主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

学术前沿 |走访中国矿业大学岩层移动与绿色开采团队

2019-06-26   来源:煤炭科学技术

  “岩层移动与绿色开采”研究团队是中国矿业大学优秀创新团队(卓越团队),目前形成了以许家林教授为学术带头人,由2名教授、5名副教授、1名讲师及30余名博硕研究生组成的研究团队。


  团队确立了以“岩层移动与绿色开采”为主题的研究方向,形成了基于关键层理论和全柱状思想的学术思路与岩层控制理论框架,创新了岩层移动与绿色开采的理论体系。从煤层开采过程中岩层采动裂隙的形成位置、发育形态、动态变化及其影响因素等方面探索了岩层采动裂隙的动态演化规律,建立了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计新方法和基于采动覆岩卸荷膨胀累积效应的离层量估算方法。同时,紧密围绕传统理论难以合理解释的煤矿工程中的“异常”现象,基于上述顶板导水裂隙演化和顶板结构运动等方面的理论创新成果,指导解决了浅埋煤层群安全高效开采、隔离注浆充填减灾与不迁村采煤、煤与瓦斯共采、保水开采等绿色开采技术中的疑难杂症,取得了巨大的经济和社会效益。


  团队成员围绕“岩层移动与绿色开采”这一方向开展了广泛深入的合作研究,取得了丰硕的研究成果。承担了国家基础研究发展计划(“973”计划)课题、国家科技支撑计划、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金等国家级课题15项;获得国家及省部级科技奖励20余项;授权国家发明专利30余项;发表SCI论文40余篇、EI论文100余篇;2篇次论文入选“中国百篇最具影响国内学术论文”,10篇次论文入选“F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文”,20余篇SCI论文发表在《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》等国际采矿TOP期刊上。


  

2019年6月11日下午,《煤炭科学技术》编辑部杨正凯主任、朱恩光编辑走访了中国矿业大学岩层移动与绿色开采团队。团队许家林教授、胡国忠教授、朱卫兵副教授、谢建林副研究员、鞠金峰副研究员、秦伟副研究员、轩大洋副教授、王晓振讲师等参加了本次交流活动。座谈会上,许家林教授对编辑部来访表示热烈的欢迎,介绍了参会的团队成员各自的研究方向,向编辑部一行介绍了团队的基本情况,并介绍了岩层移动与绿色开采团队最新的研究成果。


“岩层移动与绿色开采”研究团队研究内容如下:


  01、岩层移动与矿山压力

  1)岩层移动的全柱状思想

  “全柱状”是包含整个煤系地层中的煤岩层岩性、层位、厚度、强度等一系列地质信息的全取芯的完整钻孔柱状图。“全柱状”思想是指在研究开采引起的诸如地表塌陷、突水、矿压等问题时,必须分析从煤层到地表的全部岩层的运动规律及其作用,并从中找出起控制作用的关键层,据此提出针对性的岩层控制方法。因此,在研究解决某个具体区域的问题时,应首先获得该区域的岩层全柱状进行研究,而不能仅看部分柱状或综合柱状。对全柱状不能采用统计均化方法处理,而要找出起控制作用的关键层。



  2)岩层内部移动与地表沉陷多维实时协同监测

  基于岩层移动的全柱状思想,遵循岩层运动一体化监测原则,创建了采动岩层内部移动与地表沉陷相协同的多维实时监测体系,为实现精细、实时、连续的采动岩层移动监测目标提供了有效途径,并在大同、彬长、宁东等矿区进行了应用,为研究采动岩层移动全过程及其影响规律奠定了重要基础。



  3)采场大面积压架冒顶事故防治

  基于全柱状思想,揭示了近年来在我国煤矿多发的几类采场大面积压架事故的机理,指导了压架事故的防治。


  我国西部部分矿井由于浅埋深沟谷对基岩的冲刷侵蚀作用,导致覆岩主关键层在沟谷段易发生缺失,造成上煤层开采时覆岩主关键层破断块体将因缺少侧向水平挤压力作用而无法形成稳定的结构,从而在沟谷上坡段易出现张开裂缝甚至台阶下沉。此时,当下煤层再次开采至沟谷地形上坡段时,由于失稳的主关键层破断块体结构将其承受载荷传递于煤层间单一关键层结构之上,易导致关键层破断块体出现滑落失稳,引起压架冒顶。



  部分矿井在下煤层工作面临近采出上煤层遗留煤柱边界过程中,煤柱上方关键层将破断铰接形成三铰式拱形结构;由于该结构不满足中间铰接点高于两端铰接点的自稳条件,它将始终无法达到稳定的承载状态,两关键块体将随着下部岩层的下沉逐渐发生相对回转运动,运动过程中会造成下部岩层支撑力的逐渐增大,从而导致煤层间单一关键层破断结构上的载荷过大而发生滑落失稳,最终造成工作面压架冒顶事故的发生。



  针对我国华东、华北等矿区许多煤矿在松散承压含水层下开采发生的压架突水灾害问题,基于岩层控制的关键层理论,研究发现松散承压含水层载荷传递作用导致一定覆岩条件的关键层结构发生复合破断,顶板导水裂隙带高度发育至松散承压含水层下,引发异常压架突水灾害。掌握了松散承压含水层下采煤压架突水灾害的发生条件和影响因素,形成了压架突水危险的预测方法,建立了“危险预测-采前预防-采动预警-实时调控”的灾害防治技术体系,在压架突水灾害防治实践中得到了成功应用。



  02、基于关键层控制的部分充填采煤技术

  针对充填采煤技术面临的难点与挑战,结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发了基于关键层控制的部分充填采煤技术。研究揭示了覆岩关键层对地表沉陷控制机理;建立了基于关键层控制的地表沉陷控制模型及部分充填采煤的设计方法;研发了采空区条带(墩柱)充填、冒落区嗣后充填和覆岩隔离注浆充填等部分充填采煤技术。


  覆岩隔离注浆充填技术是通过设计合理的工作面采宽并留设一定宽度的隔离煤柱,充分利用上覆岩层结构的自承载能力,通过地面钻孔对采动覆岩高压注浆充填,形成一定宽度的压实支撑体,利用压实区与隔离煤柱联合控制覆岩关键层结构的稳定性,从而减小地表下沉。



  该技术已在安徽、山西、山东、河南、河北13个矿区进行了推广应用,已采出建(构)筑物压覆的原煤量1500万t,避免了矿区粉煤灰露天堆放,保护了可耕地资源,减少了失地人口,有效保护了建(构)筑物。该技术较井下充填采煤单产提高一倍,吨煤充填成本降低一半,是高效低成本的建筑物压煤充填开采技术。



  03、煤与瓦斯全生命周期一体化开采

  立足于“煤矿全生命周期”的概念,以提高煤层采前、采中和采后的整个过程中瓦斯资源抽采率和保障煤层安全高效开采为目的,提出了煤矿规划区、开拓区、生产区和废弃采空区的煤与瓦斯一体化协同开采理论与技术。针对深部煤层瓦斯预抽困难的重大科技难题,提出了“可控源微波辐射法促进煤层瓦斯解吸与增加煤层渗透性”的学术思想,揭示了微波辐射下煤体瓦斯解吸动力学特性、煤体孔渗演化规律与煤体损伤致裂机理,建立了微波储层增透理论与技术方法。基于煤与瓦斯突出大多发生在地质构造带的实际情况,提出了在断层-褶曲复合构造带内预先采用地面直井水力压裂抽采方法实现煤层靶向消突的新思路,建立了构造带直井井位优化选择方法,研发了构造带钻井工艺与水力压裂“三参量协同控制”技术。基于覆岩关键层运动对瓦斯卸压运移的认识,建立了卸压瓦斯运移“O”形圈理论和煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”理论,提出了邻近层卸压瓦斯抽采钻孔(巷道、钻井)的布置方法,研发了本煤层超前卸压区二次封孔强化抽采瓦斯技术、初采期组合倾斜巷抽采瓦斯技术以及综放面注水减尘与超前卸压瓦斯抽采协同技术。针对煤矿废弃采空区存在巨大瓦斯资源开发价值的情况,建立了废弃采空区瓦斯储量预测模型,开展了废弃采空区瓦斯抽采工程实践,提出了废弃采空区钻井抽采技术参数优化方法,避免了废弃采空区瓦斯泄露及其引起的安全隐患和环境危害。



  04、保水开采


  1)基于关键层位置的导水裂隙带高度预计新方法

  在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上,提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法。与我国现有的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的统计经验公式相比,新的预计方法充分体现了具体开采条件下特定的覆岩关键层结构对导水裂隙发育高度的影响规律,弥补了将顶板岩性统计均化为硬、中硬、软弱进行导水裂隙带高度预计的不足,能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计,具有更好的适应性和准确性。



  2)采动破坏岩体水-气-岩相互作用下的裂隙自修复机制

  通过大量现场工程探测与案例统计发现,采动覆岩导水裂隙在产生后的长期演化过程中,会发生裂隙导水能力逐步降低的自修复效应,出现导水裂隙带高度下降、井下涌水量减少、地下水位逐步回升等现象。研究发现,采动破坏岩体的裂隙降渗自修复现象与其在采空区水、气物理化学环境下的水-气-岩相互作用密切相关。受扰动的地下水以及采空区的CO2等气体在破坏岩体中流散过程中会与岩石矿物发生充分反应,出现泥岩等富粘土矿物岩石的遇水膨胀或崩解,以及溶解、溶蚀的矿物离子与地下水阴阳离子、CO2等气体化学生成次生矿物或结晶沉淀物等物理、化学过程;如此,破坏岩体将会因泥化物的弥合或衍生物的充填等作用而发生裂隙封堵,最终出现水渗流能力下降现象。基于水气岩相互作用实验,发现了因地下水酸碱度、CO2等气体浓度、以及岩石矿物成分等因素引起的裂隙岩体分阶段、变速率降渗特性。基于相关研究成果提出了人工调节地下水、气化学环境促进导水裂隙自修复的含水层恢复方法,为煤炭开采水资源保护与生态修复提供了重要理论参考。




  承担项目及成果


  01、主要在研或完成的国家级项目

  (1)国家973计划子课题,采动岩体裂隙演化及隔水关键层的形成条件(2007CB209403,许家林)

  (2)“十二五”科技支撑计划,矿井冒顶与地压灾害防治关键技术研究与示范(2012BAK04B06,许家林)

  (3)国家973计划子课题,高强度开采下矿区环境损伤的形成机理与预测(2013CB227904,许家林,朱卫兵)

  (4)国家重点研发计划子课题,大型煤电基地生态修复关键技术集成与效果评价研究(2016YFC0501109-1,许家林)

  (5)国家重点研发计划子课题,开采扰动下的地下水保护与含水层再造技术(2016YFC0501104-2,鞠金峰)

  (6)国家自然科学基金面上项目,关键层运动对瓦斯卸压运移影响规律及其应用研究(50374066,许家林)

  (7)国家自然科学联合基金,浅埋煤层重复采动关键层失稳致灾机制研究(51174288,许家林)

  (8)国家自然科学基金面上项目,可控源微波辐射作用下煤体微结构演化及其增透机理研究(51774279,胡国忠)

  (8)国家自然科学基金联合培育项目,可控源微波辐射强化页岩气解吸与改善储层渗透性的作用机理(U1762105,胡国忠)

  (9)国家自然科学青年基金,可控源微波电磁辐射提高煤层瓦斯解吸与渗流的作用机理(51104155,胡国忠)

  (8)国家自然科学青年基金,水气岩相互作用下覆岩导水裂隙自修复机制研究(51604259,鞠金峰)

  (10)国家自然科学青年基金,基于水位降速的松散承压含水层下采煤压架突水灾害预警研究(51404246,王晓振)

  (11)国家自然科学青年基金,覆岩隔离注浆充填载荷传递效应及沉陷控制机理(51604258,轩大洋)

  (13)国家自然科学青年基金,巷道顶板离层的地质雷达监测与预警判据研究(51204160,谢建林)

  (14)国家自然科学青年基金,地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯渗流特性研究(51404257,秦伟)

  (15)江苏省自然科学基金面上项目,超高水固液两相浆液注浆固结封孔过程中浆液的扩散与封堵机理(BK20141131,胡国忠)

  (16)江苏省自然科学基金,巨厚岩层下注浆充填对采动应力转移的作用机理研究(BK20150194,轩大洋)


  02、主要专著

  (1)许家林.岩层采动裂隙演化规律与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,2016.

  (2)许家林.煤矿绿色开采技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2011.

  (3)许家林,王晓振,朱卫兵.松散承压含水层下采煤压架突水机理与防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2012.

  (4)朱卫兵,许家林,鞠金峰.浅埋煤层开采压架机理及防治[M].北京:科学出版社,2017.

  (5)谢建林.顶板离层的地质雷达监测与预警[M].徐州:中国矿业大学出版社,2014.

  (6)胡国忠.可控源微波辐射强化煤层气抽采的作用机理与方法[M].徐州:中国矿业大学出版社,2016.

  (7)秦伟.地面钻井抽采老采空区瓦斯试验研究[M].徐州:中国矿业大学出版社,2015.


  为促进团队成员与国内外同行的学术交流,团队先后组织了绿色开采理论与实践国际研讨会、Workshop On Green Mining等重要国际学术会议,组织多名研究骨干分别赴澳大利亚联邦科学院、卧龙岗大学、科廷大学,英国诺丁汉大学,以及加拿大劳伦森大学等单位开展国际合作与交流;累计参加国际学术会议50余人次。通过广泛开展国际合作与交流,有效促进了团队研究成果在国内外行业领域的推广应用,提升了研究团队的国际认可度。



  责任编辑:宫在芹

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