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2019年度国家科学技术进步奖提名项目公示材料一、项目名称：煤矿大空间采场坚硬岩层控制理论与关键技术二、提名者及提名意见提名者：中国煤炭工业协会提名意见：晋北矿区是我国重要的煤炭生产基地。针对坚硬顶板、特厚煤层、双系复杂开采条件引发的强矿压问题，大同煤矿集团有限责任公司、重庆大学和辽宁工程技术大学在多项国家科技计划项目支持下，经多年产、学、研联合攻关，取得以下创新成果：（1）研发了煤矿开采岩层运动大空间原位监测成套技术装备，实现了岩层运动的精准可知；（2）创立了大空间采场坚硬岩层控制理论，揭示了强矿压显现机理；（3）发明了地面压裂坚硬顶板控制采场矿压的方法，构建了大空间坚硬顶板远近场协同控制技术体系，实现了强矿压的有效预控。项目解决了大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采技术难题，在岩层采动运移的精准可知和科学预控方面取得重大进展。在矿井大空间覆岩运移监测、矿压理论及顶板控制方面取得的成果达到了国际领先水平。该项目获省部级科技进步一等奖5项，授权发明专利42项，实用新型专利23项，软件著作权5项，发表论文118篇，SCI、EI检索83篇，出版专著5部。该项研究成果在大同、神东等矿区广泛推广应用，建成了安全高效开采国家级科技创新示范工程，打造出了塔山、同忻等国际领先的特大型现代化矿井，取得显著经济社会效益。项目成果保证了坚硬顶板特厚煤层的安全高效开采，对推动行业科技进步，起到了引领示范作用，应用前景广阔。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介项目属于矿山工程技术领域。顶板事故起数和死亡人数长期以来一直位居煤矿各类事故首位，岩层破裂是瓦斯、水、顶板等事故的主要诱因，同时直接影响开采工艺与生产效率，因此，岩层控制是煤矿安全高效开采的核心。由于地下工程的隐蔽性和复杂性，岩层运动规律难以掌控，是亟待攻克的世界性难题。坚硬顶板特厚煤层开采，采场空间大，覆岩运移范围广，顶板的破断运移及矿压作用复杂，工作面开采过程中支架压死、巷道破坏等强矿压问题突出，通过加强支护已无法解决，对顶板控制提出了严峻挑战。目前对于采场矿压作用的研究涉及空间不足，缺乏覆岩整体运移监测技术以及适用于研究大空间采场的科学理论，难以准确揭示大空间采场坚硬岩层运动规律及强矿压显现机理，更缺少高位坚硬岩层主动控制技术。针对上述理论与技术难题，经近十年攻关，开发了煤矿大空间采场坚硬岩层控制理论与关键技术，保证了坚硬顶板特厚煤层的安全高效开采。项目重要创新成果如下：（1）揭示了大空间覆岩破断结构特征。研发了大空间岩层运动原位监测成套技术与装备，探明了大空间覆岩“悬臂梁+砌体梁+高位结构”的复杂破断结构特征。掌握了各层位结构失稳的矿压规律，在攻克岩层运动精准可知的世界性难题上取得重大进展，为大空间采场坚硬岩层控制理论的提出奠定了基础。（2）提出了大空间采场坚硬岩层控制理论。首次定义了大空间采场并划分为远场和近场，建立了大空间采场覆岩结构力学模型，阐明了远、近场结构失稳的矿压作用机制，揭示了大空间覆岩结构失稳的强矿压显现机理；丰富发展了矿山压力与岩层控制理论，为强矿压防控提供了依据。（3）发明了地面压裂坚硬岩层控制采场矿压的方法。研发了大型真三轴多功能试验系统，开展了大尺度（1420×530×420mm）原位试件水力压裂试验，揭示了采场坚硬岩层水压裂缝扩展规律；建立了压裂时空参数选取准则，开发了水压裂缝扩展监控技术，研发了水平井体积压裂和垂直井分级压裂技术，构建了煤矿地面压裂精准控制技术体系，填补了高位坚硬顶板控制的国际空白。（4）构建了坚硬顶板远近场协同预控技术体系。研发了井下深孔承压爆破和特高压高效水压致裂成套技术与装备，提高了近场弱化坚硬顶板的效果和安全性；构建了远场与近场、岩层弱化与卸压开采协同作用的大空间坚硬顶板预控技术体系，实现了矿压由被动治理向主动预控的转变。项目研究不仅解决了坚硬岩层特厚煤层开采的强矿压控制技术难题，而且在岩层运动的精准可知和科学预控方面取得了突破，研究成果达到了国际领先水平，创工作面月产151万吨，生产煤炭亿吨无死亡的好成绩。研究成果在大同、神东等矿区广泛应用，取得了显著的经济效益。获省部级科学技术一等奖5项，授权发明专利42项，软件著作权5项，发表论文118篇，SCI、EI检索83篇，出版专著5部。依托成果打造出了塔山、同忻等国际领先的特大型现代化矿井，建成了安全高效开采国家级科技创新示范工程，科技引领作用巨大。四、客观评价1、相关获奖科技成果（1）“煤矿坚硬顶板地面压裂控制技术”荣获2018年中国煤炭工业科学技术一等奖。（2）“大同双系特厚煤层强矿压发生机理及综合治理技术研究”荣获2016年中国煤炭工业科学技术一等奖。（3）“特厚煤层综放开采远场关键层破断型式及失稳机制”荣获2017年中国煤炭工业科学技术一等奖。（4）“特厚煤层大开采空间综放面沿空掘巷成套技术研究与应用”荣获2016年中国岩石力学与工程学会科技进步一等奖。（5）“双系煤层复杂条件下千万吨矿井安全开采技术与实践”荣获2014年中国煤炭工业科学技术一等奖。2、相关成果鉴定意见（1）“煤矿坚硬顶板地面压裂控制技术”。由中国煤炭工业协会组织顾金才院士、康红普院士、李根生院士、顾大钊院士等专家组成鉴定委员会，对本项目进行了鉴定，鉴定意见如下：首次提出地面水力压裂坚硬顶板控制强矿压的方法，…实现了多层高位坚硬顶板的有效控制。…揭示了大空间覆岩结构失稳破坏机理，…建立了压裂时机、层位与采场空间的关系…首次应用深部煤岩工程多功能物理模拟试验系统，开展了大尺寸（1420×530×420mm）原岩试件真三轴水力压裂试验，…构建了大空间采场坚硬顶板地面压裂控制技术体系，实现了坚硬顶板层位、压裂时机和压裂范围的有效控制，填补了高位坚硬顶板控制的空白。…取得了良好效果及显著的经济社会效益。研究成果达到了国际领先水平。（2）“大同双系特厚煤层强矿压发生机理及综合治理技术研究”。由中国煤炭工业协会组织袁亮院士、蔡美峰院士等专家组成鉴定委员会，对本项目进行了鉴定，鉴定意见如下：“……分析了大结构破断规律及影响尺度，揭示了厚层坚硬顶板覆岩大结构失稳对强矿压发生的控制作用。分析了侏罗系煤层残留煤柱…对强矿压发生的影响。…提出了顶板超前预裂切顶卸压优选技术方案，在同煤集团同忻煤矿成功应用。项目成果在大结构力学模型的建立及坚硬覆岩矿压研究中的应用方面，处于国际领先水平。”（3）“特厚煤层综放开采远场关键层破断型式及失稳机制”。由中国煤炭工业协会组织康红普院士、王国法院士等专家组成鉴定委员会，对本项目进行了鉴定，鉴定意见认为：“项目研究提出了井下矿压、覆岩运移、地表沉陷井上下“三位一体”原位监测方法，…揭示了远、近场关键层破断联动诱发采场强矿压的力学机制。…形成了以弱化煤柱边界、破坏关键块体结构为主体对策的压架防治体系。研究成果在同煤集团同忻煤矿特厚煤层综放面进行了试验，取得了显著的经济和社会效益，研究成果达到了国际领先水平”。3、“煤矿大空间采场坚硬岩层控制理论与关键技术”查新结论黑龙江省科学技术情报研究院国内外查新（报告编号：2018230220180GJ）结论：“研究了井下矿压、覆岩运移、地表沉陷的“三位一体”原位监测方法，研发了大空间岩层运动原位监测成套技术与装备，构建了大空间覆岩运移连续监测技术体系，实测揭示了覆岩“悬臂梁+砌体梁+高位结构”的复杂破断结构特征及其矿压作用规律；提出了大空间采场控制理论，定义了大空间采场并划分为远场和近场，建立了大空间采场覆岩结构力学模型，阐明了远、近场结构失稳的矿压作用机制，揭示了大空间采场强矿压显现机理，建立了强矿压分级预测评价准则；研究了地面压裂坚硬顶板控制采场矿压的方法，研发了大型真三轴多功能试验系统，揭示了岩体水压裂缝扩展规律；建立了压裂时空参数选取准则，开发了水压裂缝扩展精准监控技术，研发了水平井体积压裂和垂直井分级压裂技术；研发了井下深孔承压爆破和特高压水压致裂成套技术与装备，研究提高近场弱化坚硬顶板的效果和安全性；构建了远场与近场、岩层弱化与卸压开采协同作用的大空间坚硬顶板预控技术体系。上述技术特点，目前在国内外所查文献摘要中除委托人、课题组成员发表文献外未见相同报道”。4、国际学术会议评价2015年10月18日，在河南理工大学召开的“34届国际采矿岩层控制会议”上，于斌做了题为《大空间采场坚硬顶板预控理论与技术》的大会特邀报告，引起强烈反响，得到国内外专家的一致认可。大会主席、美国工程院院士SydS.Peng对特邀报告进行了高度评价，他认为：“于斌教授级高工提出的协同弱化改性的坚硬顶板预控技术，在岩层控制理论与技术方面取得了突破性进展，在国内外煤矿坚硬顶板治理中具有很大推广价值”。五、应用情况项目研究成果在大同煤矿集团塔山煤矿、同忻煤矿、麻家梁煤矿等多个矿井得到全面应用，并推广至神东、神火等多个矿区。应用研究成果准确掌握了大空间采场覆岩运移规律，解决了大空间覆岩运移实测的技术难题，揭示了大空间采场强矿压显现机理。坚硬顶板控制技术的应用，避免了强矿压的发生，工作面支架阻力明显降低，巷道变形得到有效控制，工作面产量和回收率显著提高，保障了矿井安全高效生产，研究成果具有广阔的应用前景。主要应用单位情况表序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人1同煤大唐塔山煤矿有限公司岩层运动原位监测技术、坚硬顶板远近场协同弱化技术有效降低了工作面来压步距和强度，减小了巷道变形量，提高了采区回收率，实现了安全高效生产。2016.01-2018.12牛福龙2同煤国电同忻煤矿有限公司岩层运动原位监测技术、侏罗系煤柱地面定点压裂技术、坚硬顶板远近场协同弱化技术有效杜绝了工作面过上覆煤柱的强矿压显现；降低了工作面支架阻力，巷道变形明显减小，增加了采区回收率。2016.01-2018.12陈涛3同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司井下特高水压致裂技术、深孔承压爆破预裂技术、小煤柱安全留设技术降低了工作面液压支架阻力，巷道保护煤柱应力明显减少，大大降低了巷道维护费用，提高了采区回收率。2016.01-2018.12王爱午4大同煤矿集团铁峰煤业有限公司井下特高水压致裂技术、深孔承压爆破预裂技术、小煤柱安全留设技术降低了近场坚硬顶板的破断步距及强度，工作面支架阻力大幅降低，减少了巷道保护煤柱应力；提高了采区回收率。2016.01-2018.12李斌5大同煤矿集团白洞煤业有限责任公司小煤柱安全留设技术、解放层卸压开采技术、深孔承压爆破预裂技术降低了工作面支架阻力，煤柱应力大幅度减小，巷道维护工程量和费用明显降低；降低了顶板来压强度。2016.01-2018.12卻宝厚6神华神东大柳塔煤矿三位一体原位监测技术提高了矿压管理效果，降低了强矿压程度，实现了工作面的快速安全生产，经济效益显著。2016.01-2018.12陈苏社7河南神火兴隆矿业有限责任公司覆岩结构理论及煤岩控制技术改善了支架与围岩的相互作用关系及顶板的垮落特性，提高了顶煤的回收率，保障了工作面的安全生产。2016.01-2018.12伍庆风六、主要知识产权和标准规范等目录知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权（标准发布）日期证书编号（标准批准发布部门）权利人（标准起草单位）发明人（标准起草人）发明专利（标准）有效状态发明专利煤矿开采岩层运动大空间原位监测方法中国ZL201611159098.02018年10月19日3115230大同煤矿集团有限责任公司于斌，高瑞，匡铁军有效专利发明专利降低特厚煤层工作面远场坚硬顶板冲击性来压强度的方法中国ZL201510037487.52017年01月04日2332112大同煤矿集团有限责任公司于斌，刘锦荣赵军有效专利发明专利弱化距开采煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置中国ZL201510108115.72017年9月26日2636695大同煤矿集团有限责任公司于斌，匡铁军段宏飞有效专利发明专利一种采动覆岩运动规律原位观测钻孔布置方法中国ZL201610322601.32018年2月23日2827138中国矿业大学朱卫兵李竹鞠金