山西省重点实验室巡礼：矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室

伊索谗言

科技决定山西未来发展，创新引领三晋转型升级。作为科技创新体系的重要组成部分，重点实验室已成为孕育重大原始创新、助力高质量发展的重要科技气力。比年来，按照省委省政府战略摆设，山西围绕传统财产转型升级和战略性新兴财产集群发展，不绝加大扶持力度和建立水平，涌现出一批引领前沿、学科交错、综合集成、国内外有影响的重点实验室，为我省2030年根本实现转型、2035年根本实现现代化目标发挥了有力的支撑作用。
为深入实施科教兴省、人才强省、创新驱动发展战略，展现山西发展的新范畴、新动能、新优势，本报与省科技厅团结推出“山西省重点实验室巡礼”系列报道。“山西省重点实验室巡礼”将视角对准全省百余家重点实验室，用生动的笔墨、出色的镜头，多角度、近间隔纪录实验室建立发展成效，多形式、立体化陈诉富有成效的创新案例和鲜为人知的创新故事，多渠道、宽范畴展示我省重点实验室比年来取得的丰硕效果。系列报道将努力把对科技创新的礼赞，以有高度、有深度、有温度的方式出现出来，为奋力推进中国式现代化山西实践作出新的更大贡献。
矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室
创新驱动科技赋能 构筑绿色矿采发展新模式
山西是我国的煤炭主产区，为国民经济与社会康健发展做出了巨大贡献。煤炭资源安全高效绿色开采是山西连续助力国民经济与社会发展的主要保障。然而，受资源整合前私挖滥采的影响，山西许多矿井的煤层履历了多重采动影响，采场的应力情况、介质属性和围岩结构等发生了显著改变，使得相近煤层开采的矿压显现异常，主要体现在：矿压强度增大、层间岩层切落失稳、覆岩联动失稳剧烈；支架工作阻力瞬间增大、立柱下缩剧增、安全阀和密封圈损坏、乳化液喷射、局部压死或漏矸；煤壁片帮与炸帮；地表缝隙增多，并出现大范围台阶下沉。除此之外，私挖滥采时期形成的老采空区通常积聚有大量瓦斯和水，往往会在采动影响下会逐渐扩逸或涌出，严重地制约着安全高效开采。山西省煤炭资源安全高效绿色开采正面临着一系列富有挑战性的新课题。

矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室（以下简称“实验室”）于2021年在山西省科学技能厅和依托单元太原理工大学的共同支持下挂牌建立，实验室主任由国家精良青年科学基金得到者冯国瑞担当。实验室面向学科发展前沿，驻足山西煤炭资源主产区，对准煤炭资源开采范畴重大需求，围绕煤炭开采中矿压显现、覆岩垮落、地表塌陷、瓦斯扩逸、突水水害等灾害涉及的关键科学技能问题，以山西煤炭“安全、高效、绿色”开采为目标，通过对矿山岩层控制及灾害防控底子理论研究、关键技能开辟和工程应用示范，系统开展矿山岩层分源联动控制理论与技能、结构充填沉陷控制与地下空间开辟、老空区积水灾害孕育机理与防控、残采区瓦斯运移规律与地面抽采等研究，完成矿山岩层控制及灾害防控底子理论创新、工程技能探索、人才培养提升和服务区域发展四项根本任务。
改造升级为老矿插上腾飞的翅膀
在西山煤电团体西曲煤矿，工人们正在对14307工作面遗煤资源举行开采。“通过对14307工作面重新优化设计，工作面的推进长度增加了505米，储量增加了39.1万吨，极大地提高了工作面的采取率。”西曲矿生产技能中心副主任宁瑞峰先容。由于14307工作面处于乡村煤柱区，地质条件比力复杂，掘进过程中除要过煤柱外，还会碰到踩空区域。为此，技能攻关小组又大胆提出了“一段一策”支护方案，实时调解优化各段巷道支护形式，采取锚杆、锚索、钢筋网等团结支护方式，安全、科学、公道、高效地提升了支护效率和效果，低沉了工人的劳动强度。

在山西省科技重大专项项目的支持下，冯国瑞领导团队攻关遗留难采煤炭资源安全绿色高采取率开采关键技能。目前，这项技能正在西曲矿投入使用，让这个老矿再次抖擞生机。“该技能效果拟开辟遗留难采煤炭资源赋存状况的全方位勘探新技能，构建遗留难采煤炭资源采场残存瓦斯地面高效协同抽采技能体系，开辟遗留难采煤炭资源采场积水水量和危险区域的针对性探查方法，研发超前注浆封堵新质料、新装置与新工艺，开辟遗煤采场围岩失稳危险域的原位探测技能，构建遗煤开采结构增稳—应力调控—物性改良的围岩失稳分源联动防控技能体系，并力图形成1个遗煤资源安全绿色高采取率开采的先导工程。”冯国瑞先容到。

该技能是团队前期山西省技能发明奖一等奖研究效果的延伸、发展与拓展。在这方面，研发了上行复采、露天复采、充填复采和综放复采等技能方法，实现了“蹬空区—浅埋深—旧采区—近间隔”等各类赋存条件下难采遗煤开采方法的革新，完善了煤炭资源开采的技能方法体系；首创了遗留难采煤炭资源开采结构充填岩移控制的技能方法，发明告终构充填“质料开辟—性能优化—装备研发”的配套工艺，研发了难采遗煤开采厚硬顶板三位一体的强矿压消减技能及工作面过煤柱群、侵入区、陷落柱时的岩层控制技能；提出了差别范例赋存空间内瓦斯地面协同抽采的技能方法，发明了难采遗煤开采瓦斯协同抽采的配套技能工艺、装置与系统，开辟了超前注浆等水害防治的遗煤开采安全保障技能。
深度开辟向“复杂遗煤”开采探路
在资源整合前，有一些私人大概小煤窑这个地方挖一点、那个地方采一点。整合以后，形成了大量残采区上覆整层遗煤或复合残采区中层遗煤。
我省遗煤资源储量占到全国的四分之一。“我们实验室开展了‘复杂条件下遗弃煤炭资源开采岩层控制底子理论与关键技能研究’，通过这项技能，遗煤资源现在可以安全开辟出来。”冯国瑞先容说，跟通例的开采主要差别就在于会出现异常的矿压现象，摸清楚遗煤开采的岩层结构是精准岩层控制的根本前提。

“这项效果研究了复杂条件下遗弃煤炭资源开采采场岩层‘应力场—变形场—结构场’的时空演化规律，掌握了其异常矿压显现规律。”聊起专业时冯国瑞依然神采奕奕、侃侃而谈：此项效果构建了复杂条件下遗弃煤炭资源开采岩层运移预测模型和岩层结构模型，举行了力学剖析，展现了岩层结构机理；构建了复杂条件下遗弃煤炭资源开采可行性判别的理论框架，提出了其开采可行性的定量判定方法；确定了复杂条件下遗弃煤炭资源开采工作面的工艺参数、巷道部署和支护形式，研发了复杂条件下遗弃煤炭资源开采支架滑倒、倾斜和失稳等动力灾害的防治技能，提出了复杂条件下遗弃煤炭资源开采柱旁充填岩移控制的技能思路，研发了柱旁充填质料与工艺，形成了基于电阻率法的充填效果监测方法。
据悉，目前，我省已经有20多家煤矿使用了此项遗煤开采技能，其经济社会效益显著。
科技支撑推进安全康健发展
“结构充填是遗煤开采岩移控制的关键技能之一。展现结构充填的耦合承载机理是遗煤开采沉陷防控的核心底子……”
提及充填开采，冯国瑞笑着说起了实验室的新技能——“乡村下压煤柱式结构充填开采理论与沉陷控制关键技能”。该效果研发了乡村下压煤“下位柱式膏体充填+上位柱旁注浆充填”多层位结构充填开采协同控制地表沉陷的新方法，展现了乡村下压煤资源多层位结构充填开采岩层控制的核心机理，掌握了乡村下压煤资源多层位结构充填开采的矿压显现规律，研发了乡村下压煤资源多层位结构充填开采的新质料，开辟了乡村下压煤资源多层位结构充填开采的关键技能工艺，革新了乡村下压煤柱式结构充填开采沉陷监测新技能，评价了乡村下压煤柱式结构充填开采岩层控制的效果。
结构充填开采作为煤矿开采的发展方向，一直以来受到充填资本高和充填效率低等影响，难以推广。结构充填开采技能可以有效制止煤炭开采带来的地面塌陷，相比短期的资金收入，企业更看重恒久的环保效益。此项技能对地表开采损害的有效控制，节流搬迁资金也是十分可观的。结构充填开采实施消除了矿区的污染源，节流了耕地，社会效益也是十分显著。
创新引领安全高效开采新模式
科技日益发展的同时，也动员了矿山灾害防治新技能水平的提高。
实验室开展的“老矿井全空间灾害防治新技能及应用研究”，这一核心技能的攻克和创新应用，不光实现了以废换“宝”，还大幅提高了矿井的“含绿量”。
“这项研究效果有利于残采区瓦斯富集区域的精准识别，可以指导残采区瓦斯地面抽采钻井井位的选择和井网的部署，实现遗煤开采的采前瓦斯高效抽采，真正实现‘化害为利’‘变废为宝’。”冯国瑞冲动地说。该效果提出了具有创新性的地面钻井井位层位精准优选技能和“低—中—高”变负压最优化调控地面抽采技能，实现了采动区瓦斯的连续最大化抽采；提出了老采空区瓦斯浓度场的分布特征，风雅分别老采空区的瓦斯富集空间，并团结老采空区含水层涌水量大、残留瓦斯压力低等特点，研发了专门的防水井身结构和老采空区地面钻井井位层位优选技能；研发了韧性强、发泡温度低、阻燃性高、可随岩层运动的复合泡沫质料及详细灌注工艺，办理了在采动区、老采空区瓦斯抽采，综采、综掘面降尘和老矿井采空区堵漏风等方面的问题。
“作为一名科技工作者，为社会经济发展提供须要的技能支撑是汗青赋予的使命和继续。”冯国瑞说，“我们要更加重视原创性的底子研究，推进颠覆性的技能创新，以学生为中心，全面建立世界一流的矿业学科。”
他体现，以后，实验室将在前期研究工作的底子上，针对遗煤开采体现出明显的多元致灾效应，聚焦遗煤开采多元灾害的孕育机理与科学防控，继续深入开展“遗留难采煤炭资源开采与灾害防控”的创新性研究，促进降损减沉，推进“绿”“减”“优”，助力煤炭开采使用方式实现厘革，构筑山西省煤炭工业的战略性竞争新优势！


泉源：山西科技报

形腿望舞

前奏不少

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