9054012精准高效防治煤与瓦斯突出关键技术

2019年度国家科学技术进步奖推荐项目公示材料一、项目名称：精准高效防治煤与瓦斯突出关键技术二、提名者及提名意见提名者：中国煤炭工业协会提名意见：我国是世界上煤与瓦斯突出重大灾害最严重的国家。国内外已有的煤矿煤与瓦斯突出灾害防治技术可靠性不高，存在突出灾害机理不清、监测预警参数不准、防突措施能力不足以及效率低、隐患预判存在失误等问题。针对煤与瓦斯突出灾害防治技术难题，中煤科工集团重庆研究院有限公司、重庆大学、安徽理工大学、中国中煤能源集团有限公司、平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司等单位产、学、研联合攻关，研发了“精准高效防治煤与瓦斯突出关键技术”，取得以下创新性成果：1、提出了煤与瓦斯突出的力学作用机理，确定了判识突出危险性指标及定量化判据，发明了突出主控参数煤层瓦斯含量、构造及软煤区远距离精准探测方法，测含量孔深＞120m、误差＜7%。2、首创了高转速无级变速软煤顺层长钻孔液压钻机，实现了宽200m以上采煤工作面抽瓦斯钻孔的全覆盖及钻孔位置精准掌控。3、研发了井下100MPa超高压钻-割一体化水力割缝和软煤中低压水力压裂增渗技术及装备，实现了低渗透煤层瓦斯高效抽采与防突效果快速达标。4、发明了全过程监测、多元信息融合的突出预警方法，构建了信息自动采集和模块化预警系统，预警总准确率达到85%以上，无漏警。该项成果获省部级一等奖9项、中国专利优秀奖1项；授权发明专利35项、软件著作权18项；专著2部、SCI及EI检索论文37篇。该成果支撑了“煤矿安全规程”中煤与瓦斯突出灾害防治法规和技术保障措施的制修订，推动了我国防治突出技术体系的重大变革，在全国各煤炭主产区煤与瓦斯突出矿井推广应用，为煤矿瓦斯事故大幅下降和保障煤矿安全生产做出了重大贡献。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介本项目属于矿山工程技术领域，应用于矿山安全。瓦斯是煤矿“第一杀手”，煤与瓦斯突出（以下简称“突出”）是一种重大瓦斯事故，其死亡人数约占我国煤矿瓦斯事故的35-45%。可靠防治突出是瓦斯治理的难点，属世界性难题，发达国家普遍暂缓开发突出矿井。我国近十年突出矿井数量增加了5倍，达1218对，中东部及西南地区突出矿井煤炭产量约占50%，防治突出是难以逾越的坎。已有防治技术精准性差、效率低、可靠性不高，重特大事故未得到根本遏制。该项目在国家“973”、重大科技专项、科技支撑等计划项目的支持下，历经十年，攻克了引发突出的力学条件定量化分析方法、主控参数精准测定、软煤长钻孔施工和高效抽采瓦斯防治突出、引发突出的事故隐患全程综合监测预警等关键技术难题，形成了一套精准高效防治突出技术体系，主要创新成果如下：1.提出了突出力学作用机理，发明了能量方程定量化实验求解方法，得到判识煤层突出危险性指标及定量化判据；发明了煤层瓦斯含量直接测定方法、构造及软煤区物理探测方法。支撑了8项技术法规标准制修订；含量定点测定孔深＞120m、误差由30%降低至7%；小构造超前探测距离＞150m，分辨率0.2m；首次实现软煤区探测，探测范围＞250m。实现了突出主控参数远距离精准探测。2.首创了高转速无级变速软煤层顺层长钻孔液压钻机，突破了主轴端盖组合式双密封及高转速动力头强制润滑冷却技术，使钻机转速提高3倍，达900rpm；发明了煤层压风螺旋钻进钻具及施工工艺；研发了适用于回转钻机的小直径探管钻孔轨迹随钻监测系统。软煤平均钻孔深度由60m提高到250m、最大达306m。实现了软煤层采煤工作面抽瓦斯钻孔的全覆盖及钻孔位置精准掌控。3.发明了井下100MPa超高压钻-割一体化水力割缝强化抽采技术及装备；首次发现了软煤水力压裂微缝网循环延展塑性固化增渗机制，研发了软煤中低压压裂增渗工艺和装备。3-10min内水力割缝径向深度2-2.5m，压裂有效范围80-100m，瓦斯抽采效率提高3-5倍，节省钻孔工程量30%，缩短抽采防治突出达标时间40%以上。实现了低渗透煤层瓦斯高效抽采与防突效果快速达标。4.发明了煤炭采前、采中涵盖突出客观危险性、措施有效性、管理缺陷、灾变识别等全过程监测的突出综合预警方法，研发了多源信息自动采集与传输装备，开发了模块化的综合预警系统，实现了信息在线监测、隐患智能判识、危险自动预警和灾变应急联动控制，预警总准确率＞85%，无漏警。该项目获授权发明专利35项，出版专著2部，发表SCI、EI论文37篇，获重庆市重点及名牌产品5项；获省部级一等奖9项、中国专利优秀奖1项；支撑了《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿瓦斯抽采基本指标》等8项技术法规和标准的制修订。成果在全国800多对高瓦斯、突出矿井应用，为主要研发单位新增收入18.1亿元；促成了我国防治突出技术体系的重大变革，为瓦斯事故死亡人数由立项时的2171人降低到105人、突出事故降低90%做出了巨大贡献。四、客观评价1、项目成果验收意见①973计划项目“预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究”，以贾承造院士为组长的专家组验收意见：初步建立了瓦斯突出机理模型，为突出预测和防治技术的改进和创新、相关法规和标准的修改奠定了重要的理论基础。②国家自然基金重点项目“煤与瓦斯突出机理及探测预防基础研究”，以国务院安全生产专家煤矿组长卢鉴章为验收组长的验收意见：建立了“煤与瓦斯突出的力学演化机制”理论，开发了瓦斯含量直接测定装置，初步形成了瓦斯含量预测煤与瓦斯突出危险性的理论、方法及指标体系。③国家“十二五”科技支撑计划课题“深部矿井煤与瓦斯突出防治关键技术及示范”，由鲜学福院士等组成的专家组验收意见：研制了基于正压反循环方法的煤层瓦斯含量深孔快速取样装置，取样深度达到123m，时间小于2min；构建了基于两个“四位一体”的监测预警技术及系统，建成了4个监测预警技术示范工程，预警准确率达到87.6%。2、成果鉴定结论①2010年中国煤炭学会对“煤与瓦斯突出综合预警技术及系统”技术鉴定认为：成果建立了突出预警指标体系和模型；形成了基于多因素、多指标监测的综合动态预警方法；开发了组件式突出综合预警系统；实现了突出灾害的在线监测、超前预警、辅助决策及联动控制，达到国际领先水平。对“中岭煤矿综采工作面防突技术研究”技术鉴定认为：采用瓦斯含量指标结合无线电波透视技术……，使防突措施效果检验技术及方法得到了提升，达到国际先进水平。②以鲜学福院士等组成的专家组对“煤层瓦斯含量井下直接测定技术及装备”鉴定：解决了松软煤层深孔定点快速取样的技术难题，实现120m深度2mmin内取样，测定时间小于8h，测定误差小于7%，研究成果达到国际领先水平。2014年重庆市科学技术委员会对“回转钻进钻孔轨迹测量系统的研究”技术鉴定认为：回转转进实时轨迹随钻测量技术达到国际先进水平。③中国煤炭工业协会组织对“寿阳矿区突出煤层长钻孔钻机及钻进工艺的研究”的鉴定结论：成孔深度达到306m，装备运行稳定、可靠，具备在松软突出煤层中施工长钻孔的能力，达到国际先进水平。④以彭苏萍院士为组长的专家组对“井下松软低透煤层水力压裂增透工艺及配套装备研究”鉴定认为：建立了松软煤层韧性起裂扩展数学模型，构建了松软低透煤层水力压裂压力、流量及时间相互匹配现场施工工艺技术，压裂后抽瓦斯钻孔工程量缩减1/3以上，达到国际先进水平。⑤中国煤炭工业协会组织对“超高压水力钻割一体化成套卸压增透技术研究与应用”的鉴定结论：构建了水射流割缝破煤深度预测模型，研发了射流压力100MPa水力割缝工艺技术，集成割缝成套设备，实现了钻割一体化功能，形成了超高压水力割缝卸压增透成套技术体系，成果达到了国际先进水平。3、获得的科技奖励①“无级调速钻机的研制与应用”、“煤与瓦斯突出综合预警技术及系统”、“煤层瓦斯含量井下直接测定技术及装备”分别获2011年、2012年重庆市技术发明二等奖、2017年重庆市科技进步一等奖；“深部中软煤层瓦斯含量法预测煤与瓦斯突出理论与成套技术研究”获2014年安徽省科技进步一等奖。②“正负压联合栓流定点取样装置”获2015年中国煤炭工业专利一等奖和2016年中国专利优秀奖。③“煤矿井下瓦斯含量直接测定方法”、“井下超前150m地质构造探测技术装备及其应用”、“煤与瓦斯突出综合预警技术及系统”、“井下松软低透煤层水力压裂增透工艺及配套装备研究”、“瓦斯含量法预测突出危险及检验卸压效果技术装备研究”分别获的2009年、2010年、2011年、2016年、2017年中国煤炭工业科学技术一等奖。④“基于瓦斯涌出动态特征指标的突出预警技术研究及应用”获2015年中国职业安全健康协会一等奖。4、成果查新情况①“煤矿井下松软突出煤层大功率高转速螺旋钻机”查新结论：采用组合式油缸推进机构，高转速动力头采用“组合密封+强制润滑技术”，配置常闭式液压胶套式卡盘的钻机及螺旋钻杆，在f=0.1-0.8松软突出煤层最大钻孔深度达到306m，250m以上深度成孔率大于70%，除本项目外，国内外未见相同文献报道。②2014年“井下松软低透煤层水力压裂增透工艺及配套装备研究”查新结论：松软煤体裂纹韧性起裂计算模型构建、水力压裂施工原则等，国内外未见文献报道。5、学术专著、期刊评价①“煤与瓦斯突出过程的力学作用机理”入选2014年度中国精品科技期刊顶尖学术论文。②吕秀江在其博士论文中评述：胡千庭团队系统研究了突出的力学演化机制、突出发生的力学条件等科学问题，取得丰富研究成果。③申宝宏等在“中国煤炭科学技术新进展”中评述：瓦斯含量快速测定技术解决了松软煤层取不到样或取样时间过长、损失量估算误差大的难题，实现了120m长钻孔定点取样，8h内快速测定瓦斯含量，测定误差7%。6、行业法规采用依托该成果，制定了国家标准《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》（GB/T23250-2009）和行业标准《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026-2006）；国家安监总局制修订了《煤矿安全规程》（2016版）、《防治煤与瓦斯突出规定》（2009版），将煤层瓦斯压力和瓦斯含量规定为突出危险性区域预测指标，同时，《煤矿瓦斯等级鉴定办法》突出矿井鉴定指标采纳了突出危险性判识准则；国家安监总局、发改委等四部委2011年颁布的《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》将上述指标规定为瓦斯抽采达标评价重要指标，推荐指标临界值分别为0.74MPa和8m3/t。五、应用情况该项目研发出正负压联合栓流定点取样、煤层瓦斯含量直接快速测定、电磁波透视法探测软煤区、地震波反射法超前探测小构造、煤层压风高转速螺旋钻进排渣、超高压钻-割一体化水力割缝强化抽采、软煤中低压压裂增渗、煤与瓦斯突出综合监测预警方法等新方法8种；开发DGC瓦斯含量直接测定装备、SDQ定点取样装置、WKT-E无线电磁波透视仪、DTC150防爆地质超前地质探测仪、ZYW-R系列软煤钻机具、ZGF-100（A）型超高压水力割缝装备、BYW315/55型和BYW450/70型软煤中低压水力压裂设备、突出预警仪等设备17台套；开发煤层瓦斯含量直接测定系统、超高压水力割缝远程控制系统、中低压水力压裂监测系统、钻孔轨迹在线监测系统、矿井瓦斯地质动态分析系统、采掘工作面瓦斯涌出异常系统、防突措施缺陷分析系统、煤与瓦斯突出综合监测预警平台等软件21套；制定修订《煤矿安全规程》（2016版）、《防治煤与瓦斯突出规定》（2009版）、《煤矿瓦斯等级鉴定办法》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》、《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》（GB/T23250-2009）、《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026-2006）等法规标准8项。整体技术已在中煤新集能源股份有限公司、沈阳焦煤股份有限公司、山东能源集团贵州矿业有限公司等23对矿井推广应用，实现了突出的精准防治、高效瓦斯抽采，提高了防治突出技术的可靠性，保障了矿井的安全生产。单项技术应用矿井数量：监测预警技术223对、瓦斯含量快速测定技术700余对、软煤长钻孔钻机具472对，软煤及构造探测技术245对，水力化增渗技术74对。研发单位依托该项目成果签订产品销售合同17343份、工程总包合同98项、技术咨询合同987项。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