山东省科学技术进步奖申报公示

山东省科学技术进步奖申报公示
一、项目名称
复杂地质条件深井采动断层突水灾害防治理论与关键技术
二、申报奖种
山东省科技进步奖
三、申报单位
山东能源集团有限公司  山东大学
四、推荐单位意见
推荐单位:山东省煤炭工业局
推荐意见:课题组历经近7年科研攻关和工程实践,突破了高地应力、强富水条件下断层滞后突水机理,预测预警方法与注浆治理的重大技术难题,形成了“深井采动断层滞后突水预警与治理关键技术体系”。研究成果成功应用于山东能源新汶矿业集团有限公司、山东能源临沂矿业集团有限公司、山东能源肥城矿业集团有限公司、青岛地铁等多个水害防治工程。解放了大量受水威胁的煤炭资源,确保了矿井生产与工程建设安全,取得经济效益2.1亿元,并保护了水资源与生态环境,在国内外具有显著的示范效应,推动了行业科技进步。
经审核,该项目候选单位、候选人员排序和内容真实可靠、无异议。建议推荐山东省科技进步一等奖。
五、项目简介
我国浅部煤炭资源日益枯竭,煤炭开采向深部发展。伴随开采强度不断增大,在高地应力、高水压、强采动影响的共同作用下,各类矿井突涌水灾害频发。其中由于断层诱发的突水灾害占比高达80%,导致大量的人员伤亡和经济财产损失,尤其是矿压扰动引起的断层滞后突水具有突发性强、风险性高、预见性低的特点,对灾害的控制提出了更高的要求,现有的理论、材料、工艺与技术已难以实现深井采动断层滞后突水的有效预警与控制。因此,复杂地质条件下深井采动断层滞后突水灾害发生机理与控制方法已成为矿山安全生产过程中亟待解决的重大科学问题。
本项目以国家自然科学基金以及一批大型国有矿山突水灾害防治工程为支撑,历经多年科研攻关,集成理论、技术、材料与工艺创新,最终建立了复杂地质条件下深井采动断层突涌水预测预警与治理成套技术,攻克了深井矿山断层突涌水灾害控制难题。主要创新成果如下:
1、建立了考虑水压、地应力与开采扰动的矿井突水地质力学理论模型,揭示了采动影响下断层介质的渗流-应力-损伤灾变演化机理,获得了矿井断层滞后突水临灾判据,并实现了其数值仿真,为矿井断层突水的监测预警奠定了理论基础。
2、研发了深部岩体多物理场同步一体化监测系统,突破了断层周边深部岩体的渗流-应力-温度场的准确探测难题;基于不同突水水源层的温度和化学元素差异性,首创了基于多元信息响应的复合含水层断层滞后突水预测预警方法,攻克了断层滞后突水来源辨识及各含水层参与程度的难题,并建立了断层突水预警判别准则,扭转了以往断层滞后突水无法有效预警与水源辨识不清的被动局面。
3、研发了一种新型硫铝酸盐水泥基复合注浆材料(CGM),实现了富水断层破碎带高效堵水与高强加固。基于“以破代磨”、被动螺旋均化及降尘技术,研发了新型注浆材料配套生产工艺,大大降低了材料生产能耗,并提高了材料混合均匀度,为断层滞后突水防治提供了高性能治理材料。
4、针对断层滞后突涌水治理难题,建立了千米定向钻探注浆改造含水层、深长非线性钻孔分段注浆和硬岩一次性开孔等一系列关键技术,形成精确控制注浆治理方法。研发了矿井富水区电性源瞬变电磁探查技术,综合目标注浆加固区物探、注浆量时空分布分析、钻孔电视探查等手段,形成了与断层突水相关的含导水构造注浆效果评价方法,集成创立了深井采动断层滞后突涌水治理成套技术。
本项目在我国多个大型矿山中得到全面应用,成功治理了白庄煤矿、王楼煤矿、新阳煤矿等矿井断层突涌水治理难题,受到行业内专家的高度评价,累计共产生经济效益2.1亿余元,同时取得了显著的社会效益与环境效益。
本项目获国家发明专利8项,实用新型专利2项,发表高水平论文10余篇。多次在全国范围内召开学术大会和技术培训会,在多个典型矿山建立了工程示范基地,有力促进了行业科技进步,为保障大水矿山安全生产起到了重要引领和示范作用。
六、客观评价
1、2014年12月21日,受中国煤炭工业协会委托,山东省煤炭工业局组织专家在泰安市对山东能源集团有限公司和山东大学完成的“断层滞后突水机理及防治关键技术”项目进行了鉴定,鉴定意见如下:项目完成了计划任务书规定的内容,同意通过鉴定。该成果达到国际领先水平。
2、2015年12月26日,中国煤炭工业协会组织专家对山东能源集团有限公司和山东大学完成的“软弱富水破碎岩体水泥基复合注浆材料研发及治理关键技术”项目进行了鉴定,鉴定委员会听取了课题组的汇报,鉴定意见如下:项目完成了计划任务书规定的内容,同意通过鉴定。该成果达到国际领先水平。
七、推广应用情况
本项目针对深井矿山断层突涌水灾害控制难题,提出了矿井断层滞后突水临灾判据;研发了深部岩体多物理场同步一体化监测系统,并在此基础上提出了断层突水多元信息预测预警方法;研发了新型复合注浆材料以及配套关键技术,最终形成了成套的复杂地质条件深井断层突涌水治理技术。
项目整体与部分成果已在多个大型国有矿山及青岛地铁等工程中进行了推广应用,对各项目中的断层突涌水预警与灾害处置工作起到了重要的指导作用,解放了大量因水害威胁无法有效开采的煤炭资源,保证了深井矿山正常开采与工程建设安全,避免了较大灾害事故的发生,同时也取得了显著的社会效益和环境效益。
八、主要知识产权证明目录
本项目获国家发明专利8项,实用新型专利2项。
1、深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法(翟明华、范建国、郭信山,专利号: ZL201410628923.1,发明专利)
2、深长非线性钻孔孔内远距离封孔分段注浆系统及工艺(翟明华、李术才卜昌森,专利号:ZL201210348378.1,发明专利)
3、一种基于千米定向钻探技术的矿井奥灰顶部改造及施工方法(卜昌森、翟明华、李术才,专利号:ZL201210348377.7,发明专利)
4、一种三维注浆试验装置及试验方法(刘人太、冯啸、翟明华,专利号:ZL201510708332.X,发明专利)
5、用于硬岩一次性开孔的系统及操作方法(刘人太、张兵、李术才,专利号:ZL201210508939.X,发明专利)
6、用于富水破碎岩体注浆治理的水泥基复合材料及制备工艺(李术才、李召峰、刘人太,专利号:ZL201510526616.7,发明专利)
7、一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料(李术才、李召峰、刘人太,专利号:ZL201510529051.8,发明专利)
8、注浆材料被动螺旋均化及降尘装置及工艺(李术才、白继文、刘人太,专利号:ZL201510263620.9,发明专利)
9、多级孔口管快速固定装置(王凤刚、张庆松、李志鹏,专利号:ZL201220652884.5,实用新型)
10、一种孔口防喷阻水系统(张兵、李术才、张庆松,专利号:ZL201220656546.9,实用新型)
九、主要论文专著目录
1、Study on the Computing Method for Surface Roughness Coefficient Based on a BP
Neural Network (前三位作者: Rentai Liu, Zhuo Zheng,Shucai Li,;期刊:Geotechnical Special Publication)
2、运营期渗漏水隧道注浆材料适用性(前三位作者: 沙飞,刘人太,李术才;期刊:中南大学学报(自然科学版))
3、Hydro-Mechanical Effects and Splitting Conditions for Grouting in a Single Flat
Fracture(前三位作者: Zhuo Zheng,Shucai Li,Rentai Liu;期刊:Geotechnical Special Publication)
4、顶板水探查的瞬变电磁法(作者: 范建国;期刊:山东煤炭技术)
5、深井顶板水害定向钻孔及控域注浆关键技术(前三位作者:范建国,翟明华,郭信山;期刊:煤炭安全)
6、基于断层影响因子与断层分维特征的断层突水危险性定量化分析(作者: 郭信山,施龙青;期刊:山东大学学报(工学版))
7、富水破碎岩体注浆加固材料试验研究与应用(前三位作者:李召峰,李术才,刘人太;期刊:岩土力学)
8、富水破碎岩体注浆加固模拟试验及应用研究(前三位作者:李召峰,李术才,张庆松;期刊:岩土工程学报)
9、富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究(前三位作者:李召峰,李术才,刘人太;期刊:岩石力学与工程学报)
10、深部岩体断层滞后突水多场信息监测预警研究(前三位作者:白继文,李术才,刘人太;期刊:岩石力学与工程学报)
十、主要完成人情况
1、姓名:翟明华        排名:1         技术职称:高级工程师
工作单位:山东能源集团有限公司
对本项目技术创造性贡献:作为项目负责人,全面负责本项目的研究工作,确定了研究方法和技术路线,对创新点1、2、3、4均有贡献,主要包括:(1)提出了矿井奥灰顶部千米定向钻探技术及其对应施工方法。(2)基于瞬变电磁法,研发了矿井富水区电性源瞬变电磁探查技术。(3)提出了新型注浆材料的研发思路并提供技术指导。(4)集成创立了断层突涌水灾害治理成套技术。
曾获省级以上科技奖励情况:山东省科技进步一等奖、国家安全生产科技成果二等奖、中煤协会科技进步三等奖
 
2、姓名:刘人太       排名:2         技术职称:副教授
工作单位:山东大学
对本项目技术创造性贡献:对创新点1、2、3有贡献,主要包括:(1)建立了考虑水压、地应力与开采扰动的矿井突水地质力学理论模型。(2)研发了深部岩体多物理场同步监测技术,提出了断层滞后突水预测预警方法。(3)研发了一种新型硫铝酸盐水泥基复合注浆材料及其配套生产制备工艺。
曾获省级以上科技奖励情况:山东省科技进步一等奖
 
3、姓名:范建国       排名:3         技术职称:研究员
工作单位:山东能源集团有限公司
对本项目技术创造性贡献:对创新点1、2、4有贡献,主要贡献包括:(1)协助第一完成人建立千米定向钻探技术及其对应施工方法。(2)参与矿井富水区电性源瞬变电磁探查技术的研发。
曾获省级以上科技奖励情况:山东省科技进步一等奖
 
4、姓名:郭信山       排名:4         技术职称:研究员
工作单位:山东能源集团有限公司
对本项目技术创造性贡献:对创新点1、2有贡献,主要贡献包括:(1)协助第一完成人揭示采动影响下断层介质的渗流-应力-损伤灾变演化机理。(2)负责进行了断层周边深部岩体的渗流-应力-温度场演化的现场试验。
曾获省级以上科技奖励情况:山东省科技进步一等奖
 
5、姓名:李召峰       排名:5         技术职称:讲师
工作单位:山东大学
对本项目技术创造性贡献:对创新点3、4有贡献,主要贡献包括:(1)参与研发了矿井富水破碎岩体注浆材料,并进行现场试验。(2)协助第二完成人完成注浆材料配套生产制备工艺。
曾获省级以上科技奖励情况:教育部科技进步一等奖
 
6、姓名:孙怀凤       排名:6         技术职称:讲师
工作单位:山东大学
对本项目技术创造性贡献:对创新点4有贡献,主要贡献包括:协助第一完成人研制了深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查技术,实现了复杂环境下巷道围岩富水区域探测。
曾获省级以上科技奖励情况:山东省科技进步一等奖
 
十一、主要完成单位及创新推广贡献
 1、山东能源集团有限公司          排名:1
全面负责项目研究计划与研究方案的制定,组织开展研究工作和成果的工程应用。主要贡献包括:
(1)负责开展现场试验,采集工程现场断层周边深部岩体的渗流—应力—温度场数据。
(2)研发了基于光纤监测–传输方式的深部岩体多物理场同步一体化监测系统,克服了传统监测系统元件多,监测效果差的缺点,能够可实现井下、地面实时同步信息共享。
(3)研发了新型注浆材料的配套生产制备工艺,为注浆材料大量生产及大规模应用提供了技术保障。
(4)提出了千米定向钻探注浆改造含水层、深长非线性钻孔分段注浆和硬岩一次性开孔等一系列关键技术,形成精确控制注浆治理方法。
(5)研发了矿井富水区电性源瞬变电磁探查技术,综合目标注浆加固区物探、注浆量时空分布分析、钻孔电视探查等手段,形成了与断层突水相关的含导水构造注浆效果评价方法。
(6)基于断层滞后突涌水灾害发生机理,结合突涌水预测预警体系,实现了突涌水灾害有效辨识,集成创立了复杂地质条件深井采动断层突涌水防治成套技术。
(7)推进研究成果在山东能源集团权属煤矿等工程项目中的推广与应用,保障工程的安全,推动行业的进步起到了示范作用。
2、 山东大学                   排名:2
 配合第一完成单位进行课题研究计划的完善与开展:
(1)建立了考虑水压、地应力与开采扰动的矿井突水地质力学理论模型,揭示了采动影响下断层介质的渗流–应力–损伤灾变演化机理。
(2)基于渗流–应力–损伤灾变演化机理,获得了矿井断层滞后突水临灾判据,并实现了其数值仿真。
(3)分析了不同防突厚度对应的防突煤柱塑性区范围,建立了煤层开采断层突水临灾判据,提出了煤层最小安全厚度计算方法。
(4)基于不同突水水源层的温度和元素差异性,首创了基于多元信息响应的复合含水层断层滞后突水预测预警方法,并建立了断层突水预警判别准则。
(5)研发了一种新型硫铝酸盐水泥基复合注浆材料,实现了富水破碎岩体注浆堵水与加固一体化有效治理。
(6)协助第一完成单位研发了复杂地质条件深井采动断层突涌水防治成套技术,并推动了成果在青岛地铁工程中的应用。
十二、完成人合作关系
1、完成人翟明华和完成人刘人太分别撰写了论文《顶板水探查的瞬变电磁法》和《Study on the Computing Method for Surface Roughness Coefficient Based on a BP Neural Network》,对创新点1做出了贡献。
2、完成人翟明华、范建国、郭信山、孙怀凤共同完成了发明专利《深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法》的撰写;完成人刘人太撰写了论文《运营期渗漏水隧道注浆材料适用性》的撰写,对创新点2做出了贡献。
3、完成人刘人太、李召峰共同完成了发明专利《用于富水破碎岩体注浆治理的水泥基复合材料及制备工艺》、《一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料》和论文《富水破碎岩体注浆加固材料试验研究与应用》、《富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究》的撰写,对创新点3做出了贡献。
4、完成人翟明华、范建国、郭信山共同完成了发明专利《深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法》的撰写,对创新点4做出了贡献。
5、完成人翟明华完成了发明专利《深长非线性钻孔孔内远距离封孔分段注浆系统及工艺》、《一种基于千米定向钻探技术的矿井奥灰顶部改造及施工方法》的撰写;完成人刘人太完成了发明专利《用于硬岩一次性开孔的系统及操作方法》的撰写,对创新点4做出了贡献。
                                 
 

 山东大学岩土与结构工程研究中心
2017年5月20日