要工具;紧急避险系统使煤矿除了必须为入井人员配备防护时间不低于30分钟的自救器之外,煤与瓦斯突出矿井应建采区避难硐室,突出煤层的掘进巷道长度及采煤工作面走向长度超过500米时,必须在距离工作面500米范围内建设避难硐室或救生舱;压风自救系统的空气压缩氧机应设置在地面,压风管路要有采区保护措施,防止灾变破坏;供水施救系统是指煤矿必须按照煤矿安全规程要求设置三通及阀门,此外要在所有采掘工作面和其他人员较集中的地点设置至少2处供水水源,以确保在灾变情况下正常供水。

2010年3月,华晋公司王家岭矿发生透水事故,经全力抢险115人获救;2017年5月,山西省太原市清徐县东于煤业公司发生透水事故,5人成功生还,煤矿六大系统起到了关键作用。

科技创新推进煤炭消费利用方式革命

长期以来,我国煤炭主要用作电力、冶金、建材工业的燃料,不仅消耗了宝贵的不可再生资源,作为化石能源也造成了大量污染。多年来,我国煤炭工业一直致力于推进将煤炭由燃料向燃料与原料并重转变,而推进现代煤化工发展,是实现煤炭新型利用技术的一次革命,同时也是实现煤炭资源高效清洁转化的重要途径。

煤化工是以煤炭为原料,经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料以及化学品的过程。煤化工分为传统煤化工和现代煤化工,传统煤化工涉及焦炭、电石、合成氨等领域,新型煤化工通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃、煤制乙二醇等。1978年以前,我国很难说有什么现代意义的煤化工。1978年12月,国家科委和煤炭工业部在山西召开全国第一次煤的气化和液化工作会议,拉开了现代煤化工发展的序幕。我国“富煤、缺油、少气”的资源禀赋特点,使得发展新型煤化工成为我国能源战略中的一个必然趋势,它不但使煤炭实现清洁高效利用,也为煤炭成为化工原料、替代石油作为原料、减轻石油压力从可能变为现实。“十二五”以来,我国现代煤化工在新技术开发、核心装备突破、产业规划和布局、示范工程建设和运行等方面都取得了重要进展,为实施能源替代和保障国家能源安全做出了积极贡献。特别是煤液化、煤气化、煤制烯烃、煤制乙二醇等一大批具有自主知识产权的现代煤化工关键技术和装备取得突破,为煤炭清洁高效利用提供了技术支撑。2008年12月,神华集团鄂尔多斯煤直接液化示范工程产出合格的柴油和石脑油,我国成为世界上唯一实现百万吨级煤直接液化关键技术的国家。2016年12月,经过10多年的艰辛探索和3年多的建设,全球单体规模最大的煤制油工程神华宁夏煤业集团煤制油示范项目建成投产,是目前世界上单套投资规模最大、装置最大、拥有中国自主知识产权的煤炭间接液化示范项目。同年,煤制油品/烯烃大型现代煤化工成套技术开发及应用项目获得国家科技进步奖一等奖。目前,全国已建成投产煤制气项目4个、煤制油项目5个、煤制烯烃项目16个,年产能分别达到51.05万吨、558万吨和881万吨,取得了不俗的成就。

2017年出台的《现代煤化工产业创新发展布局方案》明确了八大重点任务,包括深入开展产业技术升级示范,加快推进关联产业融合发展,实施优势企业挖潜改造,规划布局现代煤化工产业示范区,组织实施资源城市转型工程,稳步推进产业国际合作,大力提升技术装备成套能力,积极探索二氧化碳减排途径。同时,现代煤化工“十三五”发展指南指出,到2020年预计现代煤化工规模将达到:煤制油1200万吨,煤制烯烃1600万吨,煤制乙二醇600万吨至800万吨,煤制天然气200亿立方米,煤制芳烃100万吨。预计煤化工行业投资有望达6000亿元,实现同比翻番,标志着我国现代煤化工进入了蓬勃发展的新阶段。

煤炭在我国一次能源消费中仍将占主导地位。为加快推动能源消费革命,进一步提高煤炭清洁高效利用水平,煤炭清洁高效利用也得到长足发展。燃煤电厂超低排放技术可以进一步提高能效,改造后电厂烟尘浓度达到2.78mg/m3左右、SO2浓度23mg/m3左右、NOX浓度31mg/m3左右,均低于天然气电厂的排放标准;具有我国自主知识产权的高效煤粉型锅炉技术得到普遍推广,锅炉燃料燃烬率达到98%,比普通燃煤锅炉提高28个百分点,烟尘、SO2、NOX等污染物排放指标相当于天然气锅炉标准;水煤浆、型煤、低阶煤分级分质利用等技术示范稳步推进、效果显著,煤炭清洁高效利用水平大幅提高,“一种旋流干煤粉气化炉”项目获得中国专利金奖。另外,IGCC即整体煤气化联合循环技术,将洁净的煤气化技术与高效的燃气—蒸汽联合循环发电系统结合起来,既能实现发电高效率,又有极好的环保性,是一种特别好的洁净煤发电技术;煤基多联产能源系统技术,指利用从单一的设备(气化炉)中产生的合成气,来进行跨行业、跨部门的生产,实现多种具有高附加值的化工产品、液体燃料、以及用于工艺过程的热和进行发电等。实践证明,依托最先进的节能和环保技术,煤炭完全可以更清洁,与环境更友好,更符合科学可持续发展的理念。

总之,煤炭开采方法、煤矿安全管理和煤炭消费利用方式,是煤炭工业的三大板块,是煤炭工业的核心和重中之重。自改革开放以来,这三大板块实现了从传统粗放到现代清洁高效,从人工和半机械化到自动化、智能化的三大科技革命,为我国经济长期高速发展提供了必要而难得的能源支撑,也对保障我国经济从高速增长到高质量发展、健康可持续协调,实现能源安全和环境友好、推动实现新旧动能转换,具有重要意义。


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