“十五”“211工程”二期重点学科建设项目(安全技术及工程学科)---矿山重大灾害防治理论与关键技术

作者:发布时间:2010-05-06浏览次数:2626

一、建设目标及建设任务完成情况
 

(一)项目建设概况
    1. 总体建设目标:
针对我国矿山安全工程技术领域存在的急需解决的重大关键技术问题,研究开发适于我国矿山条件的高新技术基础及其关键技术,解决煤矿瓦斯与火灾防治中的关键技术难题,为煤矿安全生产状况得到根本改善和可持续发展提供具有21世纪国际先进水平、有推广发展前景的新技术,建立矿业灾害防治理论与技术的研究基地并培养一批安全科技高层次人才,促进安全科学技术升级及原始性创新。
    2. 主要建设任务:
   (1) 研究层外卸压高倍数增加被抽采煤层瓦斯透气性的理论与关键技术,建设增加煤层低透气性的实验研究平台,研究适合我国地质条件的煤层气开发理论与关键技术;
   (2) 建设煤岩动力灾害综合监测预报技术系统,形成煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害研究及预报技术开发综合试验平台,提高煤岩动力灾害的预报准确率;
   (3) 研究瓦斯爆炸过程的传播规律及其控制与预防技术,研究瓦斯爆炸危险性评价方法及理论;
   (4) 建立和完善煤炭自燃机理研究的试验系统,研究煤炭自燃倾向性测定的新方法和新标准;建立矿井火灾防治的新材料与新技术的试验研究系统,开发出经济、环保型防止煤炭自燃的新材料与新技术;
   (5) 建立工业及建筑火灾防护、企业安全评价的实验研究平台,研究这些领域的新理论、技术及装备;建立矿井安全监测监控、矿尘防治、矿井降温、矿井通风空调的实验研究平台及新技术及装备。
(二)“十五”“211工程”建设任务完成情况
    1. 总体建设目标、建设任务以及具体指标完成情况
通过本项目的建设,建设起了一支高水平的研究队伍和先进的实验基地,以该队伍骨干人员建成了中国矿业大学煤矿重大灾害防治的创新团队。研制了低透气性煤层群卸压瓦斯开发理论与技术模拟试验研究平台,开展了相关的理论与技术研究,研究成果在淮南矿区得到成功应用,获得国家科学技术进步二等奖1项;开发了无电力、无压风驱动的本安轻便型瓦斯钻孔封孔装置,该装置正在现场推广应用。研制出了具有自主知识产权的煤自燃特性测试装置与防治煤炭自燃的新材料与技术,技术成果已经在全国20多个矿区得到推广应用,成功地处理了多起煤矿重、特大火灾。
“十五”“211”建设期间,项目组共发表论文206篇,其中SCI收录2篇,EI收录32篇,ISTP收录9篇。获得国家发明专利6项,实用新型专利3项。培养博士研究生28人,其中已经毕业20人,培养硕士研究生39 人,其中已毕业19人。
    2. 各子项目建设目标、建设任务以及具体指标完成情况
   (1) 低透气性煤层瓦斯抽放理论与技术
    ① 完成了“低透气性煤层群卸压瓦斯开发模拟试验研究平台”设计,已与厂家签订了加工合同,目前正在积极实施。
    ② 完成了“煤岩在外加电磁场作用下的多种物理信号多通道测试系统(型号LB-IV)” 安装、调试和验收等工作,目前该系统正常运转。
    ③ 建设完成了“钻孔风力排渣两相流模拟试验系统”。该系统实验得出的结论为指导现场改进排渣工艺设备提供了依据,并在祁南煤矿现场实践中得到了验证。依据模拟试验结果,在淮北矿区突出煤层中首次打出80m以上的长钻孔,为瓦斯抽放创造了有利条件。进行了脉动风压排渣和钻杆分风排渣等新方法的实验研究。
    ④ 研制出无电力、无压风驱动的本安轻便型瓦斯钻孔封孔装置。该装置可用于无电、无压风场合下,测定煤层瓦斯压力钻孔的封孔和抽采瓦斯钻孔的封孔。因设备不用电,封孔过程不产生火花,故为本质安全型;封孔装置轻便,试验效果良好。
   (2) 煤矿突发性动力灾害预测与监测理论及技术
    ① 研制了一套现场实测煤巷突出危险性的连续检测钻孔瓦斯流量和钻头位移的检测系统,为现场实测煤巷的突出危险性奠定了基础。建设了一套初始瓦斯流量法预测实验研究系统,从美国进口一套气体流量校准系统,验收指标达到要求,可对气体流量传感器及气体流量计量产品进行标定。
    ② 建设了一套CTA-1煤岩动力过程综合自动测试及分析系统,已完成了安装、调试和验收工作,目前正常运转。
    ③ 开展了含瓦斯煤岩动力现象中各基本因素相互影响及交叉效应和动态效应的研究,初步构建了各因素与煤岩动力现象之间的非线性映射关系。
   (3) 瓦斯连续爆炸产生机理及控制技术研究
    ① 建立了瓦斯连续爆炸实验研究系统,研究了电场、磁场和电磁场对瓦斯爆炸传播规律的影响作用的实验研究。
    ② 针对目前煤矿安全生产中存在的瓦斯爆炸问题,设计开发了瓦斯爆炸危险性评价系统。系统采用事故树分析、模糊数学并结合安全系统工程中的人-机-环境理论对矿井瓦斯爆炸危险性进行预测和评价,并提出相应的预防措施或决策,为矿井的安全管理提供了一定的依据。
    (4) 煤炭自燃防治及实验研究系统
     ①  建立了“煤炭自燃测试实验室”,购置了流态色谱吸氧分析仪、气相色谱分析仪、工业分析仪、精密天平等一系列测试装备;自主研制出煤自燃特性测试装置,并获得1项专利;《基于氧化动力学原理的煤自燃倾向性鉴定方法》已经获准列为2005年度的国家安全生产监督管理总局行业标准修订计划。
    ② 开发出适于不同矿区浆材、水源、气候等因素的高性能三相泡沫,并在20多个矿区得到了推广应用,成功地扑灭了数次煤矿火灾;研制出稠化砂浆防灭火技术实验系统,完成了稠化砂浆制备、输送、灌注的技术参数模拟实验,该项技术在神华集团神东分公司获得成功应用,对我国西部矿区的防灭火提供了一项新的技术手段。
    3. 建设资金到位、使用、完成及管理情况
本项目计划投资550万元,其中专项资金350万元,自筹资金200万元。实际完成投资617.60万元,其中中央资金348.16万元,自筹资金269.44万元。
    按照“211”建设的主要内容,项目所购置的瓦斯连续爆炸实验系统、初始瓦斯流量法预测实验研究系统、CTA-1煤岩动力过程综合自动测试及分析系统、矿井火灾模拟系统等已经到位,其他自行研制的煤炭自燃防治和矿井火灾防治的新材料与新技术的实验研究系统也已完成。目前,各装备使用正常,运行良好。

二、“十五”“211工程”建设项目标志性成果
 

(一) 标志性成果
    通过本项目的建设,取得的主要标志性成果为:
(1) 低透气性高瓦斯煤层群瓦斯卸压抽采理论与技术。
(2) 基于煤氧化动力学的煤自燃特性试验系统及煤矿新型防灭火材料。
(3) 预测煤巷突出的连续流量法技术及装备与煤岩动力灾害预测试验系统。
(4) 瓦斯连续爆炸过程的传播规律及其控制与预防技术。
(二) 标志性成果介绍
    1. 低透气性高瓦斯煤层群瓦斯卸压抽采理论与技术
    在理论方面建立了低透气性高瓦斯煤层群采动卸压抽采瓦斯和区域性防治煤与瓦斯突出理论;在实验室建立了相应的模拟实验研究系统。在技术方面创立了能够实现两个消除(消除远距离煤与瓦斯突出危险煤层突出灾害和瓦斯爆炸灾害的瓦斯源)、两个开采保障(高效开采煤与瓦斯突出危险主采煤层的安全技术保障、高效抽采卸压瓦斯的技术保障)、三个改善(井下生产环境改善、井上地面环境改善、减少温室气体排放大气环境改善)的技术体系,对保证煤矿安全生产具有重大意义。
    本成果在淮南矿区取得非常显著的效益,在淮南潘一矿应用本成果开采远距离保护层,使低透气性高瓦斯主采煤层,透气性系数增加2880倍,实现了卸压瓦斯高效抽采,瓦斯预抽率超过60% ,大面积消除了主采煤层的突出灾害和瓦斯爆炸灾害的瓦斯源,为其高效开采提供了安全保证,工作面煤炭平均日产量由原1700t/d提高到5100t/d以上。淮南矿区推广该成果等主要技术,矿区瓦斯抽采量大幅度提高,由1997年的1045万m3/a提高到2004年的1.5亿m3/a,有效遏制了瓦斯超限造成的不安全隐患,矿区煤炭生产安全保障系数大幅度提升,矿区煤炭产量由1998 年的1100万t/a,提高到2003年的2831万t/a。该成果现正在安徽淮北矿区、河南郑州矿区、山西阳泉矿区和辽宁沈阳矿区等高瓦斯、煤与瓦斯突出危险矿井试验推广,成效显著。
    该成果引进科技项目25项,其中国家级10项、省部级1项,总科研经费超过1000万元;获得省部级以上科技奖励10项,其中国家科技进步奖二等奖1项、省部级一、二、三等奖各3项;获发明专利2项;出版专著3部,发表论文65篇,其中被EI、ISTP检索系统收录21篇;培养出博士6人、硕士3人。
    2. 基于煤氧化动力学的煤自燃特性试验系统及煤矿新型防灭火材料
    通过本项目的建设,购置了流态色谱吸氧分析仪、气相色谱分析仪、工业分析仪、精密天平等一系列测试装备,建立了煤炭自燃特性测试系统。我国煤炭行业目前采用的煤自燃倾向性测试标准(MT/T 707-1997)是基于煤表面物理吸附氧量而确定的,未能反映出煤自燃的化学特性;在本项目中提出了基于煤氧化动力学的煤自燃特性测试新方法,研制出煤炭自燃特性测试装备,已被国家安全生产监督管理总局批准立项修订煤自燃倾向性国家标准(安监管司办字(2005)11号)。
    针对现有主要以一相或两相介质作为矿山防灭火材料与技术存在的不足,研制出了三相泡沫防灭火技术及装备,充分发挥了三相介质防灭火的优点。研制出了高效和稳定时间长的三相泡沫发泡剂,发明了三相泡沫发泡装置。该技术已在我国20多个矿井成功获得应用,扑灭了多起煤炭自燃火灾,尤其在治理宁夏白芨沟煤矿特大区域火灾起到了关键的作用。该成果为治理煤炭自然发火提供了一项新型高效技术,增加了矿井的抗灾和减灾能力。
    针对我国西部矿区缺土少水状况,开展了稠化砂浆防灭火材料的研究,成功研制出稠化剂及稠化砂浆制作系统。研制的悬砂稠化添加剂可在水中形成松散的三维网状结构,能使砂粒悬浮。稠化砂浆具有高吸水性,保水时间长,具有优良的防火阻化功能,又无毒无味无害,不污染环境,是我国西部地区防治煤炭自燃的新技术手段。项目研究成果已在神东矿区获得广泛应用并取得巨大的社会与经济效益。
相关研究工作已发表论文30余篇,其中SCI收录2篇,EI收录12篇,获国家自然科学基金、973项目等国家级项目5项,获得2项国家发明专利,培养博士生6人,硕士生8人。2005年获省部级科技一等和二等奖各1项,指导的学生获得了全国大学生挑战杯第八届特等奖和第九届一等奖,还获得一项第二届中国青少年科技创新奖。
    3. 预测煤巷突出的连续流量法技术及装备与煤岩动力灾害预测试验系统
    研制了一套现场实测煤巷突出危险性的连续检测钻孔瓦斯流量和钻头位移的检测系统,建设了一套初始瓦斯流量法预测实验研究系统,形成了一套新的突出预测装置及技术,提高了煤巷突出预测的准确性,从而显著地提高突出煤层的掘进速度和效益。
    在本项目采用连续流量法来预测煤巷工作面的突出危险性,在向工作面前方煤层中衡速钻进的同时,测定由钻孔中涌出的初时瓦斯流量,由于卸压带内煤体的瓦斯含量较低,钻头钻进时由钻头处涌出的初始瓦斯流量少,在有突出危险的煤体中钻进时,由钻头处涌出的瓦斯流量较多。因此钻进过程中测定的初始瓦斯量分布反映了卸压带的分布。因而可以准确判定工作面的突出危险性。
    建设了一套CTA-1煤岩动力过程综合自动测试及分析系统,开展了含瓦斯煤岩动力现象中各基本因素相互影响及交叉效应和动态效应的研究,构建了各因素与煤岩动力现象之间的非线性映射关系。
    该研究项目2003年获得国家安全生产监督管理局第一届安全生产科技成果奖一等奖、2001年中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖和中国高校科技进步二等奖。发表论文63篇,其中16篇为EI收录,5篇为ISTP收录,2篇为SCI收录。承担了国家自然科学基金项目5项,国家科技攻关项目5项, 973项目2项。
    4. 瓦斯连续爆炸过程的传播规律及其控制与预防技术
    建立了瓦斯连续爆炸实验研究系统,研究了电场、磁场和电磁场对瓦斯爆炸传播规律的影响作用的实验研究。
针对目前煤矿安全生产中存在的瓦斯爆炸问题,设计开发了瓦斯爆炸危险性评价系统。系统采用事故树分析、模糊数学并结合安全系统工程中的人-机-环境理论对矿井瓦斯爆炸危险性进行预测和评价,并提出相应的预防措施或决策,为矿井的安全管理提供了一定的依据。
    通过本项目建设,引进科技项目17项,其中国家级8项、省部级3项,总科研经费超过1168万元;出版专著2部,发表论文25篇;培养出博士8人、硕士21人。

三、“十五”“211工程”建设成效
 

(一)科学研究
    “十五”“211工程”建设期间,获得、完成国家自然科学基金面上和重点项目12项、国家重点技术创新项目1项、973国家基础发展规划项目2项、国家科技攻关项目8项、教育部重点项目、骨干教师项目和博士点基金项目各1项,此外还完成企业委托项目250余项。“十五”“211工程”建设期间,项目组累计获得国家级奖励1项、省部级科研奖励16项(三等奖以上),出版专著、教材8部,发表学术论文203篇(其中,SCI收录2篇、EI收录32篇、ISTP收录9篇),获得授权的国家专利9项(其中6项为发明专利,3项为实用新型)。项目组成员先后10余人次赴美国、英国、澳大利亚、南非、波兰、德国、法国、加拿大等国进行学术交流和科技合作。
    国家十五重点科技攻关项目——“开采高瓦斯煤层群瓦斯灾害综合防治技术”取得突破性成果,实现了煤矿远距离和超远距离(层间距>60m或层间距/采高>35)保护层开采和卸压瓦斯抽采的实践。研究本成果在淮南矿区取得非常显著的效益,矿区瓦斯抽采量大幅度提高,由1997年的1045万m3/a提高到2004年的1.5亿m3/a,有效遏制了瓦斯超限造成的不安全隐患,矿区煤炭生产安全保障系数大幅度提升,矿区煤炭产量由1998 年的1100万t/a,提高到2003年的2831万t/a。本成果现正在安徽淮北矿区、河南郑州矿区、山西阳泉矿区和辽宁沈阳矿区等高瓦斯、煤与瓦斯突出危险矿井试验推广,成效显著。项目成果获得2004年度国家科学技术进步二等奖。
    国家自然科学基金资助项目——“防治煤炭自燃的三相泡沫及特性研究”取得突破进展,研制出高性能的三相泡沫发生装置和发泡材料,并在全国20多个矿井得到了成功应用,有效地解决了这些矿井的火灾问题。
(二)人才培养
    十五期间本项目共培养毕业并获得博士学位研究生20人,在读博士学位研究生8人;培养毕业并获得硕士学位研究生19人,在读硕士研究生20人,其中3名研究生获得国家级学术竞赛奖励。项目组成员有14人次担任国家学术团体的重要职务或会员,俞启香教授获得全国模范教师,王恩元教授获得孙越崎青年科技奖。
(三) 学科基地建设
    通过该项目的建设,建立了煤巷突出预测、煤炭自燃、矿井防灭火材料、矿井瓦斯爆炸和低透气性煤层瓦斯抽放等一批实验室。这些实验室配套了自主研发和外购的先进装备,实验室面积达到2000 m2,成为本学科“矿山重大灾害防治”的科学研究、青年教师和研究生培养的重要基地。以该基地为基础,获准筹建“煤炭资源与安全开采”国家重点实验室和“瓦斯治理国家工程研究中心”,承担了国家自然科学基金项目、973国家基础发展规划项目、国家自然科学基金重点项目等国家级项目共计34项,承担省部级项目7项,横向项目250余项。研究成果获得国家级奖励1项,省部级奖励16项。这些实验基地的建设水平居于国内领先,实验室成员还定期举办学术讨论会议,极大增强了安全技术及工程学科的学术氛围。

四、“十五”“211工程”进步与突破
 

(一) 瓦斯灾害防治
    在“九五”“211工程一期的建设中,重点建设了瓦斯爆炸的试验研究系统以及瓦斯突出的机理及预测新技术。如利用中国矿业大学过去的防空洞建立了一套管道瓦斯与煤尘的爆炸试验系统,配备了先进的测试装备,对不同试验管道条件的爆炸冲击波的传播规律与防治技术提供了实验基础。在瓦斯突出的试验研究方面,建立了一套瓦斯突出试验系统,提出了瓦斯突出的球壳失稳理论和流变假说,研制出了预测煤岩突出的电磁辐射装备与技术。
    在“十五”“211工程”二期的研究中,针对我国煤矿瓦斯透气性普遍较低的现状,重点开展了低透气性高瓦斯煤层群瓦斯卸压抽采理论与技术的研究,设计了“低透气性煤层群卸压瓦斯开发模拟试验研究平台”,开展了系列试验,开发了无电力、无压风驱动的本安轻便型瓦斯钻孔封孔装置。在突出的预测系统中,重点建设了煤巷突出预测系统,提出了煤巷突出预测的“线预测”技术,为解决现场煤巷突出预测不准的问题提供了新的技术及实验手段。在瓦斯爆炸的试验研究系统中,重点建设了瓦斯连续爆炸试验系统及测试装备。在“十五”的研究中,特别重视理论与实践结合,项目研究成果在指导淮南矿区的瓦斯治理中取得了显著的效果,获国家科技进步二等奖1项。
(二)矿井火灾防治
    在“九五”的“211工程”一期工程中,重点建设了矿井外因火灾的试验研究系统,即在中国矿大矿井通风安全实验楼新建了一个模拟矿井典型条件的火灾试验系统,可试验在不同矿井通风系统条件下发生火灾后对通风系统的影响,研究了火灾时期风流流动的规律,建立了火灾时期辅助救灾决策的专家系统和风流远程控制系统。
    在“十五”的”211工程”二期建设中,重点进行了矿井内因火灾的试验系统,研制出了一套基于煤氧化动力学的煤自燃倾向性鉴定装置与方法,开发了防治煤炭自燃的三相泡沫及山砂稠化剂的防灭火新技术与材料。承担了国家安全生产监督管理总局修订煤炭自燃倾向性标准的项目,在煤炭自燃特性的基础研究成果已引起国内外的重视;在煤炭自燃防治的材料方面,获得了2项国家发明专利和2项省部级奖励,并在现场获得广泛应用,受到好评。
    总之,“十五”“211工程”二期项目的研究,根据我国煤矿安全形势严峻的特点,项目更注重解决现场实际问题,因此项目取得了巨大的经济效益和社会效益。通过“211工程”的建设,出了一批高水平的成果,培养了大批高素质的人才,促进了学科的建设和学校的整体发展。这些成果都直接应用到了煤矿企业,将科学技术直接转化为了生产效益,保障了企业的安全生产,促进了国家、企业的经济发展。

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