摘要安全生产是一个庞大的系统工程，安全科学研究工作是这个庞大系统工程中的重要链条之一。安全科学研究工作的深度和广度对安全生产具有重大促进作用。围绕我国安全生产面临的实际问题，搞好重大安全科学研究课题的论证和列项，是争取快出成果和培养有用人才的一个不可忽视的问题。
关锐词工业企业安全科技需求研究
煤炭在我国一次能源生产和消费结构中比重分别占76%和66%，国家《能源中长期发展规划纲要(2004-2020年)》中确定，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”;中国工程院《国家能源发展战略2030-2050》报告提出2050年煤炭年产量控制在30亿t[1]，煤炭将长期是我国主导能源。近年来我国煤炭工业安全生产取得了举世瞩目的好成绩，但我国煤矿开采地质条件极其复杂，随采深的增加，地应力、瓦斯压力、地温等越来越高，各种灾害治理难度日益增加，加快传统煤炭开发技术改造步伐，加大煤炭科技创新力度，并从体制机制、政策法规等战略层面进行积极探索，才能实现我国煤炭工业科学发展。
1我国煤炭工业安全科学技术现状
1.1我国煤炭工业灾害威胁严重
我国煤炭资源分布范围广，但煤层赋存条件差，薄和极薄煤层、厚与特厚(巨厚)煤层、大倾角与急倾斜煤层广泛分布，煤炭开采难度大，相对比例煤矿安全基础薄弱，防灾抗灾能力不够，瓦斯、冲击地压、水、火、粉尘、顶板、机电及地温等安全事故时有发生[2]。2014年，全国煤矿共发生509起死亡事故、死亡931人，煤矿百万吨死亡率与先进的产煤国家比较，是先进国家的10倍。特别是随着采深增加，煤与瓦斯突出、冲击地压等多场耦合煤矿动力灾害频率和强度明显增加，我国已有130多对矿井采掘工作面风流温度超过30℃，最高超过39℃，湿度90%rh～100%rh。高温高湿条件会引起人体生理功能改变，使人产生热疲劳、中暑、热衰竭、热虚脱、热痉挛、热疹，甚至死亡。高温热害已成为继瓦斯、煤尘、水、火、顶板之后的第6大灾害。因此，我国煤矿作为高危行业的概念没有发生改变，一些主要灾害威胁依然存在并严重影响煤矿安全生产。
1.2煤炭工业安全科学技术进步显著
我国原煤产量逐年增加，从2000年的13.0亿t增加到2014年的38.7亿t(约占世界煤炭产量的50%)，增幅达197.7%，相反煤矿生产事故及死亡人数实现逐年“双降”，煤炭百万吨死亡率从2005年的2.76降至2014年的0.257，煤炭百万吨死亡率创历史新低[3]。这主要是由于煤炭工业安全科学技术在以下方面取得了显著进步:
相关期刊推荐：《煤矿安全》(月刊)创刊于1970年，主要内容是宣传国家有关煤矿安全的政策、法规;报道国内外煤矿安全领域的新成果，新技术以及安全装备、安全管理、安全培训等信息;剖析井下事故案例等。读者对象主要是煤炭行业的工程技术人员、各级领导干部、科研和设计人员、以及煤炭院校师生和工人、各级地方工会和劳动管理部门的有关人员。
煤与瓦斯共采理论研究取得新突破，依托“973”计划“无煤柱煤与瓦斯共采”课题，揭示了煤矿采动影响区应力场、裂隙场和瓦斯流动场的形成特征和分布规律，为高效抽采瓦斯提供了理论基础。瓦斯防治重大关键技术与装备研究取得重大突破。井上下瓦斯(煤层气)抽采依托国家科技重大专项攻克了多分支水平井钻完井等重大核心技术，形成一系列具有独立自主知识产权的创新成果，制定了40余项重要标准规范。瓦斯防治技术成果推广初显成效。2006年以来，煤矿瓦斯治理国家工程研究中心面向全行业开展瓦斯治理技术服务，驻矿式成果转化团队近400人，技术服务遍布全国14个省(区)30余家大型煤炭企业，覆盖煤炭产能近21亿t。
2)冲击地压防治方面。冲击地压发生机理研究不断深入，先后提出变形系统失稳理论、“三因素”理论、强度弱化减冲理论、复合型厚煤层“震冲”机理、岩体动力失稳的折迭突变机理、冲击启动理论等，在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得了一定的成果和共识，为冲击地压的监测监控及防治提供了理论依据。基于冲击地压发生机理研究，冲击地压监测预警技术取得长足进步，研发了微震信息监测、电磁信息监测及岩层动态信息监测等预警技术。冲击地压的防治技术手段也不断进步，形成了采矿优化设计、避免高应力集中、改善煤岩体介质性质、增大支护强度及改善支护方式等多种防冲措施[6-7]。
3)矿井水害防治方面。水害防治在“下三带”开采、“强径流通道”、煤层底板采动效应及原位张裂与零位破坏等方面取得重要理论突破，形成了地面三维地震勘探、钻探，井下物探、钻探、化探相结合的井上下综合探测深部地质异常体的手段与方法，完善了底板高承压岩溶水害治理利用隔水层带压开采、疏水降压限压开采及注浆改造抗压开采3种工程技术模式和配套关键技术[8]。
4)矿井火灾防治方面。研发了三相泡沫防灭火技术、液氮高效防灭火抑爆关键技术与装备、矿井高效注氮防灭火技术和系统、玻纤改性黏土-水泥基复合浆体喷涂技术、巷道快速封闭及风流远程控制技术等，煤矿火灾防治能力不断增强。
5)矿井粉尘防治方面。研发了新型泡沫除尘技术、矿用干法除尘系统等，降低了除尘系统耗能，减少了除尘系统耗水，提高了除尘效果。
6)围岩巷道控制方面。提出了高地应力、高渗透压与干湿循环、高温度梯度“三高”耦合作用导致围岩破坏失稳的巷道围岩破裂机理、分级分步联合支护理论及顶板楔形加固的稳定性控制原理，发明了锚杆高预紧力施加方法、大扭矩气动锚杆预紧力安装机、高强抗折喷层及深部膨胀巷道稳定控制技术，研制成功底板锚索施工关键装备-风动底板锚索钻机，创新发展了千米深井岩巷锚注支护新技术。目前淮南矿区每年10余万米巷道全部采用分级分步联合支护控制技术[9]。
7)矿井热害防治。提出了矿井热环境测定与评价方法，揭示了巷道围岩热传导特性及沿程升温规律，得出了降温系统各环节相互匹配的技术标准，开发了适用井下环境的高效回风排热系统及设备，建成国内首个井下局部降温机降温系统、亚洲首座瓦斯发电余热制冷集中降温系统和热电冷联供地面集中降温系统，工作面温度平均降低3～5℃，湿度平均降低25%rh～30%rh，感觉温度平均降低5～8℃，大大改善了作业环境。
1.3煤炭工业安全科学技术研究存在的问题
近年来以淮南矿业集团、神华集团等为代表的多家大型煤炭企业安全生产水平已达到世界先进水平，但我国还有相当比例矿井科技装备水平落后，在严重影响矿井安全生产的重大科学问题没有解决的情况下冒险强行作业。尤其是瓦斯问题，一些矿井不能做到抽采达标，先抽后采，瓦斯利用率低，瓦斯已成为造成矿难的最主要原因。总体看来，我国煤炭工业安全科学技术研究还存在以下不足:
1)矿井进入深部开采后，一系列工程灾害如煤与瓦斯突出强度大、突出诱因复杂、瓦斯涌出量增大、采场及巷道矿压显现剧烈、地温升高、冲击地压、矿震等灾害日趋严重。深井所发生的煤岩瓦斯动力现象更趋复杂，特征模糊，致灾共性化，不能用传统的突出机理或冲击地压理论进行解释。煤与瓦斯突出和冲击地压作为矿井典型的动力现象，其耦合现象凸现出来，深部矿井煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害可能共存于同一矿井或煤层不同区域，动力灾害发生机制既有共性也存在差异，已有的防治技术及装备不能完全满足深部矿井煤岩动力灾害治理的需求。卸压增透措施是治理灾害的有效措施之一，但目前尚未研发形成有效的技术体系，如何有效卸压增透已经成为煤炭行业亟需解决的难题之一。
2)我国煤炭资源分布较广，煤层条件差异性大，煤层条件复杂，煤系及盖层或成煤基底中存在的褶曲、断层、陷落柱、溶洞(暗河)等，往往是引发煤矿水害、瓦斯灾害等事故的主要原因。老窑采空区(资料不详)，往往诱发采空区透水，有毒有害气体泄漏诱发的中毒、火灾和瓦斯爆炸事故及采空区诱发的其它工程地质灾害，成为其附近区域及邻近煤层开采的重大安全隐患。煤层条件探测是煤矿灾害防治治本之策，但技术因探测对象(条件)不同而异，探测精度差异性较大，各方法、装备的探测不确定性较多，探测结果存在多解性。
3)缺乏系统的煤矿灾害预警集成平台，煤矿是一个大的系统工程，各种灾害之间存在内在联系，目前灾害信息尚未实现共享。其次，现有煤矿灾害相关信息监测技术及装备在关键数据获取的全面性、准确性和及时性方面有待提高，缺乏对煤矿海量数据的有效处理分析方法。
4)高瓦斯矿井自燃或易自燃煤层开采过程中的瓦斯抽采与采空区防火技术相互平衡问题是困扰矿井安全生产的主要难题之一，同时大气压、矿井通风负压、瓦斯抽采负压等参数是直接影响采空区瓦斯涌出的关键参数，但其耦合作用对瓦斯涌出的作用机制没有得到相应完善，随着我国矿井开采强度的不断增大，工作面瓦斯异常涌出危险性进一步增大，如何在强化矿井瓦斯抽采时，最大程度地避免对自然发火防治产生干扰，降低瓦斯爆炸与自然发火耦合灾害的发生，成为目前影响矿井安全生产的关键技术挑战。
5)目前，增产技术与装备是制约低渗透松软煤层煤矿区瓦斯地面抽采的关键技术难题。为提高单井气产量，目前瓦斯地面抽采的储层增产改造技术正朝着多种高效手段发展，如TRD储层改造、高压空气动力造穴、水平井分段压裂等。但至今，国内外都只进行了基础理论研究和小型试验探索，初步显示出该类技术具有广阔的潜力和前景;但由于研发力度不足，缺乏示范工程试验，仍存在诸多问题严重阻碍了该类技术的快速发展和推广应用。主要表现在如下几个方面:现有TRD增产改造技术与装备主要从石油领域引入，不能完全适用于煤储层、特别是低渗松软煤层，导致改造范围有限，技术优势难以发挥;缺乏有效的适合于松软低渗煤层的高压空气动力造穴技术;低渗松软煤层自身特点导致水平井钻进成功率低、成孔护壁困难、后期压裂困难，抽采效果差。
6)目前，在矿井特大型突水事故治理工程实践方面具有一定的经验基础，但在矿井注浆堵水领域其理论研究远远落后于技术经验。水害治理技术的理论基础和注浆堵水机理研究甚少，特别缺乏事故抢险过程中快速注浆堵水的理论基础和治理体系，大大限制了注浆堵水技术发展。因此，为进一步遏制重特大水害事故频发现状，最大程度减少水害所产生的损失和影响，开展重特大水害治理技术与设备研发已迫在眉睫，势在必行。
7)我国火源探测手段主要局限于遥感、测氡及物探等方面，地下煤火发展及状态探测精度较低，无法实现火源准确定位，亟需进行技术攻关。深部矿井生产过程受束管监测系统束管易漏气且色谱检测设备操作复杂影响，内因火灾预警能力有限。另一方面，典型外因火灾监测系统，如带式运输机火灾、电缆火灾、机电设备火灾等由于火灾响应时间长，监测技术手段单一，预警功能薄弱，矿井内外因火灾预警无法实现有机统一。
8)超高浓度粉尘的实时监测技术研究严重滞后，粉尘爆炸危险性的评价与爆炸条件参数远程预警技术尚属空白，需对爆炸性粉尘爆炸机理及爆炸环境治理设备安全运行技术开展深入研究。
9)我国矿山及地下工程生产建设主要以井工作业为主，地质条件复杂多变，经常受到有毒有害易燃易爆气体、水灾、火灾、塌方等灾害威胁，抗灾能力较弱，导致事故时有发生。目前事故造成大量人员伤亡，除了资源条件、管理等方面的原因外，事故发生时，因缺乏高效、协调、统一的应急救援信息、管理、救援先进技术及装备，无法快速准确获取灾区现场状况，难以与地下遇险人员取得联系，搜救过程中救援人员不能与地面指挥中心进行实时联络，难以对地下遇险人员有效的定位和搜救，灾害救援方案和难以采取及时、科学和高效的应急响应对策，未能形成综合信息化指挥平台。
10)随着我国煤矿建设的高速发展，煤矿生产条件和操作对象越来越复杂，井下事故处理难度将更困难，对煤矿井下事故应急救援技术及配套装备提出了更高要求。由于我国煤层地质条件的多样性与复杂性，国外现有装备与施工工艺不能满足我国煤矿应急救援的需要，应尽快针对煤矿应急救援钻孔施工的地面、井下大功率钻进钻机、钻具以及配套钻进施工工艺、成套救援装备与配套救援工艺等进行自主研发。
2安全科学技术创新与发展方向
针对我国煤炭工业安全科学技术研究存在的问题，应在以下几个方向进行煤炭安全科学技术创新与发展。
2.1深部矿井多种煤岩动力耦合灾害治理
1)研究多场多参量煤岩耦合动力灾害综合预警技术。利用煤与瓦斯突出大型物理模拟科学实验装置(模型体尺寸=3300mm×3252mm×4100mm，质量150t，模型边界最大载荷集度5MPa)，全封闭、真三维、大尺度、遵照相似准则模拟石门揭煤及煤巷掘进过程煤与瓦斯突出现象，通过全方位、全过程应力、瓦斯压力、瓦斯含量、温度等多场多维信息监测，得到煤与瓦斯突出过程的海量数据，再对这些大数据通过云计算进行数据挖掘后找到煤与瓦斯突出前兆信息，最终实现煤与瓦斯突出预测预报。煤与瓦斯突出大型物理模拟科学实验装置如图1。
2)利用巷道围岩破裂机理研究实验装置(模型体尺寸(直径×高)=2500mm×3160mm，模型边界最大载荷20MPa)，开展大尺度、高荷载三维物理模拟实验，进行巷道围岩应力分布规律、破坏机理、分区破裂、稳定控制及支护技术研究[9]。围岩破裂机理研究实验装置如图2。
3)利用煤与瓦斯共采实验装置(模型体尺寸(长×宽×高)=5264mm×4880mm×4000mm，质量170t，边界最大载荷集度为1.2MPa，可模拟采深为1500m)，开展三维无煤柱煤与瓦斯共采物理模拟实验，研究首采层采动应力场形成及分布规律、采场上方裂隙场形成、演化及分布特征、瓦斯运移及富集规律，分析深部高瓦斯煤层煤与瓦斯共采过程中“三场”耦合作用机制和演化规律，降低瓦斯抽采工程量，提高瓦斯抽采效果。煤与瓦斯共采实验装置如图3。
4)开展水雾主动抑爆关键技术与装备研究，主动阻断瓦斯爆炸链式反应。水雾主动抑爆制雾单元如图4，水雾主动抑爆试验设备布置如图5。
2.2煤矿隐蔽致灾因素动态智能探测
研发地面高精度电法、三维动态电磁法、被动地震等勘探技术及配套仪器与软件，将地面监测监控系统与矿井监测系统并网进行数据处理。井下主要开发高精度便携式槽波地震仪、工作面超前探测方法与配套仪器、电极阵列式采动灾害监测仪、充电法含水巷道探测仪及底板岩层视电阻率成像及异常体动态分析系统。最后，选取3～5个典型矿井，进行煤矿致灾因素动态智能化探测技术的示范工程应用，建设隐蔽灾害探测、监测示范矿井，实现示范矿井隐蔽灾害探测不低于95%。
2.3基于大数据的煤矿重大灾害预警平台
开发煤矿灾害相关的瓦斯参数、地质参数、采掘应力参数、水文参数、火源探测参数、措施缺陷、机电设备状态、粉尘参数、安全隐患管理等信息动态采集终端，通过研发基于互联网和物联网技术的煤矿灾害信息传输标准与规范，利用大数据分析技术将煤矿各种信息进行有效融合，建立分布式海量灾害信息数据库，构建模块化的各类灾害预警子系统，确定各指标的权重，自动分析、生成不同原因的监测数据异常特征提取模型，滤噪提取有用信息，创建灾害预警指标数据库，建立指标参数的取值范围与灾害之间的量化关系，实现对煤矿灾害的自适应、超前、准确预警，“三位一体”科学研究方法示意图如图6。——论文作者：袁亮
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