• 礦山重大災害防治理論與關鍵技術
    一、重點學科建設項目定義
        1. 項目名稱:礦山重大災害防治理論與關鍵技術
        2. 項目所屬領域:
        一級領域: 資源環境
        二級領域: 災害防治
        主要涉及學科:安全技術及工程,采礦工程,地質工程,地球探測與信息技術
        3. 承擔本項目的重點學科:安全技術及工程,采礦工程
    二、重點學科建設項目背景
          1. 建設項目意義
        礦業是我國國民經濟的基礎產業,在工業生產各行業中,礦業是自然條件最差、危險源最多、安全隱患最大的行業,特別是煤礦,是礦山企業的重災區,瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、火災等重、特大惡性事故時有發生。煤礦開采中發生的災害事故造成的人身傷亡和生態環境的破壞是巨大的。近十多年來,隨著開采深度的進一步加大和高強度機械化采掘和集中化生產,自然災害的威脅更加突出,瓦斯涌出量急劇增大,不少煤礦變為高瓦斯礦井,原來沒有瓦斯突出危險的煤層變為有瓦斯突出危險的煤層;大功率采掘機和運輸機等機電設備產生火花引燃瓦斯、煤塵爆炸或火災的潛在危險性增大。盡管近年來煤礦安全生產的總趨勢有所好轉,但是由于上述自然條件和生產環境的變化,使得不安全因素增多、危險更加嚴重。根據事故統計,2001年全國煤礦共發生事故3082起、死亡5670人。在煤礦事故中,瓦斯事故居首位,危害與損失是最嚴重的。例如,2002年6月20日發生的雞西“6.20”瓦斯爆炸事故,死亡124人,對社會的影響很大。煤礦重特大事故中暴露出若干重大理論與技術問題急待研究;如:低透氣性煤層增透理論及關鍵技術,瓦斯煤塵爆炸防治理論及關鍵技術,煤巖動力災害綜合監測預報技術,煤炭自燃成災機理及防治技術,地下工程通風可靠性及火災危險性評價與測控技術等。
        上述重大災害防治理論與技術的研究,不僅對開創我國煤礦安全生產新局面和國民經濟可持續發展、減少向大氣的CH4和CO2排放量、改善環境具有重大現實意義,而且對地鐵、隧道等地下工程建筑火災及其相關災害的防治也有現實意義;同時對貫徹安全生產方針、促進安全科學技術升級及原始性創新以及安全學科發展、進步與人才培養等都具有十分重要的意義 。
        2. 國際水平
        低透氣性煤層的瓦斯抽放是一項世界性的前沿技術難題。主要采煤國家都在進行探索性研究。增加煤層透氣性的措施有兩大類,即層內措施與層外措施;在層內措施方面,前蘇聯曾經實驗過鹽酸化學法、水力破裂法、深孔松動爆破法、靜電場等增透法,但效果不夠顯著,現在主要采取增加鉆孔在煤層內的暴露面積、布孔密度和立體交叉鉆孔等措施。美國試驗了水力壓裂預抽瓦斯技術,在煤層滲透率大于2~3md的煤層收到了較好效果,并得到廣泛應用;但該方法用于低透氣性煤層效果不好,他們還實驗了水力空穴法、泡沫壓裂法等,但都沒有突破。在層外措施方面,前蘇聯科學院對開采上、下保護層時瓦斯壓力變化和保護范圍與效果進行過考察研究,取得了較多成果與應用。
        在礦山煤巖動力災害的監測預報方面,國際上主要有用鉆孔瓦斯涌出初速度、鉆屑瓦斯解吸指標和鉆屑量法等預測煤與瓦斯突出,用微震和聲發射法動態監測沖擊地壓或巖爆等。
        在煤礦瓦斯爆炸研究方面,美國、加拿大、荷蘭以及波蘭等都建立了瓦斯與粉塵爆炸試驗系統并進行了試驗研究,在理論上也提出了一些計算模型。同時,為了防止爆炸災區的擴大,國內外廣泛采用水棚或巖粉棚等隔爆措施。但是,該措施效果不夠理想,其安設位置缺乏依據。此外,對瓦斯爆炸過程中存在的連續爆炸問題缺乏研究;瓦斯連續爆炸的發生不僅會擴大災害波及范圍、加重破壞程度,而且會嚴重威脅和破壞搶險救災工作。
        在煤炭自燃成災機理方面,國內外學者提出了多種學說,其中煤氧復合作用學說影響最大。美國、加拿大、日本、法國、澳大利亞等相繼建立了自然發火實驗臺,利用各自方法研究煤炭自燃傾向性和自燃過程,建立了一些自然發火的數學模型。
        在防滅火材料與技術研究方面,國外較廣泛地采用了凝膠、氮氣、泡沫樹脂等防滅火新技術;還開展了含氮氣的兩相和三相泡沫等新材料的研究。
        3. 國內水平
        (1)本建設項目現有國內水平、衡量指標
        國內在增加煤層透氣性方面實驗了水力壓裂法、水力割縫法、水力空穴法、深孔預裂爆破法、靜電法等,雖有一定效果,但無較大突破;現在主要采取增加鉆孔在煤層內的暴露面積、布孔密度和立交鉆孔等措施。在層外措施方面,中國礦業大學對遠距離保護層的保護效果和抽放卸壓瓦斯技術進行了卓有成效的研究,居領先地位,其成果在天府、淮南等礦區得到大面積推廣應用。
        在礦山煤巖動力災害的監測預報方面,中國礦業大學電磁輻射法居國內領先地位,其成果在撫順、徐州等礦區得到推廣應用。
        在瓦斯爆炸研究方面,中科院力學所、北京理工大學、煤科總院重慶分院、南京理工大學等分別建有可燃氣體爆炸試驗管道(巷道)并進行了研究工作。中國礦業大學針對煤礦現場急需解決的實際重大關鍵問題,建立了有特色的并且能夠模擬煤礦井下巷道特點的瓦斯爆炸實驗研究系統,對瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波的傳播規律等進行了研究工作。
       在礦井火災研究方面,中國礦業大學建立了礦井火災綜合模擬實驗研究系統,發展了礦井火災時期風流紊亂過程理論,提出了煤炭自燃的自由基反應假說,研制出礦井火災時期風流控制裝備與技術,開發出了礦井火災救災決策支持系統等。首次開展了含氮氣的三相泡沫和懸浮山砂稠化添加劑防滅火材料的研究并取得領先的成果。
        (2)與國際先進水平相比存在的差距和主要問題
        與國際先進水平相比,我國主要差距和問題是:
        在低透氣性煤層瓦斯抽放方面,對層間距離超過50米的緩傾斜下保護層的卸壓瓦斯流動機理與流動范圍缺乏深入研究;在低透氣性煤層瓦斯抽放的基礎研究方面投入不足,難以支持原始性創新研究和基礎研究。
        在煤巖動力災害預測與監測方面,我國地質雷達監測技術及裝備與國際先進水平相比較為落后。主要表現在穩定性差、準確度低、軟件功能弱及預報功能不強等。
        在瓦斯爆炸研究方面,其研究的裝備及實驗系統還不完善,尤其是在瓦斯連續爆炸方面還缺乏先進的測試手段和方法;此外,在測試結果的分析、解釋方面還缺少有效的手段,在數值模擬研究方面還缺少開發相應的軟件。
        在煤炭自燃及防治研究方面,其研究裝備及實驗系統還不完善;防滅火材料的性能、效果及對環境的影響等方面還缺乏先進的測試手段和方法。
        在地下工程通風可靠性及火災危險性評價與測控方面,缺少系統完善的火災危險性實驗室分析、數值實驗和虛擬現實研究手段,軟件水平還較落后,不能滿足地下工程火災危險性和通風可靠性綜合評價的要求。
        (3)近10年來已安排相關的國家重點建設情況,重大支持和資金投入情況
        在“八五”、“九五”期間,安全技術及工程學科承擔了國家重點科技攻關項目、國家自然科學基金和“211工程”重點學科建設等多個項目,投入經費達1000多萬元,進行了礦井瓦斯抽放、煤與瓦斯突出預測與防治、脈動通風技術與裝備、瓦斯爆炸機理及防治技術、礦井通風可靠性及火災時期風流遠程控制系統等內容的研究,其研究成果不僅為煤礦提供了防止瓦斯、火災等煤礦重大事故發生的理論、技術與裝備,而且為改善煤礦安全技術狀況做出了重要貢獻。
    三、項目的建設目標
         1. 整體目標
        針對我國礦山安全工程技術領域存在的急需解決的重大關鍵技術問題,研究開發適于我國礦山條件的高新技術基礎及其關鍵技術,解決煤礦重大災害預測與防治中的關鍵技術難題,為煤礦安全生產狀況得到根本改善和可持續發展提供具有21世紀國際先進水平、有推廣發展前景的新技術,建立礦業災害防治理論與技術的研究基地并培養一批安全科技高層次人才。
        2. 項目建設的具體指標
       (1)本建設項目的主要指標
        研究遠距離(60m以上)被抽放瓦斯主采煤層增加透氣性的層外卸壓增透理論與關鍵技術;建設增加煤層低透氣性的物理化學方法實驗研究平臺,基本建立起高壓脈沖多相流、電磁場等對高地應力條件下構造煤體的破壞、瓦斯解吸機理及其多相介質的質量、能量輸運規律,探索獲得有完全自主知識產權的開發煤層氣理論與關鍵技術。
        建設煤巖動力災害綜合監測預報技術系統,形成煤與瓦斯突出等煤巖動力災害研究及預測技術開發綜合試驗平臺,提高煤巖動力災害的預報準確率。
        建立瓦斯連續爆炸的實驗設備和測試系統,得出瓦斯連續爆炸過程中的傳播規律及其熱動力學作用機理,提出瓦斯爆炸控制技術。
        建立煤炭自燃成災機理及開發防滅火新材料與新技術的試驗研究系統,完善煤炭自燃成災機理的理論,開發出經濟、高效、環保型的防止煤炭自燃的新材料與新技術。
        建立地下工程通風、空調與火災基礎和應用開發綜合實驗研究平臺,完善地下工程通風可靠性及火災危險性評價的理論與方法。
       (2)主要研究領域和可能產生的重大科技成果
        瓦斯連續爆炸機理及高效抽放理論與關鍵技術;
        準確預測與監測煤巖動力災害的技術與裝備;
        煤炭自燃成災機理及經濟、高效、環保型防止煤炭自燃的新材料與新技術;
       (3)學術隊伍建設和學術交流
        進一步加強學科梯隊建設,大力培養一批在國內外有影響的中青年專家,建設一流的安全技術及工程學科的師資隊伍;培養高水平博士、博士后及高級訪問學者20人以上,獲省部級以上人才工程基金和榮譽稱號10人次以上,發表高水平學術論文100篇以上,被SCI、EI等檢索30篇以上,出版一批有特色的高水平教材及專著。組織2-4次全國性學術交流會議,1-2次國際學術交流會議。
        (4)基地條件建設
        在“211工程”一期建設的基礎上,經過“211工程”二期建設,基本建成安全技術及工程重點實驗室及技術研究中心、追蹤及反映國際前沿水平的實驗研究基地。
        (5)本建設項目建成后具備的人才培養、承擔重大科研攻關任務和自身發展能力。
        通過本項目建設,具備培養國內外高水平博士、博士后及高級訪問學者的能力,以及承擔我國及國際礦山重大災害防治的科研攻關項目,能夠解決本領域重大科技問題的攻關能力。
    四、本重點學科建設項目所需總經費的說明
     
    五、本重點學科建設項目已有的優勢、特點
          1. 學科優勢
        承擔本項目的學科擁有1個國家級重點學科,1個博士學位授權點,2個碩士學位授權點(安全技術及工程、防災減災與防護工程),1個安全工程部級重點實驗室,1個教育部長江學者獎勵計劃特聘教授設崗學科。
        2. 隊伍優勢
        項目承擔學科現有教師32人,其中中國工程院院士1名,教授13名(博士生導師9名),有16人具有博士學位,已建立起結構合理,以院士為學科帶頭人、以博士群體為學術骨干的學科梯隊。1996年以來安全技術及工程學科獲得江蘇省普通高校優秀學科梯隊、江蘇省優秀教師集體和實驗室先進集體等稱號,1人獲國家杰出青年科學基金,11人次獲省部級以上人才工程基金和榮譽稱號。
        3. 在研科技項目優勢
        目前承擔有國家“十五”重點科技攻關4項、國家杰出青年基金1項、國家自然科學基金重點項目2項和面上項目8項、國家技術創新項目2項、“973”項目1項等國家級項目共18項。
        4. 研究方向優勢
        針對煤礦災害防治所需解決的重大關鍵科學技術問題,安全技術及工程學科形成了三個具有特色的研究方向:
        (1)礦井瓦斯防治:建立了瓦斯(煤塵)爆炸與煤和瓦斯突出實驗研究系統,創立了煤層瓦斯流動理論體系、遠距離保護層開采及卸壓瓦斯抽放理論與技術、煤與瓦斯突出的球殼失穩理論及防治技術,開發了電磁輻射法預測瓦斯突出危險性的裝備與技術等。
        (2)礦井火災防治:建立了礦井火災綜合模擬實驗研究系統,發展了礦井火災時期風流紊亂過程理論,提出了煤炭自燃的自由基反應假說,研制出礦井火災時期風流控制裝備與技術,開發出了礦井火災救災決策支持系統等。
        (3)礦井通風與防塵:建立了通風與空調、脈沖通風模擬及性能測試實驗研究系統,首創與發明了采場脈沖通風理論與技術裝備、主要通風機運行工況在線監測、采煤機負壓二次降塵等技術及裝備,開發出礦井通風系統可靠性評價軟件等。
        5. 實驗條件優勢
        建立了具有先進水平的礦井火災綜合模擬實驗系統,瓦斯(煤塵)爆炸實驗研究系統,脈動風流治理回采工作面瓦斯積聚的模擬實驗臺和煤與瓦斯突出模擬實驗系統。利用上述實驗系統除可進行常規參數的測定外,還可進行相關方面的專業性測定和研究工作,如氣體燃燒爆炸過程中的動態、非穩定溫度、火焰變化特性,瓦斯濃度場分布及傳質機理,礦井網絡火災過程的火源特性、煙流流動規律、風流紊亂現象及風流控制技術,煤與瓦斯突出過程中應力、孔隙壓力、電磁輻射及高速動態拋出特性等參數的監測。
        6. 國際合作優勢
        與英國諾丁漢大學、倫敦大學帝國理工學院,德國烏泊塔爾大學、波鴻技術學院,澳大利亞聯邦科學院,越南河內地礦大學,俄羅斯莫斯科礦業大學等具有良好的合作關系。
     

     

     

     

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