煤炭开采进入新时代

今年1~7月，我国煤炭消费同比略增3.4%左右，尽管略有反弹，但与2013年的峰值水平相比，长期下降已是大势所趋。

福祸相依，不要总认为煤炭消费比重下降对煤炭行业是坏事，应该坚持节约、清洁、安全的发展思路，聚焦煤炭精准开采、清洁高效利用，力争用最少的煤矿数量、最小的开采面积、最小的煤炭消费量支撑中国的能源需求。出于安全生产、生态环境和节能降耗层面考虑，我国煤炭行业必须要推进煤炭资源高效回收及节能战略。这意味着，煤炭行业处于一个重大的转型期和转折点，正在步入一个安全智能精准开采新时代。

绿色煤炭资源只够四五十年

我国煤炭开采的基本国情是资源禀赋复杂。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，开采条件极其复杂。煤炭开采受煤与瓦斯突出、冲击地压、煤自燃、水害、粉尘等灾害威胁严重，安全开采难度大。

在我国已探明的煤炭资源中，埋深在1000米以下资源量占53%，随着浅部资源枯竭，煤炭采深以平均每年10~25米的速度增加，且深部煤炭资源安全开采威胁巨大，深部瓦斯、冲击地压等灾害相互耦合，成灾机理复杂，防治愈加困难。

在煤炭开采过程中，普遍存在“弃薄采厚、挑肥拣瘦”现象，矿井资源回收率平均仅50%左右，与发达国家约80%的回收率有较大差距，造成原设计80~100年服务年限缩短一半。在节能领域，煤炭生产吨煤能耗大，2012年原煤生产耗电28.4千瓦时/吨，煤炭生产综合能耗17.1千克标煤/吨。

近年来，依靠科技进步，煤矿安全开采形势持续好转：在我国煤炭产量逐年增加的同时（从2000年的13亿吨增加到2017年的35.4亿吨，增幅达172.3%），百万吨死亡率从2005年的2.76降至2017年的0.106。

但是，煤炭安全开采形势依然严峻：虽然煤矿瓦斯、顶板、水害等事故逐年大幅下降，但重特大事故仍然时有发生，社会影响恶劣；煤矿百万吨死亡率与世界发达国家相比仍存在较大差距，是美国的5倍，是澳大利亚的11倍。

解决这些问题，就需要“刀口向内”，以精准开发方式，推进绿色煤炭资源发展，同时最大限度保护资源、生命和环境。绿色煤炭资源量是指能满足煤炭安全、技术、经济、环境等综合条件，并支撑煤炭科学产能和科学开发的煤炭资源量。基于现有技术条件，我国可供开采的绿色煤炭资源量极其有限，只有5048.95亿吨，不足探明煤炭储量的一半，占全国预测煤炭资源量5.97亿吨的十分之一。按国家能源需求和煤炭资源回收现状，绿色煤炭资源量仅可开采40~50年，未来或将大面积进入非绿色煤炭资源赋存区开采，势必让煤矿安全面临巨大难题。

安全、智能、精准一个不能少

2016年，笔者首次提出“煤炭精准开采”科学构想，引发行业内外广泛热议。2017年8月8日，“煤炭安全智能精准开采协同创新组织”在淮南理工大学成立并揭牌。如今，煤炭安全智能精准开采是未来采矿的必由之路，已成为行业共识。

“煤炭精准开采”是将煤炭开采扰动影响、致灾因素等统筹考虑的煤炭无人（少人）智能开采与灾害防控一体化的未来采矿技术。其科学内涵是，基于透明空间地球物理，以多物理场耦合、智能感知、智能控制、物联网、大数据、云计算这些信息作为技术支撑，具有风险判识、监控预警与处置功能等安全开采技术为支撑的智能无人安全开采。

随着新形势的发展，煤炭精准开采又增加了新的内涵。

首先，要考虑在安全方面实现精准开采，如果安全问题都解决不了，其他就如同无本之木。

其次，要实现智能化。过去，我国煤矿根本谈不上智能化，连最基本的机械化也有很大差距，平均采煤机械化程度只有45%，国有重点企业为82.7%。相比其他行业，煤矿信息化、无人化、智能化水平尚处于启蒙阶段。未来，煤炭产业必须由高危劳动密集型升级为高精尖技术密集型：每个矿100人以内，90%的人在地面作业，10%的人在井下做生产准备、巡检；信息化、自动化、智能化水平以及回收率、效率等指标会达到较高水平。

但仅仅是智能化仍然不够，最终目的还是要实现精准开采，对煤矿资源、开采之后的状况做到先知先觉，开采过程中的机器设备、系统运行都能够实时感知，达到航空航天一样的水平。

从技术路线来看，精准开采有自己的路线图：第一步，2035年以前，是地面和井下相结合的远程遥控无人开采阶段，实现操作人员在监控中心远程干预遥控设备运行，采掘工作面落煤区域无人操作；第二步，2035年到2050年，真正实现智能无人精准开采，突破地面远程控制的智能化与信息化、可视化煤炭无人采与智能感知、灾害智能监控预警与防治等技术。

如今，煤炭开采从传统的人力矿山、机械矿山到信息矿山、数字矿山并逐步迈向智能矿山演进，安全智能精准开采正在成为现实。据统计，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70余个采煤工作面实现智能无人开采。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。

要靠产学研协同创新

目前，煤炭精准开采发展还面临诸多挑战，主要表现为多种煤岩动力耦合灾害治理研究尚不成熟，隐蔽致灾因素动态智能综合探测技术缺乏，基于大数据的煤矿重大灾害预警平台及新技术研究尚未开展等几个方面。

为此，煤炭安全智能精准开采模式需要尽快研究并突破以下几项关键技术：一是要精准掌握煤层赋存条件，实现地质构造、陷落柱、瓦斯等致灾因素高清透视，打造具有透视功能的地球物理科学支撑下的“互联网+矿山”；二是要研发新型安全、灵敏、可靠的采场、采动区及灾害前兆等信息采集传感技术装备，形成人机环参数全面采集、共网传输新方法；三是要突破多源异构数据融合与知识挖掘难题，创建面向煤炭精准开采及灾害预警监测数据的共用快速分析模型与算法；四是采用“三位一体”科学研究手段，研究煤矿灾害致灾机理及灾变理论模型，实现对煤矿灾害的自适应、超前、准确预警；五是要探索多场耦合复合灾害知识库构建方法，建立适用于区域性煤矿开采条件下灾害预警特征云平台；六是以采煤机记忆切割、液压支架自动跟机及可视化远程监控等为基础，以生产系统智能化控制软件为核心，研发远程可控的无人精准开采技术与装备；七是要融合计算机网络技术、现代控制技术、云计算技术于一体，将互联网技术应用于云矿山建设，把煤炭资源开发变成智能工程或车间，建设基于云技术的智能矿山。

煤炭科技创新，不搞产学研协同合作，就是死路一条。因为各方优势可以互补，高等院校主要从事基础研究，科研机构主要从事技术装备研发，大型煤炭企业主要从事成果应用推广及示范工程建设，形成产、学、研协同创新体制，只有各展所长、协同创新、联合攻关，才能破解难题、引领行业，如果各干各的，一个教授一个团队，一个单位一个团队，难以实现创新。

“煤炭安全智能精准开采协同创新组织”成立至今，一直致力于推动煤炭安全智能精准开采从科学构想变成理论与技术现实。目前，该组织边研究边转化边示范，已经基本实现了煤与瓦斯的精准共采，并在液压支架自动跟机、采煤机记忆截割、工作面视频监控技术与装备等方面取得重大突破。通过产学研协同创新，组织成员单位在信息智能传感传输、互联网+大数据信息处理、灾害智能预警与防控、智能采掘技术与装备等领域进展显著。

面向未来，建议政府主管部门更加重视煤炭行业科技创新，以煤炭精准开采引领资源科技未来发展，未来争取用最少的矿井数量和开采面积支撑国家25亿~30亿吨煤炭需求。△

（作者系中国工程院院士、安徽理工大学校长）