矿业人|科技创新规划解读丨康红普:“十四五”煤炭开发科技创新发展方向

“十四五”煤炭开发科技创新发展方向

中国工程院院士 康红普 

煤炭作为我国的主体能源,长期以来在支撑我国经济社会平稳较快发展进程中发挥了能源安全保障的压舱石和稳定器作用,在今后较长时期内特别是我国能源转型发展中还将发挥着不可或缺的兜底保障作用。“十四五”时期是我国“两个一百年”奋斗目标交汇期,也是全面建设社会主义现代化强国新征程上的重要机遇期,煤炭行业也将进入高质量发展攻坚期。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出:推动煤炭等化石能源清洁高效利用;《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中强调:加快煤炭减量步伐,“十四五”时期严控煤炭消费增长,“十五五”时期逐步减少;强化风险管控,确保能源安全稳定供应和平稳过渡。面对新形势新要求,亟需把加强科技创新作为最紧迫的任务,加快原创技术、关键核心技术攻关,实现高水平科技自立自强,创新驱动煤炭行业高质量发展。

一、煤炭行业发展面临新形势新要求

(一)坚持煤炭主体能源地位

2021年9月13日,习近平总书记在考察国家能源集团榆林化工有限公司时的重要讲话,首次明确了“煤炭作为我国主体能源”的地位。煤炭仍将是我国国民经济发展的重要支撑。改革开放以来,我国累计生产煤炭达827亿t,支撑了国内生产总值年均增长9.5%。2020年煤炭占我国能源生产和消费比重分别达68%和56.7%;预测到“十四五”末煤炭仍占我国能源消费比重50%左右,2030年碳达峰时占比为45%左右。

(二)“双碳”目标对煤炭行业发展提出更高要求

“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”目标的提出,是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策,对煤炭行业发展提出更高要求。2021年3月15日,习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上强调:要构建清洁低碳安全高效的能源体系、实施重点行业领域减污降碳行动、推动绿色低碳技术实现重大突破。清洁低碳、经济高效、安全可靠是新时代煤炭行业的新使命。所谓“清洁低碳”,就是全生命周期低污染、温室气体低排放;所谓“经济高效”,就是要具有国际竞争力的能源价格;所谓“安全可靠”,就是要实现供应来源多样化,能源系统灵活调节。

(三)煤炭安全兜底保障作用进一步强化

煤炭兜底保障是实现能源低碳转型、支撑新能源发展的坚强后盾。新能源受气象等条件的影响和限制,其脆弱性短时间内无法通过储能等技术解决。如英国、德国、西班牙等极端天气导致新能源出力急剧下降,而且传统能源供给压缩过快等导致电力缺口大、电价大幅上涨。据美国能源信息署(EIA)数据显示,2021年美国燃煤发电量出现正增长。

二、煤炭开发科技创新需求

经过“十三五”期间不懈努力与快速发展,煤炭行业科技创新能力大幅提升,关键核心技术持续突破,煤炭科技实现了从跟踪、模仿到部分领域并跑、领跑的转变,取得了突出的成就。其中,在地质精细化勘探、大型矿井建设、大采高综采、特厚煤层综放开采等领域的共性关键技术达到国际领先水平;煤机装备实现了国产化,装备制造水平位于世界前列,引领了国际煤炭智能化开采发展方向。同时,我们也清晰看到,面对新时代赋予煤炭行业的新定位和新要求,煤炭科技创新支撑行业高质量发展的能力依然不足,在安全、绿色、智能、清洁、低碳、高效开发方面还存在发展不平衡、不充分的问题,亟待加强科技攻关。

(一)智能开采

地质保障技术有待提升。当前初步形成以煤矿安全高效生产为重点的煤矿地质保障体系,建立了“地震主导、多手段联合、采前采中配合”的矿井复杂地质构造与灾害源探测体系,巷道超前探测距离达到200m,创造了井下深孔定向钻进3353m的新纪录。但是智能绿色安全开采对地质保障提出更高要求,在隐蔽致灾地质因素精准探测、智能探测、三维地质透明化等方面还需要加强攻关突破。

采掘运智能化水平亟待提高。2020年全国煤矿采煤、掘进机械化程度分别达到78.5%、60.4%,已建成约500个智能化采掘工作面,根据煤层赋存特征形成多种智能化开采模式。但煤矿智能化发展还处于初级阶段,综采设备群智能自适应协同推进、智能快速掘进等关键核心技术和装备仍需要进一步攻克。

(二)绿色低碳开采

低生态损伤的煤矿绿色开采技术体系亟待完善。当前构建了以充填开采、煤与瓦斯共采、保水开采、无煤柱开采等为主的绿色开采理论与技术体系。随着煤炭开发重心向西部转移,亟需针对西部生态脆弱区攻关低损害开采与生态环境保护理论与技术,形成矿区环境采动损伤精准监测感知与控制、矿区生态健康预警与修复技术体系。

煤炭与共伴生资源开发利用技术存在短板,低浓度瓦斯未有效利用。当前煤与瓦斯共采技术模式不断完善,形成了碎软低渗煤层顶板岩层水平井分段压裂成套开发技术等成果;探索了煤与油型气共采方法与配套技术装备,但煤与煤系共伴生资源(共伴生油气资源、金属与非金属矿产资源等)的全生命周期协调开采理论与技术、低浓度瓦斯利用、资源综合评价及协同开发大数据分析平台等方向亟需加强研究。

(三)安全开采

重大灾害智能监控技术依然存在短板。2020年全国煤矿百万吨死亡率下降到0.059,实现了煤矿安全形势根本性好转,但对于重大灾害智能监测预警、智能防控等方向仍存在短板,煤矿瓦斯突出、冲击地压等灾害机理尚未取得突破,亟需加强对强冲击地压、瓦斯突出、强动压巷道大面积冒顶等智能监控、预测预警关键技术装备研发。

煤矿粉尘危害预警与防护技术亟待提升。当前煤炭从业人员工作环境差、职业健康保障弱等问题依然存在,井下噪音污染、粉尘污染仍未有效解决。亟需突破煤矿采掘面呼吸性粉尘在线监测、精确预警、控制与净化等技术难题。

(四)洗选加工

2020年我国原煤入选率提高到74.1%,煤炭洗选加工技术快速发展,千万吨级湿法全重介质选煤技术、大型复合干法和块煤干法分选技术等成功应用。但存在洗选设备可靠性差、关键参数检测仪表依赖进口、信息化应用差距明显等问题,在精细化和智能化洗选加工方面仍然任重道远,亟需加强理论创新和技术突破。

三、“十四五”煤炭开发科技创新重点任务

(一)发展目标

“十四五”期间,煤炭行业科技创新应依托现有的基础和条件循序渐进,拓展开发应用安全绿色智能开采技术,进一步提高煤炭利用全过程的绿色低碳水平,加速推进煤炭行业实现高端化、数字化、低碳化产业转型。

到2025年,实现科技创新阶段突破,达到较高水平,全员工效提高100%,百万吨死亡率降低到0.05以下,地表塌陷率减少一半,职业病发病率降低20%。实现煤炭资源精细勘查、绿色智能开采、煤矿重大灾害防控、共伴生资源综合开发、煤炭清洁高效转化的核心关键技术突破,基本形成现代化煤炭智能绿色开发利用体系。智能矿山核心关键装备取得突破,大型煤机、露天开采装备、洗选加工设备与煤化工设备的智能化和可靠性水平大幅提升,关键零部件和控制系统实现自主可控。

(二)重点任务

“十四五”煤炭开发科技创新要突出“智能”“绿色”“安全”“健康”“低碳”特色。“智能”是科技创新的热点、亮点,要结合煤矿的具体条件,突出智能煤矿“时空一体化、万物互联、数据融合、全息感知、业务联动、智能决策”特点。“绿色”要突出新形势下对绿色开采的新要求,加大与其他相关行业的交叉融合;“安全”要突出新形势下煤矿安全新趋势、新特点,开展井下多种灾害的智能协同联动控制研究;“健康”就是要突出井下工作环境、空气质量的改善,井下工人身心健康及矿山职业病的预防。“低碳”就是要突出煤炭开发过程瓦斯抽采利用、共伴生资源与大宗固体废物资源化利用,开展煤炭开发利用碳处置技术攻关以实现碳减排。具体包括:

1. 煤矿智能开采科技创新

加快推进5G、云计算、大数据、人工智能为代表的新一代信息技术与煤炭产业的深度融合,进一步攻克面向复杂困难条件的智能开采关键核心技术与装备,因地制宜、因矿施策有序推进智能化煤矿建设。

一是研制智能实时随机超前探测技术。研发基于随掘、随采、随钻的智能探测技术与装备,开发物探、钻探、化探为一体的矿山地质综合探测技术,实现采掘工作面前方地质体的无人、动态、智能、超前、精细探测,支撑“透明矿井”所要求的地质保障体系建设。

二是研发快速智能掘进成套技术装备。研发井筒机械破岩智能建井技术与装备;开发掘进工作面围岩稳定性、可掘性、可钻性及可锚性智能探测与在线感知技术,为实现智能快速掘进提供保障;攻克掘进机定位与导航、自动化与智能化截割、自动临时支护、自动化锚杆施工、远程集控、环境监测及大数据分析等核心关键技术,研发全断面、掘支运一体化快速掘进成套装备,大幅提高作业效率,减少作业人员。

三是推进智能开采与煤机装备研发应用。在现有智能开采技术与装备的基础上,突破复杂困难条件,包括深部煤层、松软破碎煤层、薄煤层、特厚煤层等综采、综放智能自适应协同开采关键技术与装备。攻克综采设备精准定位与导航、智能自适应液压支架、智能采煤机、煤矿井下机器人等关键技术,构建智能工厂,提高智能化煤机装备的制造水平。

2. 煤炭绿色开采与废弃物资源化利用科技创新

随着煤炭开发重心向西部生态脆弱区转移,重点攻关西部煤炭资源开采区生态环境保护技术及成套装备;深度挖掘关闭矿井资源再开发利用潜力,推进矿井水资源保护与废弃物资源化利用。

一是攻关矿井水资源保护技术。开展煤炭开采应力场-裂隙场-渗流场演化规律、导水通道精细探查与高效封堵防漏等技术装备研发;突破煤水资源协调开采、生态脆弱矿区煤水智能调控开采等关键技术,实现煤矿区地下水资源保护与利用。

二是攻关充填开采与地表生态修复技术。开展采动岩层损害与地表沉陷机理、充填开采岩层移动规律与控制理论研究;开发地表生态减损的开采工艺、高效智能减量化充填、采空沉陷区精细治理与安全高效利用、矿山生态健康预警及生态修复等关键技术,显著改善矿区生态环境。

三是研发关闭矿井资源再利用技术。开展关闭矿井水-气-热等资源开采技术体系与利用模式、关闭煤矿地下空间CO2封存技术研究;研发关闭矿井煤层气高效抽采利用、地下空间利用、关闭矿井环境污染动态监测与评价、关闭矿井地质环境保护和土地复垦综合治理等技术,实现关闭矿井资源的有效再利用。

四是推进废弃物资源化利用。研发煤矸石、煤泥、粉煤灰高效利用技术,煤矿地下水、低浓度瓦斯、井下废热等低位热能利用技术;开展煤火区灭火、地下煤火热能利用及治理区绿色生态修复技术研究。实现煤矿废弃物、热能的资源化利用。

3. 煤矿重大灾害及粉尘防控科技创新

我国大型煤矿向西部和深部发展,针对深部矿井存在高应力、高水压、高地温等复杂环境,亟需攻克深部围岩大变形机理与控制、冲击地压发生机理与控制、灾害信息智能预警与防控及粉尘等职业危害防治等关键技术,保证煤矿安全生产,改善井下作业环境,促进井下工人身心健康及矿山职业病的预防。

一是攻关深部围岩控制关键技术。研究深部采动岩石力学行为、深部高强度开采围岩致灾机理;攻关深部强采动围岩大变形控制理论、冲击地压源头防控理论;研发深部围岩支护—改性—卸压“三位一体”协同控制成套技术,为深部围岩灾害控制提供有效途径。

二是研发灾害智能监控预警技术及装备。研制井下极端复杂环境下多功能、高精度、低功耗智能感知设备,开发多功能灾害智能探测机器人;研发井下海量多源异构数据的高效分析处理与智能预测技术,实现重大灾害事故风险的精准识别、预测与预报预警。

三是研发粉尘等职业危害防治技术及装备。重点突破采掘工作面呼吸性粉尘浓度连续在线监测、粉尘危害精确预警、粉尘控制与净化等关键技术,开发大容尘量和强耐湿性的送风过滤式个体防护设备,实现粉尘高效防控,显著降低粉尘对井下工人的危害。

4. 煤炭与共伴生资源综合开发科技创新

开展煤系共伴生资源协同开发技术攻关,实现资源的集约高效开发,具有很大的潜在经济效益与战略价值。

一是攻关煤炭共伴生资源综合开发技术。精确探明煤系地层的煤、油、非常规天然气、稀有金属、水等叠置资源赋存条件,开展多资源、立体化、综合开发模式与技术研究,实现煤炭及共伴生资源的有效开发。

二是攻关煤矿区煤层气开发利用技术。开展煤系“三气”(煤层气、页岩气、致密砂岩气)综合开发技术,矿区煤层气分布式经济高效利用技术研究,推进煤矿区煤层气开发与瓦斯治理协同示范。

5. 煤炭精准智能洗选加工科技创新

一是研发煤炭精准分选技术工艺及装备。研发旋流场重介质精准分选、界面调控增强选择性浮选、煤炭智能干选、煤泥水高效固液分离等关键技术与装备,突破工艺参数和产品质量高精度在线检测及预测技术,实现有效分选矿物密度差别0.1g/cm³,煤炭产品灰分误差±0.5%。

二是构建智能化选煤技术体系。集中攻克一批基于精细化和智能化的煤炭分选加工共性关键技术,突破自适应原煤性质全流程智能控制、数字孪生运维等技术,实现生产管理智能化、生产过程自动化、生产模式柔性化。

6. 开展煤矿智能绿色低碳开发示范试验

选择不同层级、不同地区的典型煤矿/矿区,开展煤炭安全、绿色、智能、清洁、低碳、高效开发技术示范,重点开展智能化开采、智能化掘进、煤矿灾害智能化防控、智能化选煤、矿山物联网示范,煤炭资源枯竭地区生态恢复示范,煤矿地下水、低浓度煤层气、井下废热等利用示范,充填开采及大宗固废资源化利用示范,高瓦斯矿区煤与煤层气共采示范等一批示范工程,形成一批大型智能化高效露天开采示范矿井,智能绿色低碳井工示范矿井。

四、煤炭开发科技创新发展建议

(一)推动基础理论研究与关键技术攻关

围绕煤炭安全、绿色、智能、清洁、低碳、高效开发基础理论和关键技术开展自主攻关,持续强化基础研究,加强原始创新能力,完善科研基础平台,支持科学家实施一批长周期、探索性、自主选题的重大基础研究项目,形成更多从“0”到“1”的突破,以基础研究驱动应用技术研发和重大装备研制,实现高水平科技自立自强。

在国家能源局支持下,重组或新建煤炭智能开采、低损害开采、矿井重大灾害智能防控、智能洗选等一批国家能源研发创新平台,为“十四五”规划乃至中长期科技发展提供研发基地。完善行业技术标准资源服务平台,加快重点领域关键技术标准研制,推动行业优势技术与标准成为国际标准。

(二)推动煤炭与新能源低碳融合发展

围绕生态修复+新能源、煤矿地面和地下资源(水、地热、新型储能等)立体开发等耦合协同发展模式,发挥国家自然科学基金、国家科技重大专项的原创导向,支持社会资本、企业资本等多元资本投资,鼓励科研机构和企业联合开展煤炭与新能源耦合关键技术基础前沿研究,提升煤炭与新能源协同发展领域关键核心技术攻关能力。

(三)加强产学研用协同创新

支持建立产学研用合作的紧密型技术创新战略联盟和协同创新中心,加强产学研用结合的中试基地和共性技术研发国家级大平台建设。对于完成示范试验的先进技术和重大装备,行业主管部门定期出台技术和装备自主创新推荐目录,鼓励其应用推广。

(四)强化企业创新主体地位

发挥中央企业的骨干和引领作用。积极培育企业建设国家级科技研发平台,促进创新资源围绕领军企业集聚形成创新链。拓宽科技投入渠道,探索建立多元化、多渠道、多层次的科技投入体系,加大政策支持力度,引导大中型企业增加科技投入。

(五)加大高素质人才培养

针对煤炭开发科技需求,加大高素质人才培养,加强传统矿业学科与现代信息技术、生态环保、碳减排、可再生能源、新材料等学科的交叉融合,通过传统专业改造、新增等方式强化“采矿+智能化”、“采矿+生态环保”、“采矿+碳减排”等复合型专业。

推动研究生培养模式改革,扩大在重大基础研究、重大科研攻关方向、重大工程领域的博士研究生培养,提高人才与行业需求的契合度。建设国家级示范性高技能人才培训基地,将煤炭行业高技能人才培养与产业转型升级计划、国家中长期煤炭科技发展规划以及其他重大工程项目的组织实施密切结合。

(六)深化国际合作

积极践行一带一路倡议,拓展发展空间,坚持对外开放,支持煤炭企业走出去,发挥煤炭行业在国际上的技术引领作用;研究灵活调控煤炭出口措施,严禁劣质煤进口,适当鼓励优质煤炭进口和有竞争优势的企业出口煤炭,形成资源合作上下游一体化产业链,提升我国在世界煤炭领域的影响力。

编辑:吴苏灵

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