煤炭開采的未來在哪里？

在我國能源轉型的大趨勢下，越來越多的相關從業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展的推動作用，自不必多說。對于我國來說，煤炭，也一直是穩定能源結構的支柱之一。在前不久發布的《中國礦產資源報告（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、礦難事故頻發等問題，一直存在。

有數據顯示，我國煤炭開采事故最嚴重時，曾在一年內造成7000人傷亡。哪怕是2019年，這類事故所造成的傷亡人數，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問題。這里面包含兩個內容，物理材料的大變形問題和非線性力學的數學問題。只有解決好了這兩個內容，才能真正解決大變形力學所導致的災害問題。

但在環境復雜的地下，既要保證礦內巷道安全，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。為了維持巷道的穩定，這兩部分之間往往還要預留出一部分“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，前后要浪費煤柱資源不說，采空區形成的塌陷還不利于生態環境的修復。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現，只要計算好礦山的壓力和巖石碎脹系數，利用好巷道內原有的支護和空間，他的設想完全可以實現。而這個設想，就是后來被譽為我國“第三次礦業技術革命”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事故發生概率，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，指的是礦井內環境氣溫超過人體正常熱平衡所能忍受的溫度，導致工人出現中暑、休克甚至死亡的現象。

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境內溫度過高，直挺挺地暈倒在井下。像這樣的情況，短短幾個月內，那個礦井就能發生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，他發現，我們完全可以利用不斷排出的礦井水做一套水循環系統，只需要在礦井外接上一個降溫裝置，保證回輸到礦井內的水溫在18℃以下，就能在流經工作面的時候達到水冷換熱的效果。而這套系統應用后，也的確達到了何滿潮的設計預期。

目前，何滿潮提出的“110工法”已經被寫入《國務院關于煤炭行業化解過產能實現脫困發展的意見》，“N00工法”及其關鍵裝備也已經被寫入《中國制造2025——能源裝備實施方案》。

煤炭開采的未來在哪里？