“十五”“211工程”二期重点学科建设项目(采矿学科)---煤炭资源高效与绿色开采系统

作者:发布时间:2010-05-06浏览次数:4630

一、建设目标及建设任务完成情况


(一)项目建设概况
    煤炭在我国一次能源结构中占70%以上,作为国民经济基础的煤炭工业对于社会、经济发展和提高人民生活水平极为重要。长期以来,由于煤炭开采普遍采用顶板全部垮落法处理采空区,在保证国家能源供给,支撑国民经济快速发展的同时,引发岩层及地表沉陷、排放大量煤矸石与瓦斯等有害气体,已经造成农田及建筑物破坏、村庄迁徙、矸石堆积、地下水流失、土地沙漠化等严重的生态环境破坏问题,煤炭资源采出率仅40%左右,随着未来国民经济和社会发展的需要,煤炭产量不断增长,如此下去这些问题将越来越严重。为此,中国矿业大学提出绿色开采新理念,即立足于煤炭开采的源头,通过对采煤方法和工艺,岩层控制以及相关技术、实验研究平台等的研究和建设,改变传统采煤工艺造成的生态与环境问题,实现煤炭资源的环保、高效、高回收率和安全开采,根本解决煤炭开采资源采出率低、地表沉陷与生态环境严重破坏问题,实现采矿工业的可持续发展。
    本项目总体建设目标就是针对我国煤炭采出率低、开采沉陷与生态环境破坏严重等重大技术问题,建立和形成解决我国煤炭资源高效率、高效益、高水平的绿色开采关键理论与技术问题的研究平台和能力,创建煤炭资源高效与绿色开采理论与技术研究的创新基地;培养一批能够跟踪国际最新发展前沿、开展国际合作与交流,在国际国内具有较高影响力的人才,研究成果达到国际先进水平,局部达到国际领先水平;为我国煤炭工业的可持续发展提供技术保障。
1. “十五”“211工程”项目总体建设目标
    针对国家关于煤炭资源开发与环境协调发展的需求,形成解决我国煤炭资源高效率、高效益、高水平的绿色开采关键理论与技术问题的研究平台和能力,创建煤炭资源高效与绿色开采理论与技术研究的创新基地;培养一批能够跟踪国际最新发展前沿、开展国际合作与交流,在国际国内具有较高影响力的人才,研究成果达到国际先进水平,局部达到国际领先水平;为我国采矿工业的可持续发展提供保障。
2. “十五”“211工程”项目建设的主要任务
    形成采矿领域煤炭资源高效与绿色开采的理论体系;形成低成本矿用充填新材料;实现煤炭资源开采方法和工艺的重大突破;形成绿色开采岩层控制的新技术和深部动压监测控制新体系;形成煤炭地下气化开采技术体系。
培养一批高水平的国际化优秀人才,形成新的学科带头人和学术骨干,不断优化学科梯队。主办国际会议1~2次,主办国内专业会议3~5次,参加国际会议10次以上,建立中波科技交流关系。
    建设具有国际先进水平的煤炭资源高效与绿色开采关键技术的开发研究基地,例如兖州矿区、淄博矿区、新汶矿区、淮南矿区、淮北矿区等现场研究试验基地。
    建设项目完成后,建设成果将成为硕士、博士及博士后高水平人才培养的丰厚资源和坚实基础,并将承担国家、部门企业的重大科研项目的实验研究,极大地促进学科自身的发展。
1.2 “十五”“211工程”项目建设总投资、投资构成及投资安排
    “十五”“211工程”项目“煤炭资源高效与绿色开采系统”计划投资810万元,其中专项资金560万元,自筹资金250万元。主要从“矿山数值计算与岩体测试技术”、“绿色开采材料与工艺系统”、“煤炭地下气化试验系统”、“锚杆支护实验系统”、“高产高效开采监测系统”和“采动岩层破裂渗流的实测与实验技术”等六个子项目进行建设。
(二)“十五”“211工程”建设任务完成情况
2.1 总体建设目标、建设任务以及具体指标完成情况
    中国矿业大学采矿工程学科提出的煤炭资源高效绿色开采技术体系由基础理论、关键技术和重要课题等方面构成,其中绿色开采的基础理论方面主要包括采后覆岩裂隙场分布演化规律、开采沉陷规律、气液渗流规律、岩体应力场、岩层控制的关键层理论等,绿色开采的关键包括固体废物充填采矿技术、煤炭地下气化技术、煤与瓦斯共采技术、煤巷支护技术、矸石不出井处理技术等,绿色开采重点研究的课题则包括开采沉陷控制与地表保护、矿区地下水资源保护、瓦斯抽采、充填采矿、矸石处理、煤炭地下气化、冲击矿压防治、深部开采与地热利用等。
    采矿工程通过“十五”“211工程”项目“煤炭资源高效与绿色开采系统”总体的建设目标、建设任务全部完成。通过采矿工程“十五”“211工程”项目的建设,取得了三项突出的标志性成果,建成了两个研究试验平台,立项建设了一个国家级重点实验室和一个部级重点实验室。主要有:
1.标志性成果
   煤炭资源绿色开采的理论与技术框架
   煤巷预应力锚杆控制技术
   基于CAD的数字化矿井系统
2.实验平台
   固体废弃物膏体充填开采试验平台
   深部围岩应力测试的试验研究平台
3.实验基地
  “煤炭资源与安全开采”国家重点实验室
  “矿山开采与安全” 教育部重点实验室
   兖州、两淮等一大批现场试验基地
2.2 各项目建设目标、建设任务以及具体指标完成情况
    项目紧密围绕煤炭资源高效与绿色开采系统项目建设的总体要求,完成了自己的建设目标、建设任务,在队伍建设、人才培养和重点研究方向上取得了较大的进展。
1. 矿山数值计算与岩体测试技术
    该子项目紧密围绕煤炭资源高效与绿色开采系统项目建设的总体要求,建立了“岩体应力测试系统—数值计算软件—设计软件—现场应用实测设备”的一整套实验平台。
    主要包括:引进和完善的了数值模拟软件。主要是将原有FLAC、UDEC和FLAC3D软件升级到最新的版本,并对每个软件其中的两套增加了各个选项,建设了具有动力学、蠕变、渗流、气固液耦合等功能的数值模拟计算软件,即3DEC(Version 2.0),PFC2D(Version 2.0),PFC3D(Version 2.0)和FLAC(Version 4.0),FLAC3D(Version 2.0),UDEC(Version 3.1)的完善。对引进的软件进行了部分开发,结合各个老师的具体项目对绿色开采的研究热点问题进行了广泛的研究;加大了对三维数值软件的开发力度,并得到了很好的应用;结合采矿工程问题的特点,开发了锚杆支护的数值力学自动分析系统,将数值力学分析软件很好地应用于巷道支护技术的研究。
    引进了SURPAC VISION软件系统。通过引进完整的国际上公认的优秀三维可视化矿井开采系统软件,从而建设矿井信息化、可视化开采系统实验室,以研究采掘过程中采场和巷道的数据信号传输和转换技术,开发一套相应的软件包及信号转换软件。
    建成先进的岩体应力测试系统;采用国内最好的先进的岩体应力测试装备及国际水平的取芯装备和技术,可进行大规模的先进的岩体应力和状态测试研究工作,为数值模拟计算提供可靠的依据,为采矿设计及巷道布置、矿山压力、煤岩动力灾害、冲击矿压等提供可靠的实验平台。
    围岩状态探测仪RIS地质雷达;该便携式地质雷达由主机和100 MHz、600MHz两组天线组成,探测范围为6~30m和1.5~3m。其采用电磁波的形式来探测巷道围岩的状态、裂隙的分布规律、巷道围岩松动圈的范围、巷道顶板的离层状态、放顶煤工作面顶煤厚度的分布规律等方面的围岩状态,为深部动压巷道的支护、高冲击矿压危险区域巷道支护形式的研究等提供试验测试平台。
    在深部围岩应力测试试验研究平台,煤层动压巷道围岩控制技术,冲击矿压电磁辐射预测技术,矿井数字化信息系统等等方面有了较大的突破。
    培养了高水平的研究生和国内外有影响的专家。“十五”期间,有4名教师晋升为教授,5名博士生导师。毕业博士9名,硕士34名。1人获得了国家政府特殊津贴,1人获得孙越崎“优秀青年奖”,1人获得煤炭“优秀青年奖”, 1人入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,2人获得江苏省“青蓝工程”优秀学术带头人,1人获得江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师。在国内外有关学术刊物和学术会议上发表搞水平的学术论文130多篇,EI、ISTP收录49篇,出版学术专著8部。参加国内学术会议30多次。进行国际交流10多次。研究成果获国家级科研成果奖3项,省部级奖22项;国家级教学成果奖1项,省部级奖2项;国家级教材、图书奖1项。
    争取到了包括国家自然科学基金、国家“十五”科学攻关项目、国家创新技术项目、国家博士后基金项目等在内的国家级项目14项,包括中波政府间合作项目在内的国际合作项目2项,包括教育部博士点专项基金、教育部重大科技项目等在内的省部级项目6项,企业合作项目100多项。纵向科研项目研究经费达到了200多万元,横向科研研究经费达到了2000多万元。
    通过本项目的建设,使得冲击矿压防治,动压巷道控制,矿井信息化数字化技术等研究方面具备培养高水平博士、博士后以及高级访问学者和承担我国重大科研攻关任务的能力。
2. 绿色开采材料与工艺系统
    本子项目是“九五”“211工程”建设项目“充填注浆材料及技术实验系统”(因为场地原因推迟)的继续和补充,通过“十五”期间的建设,建成了具有良好展示度的现代化绿色开采材料与工艺实验中心,形成了固体废弃物膏体绿色充填开采试验平台,为采动岩层充填控制成套理论、材料和工艺技术提供了技术支撑,具体建设成果包括:
    (1) 建成了充填注浆材料制备实验系统。该系统由组合破碎机、振动磨、超细分级机、微粉捕集器、混合机等主要设备科学组合而成,计算机程序控制,具有材料破碎、粉磨、分级与混合加工的中试能力,超细分级机制备的材料平均粒径可达24 m,系统制备材料能力50200 kg/h。
    (2) 建成了粗粒料浆充填工艺试验系统。该系统由料仓、搅拌机、充填泵、管路、闸阀、流量计、压差计、密度计、称重传感器、充填隔离/接顶模拟装置等科学组合而成,计算机程序控制,具有破碎矸石、粉煤灰等充填料浆制备工艺实验、浆管道环管输送实验、管路清洗实验、充填支架与模板结构及其隔离效果实验、泵送设备性能实验等功能。
    (3) 购置了ND-S型便携式数据采集控制器,该仪器主要性能指标:16路A/D + 8路D/A通道,16位高精度,采集速率< 0.1秒,既可以和粗粒料浆充填工艺试验系统配套应用,也可用到现场充填工艺系统的调试。
    (4) 购置了包括WDW-E50电子万能压力机在内的充填注浆材料基本理化与力学实验仪器。
    (5) 研究提出了细粒料浆隔离清洗,高压水射流快速处理堵塞管道实验系统建设方案,已经落实生产厂家和报价,待招标采购。
通过“十五”“211工程”项目建设,已经形成了固体废物充填采矿科研新方向和研究梯队,承担了3项煤矿固体废物膏体充填研究工业性示范项目,专程赴波兰、德国考察充填采矿技术4人次,与波兰、德国等国的有关专家和单位建立了学术联系。
    本子项目主要建设人员在“十五”期间,科研成果共获得省级科技一等奖1项、二等奖1项,培养5名博士研究生,11名硕士研究生,出版专著4部,发表学术论文37篇,其中EI检索论文10篇,邀请波兰专家来校作学术报告1次,邀请德国专家来校交流充填技术与探讨合作2次,参加国际学术会议4次。
3. 煤炭地下气化试验系统
    通过本子项目煤炭地下导控气化试验系统与复采新技术研究,在原有煤炭地下气化理论与技术的基础上,创新提出地下煤层复孔介质耦协场燃烧导控理论,形成以井下移动注气导控燃烧场为核心,辅以条带多孔炉型、复合气化剂、井工降温净化、火区推进位态监控、井工启动点火与收作熄火等的地下导控气化新工艺和新装备,建立中梁山矿井残煤地下导控气化基地,形成适用于现有矿井中量大面广残煤资源回收开发的绿色复采新技术体系。
    2003年7月完成了煤样气化试验,2003年10月完成了试验系统设计,2005年10月完成了试验系统冷态试验,联调试验,运行试验,2005年11月完成了试验系统项目验收。
    通过该项目的建设,在残煤地下导控气化火区推进位态监测合气化采场安全管理等方面有了突破。
    通过该项目的建设,培养了硕士研究生3人,博士研究生1名,留学博士后研究人员1名。承担并完成了重庆市经委2001年技术创新重点实施项目(渝经[2001]8号)1项,国家教育部科学技术研究重点项目(重点02019)1项,中国矿业大学科学基金重点项目1项,平煤矿区地下气化可行性研究项目1项,淮北矿区芦岭煤矿地下气化可行性研究项目1项,重庆中梁山高瓦斯矿井残煤地下导控气化试验工程项目1项,2001年获省科技进步三等奖1项,核心刊物期刊论文3篇,国际会议论文1篇。
4. 锚杆支护实验系统
    通过“十五”期间的建设,较好地完成了该项目的建设任务,参与项目建设人员都取得了快速发展,研究成果丰富。在巷道围岩控制研究方向的学科优势进一步加强,研究队伍实现了新老交替,基础研究平台大大强化,增强了科研竞争实力,为学科的进一步发展提供了十分有利的条件。
结合其他子项目,建设了巷道围岩应力及状态测试系统,完善了数值计算功能,建设了新型锚杆性能实验和测试系统和锚杆测试仪器研究系统。在“煤矿极易离层破碎型顶板预应力控制理论研究及工程应用”和“深部、动压巷道围岩稳定原理及控制技术”方面有了较大的突破。
    通过项目的建设,研究生培养水平和质量稳步提高、规模迅速攀升,目前本项目主要建设人员指导研究生群体人数达到31人,包括博士生4名博士生和36名硕士生,近5年已毕业博士4名,硕士23名。主要技术成果被评为国际先进水平,获得国家科技进步二等奖3项、省部级科技进步一等奖4项、二等奖7项,三等奖2项。出版专著4本,发表论文29篇,已获得EI检索13篇,ISTP收录7篇,申请发明专利2项,实用新型专利7项,已获得4项授权。参加2次国际学术交流、4次煤炭工业协会支护年会、3次矿山压力研讨会等国内学术交流。
    青年教师在项目建设过程中迅速成长起来,项目负责人张农已成为国家级采矿工程学科青年学术带头人,教授、博士生导师,江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师,其他1人获江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师,师资队伍持续壮大,队伍建设已完成新老交替,走上良性健康的发展轨道,为进一步保持重点学科采矿工程的优势研究方向奠定了人才基础。
5. 高产高效开采监测系统
    该项目结合我国高产高效开采的现状,尤其是高产高效综采放顶煤开采支架与围岩关系的特点和发展趋势,以及我国采场顶板事故发生的现状和支护质量的监测要求,建设完成了支架载荷监测的磁性应力监测仪;初步建成了采场(放顶煤)支架与围岩关系实验室研究系统;初步开发完成了高产高效开采监测软件系统。
    通过该项目的建设,在“高产高效综放开采的岩层控制理论与监测技术”方面有了较大的突破。
    通过该项目的研究,形成了该研究方向的学术研究梯队,培养了3名博士研究生和23名硕士研究生,有3人入选中国矿业大学青年骨干教师,2人入选中国矿业大学青年学术带头人。发表了47篇具有较高水平的学术论文,被SCI检索1篇,EI检索14篇,出版专著1部。参加了美国、德国的国际学术交流,主持全国性的学术交流会议5次,参加国内主办的国际国内学术交流6次。研究方向取得了较大的进展。
    项目建设期间,获得教育部博士点基金项目1项,国家自然科学基金项目1项,企业合作项目29项,研究经费661万元。完成研究课题18项,其中鉴定和验收课题15项,验收专家结论为:研究成果达到国内领先或国际先进水平。获省部级科技进步二等奖2项,三等奖7项。
6. 采动岩层破裂渗流的实测与实验技术
    该子项目结合绿色开采的关键层理论,进行了基于关键层理论的采动岩层破裂和渗流的理论研究,岩层采动破裂和渗流的现场实测技术研究和岩层采动破裂和渗流的物理模拟技术研究。设计加工了采空区顶板岩石摩擦引爆瓦斯实验装置,设计了采空区瓦斯渗流抽采实验模型、承压水影响岩层破断和突水通道实验模型等两个实验装置方案。
    通过该项目的建设,在“岩层控制的关键层理论及在绿色开采中的应用”方面有了较大的突破。其中包括构建了煤矿绿色开采的内涵与技术体系,进一步发展了岩层控制关键层理论,提出了基于关键层理论的煤与瓦斯共采技术和建筑物下采煤设计的原则。
    通过该项目的研究,形成了该研究方向的学术研究梯队,培养7名博士研究生和13名硕士研究生,有1人获第八届全国煤炭青年科技奖,1人入选江苏省高校“青兰工程”中青年学术带头人培养人选,1人入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。出版专著1部,合著1部;普通高等教育“十五”国家级规划教材1部,发表论文25篇,其中Ei收录6篇。进行了大量的国内外学术交流和国际合作。“十五”期间,获国家自然科学基金项目1项,参与国家自然科学基金重大项目1项,企业委托项目10余项,研究经费达300余万元,研究成果获省级科技进步奖2项。

2.3 建设资金到位、使用、完成及管理情况
   “十五”“211工程”项目“煤炭资源高效与绿色开采系统”完成投资827.42万元,其中专项资金560.36万元,学校自筹267.06万元。资金已到位,并完成了建设。
2.4仪器设备购置(调整)、使用及管理情况
    按照建设的主要内容,项目所购置的数值模拟软件、数字矿山软件、地应力测试系统、围岩状态测试地质雷达等已经到位,其他研制的试验系统和设备也已完成。软件使用正常,仪器设备进行调试和试验中。

二、 “十五”“211工程”建设项目标志性成果
 

(一) 标志性成果的名称
1. 煤炭资源绿色开采的理论与技术框架
2. 煤巷预应力锚杆控制技术
3. 基于CAD的数字化矿井系统
(二)标志性成果内容简介
1. 煤炭资源绿色开采的理论与技术框架
    煤炭是我国重要的基础能源和原料,在国民经济中具有重要的战略地位。在我国一次能源结构中,煤炭将长期是我国的主要能源。我国煤炭资源开发与利用所引发的环境问题日益突出。矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的,而进行开发建设后,强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化,由此形成了矿区独特的生态环境问题,如地面沉陷造成农田及建筑物破坏、村庄迁徙、矸石堆积、瓦斯及有害气体排放、河川径流量减少、地下水流失、土地沙漠化等。为了实现煤炭工业的可持续发展和适应循环经济发展的要求,研究和发展与环境相协调的煤炭资源开采技术—煤矿绿色开采技术已势在必行。
    煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是从广义资源的角度去认识和对待煤、瓦斯、水、土地、矸石等一切可以利用的各种资源,基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响,目标是取得最佳的经济效益和社会效益。煤矿绿色开采与国内外的“无废开采”、“清洁开采”等概念有共同之处,同时还具有如下三方面的特点: 
    (1) 广义资源的特点,认为在矿区范围内的煤炭;地下水;煤层内所含的瓦斯;土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用,转变了他们原有矿井废弃(或有害)物的观念。
    (2) 源头治理的特点,从开采的角度采取措施,从源头消除或减少采矿对环境的破坏,而不是先破坏后治理,如通过采矿方法的改变和调整来实现地下水资源的保护、减缓地表沉陷、减少瓦斯和矸石的排放等,符合循环经济的理念。
    (3) 基于岩层运动规律的特点,煤层开采后引起的岩层变形—破断—移动是造成一系列环境问题的根源,主要采矿环境问题的发生都与采动岩层移动与破坏有关。因此,掌握采动岩层移动破坏规律及采动岩层破裂渗流规律是实现煤矿绿色开采的关键。因而,绿色开采的重大基础理论为:   
     1)采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律;
     2)开采对岩层与地表移动的影响规律;
     3)水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律;
     4)岩体应力场分布规律及岩层控制技术。
    近年来,为了解决上述与环境相关的理论问题,提出了岩层控制的关键层理论。岩层控制的关键层理论在理论上阐明了关键层的载荷分布规律、关键层破断的规律与复合效应及关键层判别方法,研究了关键层运动对采场矿压显现、岩层移动与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响。因此,岩层控制的关键层理论与绿色开采密切相关,为煤炭资源绿色开采的研究提供了理论平台之一。
    根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等,绿色开采技术主要包括以下内容:1)水资源保护—形成“保水开采”技术;2)土地与建筑物保护—形成离层注浆、充填与条带开采技术;3)瓦斯抽采与利用—形成“煤与瓦斯共采”技术;4)煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术;5)煤炭地下气化技术。这些内容构成的绿色开采技术体系简要表达如下图所示。
    自2002年正式提出上述煤炭资源绿色开采的理论与技术框架以来,引起了国内外广泛关注,并得到国内外同行的认可和高度评价。发表的有关绿色开采方面的论文已被他人引用100次以上。国际著名采矿工程专家A.K.Ghose 教授邀请为其主编的“Journal of Mines,Metals & Fuels”杂志撰写煤矿绿色开采方面的专稿,并在刊首以编者按对专稿进行了较高的评价,他在编者按中指出“……中国专家在绿色开采技术方面的创新性发展是基于“关键层”理论的。关键层理论巧妙地把岩层移动和上覆断裂岩层中瓦斯和水的渗流和流动结合在一起。他们同样还促进了一系列技术的发展,比如采空区充填、条带开采和覆岩离层注浆等来保护地表建筑。这些技术为减少采矿对环境的破坏提供了方向,有望改变煤矿开采作为环境掠夺者的面貌”。


    在上述煤炭资源绿色开采的理论与技术框架基础上,经过“211工程”项目建设,已初步建成了绿色开采的实验研究平台,并在煤矿绿色开采技术的某些方面取得了突破和进展,如:建立了煤矿固体废物充填材料与充填工艺实验研究平台;研究形成了以井下注气燃烧控制、火区位态监测和气化采场安全管理为核心的地下气化可控技术,并在中梁山高瓦斯矿井取得了残煤资源地下气化示范性成果;研究了关键层运动对瓦斯卸压运移及抽采钻孔破坏的影响规律,形成了基于岩层采动裂隙分布“O形圈”的煤与瓦斯共采技术。
在上述煤炭资源绿色开采的理论与技术框架下,初步建设了绿色开采的实验研究平台;在煤矿绿色开采技术的某些方面取得了突破和进展。
2. 煤巷预应力锚杆控制技术
    所属学科:采矿工程学科
    成果概况:
    巷道是煤炭开采的咽喉,其控制的好坏直接关系到矿井的安全高效生产。特别是深部巷道、顶板极易离层破碎的巷道、煤层动压影响下的巷道控制问题一直是制约煤矿高产高效和安全开采的瓶颈。我国煤炭埋深大于600 m和1000 m的储量分别占73.19%和53.17%,我国大中型煤矿开采深度每年以8~12 m的速度向深部延伸。厚层松散破碎顶板的煤层巷道极难支护,冒顶事故时常发生。动压巷道是指受到采动影响的巷道,每年新掘1万余公里,占煤矿巷道的80%以上。深部、动压巷道地应力大,变形强烈,支护难度大,尤其当矿井采深增加,采动影响范围扩大,巷道维护更加困难。因此,对深部动压巷道围岩变形破坏机理及其控制理论进行深入研究具有重要的理论和现实意义。
    针对上述问题,系统研究和揭示了深部、动压巷道围岩塑性区的发生、发展过程,以及松脱型和挤压型两类冒顶的实质,科学地解释了动压巷道底鼓过程、冒顶及其原理;提出了沿空掘巷围岩结构稳定原理和顶板离层控制理论。
    在破碎围岩控制方面,提出了锚杆支护强度强化理论,揭示了巷道两帮、顶板的岩性及受力状况与底鼓的关系,提出了加固帮、角控制底鼓和顶板下沉的力学原理,为在深部动压巷道松软、破碎煤岩层中实现锚杆支护提供了理论依据。
    针对厚层松散破碎顶板的煤层巷道,分析了松脱型垮冒和挤压型垮冒两种顶板冒落类型,揭示了锚固区内离层和锚固区外离层两种锚杆类支护失效形式,提出阻止顶板渐次垮冒的离层控制原理,建立了高强预应力支护新体系,实习了“四高一大”(高强度、高粘结力、高预拉力、高可靠性;大间排距)的锚网支护体系。
    上述研究成果,全面揭示了深部动压巷道变形破坏的力学本质,同时提出了有效的围岩控制技术,为煤矿巷道及其它地下工程支护的进一步研究提供了新的理论平台。本项目的研究成果已引起了国内外同行和煤矿现场工程技术人员的广泛关注,已大量应用于现场实践中。仅在两淮矿区复杂多样的条件下推广应用60余万米,巷道畅通无冒顶。
    上述研究成果全面发展了"九五"期间形成的巷道围岩支护技术,丰富了顶板控制理论,显著提高了我国煤矿顶板控制的技术水平”,研究水平达到国际先进水平。成果获得国家科技进步奖3项。发表论文100余篇,其中被EI、ISTP收录26篇,出版了《沿空掘巷围岩控制》、《巷道滞后注浆围岩控制理论及实践》、《采矿工程问题数值模拟研究与分析》等三部专著。
3. 基于CAD的数字化矿井系统
    所属学科:采矿工程学科;
    成果概况:
    基于CAD的数字矿井系统是以矿井二维、三维采掘工程CAD图形为平台,以煤矿地质、测量数据为基础信息数据,将CAD图形与矿井巨量的安全生产技术管理数据相联结,即与矿井采煤工作面、掘进工作面、井下硐室、矿井机电设施、通风安全设施、井下管线、通讯以及矿井其它有关信息相联结,建立一个完整的数字化矿井软硬件系统。
    基于CAD的数字矿井系统由电子矿图、井下生产系统模拟演示、井上下视频监控系统纳入电子矿图、动态采掘工程管理、瓦斯超限事故处理系统及煤矿生产技术软件包(含8类40余个能独立使用的软件)组成。其主要任务是在矿井网络化系统平台上,通过建立空间信息数据仓库,充分运用现代空间分析、数据挖掘、可视化、多媒体和科学计算技术,为现代化矿井安全生产技术管理服务。主要应用对象是局、矿生产技术与管理人员。也可以在教学中作为现代教学手段直接为教学服务。
    2004年12月项目部分内容获江苏省教学成果一等奖,2005年9月项目部分内容获国家级教学成果二等奖,2005年10月获中国煤炭协会科技进步三等奖,2005年10月获河南省煤炭科技进步一等奖。软件包(含部分)已在河南、安徽、江苏、河北、山西、山东等省40多对矿井应用。
4. 煤炭地下导控气化技术
    所属学科:采矿工程学科;
    成果概况:
    残煤地下导控气化与绿色复采技术,就是围绕国家关于建设资源节约、多能并举、环境友体系好型社会的要求,针对煤炭资源开发存在的回采率偏低、环境损害严重、安全形势严峻三大突出问题,在原有煤炭地下气化理论与技术的基础上,结合现有高瓦斯矿井中量大面广的残煤资源回收开发特点,建立了地下煤层复孔介质耦协场燃烧理论模型;研制了以移动注气导控燃烧场为核心,辅以条带多孔炉型、复合气化剂、井工降温净化、火区推进位态监控、井工启动点火与收作熄火等技术群的地下导控气化新工艺和新装备,对地下气化过程中的优质稳定性、洁净安全性、降耗节能性进行全方位的导引和控制,达到优质低耗安全产气、提高矿井资源回采率和减少采动损害与“三废”排放的目标,形成一套“能源—资源—环境”(ERE)三者协调的绿色安全复采技术体系。对于建设既出煤又产气的双能源生态矿井,意义重大。
    建立了中梁山高瓦斯矿井残煤地下导控气化试验基地,生产了优质稳定水煤气1580万M3,最高热值达14.2MJ/NM3,取得经济效益470万元;复采回收了高瓦斯矿井残煤资源1.3万吨,提高矿井区段煤炭资源回采率35%;减少瓦斯排放65万M3,环保效益显著;整个试验与生产过程杜绝伤亡事故,确保安全生产。
    经专家组验收,本项目成果居国际先进水平。其特色主要是高瓦斯矿井残煤资源地下导控气化、火区推进位态监测和气化采场安全管理的绿色安全复采技术体系。
5. 冲击矿压的电磁辐射预测技术
    所属学科:采矿工程学科;
    成果概况:
    随着矿山采深的增加,冲击矿压问题越来越突出,对煤矿的安全生产构成了很大的威胁。这一问题是冲击矿压防治研究的国际性难题。针对目前煤矿坚硬顶板区域冲击危险性预测及治理、煤柱区冲击矿压危险的预测与治理等关键技术问题,以岩层运动与围岩应力场为基础,研究煤岩体的强度弱化减冲理论,形成以综合指数法、矿震法、电磁辐射法和钻屑法为一体的冲击矿压矿震预测预报技术,以松散煤岩体为主的治理技术,以柔性蓄能为主的防冲支架与支护技术,从而建立冲击矿压防治理论与技术体系。
    主要是采用实验室试验、理论分析、数值模拟和煤矿现场实践等方法,深入研究了煤层型冲击矿压发生的机理;提出了煤岩体弹塑脆性模型,建立了煤岩破坏的流变冲击模型和较为统一的冲击矿压危险前兆信息识别模型;解释了煤岩体冲击破坏的脆性冲击和延时冲击现象,根据煤岩体冲击破坏的声发射和电磁辐射现象及其耦合规律,提出了煤岩冲击破坏的危险性评价方法和冲击矿压预测预报的电磁辐射监测技术。率先采用电磁辐射技术成功地预测冲击矿压危险,建立了相应的预测准则和技术,建立了煤岩强度弱化减冲理论,设计试验了柔性防冲支架并在现场得到了试验应用,形成了独特的冲击矿压发生机理、电磁辐射仪器预测、松散煤岩体治理技术以及柔性防冲支架的整套理论与技术体系。系统研究了地球物理学在采矿动力灾害方面的应用,提出了较为统一的多项地球物理技术预测冲击矿压准则和技术,提出了新的地球物理方法—电磁辐射法预测冲击矿压理论与技术,发展了采矿地球物理学技术。
    实践证明,采用深井冲击危险前兆信息识别及预报、治理技术体系完全可以对采掘面的冲击矿压危险性进行评价,并可预测冲击矿压可能发生的区域和位置,检测冲击矿压防治措施的效果,以保证矿山开采的正常进行,避免给煤矿造成巨大的经济损失和人员伤亡,其经济效益和社会效益巨大,并且具有广泛的应用前景。
    在冲击矿压防治理论与技术,特别是电磁辐射预测冲击矿压危险方面的研究成果位居世界先进水平。先后承担了国家自然科学基金项目、博士后基金项目、中波合作项目等的研究工作。发表论文100余篇,被EI、ISTP检索40余篇。成果获得波兰采矿奖1项,国内省部级一等奖1项,二等奖3项,三等奖1项,全国性青年科技奖1项。在理论研究和试验研究的基础上,先后在徐州三河尖、新汶华丰、兖州东滩、二号矿、义马千秋矿、枣庄陶庄矿、田陈矿进行了现场治理和实施,取得了良好的效果和巨大的社会经济效益。
6. 基于岩层移动的煤与瓦斯共采技术
    所属学科:采矿工程学科;
    成果概况:
    瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出,一直是我国煤矿所面临的重大灾害。同时,因煤炭开采而排放到大气中的瓦斯还加剧了温室效应,造成了严重的环境破坏。将煤层瓦斯作为一种资源(即所谓的煤层气)加以抽采利用,是解决上述问题的根本出路。
    煤层瓦斯抽采方法可分为两类:一类是煤层采前抽采;另一类是煤层开采过程中及采后的卸压抽采。研究表明,我国煤储层普遍具有变质程度高、渗透率低、压力小和含气饱和度低的特点,70%以上煤层的渗透率小于1×10-3µm2,这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的。而如何提高煤层采前渗透率是目前尚未解决的难题。实践表明,一旦煤层开采引起岩层移动,即使是渗透率很低的煤层,其渗透率也将增大数十倍至数百倍,为煤层气运移和开采创造了条件。因此,若在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整的系统,即形成“煤与瓦斯共采”技术则不仅有益矿井的安全,而且采出的还是洁净能源。因此,在开采高瓦斯煤层的同时,利用岩层运动的特点将煤层气开采出来将是我国煤层气开发的一条重要途径。煤与瓦斯共采”技术是煤矿绿色开采技术的重要组成部分。
    岩层移动导致的煤岩体应力场与裂隙场的变化是引起瓦斯卸压和煤层渗透率增大的原因所在。具体开采条件下的邻近层瓦斯动态涌出特征及下解放层开采有效卸压高度、卸压瓦斯抽采钻孔的破坏与防护、卸压瓦斯抽采钻孔的优化布置等方面都与岩层移动特征紧密相关。因此,采动岩层移动与采动覆岩裂隙分布规律是研究“煤与瓦斯共采”技术的理论基础之一,采动瓦斯卸压运移与抽采研究必须同岩层移动研究相结合。
    将岩层移动与瓦斯卸压运移和抽采研究相结合,基于岩层控制的关键层理论和岩层采动裂隙动态分布特征的最新研究成果,取得了如下创新认识和成果:
    (1) 揭示了覆岩关键层破断对邻近层煤层气涌出动态起控制作用,覆岩主关键层位置决定了下解放层卸压的最大高度,只要判别覆岩主关键层位置,即可确定下解放层开采的最大卸压高度。
    (2) 建立了卸压瓦斯抽采的“O形圈”理论,其基本原理是:关键层破断后,采空区中部采动裂隙趋于压实,而在采空区四周长期存在一连通的采动裂隙发育区,称其为采动裂隙“O”形圈。采动裂隙“O”形圈相当于一条“瓦斯河”,周围煤岩体中的卸压瓦斯通过渗流不断地汇集到这条“瓦斯河”中,将抽采钻孔打到采动裂隙“O”形圈内,可以减少钻孔工程量、提高瓦斯抽采率。卸压瓦斯抽采的“O形圈”理论为卸压瓦斯抽采钻孔的优化布置提供了理论指导,已应用于淮北、阳泉、淮南等矿区的“煤与瓦斯共采”实践,证明了该成果的科学性。负责开展的淮北矿区卸压瓦斯抽采试验和阳泉矿区卸压瓦斯抽采试验,提高了瓦斯抽出率,保障了工作面安全生产。部分抽采瓦斯已输入民用瓦斯管道加以利用,获得了较好的经济社会效益。
    (3) 揭示了地面瓦斯抽采钻井受岩层移动影响破坏特征及关键层周期破断对井下煤层穿层钻孔破坏的影响特征,为地面瓦斯抽采钻井和井下煤层穿层瓦斯抽采钻孔的合理结构设计和防护提供了基础。
7. 高产高效综放开采支护受力监测技术
    所属学科:采矿工程学科;
    成果概况:
    综合机械化放顶煤开采工艺是实现厚及特厚煤层高产高效开采的有效工艺方式。由于放煤工艺的特点,以及支架上方顶煤力学状态的变化和煤岩组合特征的变化,使得放顶煤开采工作面的矿压显现呈现了新的特征,支架与围岩关系发生了改变,从而使放顶煤开采的岩层控制问题成为影响工作面高产高效开采的关键问题。
    本标志性成果的主要内容为:研究了采场直接顶(包含顶煤)介质的变形破坏特征,提出了采场直接顶为可变形介质的概念,分析研究了直接顶的承载传力特性、结构力学特性及其刚度特征,得出了对支架与围岩关系的新认识,建立了不同直接顶刚度条件下采场支架与围岩整体力学模型,分析了支架与围岩的相互作用和影响关系以及支架与围岩体系的稳定性特点。基于综放采场围岩稳定性的特点,研究了端面顶板的稳定性及其影响因素,包括煤层硬度、支架架型和支架立柱倾角等,提出了综放开采端面顶板稳定性控制的新概念,从而形成了综放采场岩层控制的理论体系。在此基础上,研究了综放采场支架与围岩稳定性监测控制体系和模式,包括高产高效工作面支架与围岩监测控制原理、监测控制系统、监测内容和指标以及监测分析软件,开发研制了支架受力测试仪,建设了高产高效采场(综放)支架与围岩关系实验研究系统,形成了高产高效综放工作面岩层控制与监测技术。
    本标志性成果达到国际先进水平。其特色为:以前沿性的理论成果为指导,既能用于综采(综放)工作面又能用于单体支柱工作面支架受力监测的新型监测手段,以及先进的实验研究平台。
    本标志性成果在兖州、徐州、潞安、义马、大屯、皖北、淄博等矿区得到广泛应用,取得了显著的经济效益和社会效益,具有广阔的推广应用前景,获得省部级科技奖励7项。
8. 固体废弃物膏体充填开采试验平台
    所属学科:采矿工程学科;
    成果概况:
    充填采矿实验室是中国矿业大学采矿工程国家级重点学科“十五”“211工程”建设新成果,该实验室主要由自己组织设计建立的充填注浆材料制备实验系统、粗粒料浆充填工艺实验系统、细粒料浆充填工艺实验系统等组成,是一个专门支撑固体废物充填材料和充填工艺科学研究的中试平台和专门人才培养的基地,也是目前国内装备最先进的充填工艺实验室,可以开展的主要实验项目包括:(1)材料激光粒度分析,(2)充填材料强度与变形性能,(3)充填注浆材料加工工艺,(4)充填材料水力坡降,(5)充填材料配比控制,(6)管道清洗,(7)充填工艺控制,(8)两相流临界流速等。
    充填采矿实验室的建设和发展得到国家发展与改革委员会能源局领导的重视,2005年8月4日,国家发改委能源局吴吟副局长一行专门来校考察了充填采矿实验室,认为充填采矿实验室研究的固体废物膏体充填采煤技术具有以下优点:一是保护安全,提高矿井开采安全保障度。通过充填开采,大大减少采煤过程中带来的顶板破坏、围岩松动和瓦斯压力的变化,从而降低顶板、瓦斯、水等自然灾害的发生机率。二是保护资源,提高煤炭资源采出率。三是保护环境,减少煤炭开采对地表的破坏程度。一方面,可以控制开采带来的地表沉陷,保护水资源,减少对土地资源的破坏与占用;另一方面,可以实现煤矿副产品及城镇固体垃圾等资源化利用,减少矿山固体废物的排放。膏体充填采矿技术的开发应用,是煤炭工业贯彻落实科学发展观、实现绿色采矿的重要举措,具有“高安全性、高采出率、环境友好”的基本特征,是一种新的绿色采矿技术,也是21世纪采矿技术的重要发展方向。
    充填采矿实验已经承担了我国第一批煤矿固体废物膏体充填项目的实验任务,为发展固体废物膏体充填采矿技术,根本解决我国煤矿目前村庄的严重开采沉陷和生态环境问题,提高煤炭资源采出率正在发挥越来越重要的作用。充填采矿实验室已经成为矿山开采与安全教育部重点实验室、煤炭资源与安全开采国家重点实验室的重要组成部分。
9. 深部围岩应力测试试验研究平台
    所属学科:采矿工程学科;
    成果概况:
    紧密围绕煤炭资源高效与绿色开采系统项目建设的总体要求,建立了“岩体应力测试系统—数值计算软件—设计软件—现场应用实测设备”的一整套实验平台。主要包括:
    (1) 具有动力学、蠕变、渗流、气固液耦合等功能的数值模拟计算软件,即3DEC(Version 2.0),PFC2D(Version 2.0),PFC3D(Version 2.0)和FLAC(Version 4.0),FLAC3D(Version 2.0),UDEC(Version 3.1)的完善。
    (2) 三维数字矿山的SURPAC软件;开发了矿井信息化、可视化开采系统;研究采掘过程中采场和巷道的数据信号传输和转换技术,开发一套相应的软件包及信号转换软件。
    (3) 建成先进的岩体应力测试系统;采用国内最好的先进的岩体应力测试装备及国际水平的取芯装备和技术,可进行大规模的先进的岩体应力和状态测试研究工作,为数值模拟计算提供可靠的依据,为采矿设计及巷道布置、矿山压力、煤岩动力灾害、冲击矿压等提供可靠的实验平台。
    (4) 围岩状态探测仪RIS地质雷达;该便携式地质雷达由主机和100 MHz、600MHz两组天线组成,探测范围为6~30m和1.5~3m。其采用电磁波的形式来探测巷道围岩的状态、裂隙的分布规律、巷道围岩松动圈的范围、巷道顶板的离层状态、放顶煤工作面顶煤厚度的分布规律等方面的围岩状态,为深部动压巷道的支护、高冲击矿压危险区域巷道支护形式的研究等提供试验测试平台。

三、 “十五”“211工程”建设成效
 

(一)科学研究

1. 科研课题
   “十五”“211”项目的建设,其成果成为硕士、博士及博士后高水平人才培养的丰厚资源和坚实基础,并承担国家、部门企业的重大科研项目的实验研究,极大地促进学科自身的发展。从2001年起,通过“十五”“211”的建设,争取到了包括国家自然科学基金、国家“十五”科学攻关项目、国家创新技术项目、国家博士后基金项目等在内的国家级项目16项,包括中波政府间合作项目在内的国际合作项目2项,包括教育部博士点基金、教育部重大科技项目等在内的省部级项目11项,企业合作项目322项。纵向科研项目研究经费达到了300多万元,横向科研研究经费达到了4200多万元。

2. 科研课题获奖
    从2001年到2004年,获国家级科研成果奖3项,省部级奖32项;国家级教学成果奖1项,省部级奖2项;1门课程评为国家精品课程;国家级教材、图书奖1项。

3. 学术论著
   
    出版著作23部,发表学术论文250多篇以上,其中国际期刊3篇,一级刊物106篇,核心期刊100篇,国际会议69篇,全国性会议论文26篇。2001年以来被SCI、EI、ISTP检索61篇。获得专利6项。

4. 国内外学术交流
    从2001年到2005年期间,学科组广泛进行了国内外的学术交流,参加国内学术会议50多次,主持全国性的学术交流会议5次。进行与波兰、美国、德国、澳大利亚、印度等国家的国际交流30多次,并与2005年4月,采矿学科举行了中波国际研讨会,进行了冲击矿压防治方面的专题研讨。研讨会由我校教师、研究生和具有冲击矿压危险矿井的古城矿、星村矿、杨庄矿、济三矿等的领导和工程技术人员参加,交流、讨论和研究。研讨会取得了圆满的成功。
(二) 人才培养
    通过“十五”“211”的建设,培养一批高水平的优秀科研队伍,不断优化学科梯队,形成新的科研教学群体,促进了人才的成长。学科已形成合理的学术梯队。徐州校本部共有教师42名,其中教授20名,副教授12名,讲师及助教10名。有院士1名,博士生导师12名。
从2001年至今,有10名教师晋升为教授,5名博士生导师。毕业博士11名,硕士77名。1人获得政府特殊津贴,1人获得孙越崎“优秀青年奖”,1人获得全国煤炭青年科技奖,3人入选教育部新世纪优秀人才培养计划,2人入选江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人培养计划,2人入选江苏省高校 “青蓝工程”中青年骨干教师培养计划。
(三) 学科基地建设
    通过“十五”“211”的建设,建设和完善了岩层控制实验室、充填材料实验室等的实验平台。立项建设了“矿山开采与安全”教育部重点实验室和“煤炭资源与安全开采”国家级重点实验室。实验室现有4800 m2的实验用房;各型仪器设备584台件,大型精密仪器设备29台件。
在兖州矿区、徐州矿区、淮南淮北矿区、新汶矿区、枣庄矿区、平顶山矿区、义马矿区、铜川矿区、潞安矿区、神华矿区等开展了相应的现场研究,取得了现场应用效果,初步形成了现场实验研究基地。

四、“十五”“211工程”进步与突破
 

    
    在“九五”建设基础上,采矿工程“十五”“211工程”项目建设取得的较大的进步和突破。正式提出了煤矿绿色开采的理念,并已构建了煤炭资源绿色开采的理论与技术框架,初步建设了绿色开采的实验研究平台,在绿色开采技术的某些方面取得了突破和进展,主要体现在:形成了煤层巷道预应力锚杆控制技术、冲击矿压的电磁辐射预测技术、基于岩层移动的煤和瓦斯共采技术、煤炭地下导控气化技术、基于CAD的矿山数字化系统等;建立了固体废弃物膏体充填开采试验平台和“岩体应力测试系统—数值计算软件—设计软件—现场应用实测设备”的一整套实验平台;建立了现代化的实验研究和教学手段。上述煤矿煤炭资源的高效与绿色开采理论与技术体系的研究处于国内领先和国际先进水平,并已在实践中取得了显著的经济效益与社会效益。

五、 项目管理运行机制及效果
 

    我们高度重视“十五”“211工程”的建设管理工作。根据学校的管理规定,成立了由项目负责人为主的项目领导小组,实行了“学校211建设领导小组-子项目负责人-二级子项目负责人”的三级责任制,各个二级子项目负责人与学校签订了相应的建设任务书。子项目负责人及二级子项目负责人见表1 所示。

表1  项目“煤炭资源高效与绿色开采系统”及子项目负责人表
 

序号
名称
负责人
 
煤炭资源高效与绿色开采系统
窦林名,周华强
1
矿山数值计算与岩体测试技术
窦林名
2
绿色开采材料与工艺系统;
周华强
3
煤炭地下气化试验系统
王作棠
4
锚杆支护实验系统
张农
5
高产高效开采监测系统
刘长友
6
采动岩层破裂渗流的实测与实验技术
许家林
    
    成立了采矿工程重点学科“十五”“211工程” “煤炭资源高效与绿色开采系统”建设领导小组,负责协调子项目的建设,检查督促和指导“211工程”项目的立项、建设和评估验收工作。
采矿工程重点学科“十五”“211工程” “煤炭资源高效与绿色开采系统”建设领导工作小组组成:
    顾问:钱鸣高,侯朝炯
    组长:窦林名,周华强
    成员:王德明,张农,许家林,王作棠,刘长友,才庆祥,张东升,屠世浩,林在康,谢文兵,马文顶
    教授委员会充分发挥了作用,在项目立项论证、项目建设内容、分工等方面及时给予了咨询和指导,保证了项目建设的质量。
    子项目的管理严格按照学校“十五”“211工程”建设项目管理办法、建设项目经费管理办法、项目设备采购管理办法、建设项目验收办法执行,项目的运行按照岩控中心实验室的管理和运行机制运行。项目的有关信息及时报送有关单位并进行档案管理。
    在项目管理和建设期间,我们的主要经验体会以及存在的主要问题是,我国煤炭开采的很多技术成果在国际上是先进的,我校的采矿工程学科矿山压力研究方向在国内一直处于领先地位,很多理念是超前的,很多功能性试验装置没有现成的东西,不能采用“拿来主义”,科学的办法是在研究和实践中不断摸索,不能一蹴而就,造成浪费或很快被淘汰,这方面的教训很多,因此,建议学科水平比较高的实验室建设,除了及时增添高精尖仪器以外,应长期规划,坚持资助,避免短期行为。

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