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12019年度国家科学技术进步奖提名项目公示材料一、项目名称华北型煤田矿井水资源与地表环境保护性开采成套技术研究与应用二、提名者及提名意见提名者：中国煤炭工业协会提名意见：针对华北型煤田具有村庄密集、地表水资源短缺、构造复杂，矿区生态环境脆弱等特点，土地塌陷、矸石山占地污染、矿井水害威胁严重、矿区水资源破坏等生态环境问题，刘建功、张党育、赵庆彪、张步勤、毕锦明、李玉宝等科研人员，以保护水资源和地表生态环境为目标，通过开展建立技术体系和研究成套装备，成功实现了煤矿保护水资源和地面生态环境的生态保护性开采，并成功应用。取得如下成果：（1）创成了华北型煤田水资源与地面环境保护性开采成套技术，为煤矿建设生态矿山提供了技术支撑。（2）创新了地表沉降控制与煤矿区环境恢复再造技术——充填采煤技术；研发了采充平行的充填液压支架和自动化控制系统，解决了矸石山占地和土地塌陷问题，年生产能力均达到百万吨以上，形成了完整的矸石固体、膏体充填采煤技术体系。（3）提出了矿区水环境综合保护新技术，矿井涌水量最高减小70%。首创了矿井水洁净回灌技术和煤矿矿井水区域治理技术，研发了矿井水害微震监测预警及防治技术，创成了地下水探测、实时监测预警预报和快速治理的成套技术。（4）形成了一批具有自主知识产权的新技术。获发明专利19项，计算机软件著作权2项，参与制定国家技术标准1部，出版专著5部，发表论文42篇，已在河北、河南、山西、内蒙、印度等国内外上百个采煤工作面成功应用。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。2三、项目简介煤炭是我国的主体能源，华北型煤田广泛分布在河北、河南、山东、山西、内蒙等富煤地区，煤炭储量占全国的67.5%，产量占60%以上。该类型煤田具有村庄密集、地表水资源短缺、构造复杂、煤与含水层交替沉积、煤层顶板赋存多个含水层、煤系基底为巨厚奥灰含水层、导水陷落柱及隐伏导含水构造发育，矿区生态环境脆弱等特点，长期高强度开发造成了大面积土地塌陷、矸石山占地污染、矿井水害威胁严重、矿区水资源破坏等生态环境问题，严重制约煤炭安全高效绿色发展，2016年，国务院办公厅下发《关于加快推进采煤沉陷区综合治理的意见》（国办发〔2016〕102号），把煤矿的生态保护推向一个新的高度。冀中能源煤矿分布在冀、晋、蒙等省区，具有代表华北型煤田的基本特征。本项目以其所属煤矿为研究对象，以保护水资源和地表生态环境为目标，通过开展建立技术体系和研究成套装备，较好地解决了煤炭开发所带来的土地塌陷、水环境破坏和废弃物外排等问题，成功实现了煤矿保护水资源和地面生态环境的生态保护性开采，并成功应用。取得如下重大创新成果：（1）通过研究华北型煤田地质特征和面临的生态环境问题，以水资源和地表生态环境保护作为总体攻关思路，创成了华北型煤田水资源与地面环境保护性开采成套技术。为煤矿建设生态矿山提供了技术支撑。（2）创新了地表沉降控制与煤矿区环境恢复再造技术——充填采煤技术。研究并揭示了充填开采顶板连续曲形梁结构形成机理，量化了充填边界条件，实现精准量化充填，地表沉降达到可控；研发出适合不同充填材料不同煤层的充填开采工艺及装备，实现了近煤层和分层充填；研发了采充平行的充填液压支架和自动化控制系统，解决了矸石山占地和土地塌陷问题，年生产能力均达到百万吨以上，形成了完整的矸石固体、膏体充填采煤技术体系。（3）创新了矿区水环境综合保护新技术。研发了多手段超前准确探查、定位封堵控制、水害微震监测预警、矿井水处理利用和洁净回灌等为一体的技术体系，运用空间地质数据拓扑发现方法、地下水流固耦合试验和双向变截面水压承载循环试验系统，模拟和预测围岩变形与地下水动态变化；快速、精确钻进，封堵出水通道；区域注浆加固隔水层、充填开采保护顶底板岩层结构及含水层的完整性。矿井涌水量最高减小70%。首创了矿井水洁净回灌技术和煤矿矿井水区域3治理技术，研发了矿井水害微震监测预警及防治技术，创成了地下水探测、实时监测预警预报和快速治理的成套技术。（4）形成了一批具有自主知识产权的新技术。获发明专利19项，计算机软件著作权2项，参与制定国家技术标准1部，出版专著5部，发表论文42篇。在美国、德国、日本等主办的国际学术会议做主题报告22次。已在河北、河南、山西、内蒙、印度等国内外上百个采煤工作面成功应用。本项目立足当代煤炭工业科学技术前沿，创成了华北型煤田水资源与地面环境保护性开采成套技术，解决了煤炭开发对矿区生态环境保护的迫切需求，技术成果具有理论基础、先进实用、效果显著和在煤炭行业可推广普及等特点。项目在河北邯邢矿区进行了多年应用，并在河北、山西等省多数矿区进行了推广应用，产生了十分显著的环境、经济和社会效益，促进了我国煤炭工业的科学发展。四、客观评价1．著名专家评价“冀中能源绿色开采生态矿山建设与工程示范”通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，由中国煤炭协会会长王显政、中国煤炭学会理事长濮洪九、中国工程院院士钱鸣高、彭苏萍等知名专家组成的鉴定委员会认为：“该成果创新了我国煤矿科学发展的理念，对煤矿建设具有重要的现实指导意义；首次建成了适合煤炭行业特点的生态示范矿井，引领了煤炭工业绿色和生态开采的发展方向；在煤炭行业具有重要的推广价值；整体技术水平达到了国际领先”。“建筑物下综合机械化充填采煤技术”成果通过中国煤炭工业协会组织的成果鉴定，由中国工程院院士钱鸣高、彭苏萍等知名专家组成的鉴定委员会认为：“实现了运用固体废弃物充填方式进行建筑物下采煤，形成了一种建下采煤新方法；该项成果对解放我国东部地区建筑物下压煤具有重大意义，达到了国际领先水平”。“综合机械化充填采煤系统自动控制研究”成果通过中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，王家臣、师文林等国内知名专家评价：“该成果首次将电液控制系统应用于充填开采液压支架，研制了综合机械化充填采煤自动控制新系统；提出并研发了矸石充填单架及成组控制方法，实现了自动充填和自动推压密实协同作业；研发了自动控制落料系统，通过超声探测技术实时监测，实现了对落料4形态、位置、体积的自动监控，研究成果达到国际领先水平”。“巷道多方位超前探测技术”成果涉及多方位超前探测、多方法充填开采、矿井突水治理及地下水资源保护、自动化工艺装备等课题，通过了中国煤炭工业协会、河北省科学技术厅、安徽省科学技术厅的技术鉴定。中国科学院院士藤吉文评价：“课题研究、开发的多方位超前探测技术，空间控制范围实现了对巷道多个方位的不同类型、不同物探环境的全覆盖探测，探测距离达到150～250m，较好地解决了巷道超前探测这一国内外技术难题，达到国际领先水平”。中国科学院院士刘光鼎评价“含水陷落柱瞬变电磁井下探（监）测技术”子课题认为：“课题研发的单巷道、多角度、多切面井下瞬变电磁探（监）测技术，填补了国内外一项技术空白。首次在国内外系统地完成了对含水陷落柱治理前、中、后的地下水运移、注浆堵水效果的监测、评价，达到国际领先水平”。“矿井水害微震监测预警及防治技术”成果通过中国煤炭工业协会组织的成果鉴定，由中国工程院院士彭苏萍、袁亮、武强等知名专家组成的鉴定委员会认为：“成功运用微震监测技术探测煤矿井下导水通道形成的渐变过程，创新了煤矿井下导水通道的微震主动探测技术，建立了煤矿水害微震监测预警体系；该成果取得了显著的经济效益和社会效益，推广应用前景广阔，达到了国际领先水平”。中国煤炭工业协会对“基于双泵并联的高效自动化膏体充填采煤技术研究”鉴定意见：该项目首次采用了双泵并联泵送膏体技术，运用了双泵并联特性曲线拟合理论，确定了耗能最小的运行搭配合调速方式，应用了PID控制方式，研发了定料、定水动态称量及自动配比系统，研究的充填膏体料位超声波实时监测技术提高了充填效率，采用的地下水和蓄水池配水系统和充填管路清理自动打风技术提高了输送系统可靠性。由宋振骐、师文林等组成的专家组认为该成果达到了国际先进水平。中国煤炭工业协会对“村庄下矸石膏体充填综采技术研究”鉴定意见：该项目开发了矸石膏体充填开采系统，研究开发了早期强度高、泌水率低、初凝和可泵时间可控等特点的专用胶结料，充分利用了矿区煤矸石、粉煤灰，研发了专门的填充支架，实现了工作面开采区和充填区支护、填充料浆隔离的综合机械化连续开采工艺，有效解放了呆滞煤量，实现了矿山绿色开采，攻克了村庄及建筑物下压煤综合机械化矸石膏体充填开采技术。由彭苏萍、姚建国等组成的专家组认5为该成果达到了国际领先水平。中国煤炭工业协会对“厚煤层充填体顶板下膏体充填综采技术研究”鉴定意见：该项目提出了新屯煤矿厚煤层充填体顶板下条带间隔充填开采技术方案，确定了充填带、间隔区宽度、充填步距和充填体强度等关键参数指标，建立了膏体充填块体结构力学，提出了充填开采块体失稳的结构形式，给出了充填块体的失稳判断关系式，优化了充填隔离技术和充填管路增阻技术，分析了充填体强度、间隔充填率、支架支护强度与顶板下沉及地表沉陷得关系规律，实现了待充区的快速隔离和小倍线膏体安全输送。由宋振骐、朱德仁等组成的专家组认为该成果达到了国际领先水平。２、同行专家评价2013年1月，中国煤炭工业协会会长王显政评价著作《煤矿生态矿山建设理论与技术》：刘建功等同志在认真总结冀中能源集团多年来开展生态矿山建设的大量科研成果和实践基础上，研究撰写了《煤矿生态矿山建设理论与技术》一书。创造性地提出了具有煤炭行业相关地域特色的、符合煤矿特点的生态矿山建设理论及模式，创新了煤矿科学发展理念，对我国推行煤炭绿色开采、建设生态矿山具有重要的指导意义。2011年9月，中国工程院院士钱鸣高评价著作《煤矿充填法采煤》：冀中能源集团从2002年开始，就着手研究矸石的有效利用问题。2005-2008年，先后试验成功不同充填材料及相应的充填法采煤技术，较好地解决了上述问题，取得了非常好的经济效益和社会效益。解决了开采“三下”煤炭资源的一系列安全与环境问题，减轻了采煤引起的地面沉陷危害。冀中能源集团研究开发的以固体材料、膏体材料和超高水材料为代表的综合机械化充填法采煤技术，是实现安全、高效、绿色开采的科学采煤关键技术之一。2016年11月，中国工程院院士彭苏萍评价著作《矿井水害微震监测预警理论与技术研究》：刘建功等同志长期工作在煤矿一线，发现问题有针对性，并把解决问题的研究过程辑成此书，对煤矿防止水的研究很有价值。采用理论分析、室内实验、现场监测和工程实践等综合手段，把微震监测技术成功用于探测煤矿井下导水通道形成过程，为推动矿区水害治理向主动预防方向发展，做了一项很有意义的工作。62014年国家能源局、环境保护部、工业和信息化部三部委联合下文，指出应遵循矿区生态环境内在规律，结合区域自然地理特征，因地制宜推广使用充填开采、保水开采等煤炭绿色开采技术。因此，该成果具有广阔的应用前景。五、推广应用情况本成果在河北邯邢矿区进行了多年应用，并在河南、山西等省多数矿区进行了推广应用，采煤对地下水资源和矿山环境的破坏得到有效控制，产生了十分显著的环境、经济和社会效益，促进了我国煤炭工业的科学发展，仅冀中能源所属煤矿年矿井涌水量减少650万m3，共减少土地塌陷13500亩以上。成果推广应用产值44亿，利润18.6亿。研究成果对于实现煤矿保护水资源和地面生态环境的生态保护性开采意义重大，具有广阔的应用前景。六、主要知识产权证明目录序号知识产权（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1发明一种用于采煤过程中的保水方法中国ZL201410152267.22016年1月20日1893675河北煤炭科学研究院刘建功、李玉宝等有效专利2发明一种煤矿采空区充填的方法中国ZL201210351324.02015年4月16日1637373河北煤炭科学研究院刘建功、赵庆彪有效专利3发明固体充填采煤自动化控制系统中国ZL201310225588.62013/6/71996325冀中能源集团有限公司刘建功，毕锦明等有效专利4发明充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法中国ZL