一體化技術(shù)及裝備 為深部高效開(kāi)采提供安全保障

當(dāng)前我國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)47億噸，支撐我國(guó)53.2%的一次能源供給，在地下超過(guò)千米的煤海中，隱伏著瓦斯、粉塵等事故隱患，嚴(yán)重阻礙了煤炭高效開(kāi)發(fā)與利用。面對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法從根本上解決深部堅(jiān)硬低滲煤層安全開(kāi)采難題，從2015年起，山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院王剛教授團(tuán)隊(duì)潛心鉆研工程煤巖滲流理論與災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)，長(zhǎng)期聚焦深部煤炭資源開(kāi)發(fā)工程難題，在煤體結(jié)構(gòu)精細(xì)表征與多物理場(chǎng)耦合機(jī)理研究上取得關(guān)鍵突破，成功研發(fā)出“爆裂-強(qiáng)滲”一體化關(guān)鍵技術(shù)及裝備，有力破解了深部開(kāi)采中頂煤回采率低、瓦斯抽采難、粉塵防治效果差的共性難題，為我國(guó)煤炭資源的安全高效開(kāi)采提供了堅(jiān)實(shí)的科技支撐。

王剛教授(右二)在井下與施工人員討論施工方案

給煤做“CT掃描”，看清看不見(jiàn)的細(xì)節(jié)

煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，內(nèi)部賦存大量的甲烷，煤礦災(zāi)害綜合防控必須認(rèn)清“應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)”等多物理場(chǎng)狀態(tài)下的流固耦合機(jī)制，而煤體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征則是所有研究的基礎(chǔ)。以前，想看清煤層內(nèi)部那些細(xì)微的裂縫和孔隙，就像隔著一層毛玻璃看東西，模糊不清。圍繞這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)首先從“看清楚”煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，他們自主研發(fā)了一套實(shí)時(shí)加載X-CT掃描系統(tǒng)，識(shí)別裂縫和孔隙的精度相對(duì)傳統(tǒng)方法提高50%，攻克了常規(guī)掃描無(wú)法還原多物理場(chǎng)耦合環(huán)境下煤體微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程的共性難題。關(guān)鍵技術(shù)被沙特阿拉伯國(guó)家石油公司、中科院力學(xué)所等10余家單位所應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)還借助低場(chǎng)核磁和三維地質(zhì)動(dòng)態(tài)反演技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤層的“透明化”解析，極限觀測(cè)尺度從0.5微米突破到0.2微米——看清了更細(xì)微的滲流通道，為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

王剛教授(右一)指導(dǎo)研究生進(jìn)行煤體滲流試驗(yàn)

解密煤中流體運(yùn)移的“黑匣子”，讓爆破注水“恰到好處”

聚焦煤層工程改造技術(shù)涉及的關(guān)鍵難題，王剛團(tuán)隊(duì)圍繞煤體“爆裂-強(qiáng)滲”技術(shù)開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究及理論推導(dǎo)，形成“實(shí)驗(yàn)探明機(jī)制+理論支撐技術(shù)”的創(chuàng)新路徑。在實(shí)驗(yàn)研究方面，團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了煤體多場(chǎng)多相水力壓裂-滲流-潤(rùn)濕全過(guò)程六軸聯(lián)動(dòng)測(cè)試方法，探明了“復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)作用下煤怎么裂、水怎么流”的耦合機(jī)制。并基于此研發(fā)了適用于堅(jiān)硬煤體精細(xì)控制爆破的專(zhuān)用炸藥，提升了精細(xì)壓爆的能量釋放效率。實(shí)驗(yàn)探明了“現(xiàn)象”，還需要依靠理論理清“本質(zhì)”。在理論解析方面，團(tuán)隊(duì)建立了描述彎曲通道內(nèi)流體輸運(yùn)特征的滲透率分形模型，揭示了煤體全尺度動(dòng)力學(xué)特征，為編寫(xiě)智能分級(jí)裂化核心算法搭建了更扎實(shí)的“理論骨架”。

先“松土”后“爆破”，智能改造讓煤層“通體舒暢”

針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)改造煤體裂化程度低、均勻性差等問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)研了深部低滲煤層“爆裂-強(qiáng)滲”智能改造關(guān)鍵技術(shù)，提出了“預(yù)先壓裂+控制爆破”的技術(shù)構(gòu)想，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是先給煤層“舒筋活絡(luò)”，再“精準(zhǔn)加力”，并針對(duì)性開(kāi)發(fā)了調(diào)控爆破布孔位置及封孔深度等關(guān)鍵參數(shù)的智能分析系統(tǒng)，致裂半徑由3~5m增加到7~10m。

光是“裂得開(kāi)”還不夠，還得讓水“滲得進(jìn)、潤(rùn)得透”。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了分級(jí)預(yù)裂注水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了注水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)-系統(tǒng)自動(dòng)響應(yīng)-過(guò)程自動(dòng)判別-參數(shù)智能精準(zhǔn)調(diào)控的閉環(huán)運(yùn)行。為進(jìn)一步提升水力滲潤(rùn)效果，對(duì)我國(guó)14個(gè)大型煤炭基地主采煤層進(jìn)行了注水難易程度精細(xì)評(píng)價(jià)，并配套研制了微乳液及改性納米減阻增滲材料，實(shí)現(xiàn)難注水煤層“強(qiáng)滲增潤(rùn)”的效果。

打造井下“變形金剛”，一鍵搞定壓裂和爆破

為進(jìn)一步攻克當(dāng)前地面壓裂裝備體積大無(wú)法下井，井下裂化裝備智能化程度低，難以適配深井高地應(yīng)力環(huán)境下穿層、順層及分段水力壓裂的難題，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了“水力壓裂-控制爆破”分級(jí)致裂一體化裝備，設(shè)計(jì)了“快速更換式柱塞+變頻器”控制方式，可實(shí)現(xiàn)“測(cè)試+坐封+壓裂+卸壓”的智能化作業(yè)。新型泵組最大排量可達(dá)66m3/h，較傳統(tǒng)泵組提高了35%，調(diào)控頻率為5~50Hz，實(shí)現(xiàn)了分段壓裂的智能化作業(yè)，突破了埋深1200m深井高地應(yīng)力分段水力壓裂的技術(shù)瓶頸。同時(shí)研發(fā)了智能精準(zhǔn)注水控制裝備，相當(dāng)于給注水過(guò)程裝上“高精度標(biāo)尺”與“快速響應(yīng)開(kāi)關(guān)”，控制響應(yīng)時(shí)間由分鐘級(jí)縮減至秒級(jí)，真正實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、高效注水減塵。

技術(shù)用到礦上，安全效益雙雙“拿捏”

圍繞“確保能源安全”的戰(zhàn)略要求，團(tuán)隊(duì)聚焦煤礦安全生產(chǎn)與能源高效利用的雙重需求，將研發(fā)成果在山東能源集團(tuán)、國(guó)家能源集團(tuán)等大型礦業(yè)集團(tuán)的68對(duì)礦井落地推廣。成功打造了我國(guó)埋深1200m礦井高地應(yīng)力堅(jiān)硬低滲煤層智能裂化高效生產(chǎn)示范工作面，研發(fā)的3項(xiàng)核心技術(shù)被國(guó)家衛(wèi)健委、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)列入先進(jìn)適宜技術(shù)并進(jìn)行全國(guó)推廣;關(guān)鍵指標(biāo)形成標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)。成果的研發(fā)與應(yīng)用為煤礦瓦斯治理與井下空氣質(zhì)量革命提供了中國(guó)方案。

王剛教授團(tuán)隊(duì)堅(jiān)硬低滲煤層智能裂化高效生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

正如王剛教授所堅(jiān)信的：“只有看清煤層的‘語(yǔ)言’，才能破解深部開(kāi)采的安全密碼。”從實(shí)驗(yàn)室的CT掃描到千米井下的智能裝備，王剛團(tuán)隊(duì)的研究始終緊扣礦井安全與效率的核心命題，為推動(dòng)我國(guó)煤炭工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展注入了強(qiáng)有力的“山科智慧”。(圖片由郭志珍授權(quán)提供)

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