9054015建筑物压煤注浆充填减沉关键技术创新及应用

12019年度国家科学技术进步奖提名项目公示材料一、项目名称建筑物压煤注浆充填减沉关键技术创新及应用二、提名单位与提名意见提名单位：中国煤炭工业协会提名意见：我国煤矿一直面临着严重的建筑物压煤开采技术难题，对矿区社会安定与区域经济发展有着举足轻重的影响。传统搬迁采煤方法严重影响矿区人居环境，尤其是随着经济和社会发展，搬迁成本越来越高、实施难度越来越大，不搬迁开采成为保障矿井与地方双重权益的重要方法。淮北矿业（集团）有限责任公司、中国矿业大学、阳泉煤业（集团）有限责任公司等单位针对现有的建筑物压煤开采中传统离层注浆存在钻孔“注不进、注的少、易堵孔”与“减沉率低、效果差”、达不到保护地面建筑物的情况，结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求，通过10余年的研究与实践，研发了注浆充填减沉技术，取得了如下创新成果：（1）创建了隔离注浆充填控制地表沉陷理论与技术；（2）研发了以主注浆层位为核心的隔离注浆充填设计方法；研发了双注浆钻孔布置方法，以及不同覆岩条件下的注浆充填工艺参数，拓展了注浆充填减沉技术的适用范围；（3）创新了隔离注浆充填工况参数调控方法，解决了“易堵孔、注的少、效果差”的难题，大幅提高了注采比与减沉率。该项目获得国家发明专利授权11项、获国家软件著作权1项，发表学术论文30余篇，其中SCI/EI检索论文26篇。获省部级科技进步一等奖1项。该项成果已在淮北、阳泉、皖北、临沂、峰峰、义马、长治三元、新光集团等矿区进行了推广应用，累计采出建（构）筑物压煤1500万t，节省建（构）筑物搬迁费用60亿元以上。该项技术大幅降低了充填成本，提高了充填采煤效率，取得显著的经济和社会效益，为我国建筑物压煤开采提供了新的重要技术途径。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介建筑物压煤一直是困扰我国煤矿开采的重大技术难题，压煤总量近百亿吨，东部矿区甚至超过总储量的50%，是矿区资源开发与和谐人居环境之间的尖锐矛盾。研发高效低成本的建筑物下采煤技术将解放大量压煤资源，延长矿井服务年限，避免搬迁重建带来的巨大经济成本和地矿矛盾等社会问题。2与现有建筑物下采煤技术相比，离层注浆充填技术的综合成本低、充填对采煤干扰小，但存在“易堵孔、注的少、效果差”等问题，不能满足建筑物不搬迁采煤的要求。针对该问题，该项目通过10余年研究与实践，在技术原理、设计方法、工艺参数及监测调控等关键方面创新了注浆充填减沉技术，变“不能”为“能”，成功实施了35个长壁工作面的村庄建筑物与大型构筑物不搬迁采煤工程，主要创新成果如下：1、创建了隔离注浆充填控制地表沉陷理论与技术。揭示了覆岩关键层对地表沉陷控制机理，发现了覆岩卸荷膨胀累积效应及对覆岩离层演化的控制规律，提出了利用带压注浆充填的压实作用将卸荷碎胀累积量转化为可注入空间，形成压实区以支撑关键层的注浆充填新思路；构建了“注浆充填压实区+关键层”结构控制地表沉陷模型，研发了隔离注浆充填技术，从根本上解决了注浆充填有效控制地表沉陷、保护建筑物的技术原理问题。2、研发了以主注浆层位为核心的隔离注浆充填设计方法。发现了覆岩关键层作用下注浆充填主层位形成机制，及其对沉陷控制的决定作用，提出了主注浆层位的优选设计方法；基于形成主注浆层位原则，提出了工作面开采参数与注浆充填压实区宽度设计方法；建立了注浆压力、注采比与注浆量计算模型，开发了注浆充填开采地表沉陷预计方法，保障了不同开采条件下注浆充填减沉方案的科学有效性。3、创新了隔离注浆充填工艺与参数。研发了双注浆钻孔布置方法，建立了注采比与采煤速度动态匹配模型，提出了注浆充填起始与终止时机确定方法；掌握了注浆充填体压实泌水特性，保证了沉陷控制效果的长期稳定性；研发了适应工作面切眼侧压煤、停采线侧压煤、相邻采空区等各种复杂工况以及不同采高、覆岩条件下的注浆充填工艺参数，拓展了注浆充填减沉技术的适用范围。4、创新了隔离注浆充填工况监测调控方法。研发了注浆压力远程在线监测系统，揭示了注浆压力的四阶段变化规律，形成了基于钻孔注浆压力动态监测的注浆充填工况调控方法；研发了高压注浆孔口装置与防堵孔技术，解决了“易堵孔、注的少、效果差”的难题，将注采比提高至50%，地表减沉率提高至90%。该项目获得国家发明专利授权11项、国家软件著作权1项，发表学术论文30余篇，其中SCI/EI检索论文26篇。获省部级科技进步一等奖1项。研究成果在淮北、阳泉、皖北、临沂、峰峰、义马、长治三元、新光集团等矿区进行了推广应用。四、客观评价1评价、鉴定意见(1)“采动覆岩分区隔离注浆充填不迁村采煤技术”鉴定结论32011年12月25日,由安徽省科技厅组织鉴定委员会对“采动覆岩分区隔离注浆充填不迁村采煤技术”的成果鉴定认为：“……提出的采动覆岩分区隔离注浆充填技术具有创新性，达到了国际领先水平”。(2)“巨厚火成岩下隔离注浆充填减灾试验研究”鉴定结论2014年12月21日，由安徽省科技厅委托科技成果转化服务中心组织鉴定委员会对“巨厚火成岩下隔离注浆充填减灾试验研究”的成果鉴定认为：“……利用隔离注浆充填技术……，达到国际领先水平。(3)“基于关键层控制的部分充填采煤技术研究”鉴定结论2015年12月20日,由中国煤炭工业协会组织鉴定委员会对“基于关键层控制的部分充填采煤技术研究”的成果鉴定认为：“研发并实施了覆岩隔离注浆充填采煤技术，有效地控制了地表沉陷，提高了回采率，减小了充填工作量，降低了充填成本，……，项目成果达到国际领先水平”。(4)“淮北矿区覆岩隔离注浆充填绿色采矿技术与实践”评价结论：2018年6月24日，由安徽省科技成果转化服务中心组织评价委员会对“淮北矿区覆岩隔离注浆充填绿色采矿技术与实践”的成果评价认为：“该成果成功应用于淮北矿区建（构）筑物下压煤开采中，……，该研究成果总体达到国际领先水平”。2重要科技奖励获奖项目名称获奖时间等级授奖单位采动覆岩分区隔离注浆充填不迁村采煤技术2012一等煤炭工业协会铁路隧道下综放面覆岩隔离注浆充填减沉试验研究2018二等煤炭工业协会巨厚岩火成岩下隔离注浆充填减灾试验研究2015二等煤炭工业协会3主要学术评价在《InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences》、《煤炭学报》等国内外采矿工程顶级期刊发表的相关论文受到同行广泛关注，多篇论文入选“中国百篇最具影响国内学术论文”和中国精品科技期刊顶尖学术论文(领跑者F5000)。4国内外技术比较与传统的条带开采技术相比，该项目成果中的隔离注浆充填技术，适用于综合机械化长壁工作面，工作面采宽达到150～250m，降低了巷道掘进率，能实现工作面长壁高产高效。与传统的离层注浆充填技术相比，该项目成果中的隔离注浆充填工艺，将减沉率由传统技术的30%～50%提高至90%，能够实现建筑物不搬迁开采。与井下充填相比，该项目成果中的隔离注浆充填技术，充填系统简便机动、建设周期短，综合成本低、工作面年产量高。4五、应用情况该项目研究成果在淮北、阳泉、皖北、临沂、峰峰、义马、长治三元、新光集团等矿区进行了推广应用，已完成的12个煤矿35个长壁工作面共涉及亳州、淮北、宿州、晋中等地的27个村庄、8座大型构筑物。通过采用该项技术，安全采出建（构）筑物压覆煤炭资源1500万t，消耗矿区电厂粉煤灰313.4万t，避免了其露天堆放，保护了可耕地资源，减少了失地人口。各应用工作面的地面保护区域下沉系数控制在0.1以内，建（构）筑物均无需任何维修即能正常使用。已经应用完成的典型企业有：安徽省亳州煤业有限公司袁店二井煤矿、安徽神源煤化工有限公司、淮北矿业股份有限公司临涣煤矿、昔阳县坪上煤业有限公司、淮北矿业股份有限公司杨庄煤矿、山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司、淮北矿业股份有限公司祁南煤矿、安徽恒源煤电股份有限公司卧龙湖煤矿、淮北矿业股份有限公司桃园煤矿、淮北矿业股份有限公司海孜煤矿、亳州煤业股份有限公司刘店煤矿。项目成果总体推广应用情况见下表。主要应用单位情况表序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人1安徽省亳州煤业有限公司袁店二井煤矿整体技术4个长壁工作面2013-2018李令初2安徽神源煤化工有限公司整体技术1个长壁工作面2017-2018吴发红3淮北矿业股份有限公司临涣煤矿整体技术6个长壁工作面2014-2018方宝松4昔阳县坪上煤业有限公司整体技术1个长壁工作面2016-2017梁润所5淮北矿业股份有限公司杨庄煤矿整体技术2个长壁工作面2014-2016苗育生6山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司整体技术1个长壁工作面2017-2018陈永清7淮北矿业股份有限公司祁南煤矿整体技术1个长壁工作面2012-2012赵杰8安徽恒源煤电股份有限公司卧龙湖煤矿整体技术1个长壁工作面2016-2016钟传义9淮北矿业股份有限公司桃园煤矿整体技术2个长壁工作面2014-2016周学斌10淮北矿业股份有限公司海孜煤矿整体技术7个长壁工作面2009-2016李忠凯11亳州煤业股份有限公司刘店煤矿整体技术9个长壁工作面2009-2015徐坤5六、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）有效状态发明专利采动覆岩分区隔离注浆充填采煤方法中国ZL20121016492992014-10-291505614中国矿业大学许家林，轩大洋，朱卫兵有效发明专利切眼侧局部压煤覆岩隔离注浆充填不迁村开采方法中国ZL20151008934152017-04-262465140中国矿业大学许家林，轩大洋，王秉龙，王晓振有效发明专利与采动覆岩分区隔离注浆充填相匹配的采煤速度控制方法中国ZL20121016492842014-12-101543443中国矿业大学许家林，轩大洋，倪建明，喻怀君，路军有效发明专利利用地面瓦斯抽采钻孔实现注浆充填的一孔两用方法中国ZL20151063631262017-09-062507263淮北矿业（集团）有限责任公司，中国矿业大学轩大洋，许家林，李伟，葛春贵，王秉龙，倪建明，陈家祥有效发明专利采动覆岩分区隔离双孔错层注浆充填钻孔布置方法中国ZL20121016493012014-08-201465103中国矿业大学轩大洋，许家林，倪建明，喻怀君有效发明专利采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置及方法中国ZL20131027878162015-04-151635448中国矿业大学轩大洋，许家林，路军有效发明专利一种覆岩隔离注浆充填层位探测方法中国ZL20151003297572016-12-072309310中国矿业大学轩大洋，许家林，王秉龙，滕浩有效发明专利一种覆岩隔离注浆充填浆体有效扩散半径的检测方法中国ZL20151012227382017-01-112345712中国矿业大学轩大洋，许家林，王秉龙，滕浩有效发明专利一种从顶板巷道注浆充填压实采空区充填体的方法中国ZL20131045837772015-08-051742698中国矿业大学许家林，刘康，轩大洋有效发明专利一种采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置及方法中国ZL20151061898822017-04-192457116中国矿业大学王秉龙，许家林，轩大洋，滕浩有效6七、主要完成人情况姓名排名行政职务技术职称工作单位和完成单位项目中贡献许家林1/教授中国矿业大学项目主持人，主持项目的整体规划和全面实施，对创新点1、2、3、4做出了创造性贡献。创建了隔离注浆充填控制地表沉陷理论，合作研发了隔离注浆充填技术，提出了设计方法，形成了技术体系。方良才2总经理教授级高工淮北矿业（集团）有限责任公司项目主要参与人，对创新点2、3、4做出了重要贡献。合作研究提出了注浆充填设计方法与注浆充填工艺参数，负责注浆充填技术在淮北矿区内的推广应用。倪建明3副总工程师教授级高工淮北矿业（集团）有限责任公司项目主要参与人，对创新点2、3、4做出了重要贡献。合作创新了注浆充填工艺参数及工程调控