矿山重大灾害防治理论与关键技术
一、重点学科建设项目定义
    1. 项目名称:矿山重大灾害防治理论与关键技术
    2. 项目所属领域:
    一级领域: 资源环境
    二级领域: 灾害防治
    主要涉及学科:安全技术及工程,采矿工程,地质工程,地球探测与信息技术
    3. 承担本项目的重点学科:安全技术及工程,采矿工程
二、重点学科建设项目背景
      1. 建设项目意义
    矿业是我国国民经济的基础产业,在工业生产各行业中,矿业是自然条件最差、危险源最多、安全隐患最大的行业,特别是煤矿,是矿山企业的重灾区,瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、火灾等重、特大恶性事故时有发生。煤矿开采中发生的灾害事故造成的人身伤亡和生态环境的破坏是巨大的。近十多年来,随着开采深度的进一步加大和高强度机械化采掘和集中化生产,自然灾害的威胁更加突出,瓦斯涌出量急剧增大,不少煤矿变为高瓦斯矿井,原来没有瓦斯突出危险的煤层变为有瓦斯突出危险的煤层;大功率采掘机和运输机等机电设备产生火花引燃瓦斯、煤尘爆炸或火灾的潜在危险性增大。尽管近年来煤矿安全生产的总趋势有所好转,但是由于上述自然条件和生产环境的变化,使得不安全因素增多、危险更加严重。根据事故统计,2001年全国煤矿共发生事故3082起、死亡5670人。在煤矿事故中,瓦斯事故居首位,危害与损失是最严重的。例如,2002年6月20日发生的鸡西“6.20”瓦斯爆炸事故,死亡124人,对社会的影响很大。煤矿重特大事故中暴露出若干重大理论与技术问题急待研究;如:低透气性煤层增透理论及关键技术,瓦斯煤尘爆炸防治理论及关键技术,煤岩动力灾害综合监测预报技术,煤炭自燃成灾机理及防治技术,地下工程通风可靠性及火灾危险性评价与测控技术等。
    上述重大灾害防治理论与技术的研究,不仅对开创我国煤矿安全生产新局面和国民经济可持续发展、减少向大气的CH4和CO2排放量、改善环境具有重大现实意义,而且对地铁、隧道等地下工程建筑火灾及其相关灾害的防治也有现实意义;同时对贯彻安全生产方针、促进安全科学技术升级及原始性创新以及安全学科发展、进步与人才培养等都具有十分重要的意义 。
    2. 国际水平
    低透气性煤层的瓦斯抽放是一项世界性的前沿技术难题。主要采煤国家都在进行探索性研究。增加煤层透气性的措施有两大类,即层内措施与层外措施;在层内措施方面,前苏联曾经实验过盐酸化学法、水力破裂法、深孔松动爆破法、静电场等增透法,但效果不够显著,现在主要采取增加钻孔在煤层内的暴露面积、布孔密度和立体交叉钻孔等措施。美国试验了水力压裂预抽瓦斯技术,在煤层渗透率大于2~3md的煤层收到了较好效果,并得到广泛应用;但该方法用于低透气性煤层效果不好,他们还实验了水力空穴法、泡沫压裂法等,但都没有突破。在层外措施方面,前苏联科学院对开采上、下保护层时瓦斯压力变化和保护范围与效果进行过考察研究,取得了较多成果与应用。
    在矿山煤岩动力灾害的监测预报方面,国际上主要有用钻孔瓦斯涌出初速度、钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量法等预测煤与瓦斯突出,用微震和声发射法动态监测冲击地压或岩爆等。
    在煤矿瓦斯爆炸研究方面,美国、加拿大、荷兰以及波兰等都建立了瓦斯与粉尘爆炸试验系统并进行了试验研究,在理论上也提出了一些计算模型。同时,为了防止爆炸灾区的扩大,国内外广泛采用水棚或岩粉棚等隔爆措施。但是,该措施效果不够理想,其安设位置缺乏依据。此外,对瓦斯爆炸过程中存在的连续爆炸问题缺乏研究;瓦斯连续爆炸的发生不仅会扩大灾害波及范围、加重破坏程度,而且会严重威胁和破坏抢险救灾工作。
    在煤炭自燃成灾机理方面,国内外学者提出了多种学说,其中煤氧复合作用学说影响最大。美国、加拿大、日本、法国、澳大利亚等相继建立了自然发火实验台,利用各自方法研究煤炭自燃倾向性和自燃过程,建立了一些自然发火的数学模型。
    在防灭火材料与技术研究方面,国外较广泛地采用了凝胶、氮气、泡沫树脂等防灭火新技术;还开展了含氮气的两相和三相泡沫等新材料的研究。
    3. 国内水平
    (1)本建设项目现有国内水平、衡量指标
    国内在增加煤层透气性方面实验了水力压裂法、水力割缝法、水力空穴法、深孔预裂爆破法、静电法等,虽有一定效果,但无较大突破;现在主要采取增加钻孔在煤层内的暴露面积、布孔密度和立交钻孔等措施。在层外措施方面,中国矿业大学对远距离保护层的保护效果和抽放卸压瓦斯技术进行了卓有成效的研究,居领先地位,其成果在天府、淮南等矿区得到大面积推广应用。
    在矿山煤岩动力灾害的监测预报方面,中国矿业大学电磁辐射法居国内领先地位,其成果在抚顺、徐州等矿区得到推广应用。
    在瓦斯爆炸研究方面,中科院力学所、北京理工大学、煤科总院重庆分院、南京理工大学等分别建有可燃气体爆炸试验管道(巷道)并进行了研究工作。中国矿业大学针对煤矿现场急需解决的实际重大关键问题,建立了有特色的并且能够模拟煤矿井下巷道特点的瓦斯爆炸实验研究系统,对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的传播规律等进行了研究工作。
   在矿井火灾研究方面,中国矿业大学建立了矿井火灾综合模拟实验研究系统,发展了矿井火灾时期风流紊乱过程理论,提出了煤炭自燃的自由基反应假说,研制出矿井火灾时期风流控制装备与技术,开发出了矿井火灾救灾决策支持系统等。首次开展了含氮气的三相泡沫和悬浮山砂稠化添加剂防灭火材料的研究并取得领先的成果。
    (2)与国际先进水平相比存在的差距和主要问题
    与国际先进水平相比,我国主要差距和问题是:
    在低透气性煤层瓦斯抽放方面,对层间距离超过50米的缓倾斜下保护层的卸压瓦斯流动机理与流动范围缺乏深入研究;在低透气性煤层瓦斯抽放的基础研究方面投入不足,难以支持原始性创新研究和基础研究。
    在煤岩动力灾害预测与监测方面,我国地质雷达监测技术及装备与国际先进水平相比较为落后。主要表现在稳定性差、准确度低、软件功能弱及预报功能不强等。
    在瓦斯爆炸研究方面,其研究的装备及实验系统还不完善,尤其是在瓦斯连续爆炸方面还缺乏先进的测试手段和方法;此外,在测试结果的分析、解释方面还缺少有效的手段,在数值模拟研究方面还缺少开发相应的软件。
    在煤炭自燃及防治研究方面,其研究装备及实验系统还不完善;防灭火材料的性能、效果及对环境的影响等方面还缺乏先进的测试手段和方法。
    在地下工程通风可靠性及火灾危险性评价与测控方面,缺少系统完善的火灾危险性实验室分析、数值实验和虚拟现实研究手段,软件水平还较落后,不能满足地下工程火灾危险性和通风可靠性综合评价的要求。
    (3)近10年来已安排相关的国家重点建设情况,重大支持和资金投入情况
    在“八五”、“九五”期间,安全技术及工程学科承担了国家重点科技攻关项目、国家自然科学基金和“211工程”重点学科建设等多个项目,投入经费达1000多万元,进行了矿井瓦斯抽放、煤与瓦斯突出预测与防治、脉动通风技术与装备、瓦斯爆炸机理及防治技术、矿井通风可靠性及火灾时期风流远程控制系统等内容的研究,其研究成果不仅为煤矿提供了防止瓦斯、火灾等煤矿重大事故发生的理论、技术与装备,而且为改善煤矿安全技术状况做出了重要贡献。
三、项目的建设目标
     1. 整体目标
    针对我国矿山安全工程技术领域存在的急需解决的重大关键技术问题,研究开发适于我国矿山条件的高新技术基础及其关键技术,解决煤矿重大灾害预测与防治中的关键技术难题,为煤矿安全生产状况得到根本改善和可持续发展提供具有21世纪国际先进水平、有推广发展前景的新技术,建立矿业灾害防治理论与技术的研究基地并培养一批安全科技高层次人才。
    2. 项目建设的具体指标
   (1)本建设项目的主要指标
    研究远距离(60m以上)被抽放瓦斯主采煤层增加透气性的层外卸压增透理论与关键技术;建设增加煤层低透气性的物理化学方法实验研究平台,基本建立起高压脉冲多相流、电磁场等对高地应力条件下构造煤体的破坏、瓦斯解吸机理及其多相介质的质量、能量输运规律,探索获得有完全自主知识产权的开发煤层气理论与关键技术。
    建设煤岩动力灾害综合监测预报技术系统,形成煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害研究及预测技术开发综合试验平台,提高煤岩动力灾害的预报准确率。
    建立瓦斯连续爆炸的实验设备和测试系统,得出瓦斯连续爆炸过程中的传播规律及其热动力学作用机理,提出瓦斯爆炸控制技术。
    建立煤炭自燃成灾机理及开发防灭火新材料与新技术的试验研究系统,完善煤炭自燃成灾机理的理论,开发出经济、高效、环保型的防止煤炭自燃的新材料与新技术。
    建立地下工程通风、空调与火灾基础和应用开发综合实验研究平台,完善地下工程通风可靠性及火灾危险性评价的理论与方法。
   (2)主要研究领域和可能产生的重大科技成果
    瓦斯连续爆炸机理及高效抽放理论与关键技术;
    准确预测与监测煤岩动力灾害的技术与装备;
    煤炭自燃成灾机理及经济、高效、环保型防止煤炭自燃的新材料与新技术;
   (3)学术队伍建设和学术交流
    进一步加强学科梯队建设,大力培养一批在国内外有影响的中青年专家,建设一流的安全技术及工程学科的师资队伍;培养高水平博士、博士后及高级访问学者20人以上,获省部级以上人才工程基金和荣誉称号10人次以上,发表高水平学术论文100篇以上,被SCI、EI等检索30篇以上,出版一批有特色的高水平教材及专著。组织2-4次全国性学术交流会议,1-2次国际学术交流会议。
    (4)基地条件建设
    在“211工程”一期建设的基础上,经过“211工程”二期建设,基本建成安全技术及工程重点实验室及技术研究中心、追踪及反映国际前沿水平的实验研究基地。
    (5)本建设项目建成后具备的人才培养、承担重大科研攻关任务和自身发展能力。
    通过本项目建设,具备培养国内外高水平博士、博士后及高级访问学者的能力,以及承担我国及国际矿山重大灾害防治的科研攻关项目,能够解决本领域重大科技问题的攻关能力。
四、本重点学科建设项目所需总经费的说明
 
五、本重点学科建设项目已有的优势、特点
      1. 学科优势
    承担本项目的学科拥有1个国家级重点学科,1个博士学位授权点,2个硕士学位授权点(安全技术及工程、防灾减灾与防护工程),1个安全工程部级重点实验室,1个教育部长江学者奖励计划特聘教授设岗学科。
    2. 队伍优势
    项目承担学科现有教师32人,其中中国工程院院士1名,教授13名(博士生导师9名),有16人具有博士学位,已建立起结构合理,以院士为学科带头人、以博士群体为学术骨干的学科梯队。1996年以来安全技术及工程学科获得江苏省普通高校优秀学科梯队、江苏省优秀教师集体和实验室先进集体等称号,1人获国家杰出青年科学基金,11人次获省部级以上人才工程基金和荣誉称号。
    3. 在研科技项目优势
    目前承担有国家“十五”重点科技攻关4项、国家杰出青年基金1项、国家自然科学基金重点项目2项和面上项目8项、国家技术创新项目2项、“973”项目1项等国家级项目共18项。
    4. 研究方向优势
    针对煤矿灾害防治所需解决的重大关键科学技术问题,安全技术及工程学科形成了三个具有特色的研究方向:
    (1)矿井瓦斯防治:建立了瓦斯(煤尘)爆炸与煤和瓦斯突出实验研究系统,创立了煤层瓦斯流动理论体系、远距离保护层开采及卸压瓦斯抽放理论与技术、煤与瓦斯突出的球壳失稳理论及防治技术,开发了电磁辐射法预测瓦斯突出危险性的装备与技术等。
    (2)矿井火灾防治:建立了矿井火灾综合模拟实验研究系统,发展了矿井火灾时期风流紊乱过程理论,提出了煤炭自燃的自由基反应假说,研制出矿井火灾时期风流控制装备与技术,开发出了矿井火灾救灾决策支持系统等。
    (3)矿井通风与防尘:建立了通风与空调、脉冲通风模拟及性能测试实验研究系统,首创与发明了采场脉冲通风理论与技术装备、主要通风机运行工况在线监测、采煤机负压二次降尘等技术及装备,开发出矿井通风系统可靠性评价软件等。
    5. 实验条件优势
    建立了具有先进水平的矿井火灾综合模拟实验系统,瓦斯(煤尘)爆炸实验研究系统,脉动风流治理回采工作面瓦斯积聚的模拟实验台和煤与瓦斯突出模拟实验系统。利用上述实验系统除可进行常规参数的测定外,还可进行相关方面的专业性测定和研究工作,如气体燃烧爆炸过程中的动态、非稳定温度、火焰变化特性,瓦斯浓度场分布及传质机理,矿井网络火灾过程的火源特性、烟流流动规律、风流紊乱现象及风流控制技术,煤与瓦斯突出过程中应力、孔隙压力、电磁辐射及高速动态抛出特性等参数的监测。
    6. 国际合作优势
    与英国诺丁汉大学、伦敦大学帝国理工学院,德国乌泊塔尔大学、波鸿技术学院,澳大利亚联邦科学院,越南河内地矿大学,俄罗斯莫斯科矿业大学等具有良好的合作关系。