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1 陕蒙能源基地矿井水害模式及防治关键技术 - 摘要

陕蒙地区的陕北、东胜煤田等是西北主要产煤地之一，其煤炭赋存整体相对简单，但矿井主采煤层赋存、水文地质条件及充水因素等差异较大，且水文地质条件相对复杂，矿井开采覆岩破坏规律、充水规律不清，导致煤矿水害事故频发。因此，有必要系统研究陕蒙基地矿井水文地质条件、矿井充水规律，进而形成一套完整的水害防治技术，经济高效地实施水害防治工作，为陕蒙基地矿井可持续发展提供重要保障。发现侏罗系煤层覆岩整体状结构是造成导高异常的本质属性，建立了导高薄板极限挠度理论预计公式；采用分布式光纤传感监测技术等，研究导高动态发育特征规律；建立了侏罗系煤层开采导水裂隙带发育高度预计公式。研究发现关键隔水土层（黄土、N2红土）采动裂隙水土相互作用、蠕变渗透性变化规律，建立了砂层潜水下采煤防水保护层合理厚度的确定方法。建立了覆岩离层动态发育三角形离层域阶梯组合梁理论模型，揭示了离层发育、破断演化过程机理，给出了煤层开采过程离层发育位置判别、离层水平破断距预计公式。提出陕蒙基地煤层开采4种顶板水害模式，建立了不同水害模式分类防治技术体系，研究实施了新的水害预计方法和防治关键技术。
1900120027 山东 TD745 应用技术烟煤和无烟煤的开采洗选

2 地沟油催化转化生物浮选剂及在煤泥浮选中的应用 - 摘要

该项目将自主研发的固体酸催化剂，应用到地沟油制生物浮选剂的实验室试验中，解决了均相催化剂难分离的问题。同时，由于酸的催化活性远低于碱催化剂，该项目技术采用连续循环反应来解决此难题，形成自主创制的一步法连续生产生物浮选剂的工艺，研究的产品主要应用在煤炭浮选行业，旨在变废为宝，在创造经济利益的同时为社会环保事业做出贡献。采用自主研发的酸性固体复合材料作催化剂，在地沟油和甲醇、乙醇、丙醇酯交换反应中表现出高活性和稳定性。采用连续催化工艺克服了酯交换反应转化率低的缺陷，而且过程除产品生物浮选剂外，不产生其他废液，属于环保绿色催化工艺。整个过程实现了完全转化废油脂，近零排放。将生物浮选剂应用到煤泥浮选等领域，具有纯度要求低、生产成本低、利润空间大等优点，是解决目前地沟油转化利用的一条实用途径。
1900120008 山西 TD923.1 应用技术烟煤和无烟煤的开采洗选

3 大型矿物粉磨系统智能化关键技术及其应用 - 摘要

大型矿物粉磨系统是矿山、建材等国民经济支柱产业的重大装备，是实现制造强国的战略性产品。大型矿物粉磨系统在产业链中占据核心环节，其投资和能耗占矿物加工工程的70%以上，每台/套高达亿元，核心装备重达千吨，由八万多零部件构成，具有机、电、液、热工、气动等复杂多源信息，参数监控点200多个，使用寿命长达20年。主要存在以下共性难题：复杂工况下核心装备结构难以优化设计与精确计算、不同物料的研磨特性与装备结构关联机理不明、粉磨系统缺乏智能优化控制、系统智能运维与云服务平台存在功能性缺陷。这些关键共性问题制约着产业技术升级与换代，行业亟待技术创新突破。主要创新如下：（1）国际首次创造性提出并构建了大型矿物粉磨系统三平台融合一体化研发体系与装备研制方法。开发了奇异积分自适应分块技术，提高了边界积分方程法求解微缺陷的力学性能参数的精度，计算误差最大为1.5%。采用动态虚拟样机与气固两相流仿真设计相结合的方法，揭示了结构布局与气、固混合物流体场形态的关联机理；矿物粉磨系统核心装备采用面向服务的模块化设计方法，兼容远程在线监测与控制系统。LGMS5725矿渣立磨的生产能力（175t/h）、最大喂料量（210t/h，折合生产能力高达190t/h）、综合电耗（40kWh/t）等指标达到国际先进水平。（2）研制了矿物粉磨系统试验平台，建立了特性智能分析系统，确定了中国干法立式物料粉磨试验体系与标准，填补了该行业试验测评的空白。（3）提出了“生产工况预测－调稳方案生成－节能方案筛选”的模型，实现矿物粉磨系统的状态预测与节能调控；采用物料前端水分和后端成品粒度在线检测技术，实现了矿物粉磨系统运行过程闭环控制。填补了行业空白，国际领先。（4）构建了矿物粉磨系统远程状态监测、故障诊断方法与系统，提出了云计算环境下制造资源优化选择与配置方法，并应用于物联网云服务平台，国际先进。项目成果有效推动了大型矿物粉磨系统及装备的智能化升级，三平台融合一体化研发体系与装备研制方法减少系统及装备高达20%的设计制造成本；智能化控制与运维技术的应用，减少了对人员的依赖，降低设备故障率约50%，综合运维成本降低约20%-30%。同时，研究成果也极大推动了矿渣和钢渣等废弃物的循环利用，提高了矿物资源和能源利用效率和生产效率。打破了国外产品的垄断，产品出口到俄罗斯、澳大利亚等20多个国家，累计经济效益超过百亿元，创造了显著的社会、经济与环境效益。项目组累计发表论文42篇，授权专利33件，取得软著10项，起草国标3项，出版专著2本。获厅级科技进步一等奖2项。培养了国家自然科学基金优秀青年（陶飞）、河南省科技创新杰出青年（李浩）等高层次人才3名。研制的核心装备LGMS4624和LGMS5725大型矿渣立磨分别被科技部等四部委认定为“国家重点新产品”和“国家战略性创新产品”。2019年4月，中国机械工程学会组织召开了项目成果鉴定评价会，以浙江大学谭建荣院士为组长的鉴定委员会一致认为：“该项目技术难度大、创新性强，在大型矿物粉磨系统智能化开发与应用方面整体技术上达到国际先进水平，其中在矿山粉磨系统物料工艺参数智能匹配技术和系统状态预测与节能调控技术方面达到国际领先水平”。同时，卢秉恒院士、闻邦椿院士和徐宗该院士给予该项目成果高度评价。在技术开发与应用方面，被业内专家认为是一次传统粉磨装备智能化的重大技术升级，引领了矿山、建材行业大型装备智能化与节能减排的发展，促进了中国重型装备制造业智能技术的创新、发展与应用。
1900110485 河南 TD67 应用技术工程和技术研究与试验发展

4 煤矿安全生产体系的三维虚拟关键技术及应用 - 摘要

能源是经济发展的原动力，在中国能源消费结构中，煤炭消费占全国能源消费总量的70%。针对煤炭开采受到瓦斯、水、火、粉尘、顶板等五大灾害对煤炭高效生产和作业人员生命安全的长期困扰问题，加强煤矿安全生产过程中的危险因素的有效预警，提高作业人员安全意识与规避技能等，研制煤矿安全生产体系的三维虚拟技术，解决其工业应用的关键理论和技术问题。主要技术内容如下：（1）提出了三维虚拟空间与虚拟仪器融合的井下生产系统测量交互终端构建方法。对煤矿生产系统进行三维几何建模和表达格式化转换，进而与虚拟仪器数据总线进行耦合，解决了三维空间模型状态和信息变化无法与虚拟仪器同步的难题。（2）提出了三维空间动态模型与井下生产现场测量对象映射和同步耦合的三维虚拟体系构建方法。通过对煤矿生产系统进行三维几何建模，图形数字化转换与生产系统设备、测控装备等进行映射，然后利用网络技术实现虚实数据通讯，同时把虚拟仪器和数字化转换后的图形进行地址空间耦合，实现仪器数据显示和虚拟空间的信息同步。（3）提出了基于虚拟空间定位和数据驱动的三维虚拟交互测量方法。针对煤矿安全生产三维监测问题，基于三维数字化图形、通讯网络和生产现场测量和控制系统，可视化三维数字化图形与生产现场测量和控制系统进行不同交互，三维图形空间通过颜色、造型、虚拟仪器信息表达等实时反映生产系统的测量和控制结果以及煤矿生产系统的实时状态。（4）提出了煤矿安全生产系统三维虚拟动态重构方法，突破了传统三维虚拟系统建模柔性差、不能动态适应井下生产系统调整等难题，显著提高了煤矿安全生产三维虚拟系统构建的效率，降低了企业成本。在以上研究成果基础尚，开发了煤矿井下三维虚拟操控示教与安全事故后果仿真体系，将井下生产安全规范操作及其失误违规造成的安全事故通过三维虚拟技术真实再现逼真的技术细节和真实的典型事故发生环境。该项目获得发明专利9项,计算机软件著作权1项，发表论文15篇，完成了煤矿井下安全生产系统三维虚拟系统建模、网络通讯系统构建、三维虚拟系统与虚拟仪器耦合等系列关键技术的研制。系列成果通过河南省科技厅、中国仪器仪表学会以及国家自然科学基金委员会等机构的验收和鉴定，达到国内领先水平。应用推广与效益情况：该项目成果与2015年起在郑州煤炭工业（集团）有限责任公司、河南龙宇能源股份有限公司和山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿等多家煤炭企业生产中应用，近三年新增销售额43449万元，新增利润18710万元。该项目的研究成果为煤矿安全生产体系的高效、安全监测和评估提供了重要依据，可推广到化工、有色金属开采、石油等多个领域。新型三维虚拟技术在煤矿安全生产的大规模推广应用，将带来煤矿安全生产领域的重大变革，减少人员投入，预警险情发生，进而产生巨大的经济和社会效益。
1900110336 河南 TD76 应用技术工程和技术研究与试验发展

5 多孔介质抑制瓦斯爆炸关键技术研究 - 摘要

瓦斯爆炸是煤矿最严重的事故灾害之一，每年造成大量的人身伤亡和巨大的财产损失。该项目深入研究多孔介质对瓦斯爆炸抑制的作用机理及应用等关键技术，设计了应用实际煤矿井下的新型多孔介质阻隔爆装置，实现了阻隔爆装置的毫秒级快速动作，并能够起到大幅衰减瓦斯爆炸冲击波和阻隔火焰传播的双重作用。取得的主要创新包括： 1）测试得到了不同障碍物距离、数量和位置等条件下瓦斯爆炸动态传播特性，建立了瓦斯爆炸火焰-超压-湍流多场耦合模型。利用实验测试获得了障碍物数量、障碍物与点火源距离、障碍物横向及纵向位置对火焰结构、火焰传播速度、超压等动态特性的影响规律，揭示了障碍物的湍流激励作用是火焰加速的根本原因，在此基础上建立了瓦斯爆炸动态传播理论，揭示了火焰与湍流特征。 2）系统开展了多孔介质作用下瓦斯爆炸阻隔爆实验，探明了复杂条件下多孔介质火焰淬熄特性、超压衰减规律及淬熄失效因素，得到了多孔介质阻隔爆材料的优化参数。通过实验手段获取孔径、厚度及材料对多孔介质阻隔爆特性的影响规律，通过数据对比优化确定阻隔爆材料参数，多孔介质对于上游火焰传播速度有一定减缓作用，且对于下游超压具有明显抑制效果，但在一定程度上会增大上游超压，理论研究表明淬熄失效机理与火焰传播速度和超压的升高有关。多孔介质孔密度或厚度越大，其淬熄性能就越优越，爆炸气流通过多孔介质时的压降也越大，下游超压的抑制效果就更明显，由于流动阻力增大还会使火焰传播速度减小，造成火焰-湍流耦合过程被推迟，使超压峰值时刻来得更晚。 3）研究了瓦斯爆炸火焰在多孔介质内的传播规律，在微观层面上揭示了火焰-湍流-超压耦合对多孔介质抑制瓦斯爆炸特性的影响机制。首创微细热电偶、离子探针方法研究了瓦斯爆炸火焰在多孔介质内的传播规律，研究结果表明瓦斯爆炸火焰经过多孔介质时的气体温度和离子电流都有较大幅度的降低，与无障碍物工况相比，两侧连续障碍物工况的气体温度和离子电流降低幅度较小；利用数值模拟方法分析了多孔介质淬熄瓦斯爆炸火焰的反应进程变量、温度及超压分布，进而从微观层面上揭示了火焰-湍流-超压耦合对多孔介质抑制瓦斯爆炸特性的影响机制。 4）开发了煤矿采掘工作面和瓦斯抽排管道的多孔介质抑爆装置。研制的煤矿采掘工作面和瓦斯抽排管道的多孔介质抑爆装置可以重复使用，实现了多孔介质阻隔爆装置的毫秒级快速动作，可有效抑制连续或多次瓦斯爆炸的火焰传播，从而降低瓦斯爆炸对井下设备的毁坏程度。该项目在煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾理论和装备方面取得了重大突破，形成了拥有自主知识产权的瓦斯爆炸多孔介质抑爆装备，与国内外同类技术相比优势明显，项目整体达到国内领先水平。应用以来，很好地保障了煤矿企业的煤炭生产安全，使其生产规模扩大约10%，每年新增煤炭产值6848万元，经济社会效益巨大。
1900110334 河南 TD712.7 应用技术工程和技术研究与试验发展

6 复杂三软煤层采空区内下工作面回采巷道优化布置与围岩控制技术 - 摘要

中国多数矿井回采巷道布置在实体煤层中，伴随留设一定宽度煤柱，易使回采巷道两侧处于非对称受力状态，巷道围岩极易失稳。该课题以三软煤层回采巷道布置在压实采空区（应力降低区）为出发点，系统分析煤层、采空区边界的应力分布规律与围岩承载特性，确定在压实采空区回采巷道的合理布置位置，提出压实采空区回采巷道围岩控制技术，促进压实采空区回采巷道围岩稳定，为类似三软煤层大变形回采巷道合理布置与支护设计提供新的思路。 1．技术内容：（1）不同煤柱三软煤层回采巷道围岩变形特征及失稳模式。采用现场调研与理论分析方法进行，主要包括：不同煤柱尺寸对回采巷道围岩稳定性的影响因素分析；不同煤柱尺寸下回采巷道围岩变形破坏特征；三软煤层回采巷道围岩失稳基本模式。（2）三软煤层回采巷道围岩失稳原因及蠕变破坏特性。采用现场调研、理论分析与室内试验方法进行，主要包括：不同煤柱尺寸回采巷道围岩失稳影响因素分析；三软煤层回采巷道围岩变形破坏基本蠕变特性；三软煤层回采巷道围岩蠕变破坏基本形态分析。（3）压实采空区围岩应力环境及回采巷道布置解析方程。采用理论分析方法进行，主要包括：压实采空区围岩应力环境分析；压实采空区回采巷道影响因素分析；建立压实采空区回采巷道布置解析方程。（4）不同煤柱回采巷道围岩应力与位移变化规律。采用相似模拟与数值计算方法进行，主要包括：不同煤柱尺寸条件下巷道围岩应力及位移变化；压实采空区巷道围岩应力与位移变形规律。（5）压实采空区回采巷道优化布置位置与支护方案设计。采用理论分析与现场工业性试验方法进行，主要包括：压实采空区回采巷道布置位置的确定；压实采空区巷道支护方案设计；压实采空区回采巷道围岩稳定性控制方案优化设计。 2．授权专利情况：该项目研究共授权发明专利10项，均与项目研究内容密切相关，涉及到现场三软煤层采空区内回采巷道布置方法、采空区内回采巷道支护方法、极软煤层回采支护方法、软岩回采巷道支护技术等，同时，也涉及到三软煤层不同煤柱尺寸条件下巷道围岩控制方法、实验室相似模拟实验方法与实验室相似模拟巷道围岩变形测量装备等。 3．发表论文情况：该项目研究过程共发表论文8篇，其中SCI收录1篇、EI收录4篇、2篇中文核心、CN期刊1篇，主要包括5篇大变形巷道围岩变形破坏特征及控制技术、1篇不同缺陷破碎岩体失稳机理分析、1篇实验室围岩蠕变特性及失稳分析、1篇大尺度相似模拟试件单轴压缩强度特征。 4．技术经济指标：（1）巷道断面收缩率小于20%，在服务期内能够满足正常使用要求。（2）减小煤柱积压，实现无煤柱开采。（3）降低巷道支护成本，促进回采巷道围岩稳定。 5．效益及应用推广：（1）该课题工作实现了三软煤层采空区内掘进与支护回采巷道的稳定可靠，降低了巷道断面收缩率，加快了巷道掘进进度，节约了了巷道支护成本，提高了工作面推进速度，缓解了采掘接替紧张局面，取得了良好的技术效果，社会经济效益巨大。（2）该研究成果可在具有相同及类似条件下的三软煤层回采巷道围岩控制中推广应用，由于三软煤层回采巷道沿空留巷存在煤柱积压及围岩控制成本高的问题，该研究成果在相同及类似条件下具有广泛的应用范围及技术前景。
1900110331 河南 TD353 应用技术其他煤炭采选

7 条带式旺格维利减沉控损高效采煤关键技术及应用 - 摘要

中国建（构）筑物下压煤量巨大，井下开采引起的地表沉陷对建（构）筑物造成严重损害，控制岩层与地表的移动是“三下”采煤的关键技术，经过数十年的开采，一些矿井除了“三下”压煤资源外，已无煤可采。为提高矿井生产服务年限，保证企业继续运转，“三下”压煤资源的回收受到了企业及社会的广泛关注，资源回收与地表建（构）筑物的保护及环境问题亟待解决。“三下”采煤的关键是控制岩层与地表的移动，建（构）筑物下条带式旺格维利减沉控损高效采煤关键技术是一种高效“三下”采煤技术，其结合了条带采煤巷道布置方式与旺格维利开采工艺，通过连续采掘技术实现高产高效，为建（构）筑物下的减沉开采提供了新思路，该技术既发挥了条带开采与短壁柱式采煤法有效控制地表下沉的优势，又实现了工作面快速搬家，并克服了旺格维利采煤法过程中通风条件差、不规则煤柱与刀间煤柱系统缺乏长期稳定性的弊端，达到安全高效的回收建（构）筑物下压煤的目的。课题综合运用现场观测、实验室试验、数值模拟计算和理论分析等技术手段，系统地研究了条带式旺格维利减沉控损高效采煤关键技术并加以应用，取得了如下研究成果：（1）首次提出了建（构）筑物下安全高效的“条带式旺格维利采煤法”，构建了条带式旺格维利减沉控损高效采煤关键技术理论基础，突破了条带式旺格维利减沉控损高效采煤关键技术；依据条带式旺格维利采煤法的技术特点及地表建（构）筑物的抗变形能力，提出了五种工作面布置及开采方式。（2）阐明了条带式旺格维利减沉控损高效采煤法煤柱特征、类型及作用，分类总结了条带式旺格维利减沉控损高效采煤法3种煤柱形式（狭窄煤柱、不规则煤柱、条带煤柱），建立了煤柱结构力学模型，揭示了条带式旺格维利采煤法煤柱系统的稳定与失稳机理。（3）研究了条带式旺格维利减沉控损高效采煤法不同参数（巷道布置、深厚比、顶板岩性等）对覆岩破坏的影响，获得影响条带式旺格维利采煤覆岩破坏规律的主控因素，建立了条带式旺格维利采煤法的地表移动变形计算模型，揭示了条带式旺格维利采煤法覆岩移动及地表沉陷规律。（4）揭示了条带式旺格维利减沉控损高效采煤法围岩应力场、位移场及塑性区的分布规律；确定了条带式旺格维利减沉控损高效采煤法巷道最佳布置方式及合理的采留宽、采硐深度等开采参数。（5）结合条带式旺格维利减沉控损高效采煤法巷道布置方式、采掘应力分布等特点，对条带式旺格维利减沉控损高效采煤法采掘工艺、设备及巷道支护等进行了改进优化，并进行了应用推广，取得了良好的经济及社会效益。项目组围绕课题，结合具体的采矿地质条件，针对条带式旺格维利减沉控损高效采煤关键技术及应用，取得了如下研究成果：研究报告1套，发表论文51篇，其中SCI/EI论文26篇，出版专著1部，申请专利21项，培养博士后1人，博士生3人，硕士生8人。 “条带式旺格维利减沉控损高效采煤关键技术及应用”项目研究成果成功应用于中国内蒙、陕西、山西、河南等矿区，近三年直接经济效益数十亿元，综合效益显著。且由于中国存在大量的三下压煤或资源枯竭矿井，该项目研究成果将在建（构）筑物下压煤、边角煤、保护煤柱回收中，产生了更大的经济和社会效益。同时，随着煤矿的开采进行，井田范围内未回采工作面自然村庄越来越密集，更是存在搬迁难、无地可搬等问题，建（构）筑物下压煤开采问题突出。该项目的研究与实践，有效地控制了矿区地面的沉陷与变形，减轻采动损害，确保建（构）筑物的安全正常使用和煤矿的安全高效生产，改善了工农关系，保护了矿山的生态环境，丰富了岩移理论，促进了煤矿可持续发展战略的实施，具有广阔的推广和应用前景，将带来更大的经济及社会效益。
1900110312 河南 TD823.83 应用技术烟煤和无烟煤的开采洗选

8 高位巷卸压瓦斯抽采诱导遗煤自燃及防治关键技术 - 摘要

1．项目研究背景：该项目属于安全工程技术科学（62030）学科领域。高瓦斯自燃矿井采空区瓦斯与煤自燃灾害共存，特别是在此类矿井采空区实施瓦斯抽采时，易恶化采空区漏风，增加采空区遗煤氧化风险，进而诱导煤自燃的发生，而煤自燃的发生又可诱发采空区瓦斯爆炸，给工作面的安全生产带来了巨大威胁。为防范与化解高瓦斯自燃矿井采空区瓦斯与煤自燃共生灾害问题，该项目开展了高位巷卸压瓦斯抽采下采空区遗煤自燃灾变机理与防治技术的研究，实现了高位巷瓦斯抽采下煤自燃与瓦斯的协同治理，保障了矿井安全高效开采。 2．项目主要技术内容：（1）识别了高位巷瓦斯抽采采空区遗煤自燃“场”环境，建立了采空区内生热风压理论模型，定量分析了采动影响下高位巷与裂隙带的时空演化规律，揭示了高位巷破断冒落诱导采空区漏风形成机制。（2）自主研发了承压破碎煤岩渗流实验平台，提出了一种采空区破碎煤岩渗透参数设置的新方法，研究了高位巷抽采量、垂直高度、内错距对采空区漏风、风排瓦斯浓度以及采空区氧化带扩展范围的影响规律，揭示了高位巷瓦斯抽采诱导煤自燃灾变机理。（3）建立了合理瓦斯抽采量模型，提出了采空区煤自燃分源预报方法；开发了采空区后部增阻漏风控制技术、巷道顶煤超前注水防灭火技术、进回风超前钻孔“灌-注-抽”防灭火技术、高位巷埋管注水淋灌防火技术等高位巷瓦斯抽采下采空区防灭火关键技术，实现了“合理瓦斯抽采量降低漏风、一巷两用、一孔多用”的瓦斯与煤自燃协同防治。 3.知识产权情况：该项目实施过程中，研究成果获得国家授权发明专利10项；共发表论文24篇（SCI检索7篇、EI检索11篇），其中，代表性论文8篇中SCI检索4篇、EI检索3篇。 4.技术经济指标： ①揭示了高位巷瓦斯抽采诱导煤自燃灾变机理，提出了合理瓦斯抽采量理论。 ②明确了高位巷抽采量、内错距及垂直高度对风排瓦斯与煤自燃的扰动效应，为高位巷安全瓦斯抽采提供了决策依据。 ③研发了承压破碎煤体渗流与自燃氧化实验平台，为煤自燃研究提供了新的途径。 ④开发了采空区高位巷瓦斯抽采下的防灭火关键技术，实现了“合理瓦斯抽采量降低漏风、一巷两用、一孔多用”的瓦斯与煤自燃协同防治。 5.应用与推广效益情况：该项目研究成果，在河南大有能源耿村、跃进煤矿，河南能化众维煤业等典型高瓦斯自燃矿井进行应用，新技术应用后，采空区氧化带宽度减小40%以上，采空区温度降低10-15℃，采空区CO浓度最大减幅高达90%，杜绝了上隅角瓦斯浓度超限，有效防治了工作面瓦斯涌出与采空区遗煤自燃灾害，显著提高了工作面的推进速度和产量，降低了防灭火工程量与防灭火材料使用量，近三年产生的直接经济效益1.62亿元以上，取得了显著经济和社会效益。经国内专家科技评价，该成果达到了国际领先水平，具有广阔的推广应用前景。
1900110310 河南 TD712.6 应用技术工程和技术研究与试验发展

9 低渗煤层瓦斯运移测试装备研发与应用 - 摘要

该成果为国家自然科学基金青年项目“深部采动下含瓦斯煤水气两相流渗流特性与失稳破坏规律”与河南省基础与前沿技术研究计划项目“蠕变作用下含瓦斯煤渗流-应力耦合作用规律研究”两项科研成果的综合体现，属于煤矿安全生产领域。在中国，低渗透煤层分布十分广泛，多尺度非均匀的孔隙-裂隙结构直接导致了煤层瓦斯流动机制的多样性和复杂性。瓦斯流动规律复杂多变、瓦斯抽采量衰减速度快和瓦斯抽采效率低是制约中国低渗煤层瓦斯有效抽采的关键瓶颈问题。项目针对上述问题，系统深入开展了低渗煤层瓦斯运移理论的试验测试装备的设计研发和相关理论研究工作，提出了低渗煤层瓦斯运移的测试方法，研制了功能完备、技术先进的成套试验设备，推导得出了更加合理准确的煤层瓦斯渗透率计算方法，建立了低渗煤层瓦斯水气两相渗流模型，开展了理论研究成果的现场推广应用，为中国煤矿安全生产、瓦斯灾害防治和煤层瓦斯开发利用提供了更好的测试手段、理论方法和现场技术。项目的主要科技创新成果有： 1）研发了低渗煤层瓦斯运移规律的系列成套试验装备和测试方法，形成了功能完备、影响因素考虑全面、连续跟踪测试功能强大的测试技术体系。 2）提出了考虑克氏效应（气体滑脱效应）的煤层瓦斯渗透率计算方法，有效克服了传统计算方法中的不足，提高了计算精度，避免了计算错误。 3）提出了三轴压缩下含瓦斯煤样密封方法、不同含水率煤样的快速制样方法和受载含瓦斯煤样孔隙率的全程直接动态连续测量技术，大幅削减了测试成本，提高了测试效率。 4）建立了低渗煤层瓦斯水气两相渗流模型和瓦斯抽采渗透率动态演化模型，通过理论模型的现场应用，合理优化了煤层卸压增透的水力冲孔布孔方案，提高了瓦斯抽采率。该成果在低渗煤层瓦斯运移理论分析和实验测试装备方面取得了较大突破，形成了自主知识产权的理论计算方法、实验测试方法和测试设备，整体技术达到了国际先进水平。项目取得的相关技术指标如下：利用自主研发的仪器设备准确测试了多种关键因素影响下的低渗煤层瓦斯运移规律；变以往的“点接触”为“面接触”，打破了瓦斯气体无法均匀流经煤样的技术瓶颈；不同含水量煤样的制作时间由原来的7天缩短到1天以内，大幅提升了制样效率；攻克了蠕变加载过程中瓦斯的吸附解吸和渗流特性的测试技术难题；实现了受载煤岩变形过程中孔隙率变化测试由原来的定点测试到连续动态测试的技术转变，大幅缩短了测试时间，降低了测试成本；提出了考虑克氏效应的煤层瓦斯渗透率计算方法，提高了计算精度，避免了理论计算错误；通过研究成果现场应用，优化了煤层水力冲孔布孔方案，应用期间煤层瓦斯抽采总量提高了2倍，煤巷掘进速度提高了1倍，加快了工程进度，降低了生产成本。项目的研究成果推广和应用主要体现在煤层瓦斯抽采和科研测试设备研发两个方面。在煤层瓦斯抽采应用方面，主要与河南大有能源股份有限公司新安煤矿等煤矿企业开展了现场应用和技术合作；在科研测试设备的研发生产方面，主要与恒瑞宝电工设备（北京）有限公司等生产业进行了全面技术合作。科研成果的推广应用，为相关生产企业节约了技术成本，加快了工程进度，提升了生产效率，增强了企业市场竞争力，近三年共创造经济价值72888.7万元，经济效益显著。同时，成果的应用推广，有效控制了煤矿重大瓦斯灾害的发生，改善了企业工作环境，确保了职工的身心健康，社会效益良好，在煤层气开发、煤矿瓦斯灾害防治、煤矿安全科研设备研发等领域均可应用，应用前景广阔。项目自开展以来，累计授权发明专利14项，授权实用新型专利6项。在国内外期刊共发表高水平学术论文25篇，其中SCI收录5篇，EI收录13篇，中文核心7篇；培养博士、硕士16名。
1900110308 河南 TD712.6 应用技术工程和技术研究与试验发展

10 高速公路下伏采空区沉陷机理及治理关键技术 - 摘要

老采空区新建高等级公路变形预计、地基稳定性评价及抗变形措施选择是国内外采煤塌陷区高等级公路问题的研究重点。河南省交通运输厅科技项目《高速公路下伏采空区沉陷机理及治理关键技术》，由河南省交通厅批准立项，项目编号为2013-2-03。项目结合河南武云高速公路沿线煤矿采空区不良地质条件工程背景，研究了高速公路穿越煤矿采空区的沉陷变形机理，分析了高速公路交通荷载协同老采空区移动变形对高速公路建设场地的影响程度，提出了顾及采空区覆岩结构、变形类型、动静荷载影响、残余变形预测四大方面的老采空区上方高速公路建设场地稳定性的评价体系，最终确定采用土工格栅加固路基的抗变形设计对策，既可以节省财力物力，又可以有效地规避潜在风险。项目研究成果与国内外同类技术比较，主要在以下几个方面有所突破：（1）构建了考虑垮落带、裂隙带和弯曲带岩体变形特征的上覆岩层移动与变形的结构力学模型，从理论上揭示了长壁老采空区变形机理，给出了老采空区变形类型；（2）开发了适用于采空区移动与变形研究的耦合连续介质、离散介质的数值计算软件控制系统，实现了采空区破碎、破裂岩体以及连续完整岩体的整体建模分析；建立了恒温恒湿相似材料模型试验台，研发了可实现连续、高精度测量的光学图像法模型变形测量系统，模型监测精度优于0.1mm。研发了相似模型内部应变的分布式光纤监测系统，实现了老采空区覆岩微小应变的监测。（3）提出了考虑采空区覆岩结构、变形类型、动静荷载影响、残余变形四大方面的老采空区上方高速公路建设场地稳定性的评价体系。（4）在老采空区地基稳定性评价理论支撑下，设计采用铺设土工格栅加固路基的方法进行了武云高速采空区段高速公路路基建设。在课题成果支撑下，给出的武云高速采空区路段特殊路基设计方案，最终通过了2014年3月16日技术预评审，2014年4月4日采空区方案技术评审，以及2014年7月2日施工图厅审。厅审批文（豫交文2014[631]号）核定武云高速采空区施工图预算为1339.1万元，较武云高速初设批文（豫发改设计[2013]869号）采空区段落处治概算1亿元，节省费用高达8660.9万元，课题研究经济效益极为显著，运营期场地监测反馈，采空区路段勘察结论正确，路基及结构物设计适当，确保了武云高速正常运营。项目研究过程中，授权发明专利1项，软著4项，发表学术论文8篇，其中SCI收录3篇，中文核心4篇，颁布地方标准1项。
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