深地科学与深地工程技术探索与思考

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段,深地科学规律尚未探明,深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性,地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此首先从地球科学的视角定义了深地科学:以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象,旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度(深层和超深层)科学奥秘;理清了深地科学与地球科学的区别与联系:即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸,是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向,包含于地球科学;定义了深部与深地工程科学的本质:即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点,探索深部工程相关科学规律,突破深部工程关键基础科学问题,匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求,进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。提出深地工程技术定义,即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备,为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后,进一步明确了深地科学的研究内容与规划,以及深地工程技术内涵与攻关方向(即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维),以期促进深地科学领域的发展。

深部原位应力环境下岩心饼化响应特征及反馈机制初探

地应力数据是一切深部工程的基础,传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范,理论多是建立在诸多假设基础上,准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征,且不同应力环境产生的饼化形貌各异,通过岩心饼化反演地应力有望作为一种科学经济、方便快捷的地应力推算方法。试图通过探究深部原位应力条件下岩心饼化行为的力学机制,定义二维条件下的饼化烈度系数,以期实现基于岩心饼化特征计算原位地应力。以松辽盆地松科二井不同深度饼化岩心为研究对象,利用三维数据形貌采集系统获得了饼化岩心的宏观形貌,采用X射线衍射和岩相薄片等测试手段,分析得到了饼化岩心的矿物成分和微观结构;同时,基于离散元分析了不同应力条件下岩心的饼化行为力学机制。结果表明:松科二井饼化岩心形貌特征可分为破碎状、薄饼状、厚饼状、不规则状、半饼化状5类,端面断口形态包括错台状、平面状、灯盏状和花瓣状;岩饼的形貌特征与其埋藏深度、硬质矿物含量和破坏模式有较强的关联性;岩心饼化行为主要受到张拉应力控制,其裂隙起裂一般起始于岩心根部,由外向内向下呈凹陷状或平面状贯通岩心。水平主应力是影响岩心饼化行为的第一要素,高水平主应力能够诱发剧凹状的岩心断口和较宽的带状拉裂纹,垂直主应力是影响岩心饼化的次要因素,一般会抑制饼化行为的发生;钻进过程中岩心饼化行为的发生伴随着能量的规律性变化,其中总应变能呈阶梯状下降,耗散能呈对应的阶梯状上升,且总应变能的瞬时释放是造成岩心饼化的主要原因。研究成果有望为岩心饼化反演地应力提供新思路和有益借鉴。

海水腐蚀对砂岩物理力学特性与微观结构破坏特征的影响研究

针对海底隧道围岩在海水腐蚀下物理力学性能劣化的问题,选取典型砂岩作为研究对象,基于深圳海底隧道所在区域海水的取样数据配制不同浓度的模拟海水溶液,对砂岩试样进行不同浓度、不同时间的腐蚀浸泡处理,再进行单轴压缩试验,并结合声发射与扫描电子显微镜(SEM)技术,对海水腐蚀损伤砂岩的物理力学特性、破坏过程和微观结构演化特征进行分析研究。结果表明:随着腐蚀溶液浓度增加,砂岩试样表面越早发生脱落且面积越大,试样密度小幅度增加;峰值应力和弹性模量均随腐蚀时间增加而降低,但二者降低幅度及速率不同;随着腐蚀时间以及浓度的增加,除高浓度组砂岩试样在腐蚀45 d之后声发射事件活跃期有所缩短外,其余组砂岩试样的声发射事件活跃期均有所增长,砂岩试样内部缺陷逐渐发育,结构逐渐疏松,蜂窝状腐蚀区域面积增大,盐离子白色结晶区域逐渐扩大。

基于“深地-地表”联动的深地科学与地灾防控技术体系初探

地球是已知的唯一适合人类生存的行星,揭示地球深部奥秘对于人类生存与发展具有重大意义。随着人类社会的快速发展,地震地质灾害频繁发生,深地工程动力灾害事故更加凸显,且机理不清,难以预测和有效防控,其根本原因在于,人类无法准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系;现有地球深部基础科学研究已滞后于人类深部工程实践活动,传统地质灾害信息的浅表监测存在较大局限。在此基础上,开展深地科学探索与地质灾害防控联动技术研究对解决资源保障、生命演化与可持续发展等重大科学问题具有重要意义。“深地-地表”联动战略体系以深入理解深地科学与地质灾害内在联系,进行深地科学与地质灾害领域的超前战略谋划为核心目标,通过基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台,充分关联中国广布的地表灾害信息监测群和纵深的深地科学实验室、矿区及深地工程示范基地,借助区块链大数据技术,建设“深地-地表”智慧中心,统筹不同区域、不同类型、不同深度研究平台;最终,在此基础之上,以“深地-地表”联动为核心,建设“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统,全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系,服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控,助力中国领跑世界深地科学和地质灾害的相关领域研究。

深埋穿越破碎带隧道衬砌变形规律研究

为解决隧道穿越破碎带、断层等不良地质体时导致的隧道结构变形过大,甚至引起垮塌等事故的难题,通过对西南某深埋穿越破碎带隧道衬砌现场监测数据的分析,结合数值模拟试验,研究了该隧道衬砌拱顶下沉、周边收敛变形规律,并对二者进行了对比。结果表明:该隧道工程Ⅳ级至Ⅴ级围岩过渡区发生不均匀沉降,Ⅴ级围岩相对Ⅳ级围岩沉降值大15 mm左右;隧道拱顶沉降量是周边收敛位移的1.25~1.75倍,即拱顶对不均匀沉降的敏感度大于周边,属于隧道结构薄弱部位。基于自主研发的双向滑移式物理模型箱,研究了不均匀沉降条件下衬砌结构变形特征,衬砌轴向变形过程大致可分为5个阶段:弹性应变、土体压密—姿态调整、塑性应变、土体再压密—姿态再调整、断裂破坏,且拱顶轴向变形为拱腰轴向变形的1.75~2.45倍,说明拱顶沉降对围岩完整性的敏感度大于周边收敛,应重点做好拱顶的监测与防护。

地热系统深部热能聚敛理论及勘查实践

深部热能聚敛及富集过程研究是地热资源探测评价的重要基础。地热壳构热控理论是以地球动力学理论为基础,以构造控热作用研究为主线,通过大地构造学、构造地质学、地热地质学等学科理论和方法,研究深部热能聚敛过程及热异常分布规律,分析各种构造要素间的相互作用及控热机制,探讨地热资源靶区预测方法,从而指导地热勘查的科学。本文系统论述了地热壳构热控理论的内涵与外延,提出了我国不同类型地热资源“同源共生-壳幔生热-构造聚热”的客观自然规律,分析了我国陆区壳幔尺度热流配分格局与不同地质背景条件下影响浅地表温度场的主要控热构造,并以渤海湾盆地、青藏高原、东南沿海等我国主要地热系统为研究对象,以壳构热控理论为指导,以勘查区找热为出发点,以控热作用内生因素(壳幔生热)和外生因素(构造聚热)为切入点,通过研究影响壳幔生热、壳内传热、勘查靶区聚热这一地球物理过程,确定了不同构造背景下地热系统的主要控热构造。从传统的经验式找热到建立构造控热预测标志,再到水热型地热资源-干热型地热资源共生富集认知,理论认识的创新发展,将引领和支撑我国地热资源不断实现高效勘探和开发利用。

深部煤岩原位扰动力学行为研究

深部开采是我国矿产资源获取的主要途径,然而目前深部资源的开发现状是工程领先倒逼理论创新,时效性差,灾害频发。系统探索深部岩体原位力学行为已经成为了深部矿产资源高效开采亟待攻关的基础科学问题。以深部煤炭开采为工程背景,通过现场井下实测捕捉深部岩体所经历的应力路径,进而考虑扰动应力路径、深度原位赋存环境等因素,开展深部煤岩原位力学与破坏特征的模拟测试,主要结论有:①赋存深度是深部原位岩体力学行为的重要影响因素。岩体强度随赋存深度非线性增长,浅部(低围压)岩体的强度受载荷速率影响较小,加卸载速率对深部(高围压)岩体力学特征影响存在特定范围。②工程扰动是深部原位岩石力学特性的重要影响因素。扰动应力路径下岩体较常规三轴强度降低,且与常规三轴力学试验不同的是出现低初始应力作用下的体积膨胀和高围压作用下的体积收缩现象。③原位扰动应力路径下,随深度增加岩体破坏后表面微裂纹数量减少,由“半Y”型拉-剪复合破坏向“半X”型纯剪切破坏过渡。④建议的煤岩原位岩石力学测试方法可以较为真实模拟地下工程扰动形成的三向不等压力学状态,能有效在实验室条件下揭示深部开采扰动下煤岩体力学行为。

深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究

岩石脆延转化力学行为规律是深部岩石力学研究的重要内容之一,同时也是影响深地工程安全高效实施的关键因素。为研究深部不同深度岩石脆延转化力学行为差异性规律,以松辽盆地1000~6400 m不同赋存深度的砂岩、砾岩和安山岩为研究对象,开展了同一深度岩石不同应力水平下、不同深度岩石同一应力水平下以及不同深度岩石原位应力水平下的常规三轴实验,并采用峰前和峰后脆性指标分析了岩石的脆性特征,初步揭示了深部不同深度岩石脆延转化力学行为的关键影响因素与差异性规律。研究结果表明:不同深度岩石脆延转化并非是瞬时的,而是存在一个脆延性逐渐转换的应力区间。同一深度岩石不同应力水平下其脆延特征主要受围压影响。对于1600 m深砂岩,其脆性整体上随着围压的增大而减小,出现了从脆性—延性—应变硬化的转变,并且其峰后塑性逐渐增强,直到峰后呈现完全塑性。50~70 MPa应力水平范围为1600 m深砂岩的脆延转化区间;相同围压下不同深度岩石的脆延特征主要受其本身矿物组分的影响。对于松辽盆地岩石样品,其硬相矿物和中等相矿物的含量总体上随着深度的增加而增大,导致其脆性随深度的增加而增大,由浅至深表现出延性—脆延转化—脆性的特征;不同深度岩石原位应力水平下其峰后特征随着深度的增加呈现出不同的特征:1000~3500 m深砂岩表现出峰后应变软化特征、4800 m深砂岩和5100~5600 m深砾岩表现出峰后脆性特征、6400 m以深的安山岩表现出峰后塑性流动特征。岩石的脆延特征受诸多因素的影响,其中岩石的矿物组分和应力环境对其脆延特征的影响存在博弈现象。随着深度的增加硬相矿物和中等相矿物含量的增加会导致岩石的脆性增长,而岩石加载应力水平的增加,又会抑制岩石的脆性增长。

全球产业链与能源供应链重构背景下我国煤炭行业发展策略研究

面对全球产业链与能源供应链(“双链”)加速重构、我国能源供应安全变数明显增长的新形势,充分发挥煤炭的兜底保障作用成为必然选择。本文在系统分析“双链”加速重构呈现特征的基础上,研判了对我国能源领域四方面的影响:能源需求结构波动加大,局部生产能力受限,进口风险提升、低碳转型压力增大。构建了煤炭需求波动预测模型,测算了煤炭为化石能源进口兜底、为可再生能源出力波动兜底、为能源消费超预期增长兜底等保障要求下煤炭产量需求的波动幅度,即2025年煤炭产量需求波动为±14.1%、2030年为±16.5%、2035年为±18.2%。针对性提出了产业链和供应链“强链、补链、延链”,构建煤炭技术创新链的发展路径,以及煤矿智能化建设、煤炭绿色开发与节能减排、煤炭清洁转化、煤矿区碳封存和碳利用技术研发、煤炭与新能源协同发展等重点任务。加大煤炭资源精细勘查力度,强化煤炭储备和应急调运能力建设,提高煤炭柔性供给水平,增强煤制油气兜底保障能力,完善煤炭产业发展政策,以此推动煤炭行业中长期高质量发展。

深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”和“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。

深地医学研究新进展

世界主要矿业大国相继进入深部开采,我国的深部资源开采也已经成为新常态。然而,深地作业环境,尤其是1000 m以下,对矿业工人等深地作业人群的生理、心理以及病理的影响规律及其作用机制基本处于空白。基于前期的调研、初步研究成果,提出深地医学新概念;即系统研究深地环境因素对人的生理、病理以及心理影响程度及其潜在机制,也即深地的物质和空间健康效应,并探索对深地有害影响因素的防护措施,有益环境因素开发利用的专门学科。从医学视角深入分析了深井矿业工程作业环境的基本特征,本底辐射随深度逐渐下降、温度湿度随深度增加、氡气浓度尚在安全范围之内。发现矿井深部低本底辐射环境可以明显抑制正常细胞与癌细胞的生长速度,如喉癌细胞在地表培养2 d后细胞增加37.73%,而地下组仅增长7.53%,深部低本底辐射环境对癌细胞的生长速度抑制更胜正常细胞,且发现核糖体、线粒体可能是细胞应答深地低本底辐射环境主要细胞器。剖析了深部矿井矿工心理和作业环境的相关关系,深井矿作业工人的状态差于健康常人,约2/3的人群伴有睡眠问题,且其不佳的心理状况与井下的不良作业环境有关。提出深地医学未来迫切需要开展的前瞻性研究课题,为今后深地医学及相关生物学、生命科学研究提供参考。

真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明:真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。

深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化

保压控制器作为深部煤炭原位保压取心器的核心部件,其密封设计对保压取心效果有着决定性作用。为了获取最优的密封结构方案,本文建立了保压控制器密封结构二维轴对称非线性接触模型,通过正交试验分析不同凹槽设计、锥角选型及摩擦因数对密封性能的影响,并研究不同闭合阶段、介质压力下密封圈各应力变化情况。结果表明:1.9 mm凹槽深度的30°锥角保压控制器密封效果最优;摩擦因数对密封性能的影响较小,应根据实际情况选择尽可能小的摩擦因数;室内打压试验结果表明保压控制器在较小预紧力作用下即可形成密封,且其密封性能随密封压力的升高仍维持稳定,该自适应密封特性保证了其密封能力与工作稳定性。研究成果提高了深部煤矿保压保瓦斯取心器的密封可靠性,对实现深部煤矿瓦斯精准测定具有重要工程意义。

煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题,近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而,现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈,对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标,提出了负碳高效充填开采技术全新构想,系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵,提出和建立了由CO_(2)、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO_(2)Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想;提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上,明确了煤矿负碳高效充填开采“基础研究—技术攻关—工程示范”的“三阶段”发展规划,构建了煤矿负碳高效充填开采理论与技术体系构想;评估了煤矿负碳高效充填CO_(2)封存能力,可望实现煤炭负碳开采、低碳利用的煤炭开发利用全过程自身实现碳中和的新格局。

基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用"小拱小摆、大拱大摆"对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。

动荷载作用下不同应力波透射性结构面围岩层裂特性

煤矿巷道的力学性质由围岩结构决定,结构面位置、抗拉强度等特征显著影响应力波在围岩中的传播规律。以青砂岩为研究对象,通过室内试验分析了含低应力波透射性结构面围岩破坏特征,借助ABAQUS/Explicit建立含高应力波透射性结构面围岩数值模型,并结合室内试验结果验证模型合理性,同时对不同高透射性结构面抗拉强度、位置、入射波幅值等条件下整体巷道围岩破坏特征进行研究。研究结果表明:随着结构面抗拉强度的增加,低应力波透射性结构面围岩层裂体长度逐渐缩短,高应力波透射性结构面的层裂体长度则与结构面抗拉强度无关。高应力波透射性结构面围岩在应力波作用下围岩先于结构面破坏,低应力波透射性结构面围岩中结构面先于围岩破坏。巷道围岩中高应力波透射性结构面距自由端较远时不影响围岩层裂位置,距自由端较近时仅结构面破坏。随着应力波幅值的增加,高应力波透射性结构面围岩破坏模式依次为:整体未破坏、围岩完整–结构面拉伸破坏、围岩层裂破坏–结构面拉伸破坏。研究结果可为巷道的稳定性评价提供参考。

特厚煤层超前采动原位应力演化规律研究

特厚煤层超前采动应力演化规律是顶板控制的基础,但目前缺乏现场采动过程应力演化的研究成果。依托同煤集团同忻矿8309工作面,进行了特厚煤层采动应力演化规律原位实测研究。现场试验结果表明:随着工作面推进,前方煤岩扰动强度不断增大,支承压力由原岩应力逐渐上升至峰值强度,然后随着煤岩的破坏开始下降至残余强度;侧向水平应力则呈现出阶段性稳态降低的趋势。根据支撑压力规律,工作面前方煤岩具有扰动分区化特征:该试验点工作面前方200 m以上为未扰动区域;工作面前方100~200 m为弱扰动区域;工作面前方50~100 m为强扰动区域;工作面前方50 m以内为剧烈扰动区域,结合工作面前方不同区域扰动强度提出了针对性的分区支护措施建议。研究成果可为室内开展扰动应力路径加卸载试验和特厚煤层现场安全高效开采提供指导。

煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系

向地球深部要资源已成为国家战略。然而,现有的煤炭开采理论、技术及方法难以解决深部开采遇到的技术难题与环境污染问题,对煤炭开发与利用方式进行变革已势在必行。以煤炭技术变革为导向,以解决2 000 m以深煤炭资源开发的瓶颈难题为目标,系统阐述了煤炭深部原位开采的科学技术构想,提出了深部原位流态化开采的采动岩体力学理论、深部原位流态化开采的"三场"可视化理论、深部原位流态化开采的原位转化多物理场耦合理论、深部原位流态化开采的原位开采设计、转化与输运理论、深部原位流态化开采的地质保障技术、深部原位流态化开采的精准探测与导航技术、深部原位流态化开采的智能开拓布局技术、深部原位智能化洗选技术、深部原位采选充电气热一体化的流态化开采技术、深部原位无人化智能输送与提升技术、深部原位能量诱导物理破碎流态化开采技术、深部原位化学转化流态化开采技术、深部原位生物降解流态化开采技术、深部原位煤粉爆燃发电关键技术等。明确了煤炭深部原位流态化开采的战略路线,构建了煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系。

煤矿地下空间容量估算及开发利用研究

以煤矿地下空间科学利用为主线,以提升煤矿地下空间综合利用为目标,系统调研分析了我国煤矿地下空间容量,首次绘制了全国生产煤矿井下可利用空间分布图、距地级市50 km内煤矿可有效利用的地下空间分布图、全国煤矿有序退出井巷可利用地下空间分布图,并由此建立了煤矿地下空间的判识和估算方法,对煤矿采空区可利用地下空间进行了估算。进行了不同开发利用功能的围岩适建性研究,提出了煤矿地下空间开发利用的六大设计原则和四大设计理念,系统提出了煤矿地下空间利用的方向、技术及构想。结合京西煤矿地下空间可利用容量、关停顺序和内外部建设条件提出了合理的开发利用规划目标,作为典型案例设计了京西煤矿地下空间开发利用的构想。

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己14和己15深部近距离煤层群工程实践,在己15-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己14煤层底板破坏深度理论值约21.24~30.88m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现“近线性增长—跃阶式降低”两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己15煤层采动影响范围约105m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。