我国煤矿开采技术发展现状及方向-宋院士.ppt

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惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室我国煤矿开采技术发展现状及方向我国煤矿开采技术发展现状及方向二零一二年五月二零一二年五月宋振骐宋振骐院士院士山东科技大学山东科技大学惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室第一部分第一部分煤炭生产在我国国民经济发展中的地位煤炭生产在我国国民经济发展中的地位第二部分第二部分我国煤炭开采理论发展的成就我国煤炭开采理论发展的成就第三部分第三部分我国煤炭开采技术发展的现状和方向我国煤炭开采技术发展的现状和方向惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室煤炭生产在我国国民经济煤炭生产在我国国民经济发展中的地位发展中的地位惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室1.11.1能源是人类生存和发展的基础，世界能源资源竞争日趋激烈能源是人类生存和发展的基础，世界能源资源竞争日趋激烈惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室u煤炭资源储量20102010年已探明的地质储量为年已探明的地质储量为1.51.5万亿万亿tt预计储量预计储量44万亿万亿tt1.21.2煤炭是我国化石能源的主体煤炭是我国化石能源的主体中国煤炭资源按深度分布的储量中国煤炭资源按深度分布的储量惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室年份年份煤炭所占比重煤炭所占比重（%）石油所占比重石油所占比重（%）天然气所占比重天然气所占比重（%）1980年98.41.50.11990年98.41.60.12000年98.01.70.42006年97.71.60.72010年97.91.40.7u煤炭资源储量在化石能源中的地位我国化石能源可采储量查明情况我国化石能源可采储量查明情况年份年份煤炭查明资源储量煤炭查明资源储量（亿亿t）石油查明资源储量石油查明资源储量（亿亿t）天然气查明资源储量天然气查明资源储量（亿亿m3）1980年6424.8（6424.8亿t标准煤）14.2（72.3亿t标准煤）1881.3（4.1亿t标准煤）1990年9543.9（7074.9亿t标准煤）21.9（111.6亿t标准煤）2419.0（5.3亿t标准煤）2000年10030.0（7435.2亿t标准煤）24.6（125.3亿t标准煤）13504.5（29.6亿t标准煤）2006年11597.8（8597.4亿t标准煤）27.6（140.6亿t标准煤）30009.2（65.8亿t标准煤）2010年15000（11119.4亿t标准煤）31.4（160亿t标准煤）33300（73亿t标准煤）我国煤炭储量在化石能源中所占比重我国煤炭储量在化石能源中所占比重惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室我国能源储量排名我国能源储量排名能源能源探明储量探明储量居世界位次居世界位次煤炭煤炭1.5万亿万亿t3石油石油70亿亿t6天然气天然气33.3万亿万亿m316水电水电6.8亿亿kwt1惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室我国近十年煤炭产量情况我国近十年煤炭产量情况我国煤炭产量由2001年的13.81亿t增长到2010年的33亿t，年均增加1.9亿t，保证了经济和社会发展的需要，是国民经济发展和国力保障的重要基础。

1999199920102010全国全国煤炭煤炭产量产量u煤炭产量在我国能源结构中比重超过65%惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室2010年煤炭产量及年煤炭产量及2020年需求量预计年需求量预计国家目前仍然处于基础设施建设、制造业和城市化的高峰期，对矿产品的需求仍然以较高的速度增长。

2010年煤炭产量33亿t（占世界产煤总量的45%），“十二五”末规划38亿t，增长24.6%。

煤炭生产在我国能源结构中的比重煤炭生产在我国能源结构中的比重煤炭在一次能源结构中的比例煤炭在一次能源结构中的比例20082008年中国一次能源消费构成年中国一次能源消费构成惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室u顶顶板板、瓦瓦斯斯、冲冲击击地地压压、透透水水等等重重大大事事故故没没有有从从根根本本上上（即即在在依依靠靠正正确确的的理理论论指指导导和和现现代代装装备备、管管理理手手段段的的基基础础上）得到控制，严重影响我国煤炭安全生产形象。

上）得到控制，严重影响我国煤炭安全生产形象。

1.31.3我国煤炭生产中存在的问题我国煤炭生产中存在的问题年份年份200320042005200620072008200920092010201020112011煤炭煤炭产量（量（亿吨）吨）17.2219.9221.923.225.2327.16292932.432.43333事故死亡人数事故死亡人数（人）（人）643460275938474637863210270027002433243320002000百万吨死亡率百万吨死亡率3.743.032.712.041.501.1820.930.930.7980.7980.5600.560惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室20032004200520062007事故事故起数起数比例比例死亡死亡人数人数比例比例事故事故起数起数死亡死亡人数人数事故事故起数起数死亡死亡人数人数事故事故起数起数死亡死亡人数人数事故事故起数起数死亡死亡人数人数事故事故起数起数死亡死亡人数人数顶板板214024551985230918052058163319021299151854.038.3瓦斯瓦斯5842061492190041421713271319272108413.632.3机机电1371289789105105949390863.21.9运运输53157058260553657846751740945314.59.6放炮放炮929910512289101789069772.51.7水害水害137551118357109605100417632553.38.0火灾火灾20751791115872610720.41.5其他其他5024952455542372622393822092418.56.8总计4143643436416027330659382945474624213786100100惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室199920002001200220032004200520062007事故死亡事故死亡总人数（人）人数（人）605855275670699564346027593847463786重大事故起数（次）重大事故起数（次）43039133632128624920825428重大死亡人数（人）重大死亡人数（人）2040172315871423125710908771071573重大事故死亡人数所重大事故死亡人数所占比例占比例%33.6731.1727.9920.3419.5418.0914.7722.5%15.1%特大事故起数（次）特大事故起数（次）687849555142583925特大死亡人数（人）特大死亡人数（人）11651450101511371180100817391142402特大事故死亡人数所特大事故死亡人数所占比例占比例%19.2326.2317.9016.2518.3416.7229.2924%10.6%重特大事故死亡重特大事故死亡总人人数数32053173260225602437209826162213171重特大事故死亡所占重特大事故死亡所占比例比例%52.9157.4145.8936.6037.8834.8144.0646.5%4.5%惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室u开采沉陷环境灾害严重，采用留设煤柱护巷和控制开采沉陷环境灾害严重，采用留设煤柱护巷和控制地表沉陷传统开采方法造成的煤炭资源损失比例超过地表沉陷传统开采方法造成的煤炭资源损失比例超过40%40%，违背中央提出的，违背中央提出的“资源节约型、环境友好型、资源节约型、环境友好型、可持续发展可持续发展”方针。

方针。

实现煤炭安全高效开采，有效地控制环境灾害，最大实现煤炭安全高效开采，有效地控制环境灾害，最大限度地采出煤炭资源是我国能源安全和国民经济发展限度地采出煤炭资源是我国能源安全和国民经济发展保障体系建设中的重中之重。

保障体系建设中的重中之重。

惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室我国煤炭开采理论我国煤炭开采理论发展的成就发展的成就惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室2.1理论发展成就理论发展成就上区段工作面上区段工作面h1h2h3H新开工作面新开工作面h1垮落带高度；垮落带高度；h2裂缝带高度；裂缝带高度；h3连续弯曲带高度；连续弯曲带高度；H埋深埋深采空区采空区推进方向推进方向新开工作面巷道新开工作面巷道介质属性复杂介质属性复杂开采扰动强烈开采扰动强烈应力分布复杂应力分布复杂开采空间范围大开采空间范围大我国我国“实用矿山压力控制理论实用矿山压力控制理论实用矿山压力控制理论实用矿山压力控制理论”，从研，从研究的系统性、深度、体系的完整性，以究的系统性、深度、体系的完整性，以及用以指导开采实践取得的成就走在世及用以指导开采实践取得的成就走在世界的前列。

界的前列。

惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室1.针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采必须面对复杂多变的地理环境和煤层地质条件的现实，明确了理论必须面对复杂多变的地理环境和煤层地质条件的现实，明确了理论建设的指导思想和体系，科学的定义了相关学术名词和术语，正确建设的指导思想和体系，科学的定义了相关学术名词和术语，正确的阐述了相应的基本概念。

主要成果包括：

的阐述了相应的基本概念。

主要成果包括：

（1）严格的区分和定义了严格的区分和定义了“矿山压力矿山压力矿山压力矿山压力”（促使围岩向已采空间运（促使围岩向已采空间运动的力）和动的力）和“矿山压力显现矿山压力显现矿山压力显现矿山压力显现”（在矿山压力作用下产生的围岩破坏（在矿山压力作用下产生的围岩破坏及支架受力现象）两个基本概念，正确的指出及支架受力现象）两个基本概念，正确的指出“矿山压力矿山压力”存在的存在的绝对性绝对性（采动即有）和（采动即有）和“矿山压力显现矿山压力显现”的的相对性相对性，以及矿山压力，以及矿山压力控制（设计）的目标就是把控制（设计）的目标就是把“矿山压力显现矿山压力显现”控制在安全上可靠、控制在安全上可靠、技术上可能、经济上合理的范围。

技术上可能、经济上合理的范围。

惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室

（2）正确指出由于采场不断推进，无论是正确指出由于采场不断推进，无论是“矿山压力矿山压力矿山压力矿山压力”还是还是“矿矿矿矿山压力显现山压力显现山压力显现山压力显现”都在不断发展变化之中，它的变化是有规律的，这个都在不断发展变化之中，它的变化是有规律的，这个规律是岩层运动和破坏决定的。

明确的提出矿山压力控制研究必须规律是岩层运动和破坏决定的。

明确的提出矿山压力控制研究必须以以“岩层运动为中心岩层运动为中心”，把不同采动条件下覆岩运动和支承压力大，把不同采动条件下覆岩运动和支承压力大小分布范围及其发展变化的规律，包括相关动态结构模型的建小分布范围及其发展变化的规律，包括相关动态结构模型的建设和相关结构参数的确定放在首要地位。

设和相关结构参数的确定放在首要地位。

（3）正确指出任何开采深度条件下，影响正确指出任何开采深度条件下，影响“矿山压力显现矿山压力显现矿山压力显现矿山压力显现”的岩的岩层范围是层范围是有限的有限的，即采动破坏失去向四周支承传递作用力的岩层，即采动破坏失去向四周支承传递作用力的岩层（直接顶）和保持了传递作用力联系，运动时对矿压显现明显影响（直接顶）和保持了传递作用力联系，运动时对矿压显现明显影响的岩层（老顶）两个部分；的岩层（老顶）两个部分；可知的可知的，即通过岩层动态监测可以确，即通过岩层动态监测可以确定；定；可变的可变的，即可通过采动条件的变更加以改变。

，即可通过采动条件的变更加以改变。

惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室（4）对于可能垮坍的冒落岩层（直接顶）一般只能取坚决顶住，即对于可能垮坍的冒落岩层（直接顶）一般只能取坚决顶住，即“给定载荷给定载荷”的控制方案，对的控制方案，对“老顶老顶”相关岩层的运动，则可以根据安全相关岩层的运动，则可以根据安全可靠、技术可能、经济合理的原则和相应的力学保证条件，分别采取可靠、技术可能、经济合理的原则和相应的力学保证条件，分别采取“给定变形给定变形”，即将作用力完全转移给四周支承体上，和，即将作用力完全转移给四周支承体上，和“限定变形限定变形”，即将沉降限定到要求状态（位态）两种方案。

明确指出对于老顶相关岩即将沉降限定到要求状态（位态）两种方案。

明确指出对于老顶相关岩层的运动，不分条件地采用强顶硬抗的控制方案是不科学的、错误的。

层的运动，不分条件地采用强顶硬抗的控制方案是不科学的、错误的。

2.根据安全高效开采，特别是顶板冲击地压、瓦斯煤层突出、透水突水根据安全高效开采，特别是顶板冲击地压、瓦斯煤层突出、透水突水及开采沉陷灾害有效控制的目标，建立、发展并逐步完善了以及开采沉陷灾害有效控制的目标，建立、发展并逐步完善了以“采动覆采动覆岩运动和支承压力分布岩运动和支承压力分布”为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控制决策结构力学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模制决策结构力学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模型的建设。

把煤矿安全高效生产，特别是重大事故的控制决策从型的建设。

把煤矿安全高效生产，特别是重大事故的控制决策从统计经统计经验验推进到针对具体煤层条件推进到针对具体煤层条件科学定量科学定量的发展阶段。

的发展阶段。

惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室

（1）科学的界定了采场结构力学模型的内涵和结构模型的结构组成特科学的界定了采场结构力学模型的内涵和结构模型的结构组成特征。

创造性的针对定量控制设计需要，把采场推进过程中分布在四周煤征。

创造性的针对定量控制设计需要，把采场推进过程中分布在四周煤壁上的支承压力分为煤壁已进入破坏，其受力由工作面长度等采动条件壁上的支承压力分为煤壁已进入破坏，其受力由工作面长度等采动条件确定的确定的“结构拱结构拱”内岩层运动决定的内岩层运动决定的“内应力场内应力场”和和“结构拱结构拱”内、外内、外参与运动的岩层作用力决定的参与运动的岩层作用力决定的“外应力场外应力场”两个部分。

两个部分。

工作面工作面惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室

（2）正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了“第一次第一次来压来压”和和“正常推进正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。

结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。

推进方向岩层运动和支承压力发展规律推进方向岩层运动和支承压力发展规律惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室

（2）正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采正确的指出采场结构模型（包括结构组成和相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了“第一次第一次来压来压”和和“正常推进正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。

结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。

“内应力场内应力场”发展演化规律发展演化规律S岩梁SASiSmaxL0IIabC01C02C03HgL0L0LiLi1L0剖面IIL（T）LVp岩梁I岩梁惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室（3）在深入揭示动态结构模型发展规律，特别是支承压力分布和岩在深入揭示动态结构模型发展规律，特别是支承压力分布和岩层运动关系的基础上，创造性提出了通过层运动关系的基础上，创造性提出了通过“矿山压力显现矿山压力显现”推断支承压推断支承压力分布（包括分布范围及力分布（包括分布范围及“内应力场内应力场”、“外应力场外应力场”及应力高峰位置）及应力高峰位置）预测采场顶板来压的预测采场顶板来压的“井下岩层动动态观测研究方法井下岩层动动态观测研究方法”，并成功研究相，并成功研究相关监测仪表测试系统，较好的解决了通过现场实测确定相关结构参数问关监测仪表测试系统，较好的解决了通过现场实测确定相关结构参数问题。

题。

惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室3.通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与生产现场生产现场“采场结构模型采场结构模型”建设关系的研究基础上，在推进重大事故控建设关系的研究基础上，在推进重大事故控制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。

制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。

u顶板灾害控制顶板灾害控制直接顶直接顶第一岩梁第一岩梁第二岩梁第二岩梁采场顶板控制结构模型组成及分类采场顶板控制结构模型组成及分类惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室有有“内应力场内应力场”的结构力学模型的结构力学模型a.a.a.a.单岩梁老顶结构单岩梁老顶结构单岩梁老顶结构单岩梁老顶结构b.b.b.b.多岩梁老顶结构多岩梁老顶结构多岩梁老顶结构多岩梁老顶结构惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室无无“内应力场内应力场”的结构力学模型的结构力学模型a.a.a.a.单岩梁老顶结构单岩梁老顶结构单岩梁老顶结构单岩梁老顶结构b.b.b.b.多岩梁老顶结构多岩梁老顶结构多岩梁老顶结构多岩梁老顶结构惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室直接顶厚度确定直接顶厚度确定a.a.理论判定理论判定b.b.实测推断实测推断采场结构参数确定采场结构参数确定惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室老顶厚度确定老顶厚度确定a.实测推断实测推断单一岩梁和多岩梁上覆岩层结构组成情况及其采场矿压显单一岩梁和多岩梁上覆岩层结构组成情况及其采场矿压显现如图现如图aa、图、图bb所示所示惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室b.b.理论判定理论判定挠度法挠度法相邻岩层同时运动（组成同一岩梁）则：

相邻岩层同时运动（组成同一岩梁）则：

相邻岩层分别运动（构成不同岩梁）则：

相邻岩层分别运动（构成不同岩梁）则：

裂断步距法裂断步距法惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室支架支护方案确定支架支护方案确定a.a.工况方案工况方案直接顶：

给定载荷直接顶：

给定载荷老顶：

可老顶：

可给定变形给定变形也可也可限定变形限定变形b.b.控制目标和准则控制目标和准则直接顶：

给定载荷直接顶：

给定载荷老顶：

对下位岩梁限定变形定载荷，上位岩梁给定变形定缩量老顶：

对下位岩梁限定变形定载荷，上位岩梁给定变形定缩量以防止坚硬岩梁动态冲击要求对下位岩梁限定变形定阻力、对上以防止坚硬岩梁动态冲击要求对下位岩梁限定变形定阻力、对上位岩梁给定变形定缩量位岩梁给定变形定缩量支架设计参数确定支架设计参数确定惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室支架支护强度和支护阻力支架支护强度和支护阻力支架缩量支架缩量惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室u瓦斯灾害控制瓦斯灾害控制31

（1）

（1）瓦斯灾害预测和控制的模型及控制准则瓦斯灾害预测和控制的模型及控制准则事故灾害原因：

事故灾害原因：

工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度超限是瓦斯事故灾害的根源超限是瓦斯事故灾害的根源事故灾害实现条件：

事故灾害实现条件：

采动空间聚集的瓦斯浓度超限，有充采动空间聚集的瓦斯浓度超限，有充足的氧气和有明火引爆（三者缺一不可）是瓦斯爆炸灾害发生足的氧气和有明火引爆（三者缺一不可）是瓦斯爆炸灾害发生的条件。

的条件。

事故灾害预测和控制控制准则：

事故灾害预测和控制控制准则：

了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异是正确选择开采斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异是正确选择开采模式的基础。

模式的基础。

惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室32单单一一重重力力应应力力场场中中掘掘进进回回采采巷巷道道模模型型在在构构造造破破坏坏的的复复合合应应力力场场中中掘掘进进回回采采巷巷道道惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室2022/11/2233

（1）冲击地压原因及实现条件冲击地压原因及实现条件冲击地压概念：

冲击地压概念：

冲击地压是采动空间周边煤岩在矿山压冲击地压是采动空间周边煤岩在矿山压力作用下以煤岩突出力作用下以煤岩突出（高速喷出高速喷出）为特征的矿山压力动力显为特征的矿山压力动力显现，是煤矿重大事故灾害。

现，是煤矿重大事故灾害。

冲击地压发生原因：

冲击地压发生原因：

在储存高强度压缩弹性能的煤岩中，在储存高强度压缩弹性能的煤岩中，特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面，引发特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面，引发弹性能的释放。

弹性能的释放。

冲击地压的动力源及其影响因素：

冲击地压的动力源及其影响因素：

u冲击地压（煤与瓦斯突出）灾害控制冲击地压（煤与瓦斯突出）灾害控制惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重点点实实验验室室34a煤煤层压缩弹性能性能开采深度愈大，覆岩强度愈高（即允许的悬露面积愈开采深度愈大，覆岩强度愈高（即允许的悬露面积愈大），受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将大），受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将愈大。

愈大。

b顶底板岩层弯曲（压缩）弹性能顶底板岩层弯曲（压缩）弹性能惟真惟真求新求新矿矿山山灾灾害害预预防防控控制制重重