深部矿山安全绿色开采与生态保护关键技术及工程应用

-9-深部矿山安全绿色开采与生态保护关键技术及工程应用项目公示内容科技进步奖推荐号：109-425项目名称深部矿山安全绿色开采与生态保护关键技术及工程应用奖项类型科学技术进步奖推荐单位华北科技学院提名单位廊坊市政府项目简介本项目属于采矿工程、矿山安全和采矿环境工程等交叉学科领域。煤炭作为我国的主体能源，在我国一次能源生产和消费结构中长期占60%左右，我国资源禀赋特点所决定以煤为主的能源结构短期内难以根本改变，随着我国经济社会高速发展，我国东、中部地区煤炭资源煤炭浅部可采资源量不足，逐步转向深部开采。我国已有43个矿区中开采深度超过600m的矿井数量为300多座，未来相继进入深部开采的行列，深部开采面临着高应力、高温、高岩溶、冲击地压等动力灾害，在灾变过程集中表现为冲击地压频率和强度显著增加、煤与瓦斯突出危险性持续加剧、采场矿压显现尤为强烈、突水事故趋于严重、地表沉陷难以预计等困难，煤炭开采形成的沉陷区，容易诱发山体滑坡等地质灾害，造成地面建筑物、基础设施等损毁，严重影响水土资源、生态环境和安全生产；当前国家生态环境保护和“双碳”约束不断加强，煤矸石、矿井水及瓦斯等作为煤矿废气、废水和废渣的典型代表，也严格按照排放许可；近年来，随着国家城镇化建设的进程和煤矿区规划开采的矛盾，导致大量“三下”压煤，制约了煤炭资源规划的合理开发，导致煤矿资源采出率较低，降低了矿井的服务年限，严重影响矿区经济发展和社会安定；当前我国东中部矿区甚至未来的西部矿区同样面临深部煤炭资源开采、灾害防治和生态保护的严峻挑战。近期党中央国务院多次会议强调“煤炭作为我国主体能源，要按照绿色低碳的发展方向，对标实现碳达峰、碳中和目标任务，立足国情、控制总量、兜住底线，有序减量替代，推进煤炭消费转型升级。为此，如何解决煤炭资源开发与环境保护的尖锐矛盾，实现煤矿安全绿色开采、煤系共伴生资源“吃干榨净”和生态环境协调发展，是煤炭工业绿色低碳可持续发展的重大课题。本项目研究团队针对深部煤炭资源安全绿色低碳开采、灾害防治和生态保护等重大难题，先后依托国家重点研发计划、国家自然基金和企业自筹项目，积极开展产学研联合创新，采用理论分析、实验室研究、数值模拟及现场实测等研究方法，系统地研究解决了深部煤炭资源开发中恶劣地质环境、重大灾害防治、高产高效生产和生态保护等技术难题，实现了深部矿山安全绿色低碳生产和生态环境协调发展，并取得了如下创新成果。1、针对深部开采复杂地质力学环境、开采空间范围大、开采扰动强烈、介质属性复杂等特点，深入研究以岩层运动和矿山压力(主要指作用在煤层上的支承压力)分布为核心的采场空间结构模型理论，建立了深部采场覆岩空间动态结构力学模型及采场四周支承压力分布规律；对埋深近1500m的煤、岩及煤岩组合体进行了煤岩体力学特性、损伤破坏机理及冲击性试验研究，揭示了深部复杂环境条件下煤岩体的力学特性、损伤破坏演化机理，为大尺度深部采场煤岩体的损伤破坏、能量聚集、释放和转移规律提供理论依据，得到了深部煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征采动应力分布、能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理；构建了以深部采场覆岩空间结构理论为核心的重大事故灾害预测和控制的理论技术体系，主要包括深部围岩控制、深部无煤柱开采、煤与瓦斯突出冲击地压动力等动力灾害控制、深部顶底板突水事故控制以及深部开采沉陷控制为核心的技术体系，为深部煤矿安全绿色开采和环境灾害控制提供了理论基础。2、研究了深部矿山充填开采岩层运动、沉陷机理与控制方法，开展了煤矿充填开采关键技术与装备研究，研发适应于不同地质采矿条件的煤矿充填开采技术与工艺体系和关键装备；深入研究深部围岩环境充填材料的力学行为，研发绿色环保充填材料制备，建立深部矿井绿色生态开采技术体系，提出深部矿山“煤矸混合运输-井下煤矸分离-原煤运输、矸石充填”绿色开采模式，实现深部采区矸石“不转移、不升井、不上山”，实施深部采选充留一体化无煤柱开采体系。3、开发了深部矿井“迈步分区和地面钻孔”制冷模式，引进水源热泵和WAT降温技术，构建地面制冷供暖、井下制冷降温相结合的联动利用模式，形成深井矿井高温热害治理和地热资源化利用模式。4、研发高水压深井突水综合防治技术。开发出“群孔-大流量-长延时-干扰井”底板疏水降压和综放工作面顶板水动态监测与防治技术，辅以局部优势导水通道快速注浆封堵和矿井水循环利用等系统化配套技术，实现了“井下涌水-清污分流、超磁净化-地面处理-回用生产生活-污水回收处理-再利用”的矿井水循环利用体系。5、研究深部矿山覆岩的裂隙分布特征、空间演化规律及采动影响条件下的瓦斯运移变化规律，研究采空区埋管抽放与顶板高位走向钻孔抽放相结合、固定与移动相配合的瓦斯抽放方法，实现采前、采中、采后全过程的立体化瓦斯抽采；研发了“不稳定气源瓦斯发电工艺”和“超低浓度瓦斯发电工艺”，针对瓦斯气体不稳定难以达到发电要求的特点，研究了采用井下分源抽采瓦斯、井上发电机组前进气、结合发电机组少量柴油引燃瓦斯的方式，保证浓度不稳定、浓度为5%-9%超低浓度的瓦斯发电机组正常发电技术。6、创新千米深井安全高效生产保障体系，主要包括：深井高应力大断面岩巷综掘技术、深井重型综放工作面快速安装技术、高地温超长综放工作面煤层自燃预控技术和深井快速应急救援技术，为矿井安全高效开采提供了保障。7、开展深部矿山塌陷区综合治理及生态修复关键技术，研发了地下-地上协调治理系统、工艺及系列装备。研究提出从设计源头、建设、生产及灾害治理一体化的矿山建设理念，构建深井矿山安全绿色和生态协调发展的开采模式，形成时间上自前期矿井规划至后期灾害治理、空间上自采空区充填至地面沉陷区开发的矿井全时空运行机制。打造沉陷区复垦治理“农、林、牧、渔、游”相结合的循环经济链条。该项目形成了以深部煤炭资源开发中恶劣地质环境、重大灾害防治、高产高效生产和生态保护集于一体的成套技术，实现了工程化、产业化，在山西、内蒙、陕西、河北、山东、河南、安徽等省区建立配套完整的产业集群，实现年煤矿充填能力达到百万吨级水平，为国家煤矿绿色发展做出积极贡献，带动产业创造效益预计超数十亿元。项目授权发明专利30项，发表论文60余篇，SCI/EI收录30篇，出版学术专著4部，起草国家标准2项。相关成果被写入国家发展改革委、国家能源局、国家煤矿安全监察局（原）文件，推动资源节约型、生态环保型、安全智慧型绿色矿区建设。主要完成单位及创新推广贡献1、华北科技学院（1）针对深部开采复杂地质力学环境、开采空间范围大、开采扰动强烈、介质属性复杂等特点，深入研究以岩层运动和矿山压力(主要指作用在煤层上的支承压力)分布为核心的采场空间结构模型理论，建立了深部采场覆岩空间动态结构力学模型及采场四周支承压力分布规律；构建了以深部采场覆岩空间结构理论为核心的重大事故灾害预测和控制的理论技术体系。（2）通过采用实验室研究方法，利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统、声发射等实验仪器对新汶矿区深部煤、岩及煤岩组合体进行试验研究，分析其在单轴、三轴全应力应变过程中不同力学状态下的深部煤岩体力学特性、损伤破坏机理及冲击性，揭示深部复杂环境条件下煤岩体的力学特性、损伤破坏演化机理和时间效应，为大尺度深部采场煤岩体的损伤破坏、能量聚集、释放和转移规律以及冲击致灾提供理论依据。2、山东科技大学研究了深部矿山充填开采岩层运动、沉陷机理与控制方法，开展了煤矿充填开采关键技术与装备研究，研发适应于不同地质采矿条件的煤矿充填开采技术与工艺体系和关键装备；深入研究深部围岩环境充填材料的力学行为，研发绿色环保充填材料制备，建立深部矿井绿色生态开采技术体系。3、新汶矿业集团有限责任公司（1）提出深部矿山“煤矸混合运输-井下煤矸分离-原煤运输、矸石充填”绿色开采模式，实现深部采区矸石“不转移、不升井、不上山”，实施深部采选充留一体化无煤柱开采体系。（2）开发了深部矿井“迈步分区和地面钻孔”制冷模式，引进水源热泵和WAT降温技术，构建地面制冷供暖、井下制冷降温相结合的联动利用模式，形成深井矿井高温热害治理和地热资源化利用模式。（3）研发高水压深井突水综合防治和矿井水循环利用技术。（4）研发了“不稳定气源瓦斯发电工艺”和“超低浓度瓦斯发电工艺”（5）开展深部矿山塌陷区综合治理及生态修复关键技术，研发了地下-地上协调治理系统、工艺及系列装备。积极推广应用相关技术。4、冀中能源集团有限责任公司（1）研发适应于不同地质采矿条件的煤矿充填开采技术与工艺体系和关键装备；（2）矿井水循环利用技术。积极推广应用相关技术。5、冀凯河北机电科技有限公司（1）参与了深部矿井工作面工艺参数优化、设备选型、设备配套总体设计及高效辅助运输等保障系统研究。（2）研发了大扭矩高钻速钻机、移动钻车及钻具，为冲击地压动力灾害治理、瓦斯抽采、地面注浆减沉等工程的实施研发了专用高效装备。应用情况及效益情况项目主体成果核心知识产权发明专利30项，发表论文60余篇，SCI/EI收录30篇，出版学术专著4部，起草国家标准2项；先后培养博士5人、硕士研究生20余人，培养近2000名专业工程技术人员，为深部开采提供了理论基础与科学对策，近四年安全开采煤量近1300多万吨，为煤矿的可持续发展和社会稳定做出了卓越贡献，创造了重要的安全效益、社会效益和经济效益。先后举办了全国煤矿千米深井开采技术现场会和全国煤矿充填开采现场会等多场全国性会议，得到了国家发改委、自然资源部、国家能源局、国家矿山安全监察局等多部委领导的表扬和肯定。率先在国内煤炭生产企业建立了企业标准，先后创建了煤矿充填开采国家工程实验室和矿山充填安全开采国家矿山安全监察局重点实验室两个科研平台，部分成果《冲击地压防治工作特别规定》的相关内容被写入新版《煤矿安全规程》，多次受邀参加全国学术会议研讨交流。为深部矿山充填开采、灾害治理和生态修复建立了一支水平较高的技术队伍，为深部矿井绿色安全开采和生态保护提供了重要的理论、技术和人才保证，丰富和发展了我国煤矿安全绿色开采理论，推动了我国煤矿安全生产的科技进步。先后有神华、兖矿等40个单位约1万多人次来学习交流和培训。对我国43个矿区中开采深度超过600m的300多座矿井具有重要示范作用，为促进我国煤炭工业的绿色低碳可持续健康稳定发展具有重要的现实意义。具体应用推广及效益情况：（1）提高了煤炭资源的采出率，延长了矿井的服务年限采用传统的不迁村开采村下压煤，一般的回采率为30%左右，导致大量的煤炭资源的浪费，造成矿井过早报废等问题。采用矸石置换煤技术，提高村下压煤的采出率85%以上，大大延长矿井的服务年限，减少因矿井过早报废而带来的人员新就业等社会问题。（2）消除了传统的村下开采造成严重的生态与人文环境破坏由于目前开采出来的村庄下压煤大约3/4是靠搬迁村庄实现的，且搬迁开采导致了大量采矿塌陷区，造成严重的生态与人文环境破坏，甚至因搬迁费用等问题而导致了许多社会问题，给当地的社会稳定带来了许多不确定因素。采用矸石充填采煤的方法，实现不迁村开采、处理固体废弃物矸石于井下，保护了开采地区的生态与人文环境。（3）消除了煤矿生产中排放的矸石对人类的生存与生活环境带来的危害煤炭生产中伴随着大量的固体废弃物矸石的排放，排放的矸石对地面生态环境造成严重破坏：侵占土地、污染环境、危害人类安全。采用矸石充填开采，可消除地面的矸石山，解决矸石的排放造成的危害，改善了矿区生存与生活环境。主要知识产权和标准规范等目录序号知识产权（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）有效状态是否包含河北省完成单位/完成人1发明专利适用于短壁巷采水平工作面的矸石充填注浆施工方法中国ZL201810657830.X2020.1.31证书号第3678089号山东科技大学陈绍杰、尹大伟、邢绪才、李志远、陈兵、朱恒敏、江宁、孙明新、张文泉有效是2发明专利一种矿井注浆智能化、动态化监测系统及其工作方法中国ZL201910224613.62020.12.04证书号第4131747号新汶矿业集团有限责任公司孙村煤矿、新汶矿业集团有限责任公司、山东大学辛恒奇、王维、张殿振、李术才、王琦、吕长刚、蒋振华、颜磊、郑兴博、褚恒滨、江贝、曾昭南、周明、庞继禄、孙焕磊有效是3发明专利一种适合不同条件的快速便携式喷射注浆装置中国ZL201910224627.82021.6.25证书号第4508526号新汶矿业集团有限责任公司孙村煤矿、新汶矿业集团有限责任公司、山东大学张若祥、辛恒奇、王维、张殿振、王琦、王帅、吕长刚、江贝、颜磊、郑兴博、褚恒滨、许硕张朋、周明、庞继禄、孙焕磊有效是4发明专利一种高分子注浆材料注浆效果评价方法及注浆材料中国ZL201910224614.02021.7.23证书号第4569456号新汶矿业集团有限责任公司孙村煤矿、新汶矿业集团有限责任公司、山东大学葛茂新、辛恒奇、王维、张殿振、王琦、江贝、郑兴博、王雷、吕长刚、颜磊、褚恒滨、黄玉兵、高红科、常滨、魏光亮有效是5发明专利一种地下工程极破碎围岩分布注浆加固方法中国ZL201910224615.52021.8.31证书号第4653015号新汶矿业集团有限责任公司孙村煤矿、新汶矿业集团有限责任公司、山东大学葛茂新、辛恒奇、王维、张殿振、王琦、江贝、褚恒滨、刘博宏、颜磊、郑兴博、吕长刚、王新稳、蒋振华、常滨、王涛、于静波有效是6发明专利利用不稳定瓦斯气源安全生产发电工艺中国ZL201110049383.82013.4.10证书号第1170318号山东新矿赵官能源有限责任公司何希霖、刘永禄、湛厚星、张胜文、发高明涛、陈民、刘德春失效是7标准整体铸造刮板输送机中国NB/T10384-20192020.7.1国家能源局冀凯河北机电科技有限公司/1冯帆/2有效是8标准综合机械化固体充填体采煤技术要求中国GB/T39338-20202020.11.19国家市场监督管理总局、国家标准管理委员会新汶矿业集团有限责任公司/1、山东科技大学/2、冀中能源有限责任公司/5辛恒奇/2、庞继禄/5、张党育/14有效是9专著山东矿区充填开采关键技术中国ISBN97875646261292015.5.1中国矿业大学出版社华北科技学院卜昌森有效是10论文Time-FrequencyCharacteristicsofAcousticEmissionSignalsonWater-BearingSandstoneSpecimenSubjectedtoConventional

UniaxialCompression英国/10.1155/2022/81018612022.3.11Hindawi

Geofluids华北科技学院、山东科技大学、内蒙古科技大学高明涛（通讯）、段会强、闫宏宇有效是主要完成人情况排名姓名技术职称工作单位完成单位对本项目技术创造性贡献曾获科学技术奖励情况1高明涛正高级工程师华北科技学院新汶矿业集团有限责任公司（1）建立了深部采场覆岩空间动态结构力学模型及采场四周支承压力分布规律；（2）构建了以深部采场覆岩空间结构理论为核心的重大事故灾害预测和控制的理论技术体系。（3）参与研发了“不稳定气源瓦斯发电工艺”和“超低浓度瓦斯发电工艺”2018年山东省科技进步三等奖，1/6；2011年山东省科技进步二等奖，3/102陈绍杰教授山东科技大学山东科技大学（1）研究了深部矿山充填开采岩层运动、沉陷机理与控制方法，（2）研发适应于不同地质采矿条件的煤矿充填开采技术与工艺体系和关键装备2018年国家科技进步二等奖，3/10；2019年山东省科技进步一等奖，1/103张党育教授及高级工程师冀中能源集团有限公司冀中能源集团有限责任公司研发适应于不同地质采矿条件的煤矿充填开采技术与工艺体系无4何希霖研究员新汶矿业集团有限责任公司新汶矿业集团有限责任公司（1）研发高水压深井突水综合防治和矿井水循环利用技术。（2）研发了“不稳定气源瓦斯发电工艺”和“超低浓度瓦斯发电工艺”2012年山东省科技进步三等奖，1/6；2011年山东省科技进步二等奖，1/105卜昌森教授华北科技学院华北科技学院提出深部矿山“煤矸混合运输-井下煤矸分离-原煤运输、矸石充填”绿色开采模式，实现深部采区矸石“不转移、不升井、不上山”，实施深部采选充留一体化无煤柱开采体系。2015年国家科技进步二等奖，6/10；2013年山东省科技进步一等奖，1/106辛恒奇研究员华北科技学院新汶矿业集团有限责任公司（1）开发了深部矿井“迈步分区和地面钻孔”制冷模式，引进水源热泵和WAT降温技术，构建地面制冷供暖、井下制冷降温相结合的联动利用模式，形成深井矿井高温热害治理和地热资源化利用模式。（2）开展深部矿山塌陷区综合治理及生态修复关键技术，研发了地下-地上协调治理系统、工艺及系列装备。积极推广应用相关技术。2018年山东省科技进步三等奖，2/6；2011年山东省科技进步二等奖，1/77冯帆高工冀凯河北机电科技有限公司冀凯河北机电科技有限公司参与了深部矿井工作面工艺参数优化、设备选型、设备配套总体设计及高效辅助运输等保障系统研究无8庞继禄研究员华北科技学院新汶矿业集团有限责任公司研发适应于不同地质采矿条件的煤矿充填开采技术与工艺体系和关键装备；2018年山东省科技进步三等奖，3/6；9尹大伟副教授山东科技大学山东科技大学开展深部矿山塌陷区综合治理及生态修复关键技术，研发了地下-地上协调治理系统、工艺及系列装备。无10闫宏宇华北科技学院华北科技学院利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统、声发射等实验仪器对新汶矿区深部煤、岩及煤岩组合体力学特性进行试验研究。无完成人合作关系说明“深部矿山安全绿色开采与生态保护关键技术及工程应用”是由华北科技学院、山东科技大学、新汶矿业集团有限责任公司、冀中能源集团有限公司、冀凯河北机电科技有限公司等五家单位，共10人合作完成，长期为深部矿山充填绿色开采、灾害治理及生态保护等课题进行战略协同合作和开展的产、学、研合作。完成人高明涛，陈绍杰，张党育，何希霖，卜昌森，辛恒奇，冯帆，庞继禄，尹大伟，闫宏宇，其中高明涛与陈绍杰、卜昌森、辛恒奇先后共同筹建煤矿充填开采国家工程实验室，在华北科技学院申请建设矿山充填安全开采国家矿山安全监察局重点实验室，其中卜昌森为实验室理事长，辛恒奇为实验室主任，高明涛、陈绍杰为实验室副主任；陈绍杰同高明涛、尹大伟共同承担国家自然科学基金项目《条带煤柱渐进破坏失稳灾变机理及性能提升》；高明涛同何希霖共同完成《黄河北煤炭低渗性难抽煤层瓦斯抽采机理及综合利用技术》等多个项目；高明涛、辛恒奇、庞继禄共同发表《黄河北煤田薄煤层采场上覆岩层纵向分带发育规律》《无煤柱开采巷旁充填体力学环境及适应性研究》等多篇论文；闫宏宇为卜昌森教授与高明涛共同培养的硕士研究生，同高明涛共同发表《Time-FrequencyCharacteristicsofAcousticEmissionSignalsonWater-BearingSandstoneSpecimenSubjectedtoConventionaUniaxialCompression》；冯帆是冀凯河北机电科技有限公司（原石家庄中煤装备制造