“九五”“211工程”一期重点学科建设项目(采矿工程学科)---煤炭资源开发与开采

作者:发布时间:2010-05-06浏览次数:2616

一、 项目建设总体思路


    煤炭工业是国民经济重要的基础产业,作为我国最重要的一次能源,煤炭约占能源比重的75%,根据我国的能源资源状况,煤炭将长期作为我国主要的能源。我国煤炭产量列世界首位,但煤炭开采科学技术水平与国外先进水平相比尚存在很多差距。煤炭开采是一个复杂的生产过程,要综合应用各种工程技术和理论方法。煤炭开采技术是煤炭工业发展的核心。当前,我国煤炭开采技术主要存在两大难题,一是一般条件下工作面和矿井的高产高效;二是特殊开采条件下如何最大限度地回收资源和获得良好的经济社会效益。

   我校采矿工程学科是首批(1988年)国家级重点学科,1984年被批准为博士点授予单位。面向煤炭工业可持续发展的要求和煤炭开采的实际,学科研究方向主要集中在以下5个方面:(1)采场矿压理论与控制体系,包括岩层控制的关键层理论、放顶煤高产高效开采技术和高产高效开采故障诊断技术与保障系统等;(2)巷道矿压理论与控制技术,包括采动影响巷道矿压理论、煤巷锚杆支护技术、围岩注浆加固及充填技术和巷道底臌控制技术等;(3)井下开采新方法、新工艺和新技术,包括煤炭地下气化、“三下”环保开采、深部开采、地热的开发利用等;(4)采矿系统工程,包括矿山开采设计规划优化理论、煤炭开发战略、矿山可持续发展、矿山生产管理信息系统等;(5)露天开采及边坡工程,包括新型开采工艺、边坡稳定性研究、自动化卡车调度系统等。
    结合上述5个研究方向,采矿工程学科急需通过“211工程”建设形成一个综合研究平台,即1)形成岩层控制的实验研究平台,建立现代化的综合模拟技术;2)形成岩层控制技术,包括注浆充填技术、新材料、围岩加固技术、锚杆支护技术及声发射监测技术等;3)深部开采中高温高压岩体物理力学性质的研究、地热的开发利用等;4)采矿系统优化;5)露天采矿新工艺。以不断提高其整体实力和水平,紧跟国际发展前沿,保持其在学科领域的领先地位。因此,各子项目的建设紧密结合研究方向,围绕研究目标进行。


二、 计划建设目标及实际完成情况


1.计划建设目标
   在“九五”期间,通过对煤炭可持续开采有关技术的研究,特别是以岩层控制技术、高产高效开采技术、“三下”洁净开采技术、采矿系统优化和露天采矿新工艺为重点,在层状矿体开采方面达到或基本达到国际水平。并培养一批高水平人才,使其具有研究、开发和跟踪国际发展动向的能力,使传统的煤炭开采技术和洁净开采技术相结合,为我国煤炭工业可持续发展提供支持。 2.实际完成情况
“煤炭资源开发与开采”总项目第一期批准立项建设的子项目12项,包括2位采矿工程学科“长江学者”批准建设的3项。由于大部分子项目是自己开发设计,调研论证周期长,因而项目启动时间总体较晚。各子项目根据建设目标、内容的要求,在广泛调研论证的基础上进行了相关内容的建设,其建设完成情况如表1。

表1                     各子项目建设完成情况

 
项 目 名 称
立项时间
完成情况
备注
多功能岩层控制实验系统
2000年3月
正在建设
 
采矿过程中围岩力学行为的计算机数值模拟
1998年1月
已经完成
 
充填注浆材料及技术实验系统
2000年1月
正在建设
 
岩层失稳声发射实验系统
2000年1月
正在建设
 
煤巷锚杆支护设计监测系统
2000年3月
正在建设
 
砂土固结材料工业化应用技术
2000年10月
刚启动
长江学者负责
高温高压岩体三轴试验机
2000年7月
刚启动
长江学者负责
露天矿高产高效表土破碎模拟实验系统
1998年12月
基本完成
 
开发利用地热的三维空调技术
2000年10月
刚启动
长江学者负责
矿业工程虚拟现实环境的研究与开发
1999年5月
已经完成
 
采矿CAD及CAI课件建设
1997年4月
已经完成
 
交通运输专业实验室建设
1997年5月
已经完成
 


   通过项目建设形成了采场矿压和采动巷道矿压新理论与监测控制新技术,完善了矿山压力理论与控制体系,发展了开采设计规划优化理论,完善了露天开采新工艺新技术;在学术水平提高、科研课题引进、获得科研成果奖励、教学与实验室建设、人才培养等方面取得了很大的成就,拓宽了学科领域,提高了学术水平,项目建设目标有的已经完成,有的正在按计划建设。引进了2项国家自然科学基金重点项目及6项国家自然科学基金项目、1项国家杰出青年科学基金项目、1项国家创新项目以及横向科研项目80余项。获省部级以上奖励37项,其中国家奖4项。在国内外期刊及学术会议上公开发表论文共计352篇,被SCI、EI、ISTP检索的论文共计108篇。出版论著 21 部。培养博士研究生35名,硕士研究生55名,有4名博士后出站,有1篇论文入选“首届全国百篇优秀博士论文”。1人获全国先进工作者称号,1人获第四届中国青年科学家奖提名奖,1人获国家有突出贡献的中青年专家称号,1人获煤炭高校跨世纪学术带头人称号,进入江苏省“333跨世纪学术、技术带头人培养工程”培养对象第二层次及第三层次各1人,2人获煤炭部专业技术拔尖人才称号。


三、 计划建设内容及实际完成情况



   1.计划建设内容
   根据煤炭“资源开发与开采”总项目建设的要求及各子项目建设的目标,项目建设内容如下:
① 建设一套能够实现多种采矿实验和其他一些岩土工程实验的测试装置,用以解决以下主要问题:多功能岩层控制试验,包括开采过程中上覆岩层活动规律、瓦斯突出机理模拟研究等;锚杆拉拔原位试验;岩体物理力学参数试验;采场支架整架试验;其他如桥梁基础结构的破坏试验,大型混凝土试件的破坏试验,锚链等拉伸试验等,以及与通用设备如通用大吨位、大台面锻压机械结合的试验等。
② 建设一套完整的目前国际上公认的优秀岩土工程软件包,进行采矿过程中采场和巷道围岩稳定性问题的数值模拟研究,广泛开展采场和巷道矿压规律方面的研究,培养一批采矿工程与岩土力学的数值模拟专家。
③ 建设一个具有国际先进水平的充填注浆材料及技术研究开发实验系统,包括超细度充填注浆材料制备、充填注浆材料粒度分析、充填注浆材料工艺实验系统、过水大通道注浆堵水实验系统。建设砂土固结材料工业化应用技术,包括砂土固结材料及其固土机理、生产过程中的工艺参数、砂土固结材料粉磨系统及均化系统的设备匹配等。
④ 建设一套岩层失稳声发射实验系统,用以开展实验室煤(岩)失稳过程中的声发射特征研究,确定煤(岩)失稳预测的最敏感特征量;探讨利用声发射各向衰减特征提高岩层失稳空间定位问题;研究岩层失稳过程中的声发射特征,监测岩层的稳定性。这些研究工作可以为岩石动力学及采矿地球物理方面的研究打下基础,对拓宽采矿学科研究领域具有重要意义。
⑤ 建立煤巷锚杆支护设计的新理论,完善锚杆监测系统。为煤矿巷道锚杆支护设计、支护参数优化提供理论依据。
⑥ 建设一套高温高压岩体三轴试验机,为超深地层能源资源开采奠定基础。
⑦ 建设露天矿高产高效表土破碎模拟实验系统,实现破碎过程特性及作业参数的优化测定,解决装料过程中的粘、堵问题。
⑧ 为开发利用地热,引进样机,建立地热热泵和高效燃气炉示范工程,消化吸收并开发研制适合中国国情的热泵和燃气炉,建立测试检验中心。
⑨ 建设具有90年代先进水平的资源开采与开发计算机信息处理中心,开发和研制采矿工程CAD、采矿学科CAI课件两大计算机软件系统。购买专用实验设备及VR系统开发及支撑软件,建立VR研究实验室,研究与开发矿井地面设施规划虚拟现实系统、露天矿区生态重建可视化仿真系统、矿井生产虚拟现实环境、煤矿主要灾变发生过程模拟、矿山事故的分析与再现等。建设矿山铁路线路系统实验台。
   2. 实际建设内容
   1)完成了多功能岩层控制实验系统的设计及加工。解决了三维立体物理模拟的四周和顶部采用柔性加载方式,解决了真三维原岩应力场的模拟加载和顶部载荷随岩层开采沉陷的随动问题。模型公称力10000kN,最大尺寸260014001800mm3,最小尺寸12003001600mm3,采用装配式结构,具有较大的活动范围,适应不同的试验内容及其边界条件。模型制作工艺机械化(拌料、加料、成型、拆卸等),减少实验人员的手工劳动。把新型的传感合一的导波光学应力应变传感测量系统用于三维物理模型的内部物理量量测问题。一机多能,解决设备利用率低的问题。
   2) 引进了一套美国Itasca咨询公司研究开发的大型岩土工程专用软件包。结合课题研究及博士生和硕士生论文,结合采场和巷道矿压理论与控制技术方面的研究,对软件进行开发。研究内容包括:①顶板岩层破断过程的数值模拟技术;②关键层的理论研究;③采场支架—围岩关系;④采动后的地表沉陷规律;⑤深井软岩采动巷道的大变形机理;⑥岩体破坏后的本构关系;⑦大变形巷道的支架—围岩关系;⑧锚杆和注浆对大变形巷道的加固机理;⑨框式支架对大变形巷道的支护机理等。3年来,先后有10名博士生和5名硕士生使用该软件开展论文的研究工作,应用于研究课题40余项。
   3)正在建设充填注浆材料实验系统,包括粒度分析分系统、充填注浆材料制备分系统及充填注浆工艺检测,完成了过水大通道注浆堵水模拟实验台的设计工作。初步建成了充填注浆材料及技术研究开发实验系统。初步研究成功了“砂土固结材料”及其固结砂土的机理,即静电作用、矿物结晶作用和胶结作用等综合作用的复杂机理。
   4)完成了24通道岩层失稳声发射实验系统的参数选择、系统配置及软件开发工作。该系统扩大了声发射信息的采集范围,完善了数据采集系统及数据处理分析方法,提高了声发射信息采集的智能化、数字处理及监测预报的能力。利用4通道声发射系统研究了煤岩失稳过程中的声发射特征,分析了煤岩失稳前后的最敏感特征量,为岩层失稳监测预报的进一步研究奠定了基础。
   5)建立了煤巷锚杆支护的新理论和煤层巷道锚杆支护设计的新方法和新工艺,正在建设锚杆支护监测系统。
  6)设计了用于研究高温高压岩体性质的大比例试件的三轴试验机。该试验机可开展5000~10000m深部地层特性方面的研究,试件尺寸:直径300~400mm,高600~800mm,试件温度可达600ºC。研究结果可为矿井深部开采、高温岩体地热开采的钻井、压裂、热能提取、低温发电、场址选择的合理设计奠定基础。
  7)基本建成了露天矿高产高效表土破碎模拟实验系统,实现破碎过程特性及作业参数的优化测定,解决装料过程中的粘、堵问题,为露天开采新工艺的突破奠定了实验基础。
  8)为开发利用地热,开展了对热泵和燃气炉的调研工作,与加拿大和美国等有关企业建立了广泛的联系与合作,引进了热泵样机,掌握了热泵和燃气炉开发生产的相关技术。
  9)建成了国内煤炭行业领先水平的煤矿开采学多媒体CAI课件,及采矿工程图绘制软件包CUMTCAD,建成了具备大型图形计算机扫描、打印和服务的采矿软件开发应用中心。对教学内容和教学手段的现代化发挥了重要作用。已购买了VR实验设备和开发软件,研制开发了三维动画“校园漫步”,利用虚拟现实软件建立了数字化地形模型,完成矿井地面设施规划虚拟现实系统及露天矿区可视化仿真系统研究前期准备工作。购置了三套6502仿真教学控制台,完成了“接发列车模拟”和“信、联、闭联锁控制”实验。建成了矿山铁路线路系统的实验台。


四、 项目取得的建设效益

    1.对学科拓宽及提高水平的作用
   1)形成了以关键层理论为指导,集采场破碎围岩注浆加固、“三下”环保开采及岩层移动控制、深井矿压监测控制及数值模拟与物理模拟技术为一体的控制体系,进一步完善了采场矿山压力理论与控制体系。
   2)进一步完善了保持大变形采动巷道围岩稳定性的基本理论与控制技术,建立了煤巷锚杆支护新理论及锚杆支护设计新方法,形成了现场监测技术及计算机数值模拟与物理模拟为一体的研究新体系。
   3)正在建设高温高压岩体三轴试验系统,初步建成了砂土固结材料工业化应用技术,开辟了煤炭资源信息与计算机应用研究方向,因而拓宽了学科研究领域和研究方向。
   4)进一步增强了与国际国内的学术交流及与现场的密切合作。1996年、1997年西澳矿业学院Golosenski、Villascusa教授,2000年波兰西里西亚工业大学Bernard Drzezia教授,1999年留美学者郭颂博士、德国玛伦霍尔茨教授、俄罗斯马尔金阿斯院士、萨夫琴科巴黄研究员等先后来我院讲学,开展学术交流。1999年7月在北京举办了采矿学科“厚煤层现代开采技术国际专题研讨会”。与潞安矿务局和淮北矿务局联合申请到国家自然科学基金重点项目、国家科技创新项目;与兖州矿业集团公司合作完成了国家自然科学基金重点项目,原煤炭部“九五”攻关项目,在211项目建设过程中,广泛开展了数十个生产单位的科研合作。
   5)采矿学科成为全国首批“长江学者奖励计划”批准单位,现已有2名长江学者上岗,分别是我校北京校区的孙恒虎教授和太原理工大学的赵阳升教授。
   6)岩石力学与岩层控制实验室建成了国家煤炭工业局重点实验室。
    2.高层次人才培养与学科梯队建设
   “211工程” 项目建设期间,共有6名教师晋升教授职称,19名教师晋升副教授职称。培养博士生35名,硕士生55名,采矿学科博士后流动站出站博士后4名,1篇博士论文入选“首届全国百篇优秀博士论文”。在国内外学术会议及期刊上发表论文共计352篇,被SCI检索1篇,EI检索 63 篇,ISTP检索44篇。出版论著 17 部,教材4部。1人获全国先进工作者称号,1人获第四届中国青年科学家奖提名奖,1人获国家有突出贡献的中青年专家称号,1人获煤炭高校跨世纪学术带头人称号,进入江苏省“333跨世纪学术、技术带头人培养工程”培养对象第二层次和第三层次各1人,2人获煤炭部专业技术拔尖人才称号。
目前,采矿工程学科已形成以院士、学科带头人为核心,以中青年学术带头人和骨干教师为中坚的学术队伍。
采矿学科培养博士后、博士及硕士情况和有关人员获得的荣誉称号见附件1。
    3.引进科研项目
引进国家科研项目10项,经费累计478万元。其它(企业委托)项目 80余项,累计经费 700余万元。引进国家科研项目情况见表2。


                                           表2                 引进国家科研项目

 
课 题 名 称
课 题 组 成 员
经 费
(万元)
起止年月
备 注
1
高水材料固化物特征及合成机理
孙恒虎等
60.00
96.1~
98.12
国家杰出
青年基金
2
煤矿上覆岩层移动破坏-开采沉陷规律及模拟
王悦汉 马伟民 何国清 何满潮 邓喀中
50.00
95.12~
98.12
国家自然科学基金重点项目
3
厚煤层全高开采方法基础研究
钱鸣高 缪协兴 何富连侯朝炯 刘长友 张益东
90.00
97.12~
00.12
国家自然科学基金重点项目
4
层状岩体中的关键层理论研究
钱鸣高 缪协兴 王作棠 许家林 曹胜根
12.00
96.12~
99.12
国家自然
科学基金
5
综合集成化的采矿工程智能仿真系统研究
张幼蒂 张瑞新 李克民 李新春 尚涛
10.00
97.12~
00.12
国家自然
科学基金
6
煤岩应力破坏与电磁辐射耦合规律及其应用研究
窦林名 张学龙 马勇 聂百胜 曹胜根
20.00
00.12~
03.12
国家自然
科学基金
 
7
地下采矿工程诱发地层空间应力场演变变化规律的研究
刘长武 付国彬 杜长龙 王燕宁 丁开旭
17.00
00.12~
03.12
国家自然
科学基金
8
深部软岩巷道围岩大变形的机理及控制
陆士良 姜耀东 王悦汉 王彩根 陈庆敏
8.00
95.12~
98.12
国家自然
科学基金
9
低温(约900度)生成充填胶凝性矿物机理研究
孙恒虎等
22.00
00.   1~
02.12
国家自然
科学基金
 
10
综放面大断面沿空留巷治理瓦斯技术开发
潞安矿务(集团)公司王庄煤矿/中国矿业大学
189.00
00.   01~
01.12
2000年国家
重点技术创
新项目规划

 
4.发表论文、专著及教材
    在国内外一级期刊及国际学术会议上公开发表的论文132篇,被SCI检索1篇,被EI检索63篇,被ISTP检索44篇。见附件2。
出版专著17部,教材4部。见附件2。
5.科研项目完成情况
   鉴定项目28项,其中国际领先2项,国际先进15项,国内领先10项,国内先进1项。
6. 科研获奖情况
科研获奖项目共计37项,其中国家科技进步奖4项,省部级科技进步二等奖16项,三等奖17项。
 
五、 项目建设取得的标志性成果

1.标志性成果的名称
    岩层控制与采矿系统优化的新理论、实验技术及应用
2. 标志性成果摘要
   创建了采场岩层控制的关键层理论、“砌体梁”平衡的“S—R”稳定理论和采动巷道、软岩巷道的围岩活动规律及稳定性原理、底臌机理及控制理论,形成了放顶煤开采技术及煤巷锚杆支护设计新方法和新工艺,取得了“三下”环保开采的理论及应用研究成果,发展了开采设计规划优化理论,建立了现代化的实验研究和教学手段。
3. 标志性成果内容
  1)采场矿压理论:在国内外首次提出了岩层控制中的关键层理论及“砌体梁”平衡的“S—R“稳定理论。成果集中在《岩层控制的关键层理论》、《中国煤矿采场围岩控制》著作及28篇国内外一级期刊发表的文章中。《中国煤矿采场围岩控制》著作1998年获国家科技进步三等奖。
   2)结合实验手段的建设,进行了综采放顶煤的系列理论研究。承担了国家自然科学基金重点项目“厚煤层全高开采方法基础研究”,进行了超长(270m)综放工作面高产高效综合成套技术研究及综放工作面矿山压力研究及控制,研究成果达到国际先进水平,部分成果获江苏省科技进步三等奖。
    3)巷道矿压理论:在国内外首次提出了采动巷道、软岩巷道的围岩活动规律及稳定性原理、底臌机理及控制理论。成果集中体现在《中国煤矿巷道围岩控制》及《采准巷道矿压理论及应用》专著中,获国家科技进步二等奖、三等奖各一项,省部级奖8项,发表相关论文34篇。
    4)结合煤巷锚杆支护设计监测系统及巷道支护综合实验系统和多功能岩层控制实验系统子项目的建设,在煤巷锚杆支护技术方面提出了锚杆支护围岩强度强化新理论和综放沿空掘巷围岩大小结构稳定性原理,形成了支护设计新方法和新工艺,研究成果达到了国际先进水平,在全国数十个局、矿推广应用,获得煤炭工业科技进步特等奖一项,中国高校科学技术一等奖一项,河北省省长特别奖一项,省部级其他奖7项。
    5)结合多功能岩层控制实验系统、注浆充填材料及技术实验系统等子项目的建设,在“三下”开采岩层控制方面承担了国家自然科学基金重点项目“煤矿上覆岩层移动破坏-开采沉陷规律及模拟”,该项目成果“采动岩体动态力学模型及理论研究”获得中国高校科学技术一等奖。
    6)在采矿系统工程方面:在“八五”获国家科技进步二、三等奖各1项的基础上,开发了露天矿优化设计CAD软件,开展了中国能源开发战略、中国煤炭开发战略、矿区可持续发展、采矿工程可靠性研究等,研究水平达到国际先进水平。
    7)为适应21世纪人才培养的需要加强了教学内容、教学手段现代化建设,开发了采矿工程图绘制软件包CUMTCAD、煤矿开采学CAI多媒体课件,建立了VR研究实验室,建设了矿山铁路线路系统实验台。拓宽了采矿学科研究方向(矿业信息与计算机应用)。
    8)结合多功能岩层控制实验系统、采矿过程中围岩力学行为的计算机数值模拟及岩层失稳声发射实验系统子项目的建设,建立了现代化的实验研究手段,为科研水平的提高和重大项目的开展奠定了基础。

 
 

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