【正文】 (三 )重油高效潔凈轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計制備和過程調(diào)控方法 重油經(jīng)梯級分離過程脫除殘渣后，可以得到轉(zhuǎn)化性能較好的催化裂化原料和轉(zhuǎn)化性能較差的加氫處理原料 (必須經(jīng)過進一步處理才可作為催化裂 化進料 )，基于對重油梯級分離窄餾分中“可轉(zhuǎn)化”分子與“不可轉(zhuǎn)化”分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分36 36 布特點及其在催化轉(zhuǎn)化過程中相互影響規(guī)律的認識，通過催化材料的創(chuàng)新和催化劑制備方法的創(chuàng)新，設(shè)計和制備適合于不同梯級分離餾分高效轉(zhuǎn)化的催化劑及重油加工產(chǎn)品加氫改質(zhì)催化劑，并發(fā)展相應(yīng)的催化轉(zhuǎn)化新工藝，是重油高效潔凈轉(zhuǎn)化的最終實現(xiàn)。 (3)獲得對重油殘渣氣化規(guī)律的系統(tǒng)認識，提出具有低二氧化碳排放的氣化劑組成和適合于工業(yè)化操作的重油殘渣氣化工藝參數(shù)。主要研究內(nèi)容為： (1)針對耦合多相流動、傳質(zhì)及快速非平衡相變分離的重油梯級分離耦合殘渣造粒過程，發(fā)展強化萃取、脫殘渣油多級分離、殘渣噴霧造粒及輸送的新方法。 (3)了解重油殘渣的物理化學性質(zhì)，研究殘渣氣化制氫的熱力學與動力學，發(fā)展適合于重油殘渣氣化的造氣體系、進料方式和反應(yīng)器 構(gòu)型，形成重油殘渣氣化制氫的工藝流程，為百萬噸級的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。為給這一關(guān)鍵技術(shù)的突破提供解決方案，必須解決以下基礎(chǔ)問題： (1)深入認識“可轉(zhuǎn)化”和“不可轉(zhuǎn)化”分子在超 臨界流體萃取窄餾分中的分布規(guī)律，發(fā)展適當?shù)幕瘜W預(yù)處理方法和物理強化方法，提高梯級分離過程對不同來源劣質(zhì)重油的適應(yīng)性和強化梯級分離過程的傳質(zhì)。 (二 )重油梯級分離和殘渣氣化過程的放大規(guī)律及設(shè)計方法 重油梯 級分離的核心在于，基于超臨界流體對重油中“可轉(zhuǎn)化”分子和“不可轉(zhuǎn)化”分子的選擇性分離能力，以最大限度地獲得可供催化轉(zhuǎn)化的原料為目標，盡可能地將“不可轉(zhuǎn)化”分子富集在重油殘渣中，并根據(jù)轉(zhuǎn)化性能的優(yōu)劣依次將35 35 “可轉(zhuǎn)化”分子分離為催化裂化原料和加氫處理原料。 (2)認識重油中“可轉(zhuǎn)化”與“不可轉(zhuǎn)化”分子在超臨界流體萃取體系中的相平衡性質(zhì)，發(fā)展高選擇性甄別“可轉(zhuǎn)化”與“不可轉(zhuǎn)化”分子的溶劑萃取體系。 針對上述問題的解決，設(shè)置“重油梯級分離與轉(zhuǎn)化 的化學基礎(chǔ)” 1 個課題。 (2)認識超臨界狀態(tài)下重油分子群相間轉(zhuǎn)移配分的規(guī)律，建立分子熱力學模型，克服假組分熱力學模型的局限性，指導梯級分離體系的優(yōu)選。 33 33 項目名稱： 重油梯級分離與高效轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究 首席科學家： 鮑曉軍 中國石油大學（北京） 起止年限： 2020 年 1 月 2020 年 8 月 依托部門： 中國石油天然氣集團公司 教育部 34 34 一、研究內(nèi)容 (一 )重油復(fù)雜多層次組成－結(jié)構(gòu)－性質(zhì)及催化轉(zhuǎn)化化學 發(fā)展在分子水平上研究重油組成、結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)的系統(tǒng)表征手段和理論解析方法，揭示“可轉(zhuǎn)化”與“不可轉(zhuǎn)化”重油分子在不同沸程超臨界流體萃取窄餾分中的分布規(guī)律，闡明其在加氫處理催化劑及催化裂化催化劑上的轉(zhuǎn)化行為，特別是“不可轉(zhuǎn)化”分子對“可轉(zhuǎn)化”分子轉(zhuǎn)化行為的影響及其與催化劑酸性和孔道結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是指導重油梯級分離溶劑體系優(yōu)化、梯級分離過程強化和梯級分離組分轉(zhuǎn)化催化劑設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 第五年度：研究成果匯集、驗證和項目總結(jié)階段（ 2020 年） 構(gòu)建煤 、巖石沖擊傾向性判別準則；揭示深部煤礦動力災(zāi)害的致災(zāi)機理；揭示深部開采誘致覆巖運動與采動應(yīng)力場時空分布對動力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機理； 建立開采擾動下深部巖體動力災(zāi)害的能量分析體系；建立適合我國煤礦深部動力災(zāi)害綜合防治的理論與技術(shù)體系。 第四年度：主要研究階段（ 2020 年） 研究煤巖石礦物成分和細觀結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述；研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)面變形和斷層錯動過程中超低摩擦效應(yīng)和動力響應(yīng)特征；建立覆巖空間結(jié)構(gòu)運動與采動應(yīng)力場耦合過程中的應(yīng)力突變、能量激增的非線性動力學模型；提出基于能量突變的深部巖體失穩(wěn)破壞的能量準則；研究優(yōu)化開采設(shè)計32 32 防治煤礦深部動力災(zāi)害的理論和動力災(zāi)害解危技術(shù)方法。 第三年度：主要研究階段（ 2020 年） 研究煤層斷層褶曲構(gòu)造特征與構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律，建立地球物理信號精細探測響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測方法；探討不同尺寸結(jié)構(gòu)煤巖體的變形機制、結(jié)構(gòu)面效應(yīng)和破壞準則；研究“局部應(yīng)力異常 — 局部微震”的深部動力災(zāi)害的多尺度觸發(fā)機制、孕災(zāi)過程及判別準則；從能量角度研究深部巖體強沖擊破壞和強流變失穩(wěn)的力學機理、觸發(fā)條件；建立深部煤巖動力災(zāi)害的多參量前兆信息識別理論。 發(fā)表論文 30 篇，申請專利 2 項，培養(yǎng) 博士 后與 博士生 5 名，出版專著 1 部。 發(fā)表論文 10 篇。 針對各課題的研究需求， 選擇 23 個典型工程 ；開展相關(guān)資料的調(diào)研和分析，廣泛匯聚 煤炭深部開采中的動力災(zāi)害機理與防治 方面的研究資料，為全面開展 研究 工作做好準備。項目將設(shè)立專家工作組，由各課題負責人和國內(nèi)外本領(lǐng)域知名專家組成，嚴格按照國家重點基礎(chǔ)研究規(guī)劃項目的管理條例實行動態(tài)管理，定期舉行有 本領(lǐng)域國內(nèi)外知名學者參加的國際學術(shù)研討會和課題負責人工作會議，確保項目內(nèi)容的順利完成。 項目將采取首席科學家負責制，實行首席科學家與課題負責人兩級責任管理；設(shè)立學術(shù)咨詢專家組進行指導和監(jiān)督，建立定期檢查制度。工業(yè)計算機斷層掃描系統(tǒng)（ ICT）、 EHFEG200KN 型全數(shù)字液壓伺服實驗系統(tǒng)、 EHFUG500KN 型全數(shù)字液壓伺服三軸實驗系統(tǒng)、 AutoGraph AGSH5KN 型精密電子萬能實驗機、 1000噸級的多功能真三軸特大型試驗機，三維多功能巖層控制實驗系統(tǒng)、 20MN 高溫高壓伺服控制巖體三軸試驗機、 MTS815 電液伺服材料試驗系統(tǒng)、煤巖體水力致裂試驗系統(tǒng)、 SEM 高溫疲勞實驗系統(tǒng)、 SPM9500J2 型掃描探針顯微鏡、高速攝影機、 TVS8000KⅡ紅外熱成像儀、 PhotoStress Plus System 反射式光彈儀系統(tǒng)、大尺度激光表面粗糙儀、高性能并行計算機、 HP8000 圖形工作站、 DELL 1400SC型服務(wù)器等高端計算機和虛擬現(xiàn)實開發(fā)及顯示投影系統(tǒng) 、先進的巖土工程數(shù)值模擬計算軟件 ANSYS、 ABAQUS、 FLAC3D、 UDEC3D、 PFC 等為 項目 研究提供了良好的條件。 （ 2）實驗室工作基礎(chǔ) 中國礦業(yè)大學（北京、徐州）“煤炭資源與安全開采”和“深部巖體力學與地下工程”兩個國家重點實驗室具有較扎實完善的研究基礎(chǔ)， 實驗室擁有一批高性能的先進設(shè)備，包括 國內(nèi)第一臺可供固體樣品微區(qū)分析的激光微探針 飛行時30 30 間型二次 離子質(zhì)譜儀，可做正負離子及同位素組成微區(qū)分析；粉末 X 射線衍射儀和原子吸收光譜儀，可供物相、礦物的定量和伴生元素的測定； X 射線熒光光譜儀，可供煤中主量和微量元素的測定；帶能譜儀的掃描電鏡、 MPVIII 顯微鏡光度計，精密偏光顯微鏡、高速離心機、顯微 FTIR 光譜儀、微波消解儀等分析儀器。采用微地震監(jiān)測技術(shù)分析了煤礦沖擊地壓前兆信息，通過追蹤巖石破裂在空間上的發(fā)展，成功地揭示了沖擊地壓發(fā)生的機理，為預(yù)測沖擊地壓、確定解放層參數(shù)等提供了依據(jù)；成功地實施 了煤層卸載爆破、深孔斷頂爆破、開采保護層、合理開采布置等技術(shù)來防治煤礦沖擊地壓，積累了豐富的經(jīng)驗。 在深部煤礦巖層運動與采動應(yīng)力場分布規(guī)律方面，北京科技大學、山東科技大學、煤炭科學研究總院、安徽理工大學等單位運用高精度微地震定位技術(shù)監(jiān)測了深部開采條件下多種邊界條 件采場覆巖空間結(jié)構(gòu)的運動規(guī)律和應(yīng)力場遷移規(guī)律、巖體三維空間破裂規(guī)律，提出了長壁采場覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，并成功應(yīng)用于評價沖擊地壓發(fā)生的可能性、預(yù)計礦井瓦斯涌出量、預(yù)計關(guān)鍵層運動及采場頂板壓力；系統(tǒng)地研究了覆巖空間結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力場分布特征；通過數(shù)值分析方法模擬研究了采場圍巖結(jié)構(gòu)工程響應(yīng)特征、三維應(yīng)力場分布特征，提出用采煤工作面三維“應(yīng)力殼”觀點來解釋了采煤工作面周圍的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。 針對工程擾動誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的問題， 利用實驗和數(shù)值分析手段，研究了不同誘發(fā)因素下巖體失穩(wěn)以及工程體的響應(yīng)規(guī)律；提出了放炮震動誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)的能量判別準則；模擬分析了不同煤層厚度、原巖應(yīng)力和頂?shù)装鍎偠葪l件下，采場煤巖體的應(yīng)力場和彈性應(yīng)變能的變化規(guī)律和分布特征；運用能量 方法，提出了放炮震動誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)的能量判別準則 ； 基于能量耗散原理的煤巖體沖擊地壓機理與破壞分析 ， 建立了基于非平衡態(tài)熱力學的沖擊地壓失穩(wěn)的判斷方法 。 在 深部煤礦工程動力響應(yīng)與動力災(zāi)害的致災(zāi)機理方面， 中國礦業(yè)大學（北京 、徐州 ） 、四川大學、遼寧工程技術(shù)大學等單位利用先進的科學實驗手段和分析方29 29 法 研究了 不同 加載條件下沖擊傾向性煤巖體的變形破壞 規(guī)律 以及細觀破裂演化誘致煤巖體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的機理 ；深部煤巖體的微結(jié)構(gòu)特征、裂隙特征和塊系結(jié)構(gòu)特征，以及深部煤巖組合試件的拉伸、壓縮響應(yīng)、動力學特性和深部煤巖結(jié)構(gòu)的變形破壞規(guī)律；深入地 闡述了沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)在機理和條件 ； 基于能量耗散與釋放原理 ， 從理論上探討巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與巖石強度和整體破壞（災(zāi)變）的內(nèi)在聯(lián)系 。 形成 了一支多學科交叉、老中青結(jié)合、以優(yōu)秀中青年科學家為骨干、具有良好合作基礎(chǔ)的研究團隊 ， 為本項目的順利實施提供了人才保障。 研究隊伍由 30 名學術(shù)骨干組成，其中 教授 /研究員 20 名，副教授 /高工 8名，博士學位獲得者 26 人，并長期工作在科研、教學、實驗室和工程現(xiàn)場一線。 項目依托單位擁有 2 個國家重點實驗室和教育部 等 8 個省部 級 重點實驗室 。 （四）取得重大突破的可行性分析 1．學科與隊伍優(yōu)勢 項目 依托中國礦業(yè) 大學 、煤炭科學研究總院、四川大學、北京科技大學、遼寧科技大學、安徽理工大學和山東科技大學 等相關(guān)研究領(lǐng)域的優(yōu)勢單位 ，集中各相關(guān)研究單位的優(yōu)勢共同研究深部煤礦動力災(zāi)害的基礎(chǔ)理論，而且這些單位承擔過本領(lǐng)域國家 973 項目、國家自然科學基金重大項目、國家科技支撐項目等一批國家重大科學研究計劃。 27 27 圖 3 總體技術(shù)路線圖 （三）創(chuàng)新點與特色 本項目突出深部開采的空間范圍大、強度高、擾動劇烈、動壓危害大、介質(zhì)屬性復(fù)雜的特點，開展高應(yīng)力 、強卸荷、反復(fù)擾動共同作用下動力災(zāi)害孕災(zāi)過程的系統(tǒng)研究，成果體現(xiàn)形式既有機理層面的探討、又有理論與方法層面的研究，同時還有應(yīng)用層面的工程實踐，不僅可推進相關(guān)學科的進展， 也是我國 資源開發(fā) 可持續(xù)發(fā)展所迫切需要解決的重大問題。 以新汶礦業(yè)集團、開灤礦業(yè)集團和雞西礦業(yè)集團等動力災(zāi)害礦井為對象， 通過監(jiān)測、分 析井巷和采場附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動等前兆信息的多參量動態(tài)變化趨勢，研究煤巖體在變形破壞過程中的各種前兆信息及其耦合特征、變化規(guī)律和演變機理，建立深部煤巖動力災(zāi)害的多參量前兆信息識別理論與預(yù)警模型，研究優(yōu)化開采設(shè)計防治煤礦深部動力災(zāi)害的理論和動力災(zāi)害解危技術(shù)方法，建立適合我國煤礦深部動力災(zāi)害綜合防治的理論與技術(shù)體系。沖擊地壓、頂板大面積來壓 、礦震發(fā)生的本質(zhì)就是承受高地應(yīng)力的采場巷道周圍煤巖體內(nèi)，積聚大量彈性能量突然釋放的過程。 改變傳統(tǒng)的 以純煤、頂?shù)装鍘r石試樣的物理力學性質(zhì)為基礎(chǔ)的研究 方式 ， 針對 深部煤炭的集中開采強烈擾動下 煤巖體斷續(xù)節(jié)理結(jié)構(gòu)的特點，研究巖石破裂后繼續(xù)破碎過程中強度衰減的真實演化規(guī)律，考察斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及 破裂后的變形破壞特征，研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)面變形和斷層錯動過程中超低摩擦效應(yīng)和動力響應(yīng)，揭示深部煤巖 峰后 力學響應(yīng)、失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動力失穩(wěn)控制對策。 應(yīng)用地震勘探和測井理論與技術(shù)，建立地球物理信號精細探測響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測方法，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀力學性質(zhì)與動力突出之間的關(guān)系 。 圖 2 總體學術(shù)思路 分析模型 1. 地質(zhì)賦存條件與深部動力災(zāi)害相關(guān)性的分析模型 3. 動力災(zāi)害激增互饋 作用與 多尺度非線性動力學模型 致災(zāi)機制 律與多因素耦合致災(zāi)機理 理論與技術(shù)體系 治理論與技術(shù)體系 地質(zhì)賦存條件對深部煤礦動力災(zāi)害的作用機制及量化分析方法 深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應(yīng)特征 采動應(yīng)力分布和能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機理 深部煤礦動力災(zāi)害的多參量監(jiān)測預(yù)警與防治的理論與關(guān)鍵技術(shù) 煤炭深部開采中的動力災(zāi)害機理與防治基礎(chǔ)研究 四個關(guān)鍵科學問題 研究對象：深部煤礦動力災(zāi)害 研究方法 工程調(diào)研 室內(nèi)測試 理論研究 數(shù)值仿真 現(xiàn)場監(jiān)控 綜合防治 研究基礎(chǔ) 采礦科 學 煤田地質(zhì)學 巖體力學 非平衡態(tài) 熱力學 地球物理 學 非線性動力學 結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定理論 災(zāi)變學 綜合研究方法 多學科交叉與集成 26 26 以深部煤巖結(jié)構(gòu)在應(yīng)力場、構(gòu)造場以及震動波作用下的動力響應(yīng)為基礎(chǔ)，研究微震、聲發(fā)射以及電磁輻射的前兆信息特征參數(shù)及其 臨界值，揭示前兆信息多參量與應(yīng)力、煤巖結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)、能量耗散以及震動波強度之間的關(guān)系，形成煤巖動力災(zāi)害的多參量監(jiān)測理論與預(yù)警技術(shù)。 25 25 三、研究方案 （一）學術(shù)思