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煤炭開采的未來在哪里？

在我國能源轉(zhuǎn)型的大趨勢下，越來越多的相關(guān)從業(yè)者開始思考這個問題。

作為地球上儲量最為豐富、分布地域最廣的化石燃料，煤炭資源對人類社會發(fā)展的推動作用，自不必多說。對于我國來說，煤炭，也一直是穩(wěn)定能源結(jié)構(gòu)的支柱之一。在前不久發(fā)布的《中國礦產(chǎn)資源報告（2021）》中，我國最新勘探到的煤炭資源儲量就有119.64億噸。

但在煤炭資源所帶來的巨大利益背后，礦山開采率低、礦難事故頻發(fā)等問題，一直存在。

 

有數(shù)據(jù)顯示，我國煤炭開采事故最嚴重時，曾在一年內(nèi)造成7000人傷亡。哪怕是2019年，這類事故所造成的傷亡人數(shù)，仍高達2800人。

如何為深入地底的礦工打造一條安全的巷道，正是我國礦山工程巖體力學(xué)專家，何滿潮院士一直在做的事。

何滿潮院士

恩師的難題

1991年，何滿潮順利完成了博士后的研究工作，被任命為當時巖土工程研究所的所長。

保障煤炭開采安全，該從哪里下手？

何滿潮想到了自己的恩師，陳至達教授的話：煤炭開采到一定深度以后，要解決的是一個大變形力學(xué)問題。這里面包含兩個內(nèi)容，物理材料的大變形問題和非線性力學(xué)的數(shù)學(xué)問題。只有解決好了這兩個內(nèi)容，才能真正解決大變形力學(xué)所導(dǎo)致的災(zāi)害問題。

 

但在環(huán)境復(fù)雜的地下，既要保證礦內(nèi)巷道安全，又要保證工程進度，并不容易。

此前的很長一段時間，我國的煤礦一直采用的是比較傳統(tǒng)的“121工法”。地底長長的巷道被分割為兩個部分，一個用來掘進，一個用來采煤。為了維持巷道的穩(wěn)定，這兩部分之間往往還要預(yù)留出一部分“煤柱”，用來支撐整個巷道的平衡。

可這種工法的效果卻不如人意。

用煤柱維穩(wěn)，前后要浪費煤柱資源不說，采空區(qū)形成的塌陷還不利于生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。最主要的是，這種方法往往需要同時挖掘兩條并行巷道。而約有90%的事故，都集中在了巷道掘進過程。

舊時煤礦工人工作圖

于是，何滿潮有了一個大膽的想法：不要煤柱，只挖一條巷道，能不能行？

這個想法并不是空想。

何滿潮在實地考察了大量煤礦巷道后發(fā)現(xiàn)，只要計算好礦山的壓力和巖石碎脹系數(shù)，利用好巷道內(nèi)原有的支護和空間，他的設(shè)想完全可以實現(xiàn)。而這個設(shè)想，就是后來被譽為我國“第三次礦業(yè)技術(shù)革命”的“110工法”——即一條巷道、一個工作面、零煤柱的采煤方法。

用這種工法，工人們下礦井后只需要掘進1條順槽巷道，另一條巷道則會通過切頂卸壓自動成巷，有效降低了巷道的周期性壓力，還能大大降低巷道開掘成本。

后來，何滿潮又在這種工法的基礎(chǔ)上進行了改良，省略了“110工法”仍然需要依賴的掘進巷道。升級后的工法，被他命名為“N00”，一個巷道都不用掘了。

三種工法對比圖

解決致命熱害

少開掘一條巷道，雖然在一定程度上可以降低礦內(nèi)事故發(fā)生概率，但威脅井下礦工生命安全的，絕不僅僅有巷道開掘這一項。礦井熱害，同樣可以在極短的時間里，傷害一位礦工。

所謂礦井熱害，指的是礦井內(nèi)環(huán)境氣溫超過人體正常熱平衡所能忍受的溫度，導(dǎo)致工人出現(xiàn)中暑、休克甚至死亡的現(xiàn)象。

2007年，何滿潮曾到一個熱害非常嚴重的煤礦井下考察，親眼看到礦工因為環(huán)境內(nèi)溫度過高，直挺挺地暈倒在井下。像這樣的情況，短短幾個月內(nèi)，那個礦井就能發(fā)生163例。其中有三、四例被救出來不久也去世了。

這樣的畫面深深刺進了何滿潮的心里。在科技如此發(fā)達的今天，他很難想象，礦井工人的每一次下井，仍要面臨生命威脅。

 

影響井下氣溫變化的因素有很多，其中比較主要的，是礦井的進風溫度、井下風流的壓縮和膨脹、機電設(shè)備散熱以及圍巖和井下空氣的熱交換。

以前，人們緩解井下溫度過高的問題，用的都是傳統(tǒng)的方法——要么把大量的冰塊運到井下，利用冰塊的溫度去中和井下的熱度，要么就是從地面往井下輸送冷氣，來降低井下溫度。這兩種方法的效果，顯然不太奏效。

何滿潮仔細研究了井下的整個系統(tǒng)，他發(fā)現(xiàn)，我們完全可以利用不斷排出的礦井水做一套水循環(huán)系統(tǒng)，只需要在礦井外接上一個降溫裝置，保證回輸?shù)降V井內(nèi)的水溫在18℃以下，就能在流經(jīng)工作面的時候達到水冷換熱的效果。而這套系統(tǒng)應(yīng)用后，也的確達到了何滿潮的設(shè)計預(yù)期。

目前，何滿潮提出的“110工法”已經(jīng)被寫入《國務(wù)院關(guān)于煤炭行業(yè)化解過產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》，“N00工法”及其關(guān)鍵裝備也已經(jīng)被寫入《中國制造2025——能源裝備實施方案》。

煤炭開采的未來在哪里？

這就是。

《我是科學(xué)人》紀錄片由劍南春特約贊助。