2019 年度高等学校科学研究优秀成果奖

（科学技术）推荐项目公示材料

【申请奖种】科学技术进步奖

【项目名称】煤层突出危险电法精细化探测与区域水力消突理论与技术

【推荐单位】北京科技大学

【项目简介】

煤炭是我国的基础能源，2018 年原煤产量达 36.8 亿吨，占一次能源消费比重达

59.0%。煤与瓦斯突出是我国煤矿开采过程中最主要灾害之一，发达国家普遍暂缓开发突出矿井。截至 2018 年，我国高瓦斯和突出矿井数量已逼近 2400 座，约占总量的 1/4。随着

矿井开采深度的快速增加（延伸速度平均约 20 米/年），煤与瓦斯突出灾害威胁愈发严

重，亟需研发系统、高效、可靠的突出危险探测与防治技术。本项目在国家 973 课题、自然科学基金项目等的支持下，针对这一难题进行了创新性研究并推广应用，取得了显著的安全与经济效益。主要创新成果如下：

1、研究揭示了煤层突出危险区域演化特征及电法精细探测机理

研究揭示了受载煤体破裂过程的能量耗散特征，建立了采动空间突出危险区域能量平衡及熵平衡方程，揭示了危险区域的能量耗散与裂隙结构演化过程；研究了煤体吸附-解吸瓦斯与受载破裂过程电阻率响应特征规律，发现了能量耗散与裂隙结构演化诱发煤体扩容导致的电阻率突变现象，揭示了电阻率变化与受载煤体结构演化的耦合规律，为煤层突出危险电法精细探测及水力消突奠定了理论基础。

2、研发了煤层突出危险直流电法精细探测技术与方法

研究得到了高应力环境煤层构造发育区、破碎带、裂隙发育区及富水区等不同区域煤体视电阻率差异化响应特征规律，发明了基于直流电法的突出危险判识方法，研发了配套技术装备，确定了精细探测关键技术参数；建立了突出危险采煤工作面区域探测及掘进工作面超前探测技术方法，实现了对突出危险区域的时空连续、可视化探测，为区域消突提供了准确依据。

3、研发了煤层突出危险区域水力消突关键技术与装备

我国煤矿地质条件复杂，煤层赋存差异性大。根据煤层瓦斯地质条件、煤岩力学特性等因素，基于煤层能量耗散与结构演化过程，研究揭示了突出危险区域水力消突机理；研发了新型超高压区域水力消突关键技术与装备，试验确定了现场实施关键技术参数；研究确定了上述新技术装备的适用范围及工艺流程，形成了突出危险区域水力消突新方法，实现了对不同类型突出危险煤层的卸压、增透、改性与区域消突。经在 18 个煤矿成功应用， 使消突时间缩短了 30%以上，巷道掘进速度提高 1~2 倍，施工成本平均降低 15%以上。

4、建立了突出危险煤层区域水力消突效果检验技术体系

突出危险煤层消突效果检验是突出灾害防治极为重要的环节。本项成果实验揭示了煤体受载破裂载荷、裂隙及水等因素对电阻率的耦合作用规律；建立了基于直流电法响应的突出危险煤层区域水力消突效果检验技术方法，确定了检验指标及临界值，实现了水力消突全过程的时空连续、可视化监测与检验，突破了现今消突效果“点检验”技术方法。经

现场应用，本技术方法消突检验准确率达 100%。

【主要完成单位及创新推广贡献】

1、北京科技大学

北京科技大学提出了基于煤层突出危险电法精细化探测机理的区域水力消突的研究思路，制定了煤层突出危险电法精细化探测与区域水力消突理论与技术的总体研究方案；统筹了突出危险煤层新型超高压区域水力消突关键技术与装备的研发工作，并组织现场实施；构建了突出危险煤层区域水力消突效果检验技术体系，并组织现场实施；负责了项目报告的编写工作。

2、中国矿业大学

中国矿业大学参与了项目方案设计，负责开展了煤层突出危险区域演化特征及电法精细探测机理的研究工作，揭示了危险区域的能量耗散及裂隙结构演化特征；确定了煤层突出危险直流电法精细探测与水力消突的可行性；参与研发了煤层突出危险区域新型超高压区域水力消突关键技术与装备；负责研究揭示了受载煤体破裂过程载荷、水及裂隙 3 因素对煤体电阻率的耦合作用规律及机理；参与建立了基于直流电法响应的突出危险煤层区域水力消突效果检验技术方法，研发了配套检验装备，并确定了检验指标及临界值；组织了部分现场试验及成果推广等工作。

3、永城煤电控股集团有限公司

永城煤电控股集团有限公司全力支持和配合本项目现场工作的开展。参与研发了新型超高压区域水力消突关键技术与装备，试验确定了现场实施关键技术参数；研究确定了不同新技术装备的适用范围及工艺流程；形成了煤层突出危险区域水力消突新方法，实现了对不同类型突出危险煤层的卸压、增透、改性与区域消突；参与建立了突出危险煤层区域水力消突效果检验技术体系，并成功进行了现场试验；促进本项目成果在集团公司所属矿井的推广应用。

4、河南理工大学

河南理工大学负责研究了水力措施下煤层突出危险区域瓦斯场的分布及演化规律；参与研究了受载煤体破裂过程载荷、水及裂隙 3 因素对煤体电阻率的耦合作用规律；参与研发了新型超高压区域水力消突关键技术与装备；参与确定了新型超高压区域水力消突技术装备的适用范围及工艺流程；负责组织了部分现场应用及推广工作。

5、华北科技学院

华北科技学院负责了受载煤体裂隙结构演化与电阻率变化特征耦合关系的研究工作， 实验研究了煤体受载破裂及吸附-解吸瓦斯过程电阻率响应特征规律，建立了煤体破裂过程扩容-电阻率关系模型，揭示了孔隙裂隙结构演化诱发煤体扩容导致电阻率突变的规律与机制，为煤层突出危险电法精细化探测及水力消突效果检验技术方法进行了创造性的基础研究工作。

【推广应用情况】

本项成果针对不具备保护层开采条件的突出危险煤层探测难度大、消突难度大、消突成本高等难题，研发了系统、高效、可靠的煤层突出危险电法精细化探测与区域水力消突理论与技术，成功进行了推广应用，取得了显著的安全与经济效益。从 2015 年起，在河南

能源永煤公司、焦煤公司、鹤煤公司贵州公司，阳煤集团，潞安集团及盘江精煤公司的 18

个矿井进行了成功应用，累计创造直接经济效益 6.5 亿余元，对确保突出矿井安全生产具

有重要的理论和现实意义。

通过本项成果，研究揭示了煤层突出危险区域演化特征及电法精细探测机理，研发了煤层突出危险直流电法精细探测技术与方法，实现了对突出危险区域的时空连续、可视化精细探测；研发了煤层突出危险区域水力消突关键技术与装备，使现场消突时间缩短了

30%以上，巷道掘进速度提高 1~2 倍，施工成本平均降低 15%以上；建立了突出危险煤层区域水力消突效果检验技术体系，实现了对突出煤层区域水力消突全过程的连续、实时、立体化监测与检验，突破了现今消突效果“点检验”技术方法的局限性。经现场应用，本技术方法消突检验准确率达 100%。本项成果为解决我国突出危险煤层安全高效区域消突技术难题提供了关键解决方案，对促进煤炭行业科技升级具有重大意义。

【曾获科技奖励情况】

【主要知识产权证明目录】

【主要完成人情况表】