固體煤炭資源流態化開采教學模型

【摘要】本文設計了一套固體煤炭資源流態化開采的教學模型，介紹了該模型的基本結構與功能，實現了固體煤炭資源流態化開采全過程的真實模擬和演示。該模型有助于學生理解固體煤炭資源流態化開采全過程及運行機理，有助于培養學生積極探索的精神和應對新問題的能力。

【關鍵詞】煤炭? 流態化開采? 教學模型

【基金項目】國家自然科學基金項目（52009131，52142302）;中國礦業大學（北京）2021年本科教育教學改革與研究項目——提升創新能力培養的《采礦概論》課程教學方法研究（J211105）;中國礦業大學（北京）2021年研究生課程思政建設項目（YKCSZ202100101B）。

【中圖分類號】TD-05 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2022）03-0196-03

1.引言

能源與資源的開發利用是人類文明進步的基礎，煤炭作為能源資源的主體構成部分，支撐著我國經濟與社會的發展。然而，隨著人類對煤炭的持續開采利用，地球淺部煤炭資源已逐漸趨向枯竭，煤炭資源開發需要不斷走向地球深部，千米級礦井開采將成為常態。習近平主席于 2016年5月強調指出：“當前，國家對戰略科技支撐的需求比以往任何時期都更加迫切……從理論上講，地球內部可利用的成礦空間分布在從地表到地下10000 m，目前，世界先進水平勘探開采深度已達2500～4000 m，而我國大多小500 m，向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題。”因此，向地球深部要資源已上升為國家戰略需求，對煤炭開發利用進行變革已勢在必行[1]。

向地球深部進軍是我國和全球未來的必然趨勢，國家正在啟動的面向2030國家重大科技項目“地球深部探測”提出深地科學鉆探深度將突破13000 m，深部資源開采目標為油氣10000 m、地熱6000 m、固態資源3000 m。特別是高效開采2000 m以深的煤炭資源，必須突破現有的開采方法、理論和技術，研究深部資源開采理論與技術。基于目前勘測結果，結合巖石力學實驗與力學理論分析，6000 m以深的巖體基本處于三向等壓狀態，深部巖體進入全范圍塑性流變狀態，巖層運動、圍巖支護、災害預警與防治等將難以控制，現有的固體礦物資源的開采方式將難以適用于6000 m以深。但是，石油、天然氣等流態型油氣資源，目前采用流態化開發的方式使得開采深度已超過7500 m，采用鉆機下井，人不下井的方式，通過壓差流態傳輸至地表，與深地固體礦物資源現有開采方式有本質區別[1]。

基于此，謝和平院士2014年6月在中國工程院國際工程科技大會上首次提出的新的資源與能源開采方式的變革，目前已初步形成了煤炭深部原位流態化開采的技術框架，明確了深部固態礦產資源流態化開采的目標，即實現對深地固態資源采、選、冶、充、電、氣、熱的原位、實時和一體化開發，顛覆傳統的固態資源開發的開采模式、運輸模式和利用模式;引領礦產資源開采技術革命，實現固態礦產資源開采深度上的突破，為我國可采資源總量翻一番提供技術支撐[2-7]。

流態化開采是指將深部固體礦產資源原位轉化為氣態、液態或氣固液混態物質，在井下實現無人智能化的采選充、熱電氣等轉化的開采技術體系[1-12]（圖1）。該技術突破了固體礦產資源臨界開采深度的限制，使深地煤炭資源開采可以像油氣開發那樣實現“鉆機下井，人不下井”、依靠壓差作用進行開采，從根本上顛覆固體資源的開采模式。實現深地煤炭資源的流態化開采，關鍵在于要去探索深地井下采、選、充、氣、電、熱的一體化無人、智能采掘與轉化系統，通過無人作業、智能采掘、原位轉化、高效傳輸等顛覆性技術，實現將深地固體資源氣化、液化、電氣化等系統的流態化開采。原位流態化開采可以改變目前礦業領域生產效率低、安全性差、生態破壞嚴重、資源采出率低、地面運輸/轉化能量損耗大等一系列問題，實現深部煤炭資源開采理念與模式的變革。

基于此，中國礦業大學（北京）能源與礦業學院設計了固體煤炭資源流態化開采教學模型。本文詳細介紹了固體煤炭資源流態化開采教學模型的基本結構與功能，實現了固體煤炭資源流態化開采全過程的真實模擬和演示。

2.模型結構與功能

2.1整體設計

固體煤炭資源流態化開采教學模型的整體設計如圖2所示，通過全新高效、安全、可靠、無人、智能化的全斷面盾構方式巷道掘采工藝，實現盾構機采掘設備與智能移動選煤艙、煤炭快速液化艙、減沉協同自適應充填系統的統一，實現煤炭采、充與轉化的實時、協同運轉。通過新型支護推進方式的盾構機，有效實現采掘煤巖、輸送渣土、支護巷道、導向糾偏、一次斷面成型以及采、掘、運、支護一體化等多功能一體化的掘進設備，實現多種功能的高效集成。盾構機掘采設備需要完成智能移動選煤艙、煤炭快速液化艙、減沉協同自適應充填等多種功能一體化集成設計，實現結構緊湊、功能完善，實現采、掘、運、支護一體化。

流態化開采的盾構機類似蚯蚓的結構（圖3），可以拆卸和重新組裝，以適應巷道掘進和煤層開采的不同。圖4為煤層掘進的采掘部分，該模塊為蠕蟲狀自由彎曲結構，由多個功能模塊組成，以滿足獨立操作和隧道挖掘的需要。各功能模塊通過可拆卸的柔性組件連接，在開挖過程中，柔性組件可以進行轉彎、沿傾斜煤層上坡和下坡運動。這些柔性組件將不同的功能模塊連接起來，形或適合于煤層掘進的采掘部分。

深部煤層的智能、無人開采需要在地面搭建無線遙控平臺，對流態化開采設備的運行和工作狀態進行管理和監控。流態化開采設備的每個功能模塊都安裝了一個電動驅動器，允許模塊根據遠程監控平臺接收到的指令獨立向前或向后移動。流態化開采設備的柔性組件使用高強度和高韌性材料制造，以確保功能模塊之間的安全連接。這也使得流態化開采設備可以隨時調整其軌道，以便轉彎、上坡和下坡，從而促進其適應復雜的地形結構。

2.2 掘進部分

煤巷掘進部分主要包括一個采掘模塊（配備了一個刀盤和一個微波輻射裝置）和一個支護模塊。采掘模塊主要用于巖石破碎和挖掘。緊接著，采掘模塊的后面安裝了錨式鉆機，在井筒和巷道掘進過程中提供初步支護。如圖4所示，掘進機頭配有微波輻射裝置，用于破碎煤巖，以及用于機械切割的刀盤，從而提高了硬巖或硬煤層鉆孔的效率。掘進機頭使用微波輻射來降低位于其前面的煤和巖石的強度，同時使用刀盤進行機械切割。因此，通過巖層或煤層的挖掘效率顯著提高。支護模塊的主要功能是對井筒和巷道的圍巖進行錨桿支護。采用全數字化計算機控制系統，確保井筒和巷道的穩定。

2.3 盾構機的結構和功能

盾構機依次由采掘、選煤、流態化反應、儲能模塊組成。煤與矸石在分選模塊中由破碎機和電動跳汰機自動破碎分離。經刀盤破碎的煤和煤矸石由傳送帶運輸到支護模塊后方的流態化反應艙。流態化反應模塊將分離的固體煤轉化成氣態、液態或混合氣體/固體/液體能源或通過流態化反應模塊轉化成電能，如物理粉碎、化學轉化、生物降解和發電煤粉爆燃。轉化的電能一部分用于盾構機供電，其余部分電能存儲在儲能模塊中，并通過埋設在巷道中的發電輸送管道輸送到地面。流態化開采過程產生的固體廢物，如煤矸石和殘余物，不需送到地面（與傳統采礦不同），而是通過傳送帶輸送到選煤模塊進行后續破碎分選，分選后的煤矸石通過側管排出，作為骨料儲存在采空區中進行回填。分選后的煤輸送到流態化反應模塊。將分選后的固體煤通過流態化反應轉化為氣、液或氣/固/液混合流態化能源或電。反應后的固體廢物作為骨料排入采空區進行充填。一小部分由流態化反應模塊產生的電能被用于為流態化開采設備提供動力，而其余部分電能則臨時存儲在能量存儲模塊中，然后被輸送到地面。這樣降低了運輸成本，減輕有毒固體廢棄物對地面環境的污染，實現對矸石、礦渣等廢棄物的就地安全處理。

3.結語

本文設計了一套固體煤炭資源流態化開采的教學模型，流態化開采的盾構機類似蚯蚓的結構，可以拆卸和重新組裝，以適應巷道掘進和煤層開采的不同。盾構機依次由采掘、選煤、流態化反應、儲能模塊組成。本文介紹了該模型的基本結構與功能，實現了固體煤炭資源流態化開采全過程的真實模擬和演示。該模型有助于學生理解固體煤炭資源流態化開采全過程及運行機理，有助于培養學生積極探索的精神和應對新問題的能力。

參考文獻：

[1]謝和平，高峰，鞠楊，等.深地煤炭資源流態化開采理論與技術構想[J].煤炭學報，2017，42（3）：547-556.

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[5]謝和平.中國工程院咨詢項目“煤炭綠色開發利用與煤基多元協同清潔能源技術革命研究”研討會報告[Z].北京：西郊賓館，2016.

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[12]謝和平，王金華，鞠楊，等.煤炭革命的戰略與方向[M].北京：科學出版社，2018.

作者簡介：

陳宇龍（1988年-），男，四川瀘州人，博士，講師，主要研究方向為巖石力學與工程。