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强化科技创新推动煤炭行业高质量发展研究
党的十九届五中全会提出，坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。科技创新是推动煤炭行业转型升级和发展的强大动力，“十三五”以来，科技创新在推动煤矿智能化、提高煤矿安全生产水平、促进煤矿绿色转型、提高煤炭清洁高效利用水平等方面发挥了重要作用[1]，助力煤炭科技从跟跑逐步发展为部分领跑，有力推动了煤炭行业自主创新能力的提升。
进入“十四五”，煤炭行业面临低碳转型和高质量发展的双重压力，对煤炭科技创新工作提出了更高要求[2-5]，同时以智能化、信息化、大数据、绿色化为特征的新一轮技术创新的兴起，将持续改变世界能源和产业格局[6-7]，煤炭行业对科技发展的需求空前高涨。然而，当前煤炭行业的科技创新体系和科技创新能力与低碳转型和高质量发展的要求存在一定差距，通过分析当前煤炭行业科技创新存在的问题，科学采取提升科技创新能力的措施，科学部署“十四五”科技创新的发展方向，对推动煤炭行业高质量发展、助力碳达峰碳中和目标的实现具有重要意义。
1 科技创新推动煤炭行业技术进步
1.1 煤矿智能化水平显著提升
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，以大数据、人工智能、区块链、物联网等现代信息技术与煤炭产业深度融合，推动煤炭行业向数字化、智能化转型。截至2021年底，全国已建成800多个智能化采掘工作面[8]，实现智能化工作面从薄煤层、中厚煤层到特厚煤层的综采、综放开采的全覆盖。在智慧矿山建设、煤矿智能开采和智能掘进领域取得显著的技术进步，一批先进成果达到世界领先水平。
(1)在智慧矿山建设方面，建立了智慧矿山工业互联网架构体系，包括设备层、边缘层、企业层和产业层的“网络、标识、平台、安全”4大系统；提出了智慧矿山工业互联网平台技术5层架构[9]；建立了智能开采工作面三维地质模型，并实现了地质模型与“三机”信息互馈；建立了“数据透明-信息透明-知识透明”3层全息透明架构下的透明工作面体系[10]；建立了煤矿智能化技术标准体系，从而规范和指导高、中、低3类煤矿智能化建设[11]。
(2)在煤矿智能开采方面，建立了大采高综采工作面设备智能控制系统，实现了单轨吊集中控制室、移变列车集中控制室和地面智能专家决策平台3个控制平台统一。开发了世界首台9 m特厚煤层大功率智能采煤机(见图1)，年生产能力达到1 500万t以上。研制出满足年产2 000万t智能综采输送装备，包括SGZ1400/4800型刮板输送机、SZZ1600/700型刮板转载机、PLM6000型破碎机等。
图1 9 m特厚煤层大功率智能采煤机
(3)在煤矿智能掘进方面，开发了掘支运一体化智能快速掘进关键技术与装备[12]，实现了不移位截割与锚杆支护同步作业的核心功能，平行作业时间由25%提高到75%，掘进效率提高3倍以上。研发了首套集智能截割、自动运网、自动钻锚等技术为一体的智能快速掘进系统，掘进水平和支护质量得到有效提升。
1.2 煤炭安全生产形势持续稳定好转
冲击地压、水害、瓦斯、火灾等重大事故防控关键核心技术不断突破，职业危害、应急救援、安全监管监察等方面的先进技术装备持续升级，极大提升了煤矿事故防控和救援的科学化、专业化、高效化、智能化水平，推动我国煤矿安全生产形势持续稳定好转。2021年，全国煤矿百万吨死亡率降低至0.044，与2015年相比下降了37.29%[8]。
(1)在冲击地压防治方面，开发了煤矿巷道抗冲击预应力支护关键技术，建成世界首套锚杆支护系统复杂受力状态综合测试试验平台，发明了高冲击韧性、超高强度、低成本锚杆制造新工艺和抗冲击全长预应力钻锚注一体化锚杆，开发了双组分阻燃型低粘度不饱和聚酯树脂锚固材料。建立了冲击地压巷道防冲吸能支护理论[13-14]，创建了650 t冲击试验平台，研发了系列巷道防冲吸能支护技术及装备，发明了冲击地压能量释放与吸收监测装备。
(2)在矿井水害防治方面，不仅开发了典型顶板水害的防控技术[15]，建立了综合防控体系，还开发了烧变岩帷幕墙注浆保水技术[16]。同时，开发了煤层底板水害超前区域高效治理技术及装备，建立了煤层底板水害智能监测与预警系统[17]，大幅提高了煤层底板水害监测预警准确率。
(3)在瓦斯灾害防治方面，建立了煤矿瓦斯灾害智能监测预警系统，开发了多元信息动态监测、传输与自动采集技术以及监控预警软件平台，实现了瓦斯灾害全过程、全方位监控预警和联动控制。研制出煤矿井下瓦斯抽采钻孔机器人[18]，实现煤矿井下瓦斯抽采孔无人化施工。研发了煤矿井下长钻孔定向钻进技术与装备(见图2)，创造了沿煤层定向钻孔主孔深度3 353 m的世界纪录。
图2 煤矿井下长钻孔定向钻进装备
(4)在火灾治理方面，揭示了流动-反应传热-传质耦合条件下采空区热孕育机制[19]，开发了多元信息探测、时空协同分布式原位在线预警、高效阻化、瓦斯(煤尘)爆炸隔抑爆区域联控等技术[20]；研制了煤矿热动力灾害在线预警装备，实现工作面上隅角、回风巷等处火灾气体实时监测。
(5)在粉尘防治方面，揭示了大采高综采工作面粉尘产生及呼吸尘时空演化规律，开发了大采高综采面呼吸尘高效控制技术；揭示了综掘工作面粉尘产生及其扩散分布规律，研制出快速综掘工作面通风除尘成套技术与装备[21]，建立了矿山粉尘职业危害预警信息系统。
(6)在应急救援方面，建立了复杂地质条件下生命保障孔快速精准钻进技术优选评价体系，开发了地面大直径救援井精准、安全、快速构建技术[22-23]，建立了大直径应急救援井优快钻进专家系统。研制了适应多工艺钻进的大能力专用地面应急救援成套装备[24]，研制了适用狭窄大深度空间的快速可视化地面应急救援提升成套装备。
(7)在安全监管监察方面，形成了煤矿安全监管监察分级管控标准体系与规范，开发了矿井重大风险监测与违章自动识别量化评判技术与设备，建立了基于大数据的区域煤矿安全态势智能分析与预警系统，形成“互联网+”煤矿安全管控云平台[25]。
1.3 绿色矿山建设能力逐步增强
开展了岩层移动及控制理论研究、采煤塌陷区生态复垦和综合治理技术研究，形成了采空区治理、沉陷区土地整治、农林复垦、露天煤矿生态环境修复治理、矿区生态重构技术体系。开发了露天矿区典型灾害风险链演化综合分析、露天煤矿地质灾害综合治理、露天矿区生态修复等技术。开发了采煤沉陷区和矿山生态环境治理技术，推动我国煤矿区土地复垦率由原来的10%左右提高到2021年的57.5%。开发了高潜水位矿区生态修复技术、东部草原区大型煤电基地生态修复技术，创建了采矿迹地综合整治与生态修复技术体系及治理利用模式[26]。
1.4 煤炭清洁高效利用水平不断提高
(1)在清洁燃烧领域，开发了煤粉浓相供料、中心逆喷双锥浓相燃烧、锅壳式及膜式壁水管锅炉和污染物联合控制等关键技术[27-28]，建立了高效煤粉工业锅炉系统，实现了热效率>90%、烟尘排放≤20 mg/m3、SO2排放≤300 mg/m3、NOx排放≤350 mg/m3。开发的水煤浆循环流化床锅炉具有热效率较高、综合电耗较低、原始NOx排放低的特点，经济和环保效益显著。
(2)在煤层气利用领域，开发了低浓度煤层气浓缩利用技术与装备，可将10%～30%低浓度煤层气浓缩至90%以上，CH4回收率在90%以上。研发了瓦斯阶梯式清洁利用技术，解决了低品质瓦斯化学能的热电转换、高效氧化提热的难题[29]。
(3)在水煤浆制备领域，开发了煤气化细灰和化工污泥与煤协同制浆的技术与装备[30]，建成了煤气化细灰高碳组分和化工污泥与煤协同制浆示范线，每年减排化工污泥25万t，资源化利用煤气化细灰20万t，实现了煤化工典型难处理固废的源头减量和清洁高质利用。
(4)在现代煤化工领域，形成了多喷嘴对置式水煤浆气流床加压气化技术、水煤浆水冷壁废锅流程气流床加压气化技术( 晋华炉) 、干煤粉气流床加压气化技术(神宁炉)、航天干煤粉气流床加压气化技术(航天炉)、干煤粉气流床加压气化技术(东方炉)等具有自主知识产权的大型煤气化技术。建成世界首套百万吨级煤直接液化工业化项目，使我国成为世界上首个掌握百万吨级煤直接液化关键工程技术的国家。建成拥有自主知识产权的煤间接液化工业化升级示范项目，建成世界上首个煤制烯烃(DMTO)工业化示范项目，以及单厂生产规模最大的煤制烯烃( SMTO) 工业化升级示范项目。
2 煤炭行业科技创新需要完善的领域
虽然煤炭行业科技创新在“十三五”期间经历了快速发展，但是支撑煤炭行业高质量发展的能力还不足，依然存在行业基础理论研究整体比较薄弱、与信息技术以及新能源等领域的交叉融合不够、科技创新领军人才和高技能人才大量缺乏等问题。
2.1 科技创新体系有待完善
与煤炭行业高质量发展的要求相比，当前科技创新体系还有存在诸多需要改进和完善的地方。一方面，当前科技创新体系结构不尽合理，缺乏对市场科技需求快速反应，未能充分发挥煤炭企业科技创新的主体作用。另一方面，科技创新体制机制难以适应改革发展的新要求，未形成运行良好的科技成果转化机制、具有市场竞争力的科技人才引进机制以及行之有效的科技项目评价机制等。
2.2 基础理论研究重视不足
由于基础理论研究具有周期长、风险大的特点，煤炭企业普遍缺乏对基础理论研究的积极性和主动性，投入的人力和物力不足，导致煤炭安全、高效、绿色开发等方面的基础理论研究相对滞后。此外，应用技术开发缺乏基础理论支撑，导致原始创新技术成果较少，核心技术受制于人，科技领域的“卡脖子”现象依然严峻。煤炭行业在科技资源配置上存在产、学、研、用资源分割以及沟通不畅等问题，导致基础研究力量薄弱。
2.3 交叉领域科技攻关能力较弱
通过科技创新来推动煤炭行业与新能源、新技术、新产业的深度融合，促进煤炭由高碳能源向绿色能源转变，是煤炭行业高质量发展的要求。目前以可视化远程遥控技术和智能化工况监控为代表特征的煤矿智能化建设技术研发刚刚起步，与大数据、人工智能、区块链等信息技术手段的融合不够。煤炭行业绿色发展水平距离国家要求还有差距，西部生态环境脆弱地区煤炭资源开发与环境保护关键技术亟待突破。针对煤炭与风能、太阳能、生物质等新能源耦合发电、耦合燃烧、耦合化学转化的技术研发与工程示范的投入不足，煤炭行业低碳化水平有待提升。
2.4 科技创新及复合型专业人才缺乏
在企业以短期经济指标为主要考核指标的导向下，科研骨干力量向市场转移，高层次科技人员流失比例大幅度上升。由于缺少系统的中长期人才培养规划，对创新人才引进、选拔、培养力度不够，缺乏培养高精尖科技人才的环境和土壤，导致科技领军人才不足，人才梯队缺乏发展后劲。在煤炭行业去产能、去库存的发展环境下，煤炭行业对青年人才的吸引力下降，青年人才成长空间受到挤压，致使企业高科技青年人才队伍整体水平下滑。此外，尚未建立新兴交叉领域人才培养机制，煤炭行业所需“采矿+信息技术”“采矿+环境保护”等复合型专业人才缺乏。
3 提升煤炭行业科技创新能力的措施建议
为了进一步提升自主创新能力，煤炭行业应积极构建体制机制灵活、高端人才聚集、创新成果不断涌现的新型创新体系；持续加大研发投入，加强科研条件平台建设；加强煤炭绿色智能开采、煤矿重大灾害防控、煤炭清洁高效转化领域的基础理论研究和关键核心技术攻关，打造煤炭行业原创技术策源地；实施领军人才和高层次科技人才培养与引进系统工程，建立学科带头人和学术梯队的培养机制。
3.1 完善科技创新体制、机制
建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的科技创新体系，形成基础研究、应用技术研究和产品研发的有效衔接。深化科技创新体制机制改革，优化科技创新决策机制，充分发挥科学家主导创新的决策作用；改革科研项目管理，探索“揭榜挂帅”“赛马制”等新型科研项目管理机制；改进科技管理体系，深入落实“放管服”，赋予项目负责人技术路线决策权、研发团队组建权、资金使用支配权、成果处置权、项目成员绩效考核权等；健全科技创新成果转化的制度体系，精准落实科技成果转化激励政策，鼓励企业优先开展科技成果内部转化，支持开展合作转化和对外许可转化；完善科技创新奖励激励机制，加大创新成果考核奖励力度，对获得国家、省重大科技奖项的人员给予额外奖励，对在科研实施和成果转化过程中做出突出贡献的人员实施企业股权激励、分红激励等措施，充分激活科研人员创新活力。
3.2 加大研发和科研平台建设投入
加大研发经费投入力度，建立长期稳定支持的研发投入机制，设立支持基础理论研究、“卡脖子”技术攻关的专项资金，优先支持原创性研究。持续加强科研条件平台建设和运行经费支持，针对科研平台设立非竞争性的科研项目，鼓励实验室开展基础研究，重点支持实验室开展原创性基础研究、应用基础研究、产业化前期基础研究、技术标准制修订研究。加快建设一批适应低碳转型、煤矿智能化以及冲击地压等煤矿重大灾害防控等新需求的实验平台，完善支撑煤炭行业高质量发展的科技创新平台体系。
3.3 打造原创技术策源地
聚焦煤炭绿色智能开采、煤矿重大灾害防控、煤炭清洁高效转化领域的重大基础理论、应用基础理论和关键核心技术的需求，科学布局“十四五”重点攻关方向。加大对基础理论研究的支持力度，重点支持自由探索、原始创新、具有战略性前瞻性的基础研究，鼓励实施一批长周期、高风险、自主选题的重大基础研究项目，圈定并培育基础研究团队。凝聚社会各界优势力量，集聚创新资源，建立以科技领军企业牵头的面向关键核心技术攻关的创新联合体，形成产学研深度融合的协同创新机制。聚焦煤炭行业高质量发展的迫切需求，制定“揭榜挂帅”项目榜单，凝聚国内优势力量，加强核心技术攻关，快速突破技术瓶颈。
3.4 培养高水平科技创新人才
实施领军人才和高层次科技人才培养与引进系统工程，通过多渠道、多层次广泛吸纳创新人才，围绕核心领域，重点建设一批高水平科技创新团队，在科研项目上给予优先支持，赋予更大的人财物支配权、技术路线决策权等。加大对优秀青年科技人才的资助力度，为优秀青年人才提供到国外高水平研究机构进修、学术交流的机会，破格聘任优秀青年人才为研究员和硕士、博士导师。建立煤炭行业新时期交叉领域复合型人才培养体系，培养既懂煤炭生产工艺又具有自动化、信息化研发能力的复合型人才，培养懂生产、能管理、全面掌握采掘工作面生产设备、熟练应用计算机控制系统的复合型人才。依托重大工程、重大科研攻关项目培养和锻炼人才，构建以院士专家和科技领军人才为核心、各级各类科技人才为骨干、具有持续创新能力的人才梯队。
4 “十四五”煤炭行业科技创新发展方向
“十四五”是我国开启全面建设社会主义现代化强国新征程、向第二个百年奋斗目标进军的第一个五年。煤炭行业正面临高质量发展和“双碳”目标的双重压力，未来科技创新应围绕煤炭绿色安全智能开发和清洁高效低碳利用等领域尚未攻克的重大基础理论、应用基础、关键核心技术进行布局，服务行业高质量发展和国家战略需求。
4.1 全力推动智慧矿山建设
建设工业互联网平台和大数据中心，开发矿山智能系统，推动智慧矿山、透明矿山建设等行业标准制定。建立矿井地质及井巷工程全息数字模型，开发透明矿井三维可视化与数字孪生技术，构建全矿井数据汇聚、业务综合管控的信息集成平台及其高效运行生态。煤炭行业技术装备智能化升级是发展趋势，聚焦井工煤矿采掘工作面智能装备、运输智能装备，露天煤矿智能装备等智能装备开发过程中的共性问题，开展技术攻关。
4.2 提升矿山安全生产保障能力
以冲击地压、瓦斯、水害等典型灾害精准预警、智能防控、有效救援为重点，强化技术装备研发。开发煤矿重大灾害智能感知技术、灾害感知数据实时可靠融合传输技术、重大灾害智能预警技术，为智能化开采提供更加可靠的安全保障。突破煤层瓦斯智能高效抽采技术与装备、冲击地压灾害智能防控技术、煤矿火灾一体化防控成套技术及装备、瓦斯煤尘爆炸智能隔抑爆技术和煤矿典型水害精准高效防治技术等瓶颈制约。
4.3 保护和修复矿区生态环境
紧跟国家加强矿区生态建设步伐，加强废弃矿井资源化利用和矿山生态修复。研发非爆破绿色建井技术、充填开采关键技术与装备、矿井水资源保护技术、采煤沉陷监测预警和治理等，减小煤炭开采对地层、地下水资源和生态环境的损害。开发大型露天煤矿生态综合治理技术、采煤沉陷区生态修复技术以及煤层气高效开发利用相关技术。开发煤矸石等煤基固废的资源化利用技术，加强对废弃矿井地下空间的利用。
4.4 提升煤炭清洁高效利用水平
突破煤炭清洁加工深度转化、污染物控制领域的新技术，大力发展智能高效节能的选煤技术、新型洁净燃烧煤粉锅炉、高浓度水煤浆、煤基新材料、挥发性有机物净化处理及吸附剂再生、工业炉窑烟气超低排放、工业废水处理与回用等技术，为煤炭清洁化、低碳化转型提供技术支撑。在碳减排、碳中和领域，积极部署CO2捕集关键技术、CO2驱煤层气与封存技术、CO2矿化转化利用技术、CO2高效催化还原技术，煤炭与风能、太阳能、生物质等新能源耦合发电、耦合燃烧、耦合化学转化等技术。
5 结语
煤炭行业正处于低碳转型和高质量发展的重要战略机遇期，要深刻认识科技创新的核心地位，进一步强化科技创新推动煤炭行业高质量发展的推动力作用，不断完善科技创新体系，持续加大科技研发和科研平台建设的投入，强化人才建设，推进煤炭行业基础理论研究和重大核心技术攻关，打造煤炭行业原创技术策源地，实现煤炭科技高水平的自立自强。
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Research on strengthening scientific and technological innovation to promote the high-quality development of coal industry
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