9054004遗留难采优质煤炭资源安全开采基础理论与关键技术

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：遗留难采优质煤炭资源安全开采基础理论与关键技术二、提名者及提名意见提名者：中国煤炭工业协会提名意见：我国遗留煤炭资源储量多达1200亿吨，且大量为优质稀缺资源。但遗煤开采难度大，安全问题突出，迫切需要难采遗煤安全开采技术。针对遗煤开采这一世界性难题，该项目经十余年的科研攻关，在国家科技支撑计划项目和国家基金重点项目、优青、面上项目以及多项企业攻关项目的大力资助下，产学研联合自主创新，构建了难采遗煤开采岩层控制基础理论体系，首创了难采遗煤安全开采技术，研发了难采遗煤安全开采工艺与装备，开发了难采遗煤采前瓦斯高效抽采安全保障技术体系，解决了我国难采遗煤安全回收的技术难题，大幅消减了遗煤自燃等安全隐患，为提高煤炭资源回采率做出了重要贡献。项目成果荣获省部级奖励6项，授权国家发明专利50余项，发表SCI论文47篇，EI论文近60篇，出版学术著作5部，得到了国内外同行专家的高度评价。项目成果先后在西山煤电、汾西矿业、霍州煤电、同煤集团、太原东山煤电等多家企业进行了应用推广，效益显著。对促进我国煤炭资源高回收率绿色安全开采意义重大，应用前景广阔，项目成果达到国际领先水平。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介：该项目属于煤炭开采技术领域。历史原因造成我国遗煤储量多达1200亿吨，且大量为稀缺优质资源，其开采可为我国增加30%的可采储量。但遗煤赋存条件异常复杂、岩层控制机理不明晰、开采难度大，严重影响了我国煤炭资源的整体回收率。为此，项目在国家科技支撑计划项目和国家基金重点项目、优青、面上项目以及多项校企合作项目的连续资助下，通过产学研合作自主创新，历经十余载聚焦遗留难采煤炭资源安全开采基础理论与关键技术研究，攻克了难采遗煤安全开采的世界性难题。主要科技创新有：（1）构建了难采遗煤开采岩层控制基础理论体系。系统归纳了全国遗留煤炭资源分布状况、赋存特征与开采趋势，界定了遗留难采煤炭资源的基本概念，引领了遗煤开发战略新方向。建立了难采遗煤开采岩层结构模型，揭示了相应结构的稳定性特征与失稳机理，探究了多重采动对岩层结构演化的影响机制，解决了遗煤开采可行性定量判定的历史难题。揭示了难采遗煤开采“应力场-裂隙场-变形场”三位一体的矿压显现规律，为难采遗煤开采技术开发提供了理论支撑。（2）首创了难采遗煤资源复采方法及关键技术。发明了难采遗煤的蹬空开采技术，实现了残采区上方煤层的安全复采。提出了构造充填遗煤复采技术，发明了多种柱旁充填和“梁-柱”式充填方法，实现了以固废材料结构充填体置换遗煤资源的理念。研发了难采遗煤综放复采技术，解决了厚煤层残留底煤和极近距上部遗煤高效回采难题。发明了露天复采技术，实现了浅埋遗煤资源的高效复采。以上多类型遗煤开采技术的开发，为遗煤资源最大程度回收提供了技术保障。（3）研发了难采遗煤资源安全开采工艺与装备。研发了遗煤开采充实采空区的工艺，发明了垛柱式、折叠式构造充填模板和构造充填液压支架，研发了近距遗煤综放复采的矸石原位定向充填液压支架等装备，研发了构造充填材料凝结时间、流变及稳定性测试的新方法及装置，形成了新型高性能固废构造充填材料及其制备、输送、充填成套系统，开发了基于电阻率法的充填效果监测技术。提出了遗煤开采的巷道布置方法，确定了其“三机”配套和关键工艺参数，研发了遗煤开采抑制工作面底板台阶下沉、超前穿层预裂煤柱、设备智能防滑防倾、主动调斜防切等工艺。（4）研发了难采遗煤采前瓦斯高效抽采安全保障技术体系。自主研发了破碎煤岩体压实-渗流-声发射综合实验系统，揭示了残采区破碎煤岩体变形与瓦斯渗流特性，发现了特有的“U”型高渗瓦斯富集区，其范围包含垮落带破碎煤岩体和穿层裂隙区。揭示了残采区瓦斯储气空间分布及其渗流特性，确定了其地面抽采的瓦斯高流区，提出了钻井井位优选技术。研发了单井跨煤柱越流抽采技术，发明了穿煤柱跨层抽采、同层位压裂协同抽采和间歇式蓄流高效抽采技术。为遗煤开采提供了重要的安全保障。该项目在遗留难采煤炭资源开采基础理论、技术和装备研发等方面取得了重大突破，形成了自主知识产权的遗煤开采先进技术体系及装备，整体技术达到国际领先水平。项目荣获省部级一等奖等科技成果奖6项，授权国家发明专利50余项，发表SCI论文47篇，EI论文近60篇，出版学术著作5部。项目成果先后在西山煤电、汾西矿业、霍州煤电、同煤集团、太原东山煤电等多家企业进行了推广应用，取得显著的经济与社会效益，实现了难采遗煤的安全高回收率开采。全国范围内类似赋存条件的遗煤资源分布广泛，研究成果对促进煤炭资源绿色安全高回收率开采和煤炭工业可持续发展意义重大，有广阔的应用前景。四、客观评价：成果鉴定意见：（1）“复杂条件下遗煤开采岩层控制基础理论与关键技术研究”鉴定意见2018年3月，中国煤炭工业协会组织王家臣教授和刘峰副会长等专家组成鉴定委员会，对该项目进行了鉴定，鉴定意见认为：本项目研究成果在西山、同煤等矿区进行了推广应用，取得了显著效益。该项目研究成果在遗留难采煤层开采的岩层控制领域达到国际领先水平。（2）“煤矿残采区遗弃资源回采理论与技术”鉴定意见2010年3月，山西省科技厅组织姚建国研究员和郭勇义教授等专家组成鉴定委员会，对该项目进行了鉴定，鉴定意见认为：该成果为垮落法和刀柱式残采区上覆遗煤回采提供了理论基础与关键技术，丰富了煤矿开采理论，对于建设节约型矿井和实现可持续发展具有重要的指导意义与现实意义。项目研究成果具有重要的理论价值和推广应用前景，达到国际领先水平。（3）“白家庄煤矿6#煤层蹬空综采技术研究”鉴定意见2006年12月，山西省科技厅组织宋振骐院士和康红普院士等专家组成鉴定委员会，对该项目进行了鉴定，鉴定意见认为：该研究成果对上行开采理论的完善和类似条件矿区煤层的回收具有重要的指导意义，达到国际领先水平。（4）“大同侏罗纪煤层小煤窑破坏区上行开采技术研究”鉴定意见2011年1月，山西省科技厅组织姚建国研究员和耿建平研究员等专家组成鉴定委员会，对该项目进行了鉴定，鉴定意见认为：项目研究成果对资源整合矿井和资源枯竭型矿井实现可持续发展具有指导意义和现实意义。该成果达到国际先进水平。（5）“老矿井全空间灾害防治新技术研究及应用”鉴定意见2018年09月，中国煤炭工业协会组织周心权教授等专家组成鉴定委员会，对该项目进行了鉴定，鉴定意见认为：项目研究成果于寺河矿等多个矿井实践应用，在采动区、老采空区瓦斯抽采、综采综掘面降尘和老矿井采空区堵漏风等方面应用效果明显，具有重要的推广价值。项目研究成果达到国际领先水平。成果查新结论：（1）山西省科学技术情报研究所对项目“复杂条件下遗煤开采岩层控制基础理论与关键技术研究”进行了查新（报告编号：201714B1930028）：除本项目发表的论文及申请的中国专利外，未见就该项目内容进行研究的其他公开文献报道。（2）山西省科学技术情报研究所对项目“残采区积气地面高效抽采关键技术的研究与应用”进行了查新（报告编号：201714B1930048）：除该项目组成员申请的中国专利及发表的论文外，未见与该项目研究特点完全相同的其他公开文献报道。（3）山西省科学技术情报研究所对项目“多断层条件下遗弃近距离煤层构造充填开采关键技术与装备研究”进行了查新（报告编号：201714B1920007）：除本项目委托单位完成的科技成果外，未见与该项目上述研究特点完全相同的其他公开文献报道。重要科研奖励：（1）“复杂条件下遗煤开采岩层控制基础理论与关键技术研究”荣获2018年中国煤炭工业协会科技进步一等奖。（2）“残采区积气地面高效抽采关键技术与应用”荣获2017年教育部高校科学研究优秀成果二等奖。（3）“固废资源化构造充实采空区及其充填效果监测技术研究”荣获2017年山西省技术发明二等奖。（4）“煤矿残采区上覆煤层安全回采理论及技术研究”荣获2011年国家安监总局第五届安全生产科技成果二等奖。（5）“煤矿残采区遗弃资源回采理论及技术研究”荣获2010年山西省科技进步二等奖。（6）“白家庄煤矿6#煤层蹬空综采技术”荣获2007年山西省科技进步二等奖。同行评价意见：（1）中国科学院宋振骐院士对该项目成果《煤矿残采区上行开采基础理论与实践》专著作序，认为该项目成果“为残采区上行开采提供了非常有价值的理论指导与技术支持，为上行开采理论体系增添了新的重要内容”。（2）美国工程院SydS.Peng院士对该项目成果《水泥基-固废煤矿膏体充填材料性能研究及工程应用》专著作序，认为该项目成果“克服了膏体充填开采原料短缺、充填材料性能不稳定、充填效果难以实时监测以及系统装备自动化程度低等诸多短板，对充填开采有重要的指导意义和理论价值”。（3）中国工程院康红普院士对该项目成果《水泥基-固废煤矿膏体充填材料性能研究及工程应用》专著作序，认为该项目“提出了“构造充填”的思想，将“充填体-直接顶”作为整体结构控制体系进行研究，促进了充填开采及岩层控制相关理论的发展，丰富了充填开采的内涵。项目成果必将推动煤矿膏体充填开采理论和技术进一步发展，对构建绿色和谐生态矿山具有重要的指导意义”。（4）该项目发表的论文“Thecorrelationbetweencrushedcoalporosityandpermeabilityundervariousmethanepressuregradients:acasestudyusingJinchenganthracite”被期刊GreenhouseGases:ScienceandTechnology遴选为封面文章，并获得国际著名专家日本九州大学KyuroSasaki教授等的快速关注与引用。（5）该项目成果《极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制》入选中国精品科技期刊顶尖学术论文；《静游镇煤矿4号煤层上行开采可行性研究》入选全国煤炭工业生产一线青年技术创新优秀论文；《白家庄煤矿垮落法残采区上行开采相似模拟实验研究》入选山西省优秀学术论文；《煤矿膏体充填材料性能随龄期变化的试验研究》入选中国煤炭学会开采专业委员会优秀学术论文。（6）2017年7月，在美国西弗吉尼亚大学召开的36thInternationalConferenceonGroundControlinMining会议上，冯国瑞教授作了题为《Fundamentalsandkeytechnologiesonstratacontrolinminingofremnantcoalreservesunderadverseconditions》的特邀报告。美国工程院SydS.Peng院士对特邀报告进行简短评价：冯国瑞教授在遗留难采煤层开采岩层控制基础理论与关键技术方面取得了突破性进展，对国内外资源枯竭型矿井的可持续发展具有重要的引领作用。五、推广应用情况：遗留难采煤炭资源安全开采基础理论与关键技术研究成果先后在西山煤电、汾西矿业、霍州煤电、同煤集团、太原东山煤电等煤炭企业的20余个矿井进行了推广应用，实现了难采遗煤开采岩层运移的精准防控，保障了遗煤资源的安全开采。促进了煤炭资源绿色安全高回收率开采和煤炭工业的可持续发展。通过项目研究成果的推广，应用单位实现了遗煤资源的安全高效回收，先后多回收数千万吨煤炭资源，资源回采率提高约10%，极大地提高了矿区煤炭资源的回采率，盘活了资源枯竭型矿井，延长了矿井服务年限。充分利用了煤矸石、粉煤灰和废弃混凝土等固体废弃物，避免了固废堆存造成的土地占用与环境污染，有利于和谐矿区和社会的建设，取得了显著的经济、社会、安全和环境效益。六、主要知识产权目录：知识产权类别知识产权具体名称国家(地区)授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态发明专利一种蹬空开采可行性的定量判定方法中国ZL200710139265.X2013.041169194太原理工大学冯国瑞，王鲜霞，康立勋，冯泽坤，杨双锁，郝兵元有效发明专利一种柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法中国ZL201510116481.72016.072278939太原理工大学冯国瑞，白锦文，张玉江，周小建，郭军，戚庭