9054008神东特大型煤田浅埋煤层绿色开采岩层控制理论与技术

2019年度国家科学技术进步奖提名项目公示材料一、项目名称神东特大型煤田浅埋煤层绿色开采岩层控制理论与技术二、提名单位及提名意见提名单位：中国煤炭工业协会提名意见：神东煤田是我国探明储量最大的优质整装煤田，其探明储量和煤炭产量均约占全国的1/3，是国家能源战略西移的重要基地。该项目针对神东煤田浅埋煤层高强度开采矿压强烈、地表环境破坏严重等问题，从1993年神东煤田开发以来，历经20多年的研究与实践，取得了以下重要创新成果：（1）揭示了浅埋煤层顶板结构特征和矿压显现规律，提出了浅埋煤层定义，建立了浅埋煤层顶板结构力学模型，奠定了浅埋煤层岩层控制理论基础，解决了浅埋采场支护阻力计算难题。（2）建立了浅埋煤层保水开采岩层控制理论，提出了隔水岩组隔水性判据和保水开采分类方法，研发了柔性条带充填保水开采技术，支撑了浅埋煤层绿色开采。（3）提出了浅埋煤层群分类方法，建立了近距离煤层群大采高长壁开采顶板结构模型，提出了基于煤柱群布置减轻地层非均匀沉降的方法，实现了采场减压和地表减损。（4）开发了浅埋煤层综采工作面初采至末采全阶段的岩层控制技术，发明了井下立交巷道和含夹矸巷道等支护技术，保障了安全高效开采。该项目有力支撑了神东世界级浅埋大煤田的绿色高效开发，取得了重大的经济和社会效益，鉴定达到国际领先技术水平。项目核心内容先后编入国家规划教材《矿山压力与岩层控制》和《煤矿总工程师技术手册》，获得授权发明专利12项，实用新型专利7项，出版专著3部，发表论文77篇，相关论文被国际检索机构翻译转载，具有广泛学术影响，获得省部级科学技术一等奖3项。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介我国西部神府东胜煤田（简称神东煤田）是世界迄今发现的最大煤田，其探明储量和煤炭产量均约占全国的1/3，是国家重要的能源基地。煤层埋藏浅，基岩薄，煤层多，开采厚度大，地表生态脆弱。实践表明，浅埋煤层开采后，地压强烈，地表破坏严重，是安全高效绿色开采亟待解决的重大技术难题。浅埋薄基岩煤层开采条件国际罕见，传统理论不适用，煤矿开采缺乏系统的岩层控制理论和技术。该项目自1993年神东煤田首采工作面研究到2017年，历时25年，完成国家自然科学基金项目和省市及企业项目25项，在浅埋煤层岩层控制领域取得如下创新成果：（1）提出了浅埋煤层定义，建立了浅埋煤层顶板结构理论。掌握了浅埋煤层顶板结构特征和矿压显现规律，提出了浅埋煤层定义；建立了初次来压的“非对称三铰拱”结构模型，周期来压的“台阶岩梁”结构模型；测定了端角挤压和摩擦系数，提出了厚松散层载荷传递因子，揭示了采场埋藏浅压力大的机理，奠定了浅埋煤层岩层控制理论基础，破解了浅埋采场顶板支护阻力确定难题，支撑了浅埋采场安全开采。（2）建立了浅埋煤层保水开采岩层控制理论，开发了柔性条带充填保水开采技术。发明了固液耦合模拟装置，揭示了隔水岩组“上行裂隙”和“下行裂隙”规律，提出了隔水岩组隔水性判据和保水开采分类方法，建立了浅埋煤层保水开采岩层控制基本理论。针对充填保水开采条件，建立了条带充填隔水岩组连续梁模型，开发了柔性条带充填保水开采技术，支撑了浅埋煤层绿色开采。（3）发展了浅埋煤层大采高和近距离煤层群开采的顶板结构理论和支护技术。提出了大采高“等效直接顶”的概念，建立了“高位台阶岩梁”结构模型，发明了大采高工作面支护阻力确定方法。提出了以间采比和间隔层关键层为指标的浅埋煤层群分类方法，建立了“无关键层”、单一关键层和双关键层近距离煤层群的顶板结构模型；提出了基于煤柱群布置，减轻地层非均匀沉降的方法，实现了煤层群井下减压和地表减损开采。（4）开发了浅埋煤层采场和巷道岩层控制技术，包括工作面初采期间、过空巷、过薄基岩、架后悬顶、末采期间的顶板控制关键技术，开发了含夹矸外错滑移变形巷道支护方法和井下立交巷道施工方法，保障了安全高效开采。该项目授权发明专利12项，实用新型专利7项。出版专著3部，发表论文77篇，论著他引2566次；入选《煤炭学报》创刊50周年百篇论文1篇，被国际检索机构JST全文翻译转载论文1篇，2003年开辟新章编入国家规划教材《矿山压力与岩层控制》，2010年编入《煤矿总工程师技术手册》，在全国得到长期而广泛的传播与应用。该项目经过中国煤炭工业协会鉴定达到国际领先水平，近3年7个矿井应用新增产值77.0亿元，新增利润38.5亿元，取得了巨大经济和社会效益。先后获得2002年度中国高校自然科学一等奖，2016年度陕西省科学技术一等奖，2018年度中国煤炭工业科学技术一等奖。四、客观评价（1）“浅埋煤层矿压特征和浅埋煤层定义”（《岩石力学与工程学报》2002(8)），根据1993-2001年的研究与实践，揭示了浅埋煤层的特殊矿压特征，提出了以埋深、基载比、单双关键层特征为指标的浅埋煤层和近浅埋煤层定义，论文他引381次，2012年入选《岩石力学与工程学报》创刊30周年优秀论文。（2）“采场老顶初次来压的结构分析”(《岩石力学与工程学报》1998(5))，基于大柳塔首采面浅埋煤层初次来压地表实测，提出了非对称三铰拱结构模型，修正了传统对称结构模型，揭示了初次垮落空间滑落失稳来压机理，入选1999年度陕西省自然科学优秀论文。（3）“浅埋煤层采场顶板周期来压的结构分析”（《煤炭学报》1999(6)），提出了浅埋煤层“台阶岩梁”结构模型，揭示了煤层埋藏浅、压力大的机理，建立了浅埋煤层顶板支护参数的确定方法。该论文被大量引用，他引287次，2014年入选《煤炭学报》创刊50周年百篇最具影响力学术论文。（4）《浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究》（中国矿业大学出版社，2000）是国内外首部该领域专著，中国工程院院士、中国矿业大学钱鸣高教授在序言中评价：21世纪中国重大能源基地神府东胜煤田的开发，薄基岩、厚松散层、浅埋和近浅埋煤层顶板运动规律是亟待解决的重大关键技术之一。……本书的出版填补了国内外在该方面专著的空白．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，建立了以顶板结构为．．．．．．．．．．核心的浅埋煤层顶板控制理论框架；．．．．．．．．．．．．．．．．……．．提出了浅埋煤层顶板周期来压的结构．．．．．．．．．．．．．．．．模型．．，使“砌体梁”理论得到进一步发展和完善．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。中国矿业大学李洪昌教授在《煤炭学报》2000（6）期撰文“采场矿山压力研究的新成果”，评价《浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制》丰富和发展了砌体梁理论，开拓了岩层控制研究的新领域．．．．．．．．．．．．．。《浅埋煤层长壁开采顶板结构与岩层控制研究》具有系统性和创新性，检索他引433次，丰富和发展了岩层控制的关键层理论，获得2002年度中国高校自然科学一等奖。（5）“浅埋煤层开采岩层控制”，独立建章，编入钱鸣高院士主编的国家规划教材《矿山压力与岩层控制》2003版和2010版，开辟了教科书新章，丰富了教科书知识，在全国煤炭高校采用了15年。“浅埋煤层长壁工作面矿山压力及控制”编入袁亮院士主编的《煤矿总工程师技术手册》（煤炭工业出版社，2010），得到工程技术界权威认可，在教育、科研、设计、生产领域得到长期而广泛的应用。（6）发明了“地层模拟实验用多介质耦合实验装置”和“黏土隔水层固液耦合模拟技术”，发现了浅埋煤层隔水层“上行裂隙”和“下行裂隙”规律，克服了以往仅考虑上行裂隙缺陷，建立了隔水层稳定性判据，2013年10月获得陕西省第二届职工科技节“发明创造金奖”。提出了“柔性条带充填保水开采技术”，提出了“条带充填连续梁模型”，出版了《浅埋煤层条带充填保水开采岩层控制》，发展了生态脆弱区保水开采技术，系统地形成了“浅埋煤层保水开采岩层控制理论”，发表于《煤炭学报》2017(1)期，被日本科学技术振兴机构（JST）选中，全文翻译转载于其运营的SciencePortalChina（中国科学门户网站），标志着我国保水采煤理论受到国际关注和青睐。（7）在国家自然科学基金项目等资助下，完成了浅埋煤层大采高顶板岩层控制研究，提出了大采高“等效直接顶”和“高位台阶岩梁力学模型”，发展了浅埋煤层岩层控制理论与技术，获得2016年度陕西省科学技术一等奖。2017年《科技日报》以“创立浅埋煤层岩层控制理论，支撑大煤田安全绿色开采”为题对该成果进行了报道，《中国科技成果》对该成果进行了推广。（8）针对浅埋煤层开采，完成的“陕北浅埋生态脆弱区多灾害耦合煤层群开采关键技术研究”鉴定达到国际先进水平，完成的“浅埋煤层群开采地表治理技术研究”鉴定达到国际领先水平。提出了浅埋煤层群岩层控制理论与减损开采技术，开发了浅埋煤层综采工作面初采、过空巷、过薄基岩、架后悬顶、末采顶板控制技术和巷道快速施工支护方法，完成的“浅埋煤层岩层控制理论与技术”，2018年中国煤炭工业协会鉴定达到国际领先水平。（9）通过对1993-2017年研究与实践的系统总结，出版了《浅埋煤层长壁开采岩层控制》(科学出版社，2018.5)。美国工程院院士、国际采矿岩层控制大会（1-37届）主席、美国西弗吉尼亚大学SydS.Peng教授在该书序言中的评价：……是填补国际浅埋煤层长壁开采岩层控制领域空白的代表性著作．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。……创新性和贡献体现在：1）创立了浅埋煤层岩层控制的基本理论；2）建立了浅埋煤层保水开采岩层控制理论；3）发展了浅埋煤层大采高岩层控制理论；4）开辟了浅埋近距离煤层群岩层控制新领域。（10）“神东特大型煤田浅埋煤层绿色开采岩层控制理论与技术”项目出版专著3部，发表论文77篇，论著他引2566次。授权发明专利12项，实用新型专利7项。项目自1993-2017年在矿区应用，仅统计2015-2017年7个矿井的应用效益，新增产值77.0亿元，新增利润38.5亿元，取得了巨大经济和社会效益，获得2018年度中国煤炭工业科学技术一等奖。五、应用情况（1）1993年开始在神东矿区首采工作面实践中应用和发展1993年完成了神东矿区第一个矿井大柳塔煤矿首采工作面“薄基岩厚松散层下开采模拟研究”，该项目承担了采前模拟论证，首次发现了台阶下沉现象，揭示了浅埋煤层的特殊矿压规律，提出了将原定采高由3m提升到4m不会出现溃水溃沙灾害的结论，1993年到1994年得到应用验证，新增产值1200万元，新增利润300万元。1994年后开展了浅埋煤层顶板结构理论及岩层控制研究，1998-1999年承担了活鸡兔煤矿首采面矿压研究和神府矿区顶板活动规律与支护对策研究，取得2.8亿元的经济效益，2000年获得陕西省科学技术三等奖。（2）2003年编入《矿山压力与岩层控制》教材得到长期传播2000年出版了《浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究》，专著他引达到433次，具有显著创新，2003年获教育部自然科学一等奖。发表的“浅埋煤层矿压特征和浅埋煤层定义”，论文他引381次；采场初次来压结构模型，揭示了采场初次来压机理，确定了控制初次来压所需的支护阻力，论文他引70次；建立的浅埋煤层采场周期来压结构模型，揭示了浅埋煤层顶板台阶下沉的滑落失稳机理，确定了控制周期来压的顶板支护阻力计算方法，论文他引287次。上述成果系统地形成了“浅埋煤层岩层控制”知识，独立建章编入钱鸣高院士主编的国家规划教材《矿山压力与岩层控制》，开辟教科书新章，填补了教科书知识空白。在全国煤炭高校应用至今，已经有15届毕业生，这些学生分布在教育、科研、设计、生产领域，发挥着巨大作用。（3）2010年编入《煤矿总工程师技术手册》得到广泛应用浅埋煤层长壁工作面矿山压力及控制，作为浅埋煤层顶板支护的新技术，2010年编入袁亮院士主编的《煤矿总工程师技术手册》，得到广泛应用，有力支撑了浅埋煤层大煤田的安全绿色开采。“浅埋煤层岩层控制理论与技术”获得了2017年度全国煤矿支护创新成果一等奖。（4）浅埋煤层保水开采、大采高开采、煤层群开采等领域推广应用随着矿区开采的发展，采高不断增大，大采高采场顶板动压问题严重影响安全和效益。随着进入下部煤层开采，浅埋近距离煤层群顶板控制和地表减损开采成为新的难题