1、项目名称：煤矿深部开采突水动力灾害预测与防治关键技术

2、推荐单位：山东省科技厅

3、项目简介

本项目属于煤矿开采、矿山安全和地球物理观测仪器等学科交叉领域。

我国华北、华东地区煤矿水文地质条件复杂，随开采深度增加底板高承压水突出威胁日趋严重，近10年发生重特大突水事故52起，直接经济损失30多亿元，突水已成为煤矿安全生产重大隐患。深部岩体高应力-强渗流突水与灾变过程极其复杂，现有理论、实验方法、监测手段和治理技术难以实现重特大突水灾害的有效控制。

主要创新成果如下：

（1）建立了基于采动应力场转移的深部岩体结构形变演化突水致灾动力学模型，揭示了深部采动损伤岩体突水通道时空演化规律。

（2）研制了数控机械动压模拟实验系统、三维柔性加载相似材料实验系统、真三轴流固耦合实验系统和采动底板突水模拟实验系统。

（3）建立了承压渗流场-应力场-地电场多场联合约束反演地球物理探测模型，研发了相关监测设备，实现了地质超前探测、采动过程监测及突出危险预测突水动力灾害综合预警。

（4）提出了以“无煤柱开采”控制断层、隐伏陷落柱诱发突水、短壁连采连充等新型采矿方法；建立了深部突水灾害综合防治技术体系并形成了相应规范。

成果在山东能源集团、兖矿集团、开滦集团、冀中能源集团等几十对矿井应用，研发仪器装备在国内外矿山和科研院所得到应用，经济社会效益巨大。

4、主要完成单位及创新推广贡献

（1）山东科技大学

对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：提出了项目研究思路，主持项目全面研究工作；建立了基于采动应力场转移的深部岩体结构形变演化突水致灾动力学模型，揭示了深部采动损伤岩体突水通道时空演化规律；研发了室内实验设备，开发了现场监测设备，建立了集应力-微震-地音在线监测、地质超前预报、矿井水文自动监测系统为一体的综合预警平台，并负责项目成果集成应用及示范推广。

（2）山东能源集团有限公司

对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：参与完成了三维电法动态监测方案设计，配合现场进行了实施；共同开展了深部高承压水安全开采技术研究，发展完善了充填开采、无煤柱开采方法；参与构建了深部突水灾害综合预警平台；组织了现场相关监测设备的方案设计、设备安全及监测数据分析，实现了深部突水动力灾害相关研究成果的迅速推广使用。

（3）中国矿业大学（北京）

对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：创新了瞬变电磁波场变换数据处理及成像方法，实现了深部含水体位置、规模、展布形态及导水通道的精细探查；构建了基于环套原理的ANN预测预报模型，开发了矿井小构造预测预报信息系统；组织了现场相关监测设备的方案设计、设备安全及监测数据分析。

（4）兖矿集团有限公司

对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：协助实施了水文地质条件的精细探查，参与制定了岩体破裂扩展时空在线监测方案，并配合实施；共同开展了深部高承压水安全开采技术研究，发展完善了短壁连采连充、协调开采方法；参与构建了深部突水灾害综合预警平台；推广了相关研究成果。

（5）煤炭科学研究总院

对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：研究了煤矿开采围岩内部的破坏状况及采动裂隙发育特征，揭示了岩体纵向原生裂隙发育高水压作用条件下围岩破坏规律和特点，提出了综合机械化控水安全开采预测分析及优化综合技术，研究成果在皖北煤电集团、兖矿集团等煤矿进行应用。

（6）华北科技学院

对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：研发了矿井突水监测预警硬件系统，实现了矿井水灾预兆信息原位拾取、实时监测、远程监控、智能判别及超前预警；在开滦集团推广应用了“煤矿深部开采突水动力灾害预测与防治关键技术”相关研究成果，参与构建了矿井突水灾害综合预警平台，建成了太原东山煤矿示范基地。

（7）尤洛卡矿业安全工程股份有限公司

对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：参与研制了KJ743煤岩应力无线监测系统、KJ623地音监测系统，实现了深部岩体破裂扩展时空在线监测；自主研发了新型加固和封堵高分子树脂材料及快速注浆成套设备，提出了注浆改造、快速封堵与疏水降压相结合的综合治理方法；推广了相关研究成果。

5、推广应用情况

成果在山东能源集团、兖矿集团、开滦集团等几十对矿井进行了推广应用，近三年应用成果矿井安全采出煤炭超过2200万t，直接经济效益近80亿元，间接经济效益152.4亿元。典型应用案例如下：

（1）山东能源新矿潘西煤矿徐奥灰水突出防治工程：潘西煤矿5191等工作面采深800~1200m，徐、奥灰水压4~6MPa，水害威胁严重。项目结合水文地质条件，明确了矿井突水前兆信息和综合探测参数的相关性，采用“疏、降、帷、注”综合治理手段，安全采出煤炭资源280万t，新增产值14.6亿元。

（2）山东能源肥矿曹庄煤矿高承压水治理工程：曹庄煤矿8#煤层，平均埋深550m，承压水威胁严重，项目组采用物探、化探等勘查手段，对目标区域水文地质及导水通道进行精细勘查，提出了采用似膏体充填技术开采受高承压水上煤层的方法，安全采出煤炭资源98万吨，新增产值4.9亿元。

（3）山东能源临矿王楼煤矿岩溶裂隙水治理工程：项目组在王楼煤矿在11303等工作面，以“帷幕截流、疏降结合”为指导，运用瞬变电磁精细探查技术、矿井小构造预测预报系统、新型注浆材料及注浆设备，对局部突水点进行探测、加固、封堵，共采出煤炭103万吨，新增产值5.2亿。

（4）兖矿集团南屯煤矿徐奥灰水防治工程：项目组在南屯1601、1604工作面进行了底板应力-位移在线监测及底板破坏深度探测，建立了矿井突水预警系统，采取短壁条带等采煤方法成功地将突水系数临界值提高到0.08MPa/m，安全解放煤炭资源超过123万t，新增产值5.8亿元。

（5）开滦集团水害治理工程：开滦集团部分矿井采深较大，构造复杂，水害威胁严重，课题组运用全空间电阻率层析成像技术、矿井小构造预测预报系统，明确了矿井含水体展布形态、地质构造分布，建立了矿井突水监测预警系统及采动岩体形变监测系统，为矿井安全生产提供了指导，近三年成功采出煤炭97.8万吨，新增产值4.89亿。

6、曾获科技奖励情况

 

7、主要知识产权证明目录

 

8、主要完成人及技术贡献

（1）姓名：郭惟嘉

排序：第1位

技术职称：教授

工作单位：山东科技大学

完成单位：山东科技大学

对本项目技术创造性贡献：提出了深部突水致灾动力学模型；研制了真三轴流固耦合及突水模拟实验系统；组织实施了现场施工。

曾获国家科技奖励情况：2013年，国家科学技术奖，二等奖，“面向数字化采矿的软件关键技术及应用”，第6位，证书编号：2013-J-220-2-01-R06。

（2）姓名：武强

排序：第2位

技术职称：教授

工作单位：中国矿业大学（北京）

完成单位：中国矿业大学（北京）

对本项目技术创造性贡献：研制了矿井小构造预测预报系统；组织了巷道超前及工作面前方小断层的预测预报工作。

曾获国家科技奖励情况：2011年，国家科学技术进步奖，二等奖“华北型煤田隐伏含水陷落柱预探评价与快速治理理论及关键技术”，第2位，证书编号：2011-J-252-2-02-R02。

（3）姓名：张新国

排序：第3位

技术职称：讲师

工作单位：山东科技大学

完成单位：山东科技大学

对本项目技术创造性贡献：参与提出了深部高应力-强渗流多场耦合复杂环境下采动损伤岩体裂隙扩展与突水通道动态演化规律；改革采矿工艺，提出了短壁开采、协调开采及充填开采等控制岩体断裂扩展及结构面剪滑的采矿方法；参与实施了现场深部突水动力灾害预测与防治技术。

曾获国家科技奖励情况：无

（4）姓名：翟明华

排序：第4位

技术职称：教授级高工

工作单位：山东能源集团有限公司

完成单位：山东能源集团有限公司

对本项目技术创造性贡献：参与研制了室内实验设备；组织实施了突水灾害监测、相关设备研制及监测结果分析工作；在山东能源集团所属煤矿推广应用“煤矿深部开采突水动力灾害预测与防治关键技术”。

曾获国家科技奖励情况：无

（5）姓名：程久龙

排序：第5位

技术职称：教授

工作单位：中国矿业大学（北京）

完成单位：中国矿业大学（北京）

对本项目技术创造性贡献：创新了瞬变电磁波场变换数据处理及成像方法，实现了深部含水体位置、规模、展布形态及导水通道的精细探查；制定并实施了现场水文地质及构造精细探查。

曾获国家科技奖励情况：无

（6）姓名：刘伟韬

排序：第6位

技术职称：教授

工作单位：山东科技大学

完成单位：山东科技大学

对本项目技术创造性贡献：研制了岩体导水裂隙发育智能监测系统，实现了岩体破裂扩展的时空在线监测；参与构建了深部突水综合预警平台。

曾获国家科技奖励情况：无

（7）姓名：尹尚先

排序：第7位

技术职称：教授

工作单位：华北科技学院

完成单位：华北科技学院

对本项目技术创造性贡献：研发了矿井突水监测预警硬件系统，实现了矿井水灾预兆信息原位拾取、实时监测、远程监控、智能判别及超前预警。

曾获国家科技奖励情况：2011年，国家科学技术进步奖，二等奖“华北型煤田隐伏含水陷落柱预探评价与快速治理理论及关键技术”，第8位，证书编号：2011-J-252-2-02-R08。

（8）姓名：魏久传

排序：第8位

技术职称：教授

工作单位：山东科技大学

完成单位：山东科技大学

对本项目技术创造性贡献：研发了工作面三维电法动态监测系统，实现了岩体破裂扩展时空在线跟踪监测、破坏规律及突水定位预测；组织了现场物探工程的实施。

曾获国家科技奖励情况：无

（9）姓名：张希平

排序：第9位

技术职称：研究员

工作单位：山东能源肥城矿业集团有限责任公司

完成单位：山东能源肥城矿业集团有限责任公司

对本项目技术创造性贡献：参与研究了深部开采高承压水突水机理；协助实施了高承压水上“无煤柱开采”及充填开采工作。

曾获国家科技奖励情况：无

（10）姓名：康永华

排序：第10位

技术职称：研究员

工作单位：煤炭科学研究总院

完成单位：煤炭科学研究总院

对本项目技术创造性贡献：研究了煤矿开采围岩内部的破坏状况及采动裂隙发育特征，提出了综合机械化控水安全开采预测分析及优化综合技术，研究成果在皖北煤电集团、兖矿集团等煤矿进行应用。

曾获国家科技奖励情况：无

（11）姓名：官云章

排序：第11位

技术职称：研究员

工作单位：兖矿集团有限公司

完成单位：兖矿集团有限公司

对本项目技术创造性贡献：配合实施了水文地质精细探查工作；在兖矿集团杨村等煤矿推广应用微地震监测系统和地音监测系统，实现了岩体破裂时空演化规律的监测。

曾获国家科技奖励情况：无

（12）姓名：范炜琳

排序：第12位

技术职称：高级实验师

工作单位：山东科技大学

完成单位：山东科技大学

对本项目技术创造性贡献：改进了大比例数控机械动压模拟实验系统及模拟方法，并对数据进行了处理分析。

曾获国家科技奖励情况：无

（13）姓名：辛恒奇

排序：第13位

技术职称：研究员

工作单位：山东能源新汶矿业集团责任有限公司

完成单位：山东能源新汶矿业集团责任有限公司

对本项目技术创造性贡献：协助完成了巷道及工作面前方小构造的预测工作；在新汶矿业集团所属煤矿推广应用了KJ743煤岩应力无线监测系统、岩体导水裂隙发育智能监测系统及工作面底板三维电法动态监测系统，成功预测了深部突水通道。

曾获国家科技奖励情况：无

（14）姓名：黄屹峰

排序：第14位

技术职称：高级工程师

工作单位：尤洛卡矿业安全工程股份有限公司

完成单位：尤洛卡矿业安全工程股份有限公司

对本项目技术创造性贡献：研发了新型加固和封堵高分子树脂材料及快速注浆成套设备；提出了注浆改造、快速封堵与疏水降压相结合的综合治理方法。

曾获国家科技奖励情况：无

（15）姓名：尹立明

排序：第15位

技术职称：讲师

工作单位：山东科技大学

完成单位：山东科技大学

对本项目技术创造性贡献：参与研制了真三轴流固耦合实验系统，改进了试验及测量方法，提高了测量精度。

曾获国家科技奖励情况：无