【正文】 1. 深部煤礦動力災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造條件、原巖應(yīng)力特征及相互作用機制 研究我國深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)性質(zhì)與動力突出之間的關(guān)系，從本質(zhì)上把握煤、巖石的宏觀力學(xué)特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性；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(xì)探測響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測方法；研究煤巖石礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述，構(gòu)建煤、巖石組分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)沖擊傾向性 的判別準(zhǔn)則。 3．深部采動應(yīng)力場時空分布規(guī)律及對動力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機 理 研究深部高地應(yīng)力與強開采條件下覆巖破斷方式、覆巖空間結(jié)構(gòu)形式和運動規(guī)律，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)模式與動力災(zāi)害的關(guān)系模型；研究“覆巖空間結(jié)構(gòu) 空間應(yīng)力場 區(qū)域性沖擊”與“局部應(yīng)力異常 局部微震”的多尺度深部動力災(zāi)害的觸發(fā)機制、孕災(zāi)過程及判別準(zhǔn)則，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(xué)模型；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。 5．深部煤礦動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警理論與綜合防治方法 23 23 研究煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的不同信息前兆特征及其耦合特征、變化規(guī)律和演變機理；探索煤巖動力破壞全過程的可測信息特征及變化規(guī)律；建立深部煤巖動力災(zāi)害的多參量前兆信息識別理論；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。 在國內(nèi)外 核心 學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 150 篇 以上， 其中 SCI、 EI 收錄 論文 100篇以上，有重要國際影響的論文 20 篇以上，出版著作 35 部。在 深部煤礦動力災(zāi)害預(yù)測與防治研究 領(lǐng)域，取得一批具有國際影響的研究成果。建立國內(nèi)一流 深部煤礦動力災(zāi)害 研究平臺，完成 12 個深部煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測與防治的示范工程，為 我國煤炭工業(yè)的可持續(xù) 發(fā)展 奠定 理論與技術(shù) 基礎(chǔ)。以巖層運動、礦山壓力和地質(zhì)力學(xué)思想為指導(dǎo)，以地球物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)和災(zāi)變學(xué)為主要手段和方法，重點研究深部煤礦動力災(zāi)害的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)、采動環(huán)境下力學(xué)條件變化以及由此引發(fā)的煤巖體在“時間 空間 強度”方面的動力響應(yīng)規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，研究這種動力響應(yīng)規(guī)律在物理場、能量場以及相互作用效應(yīng)的監(jiān)測原理，為建立監(jiān)測預(yù)警和控制技術(shù)體系奠定理論基礎(chǔ)，總體學(xué)術(shù)思路見圖 2。 （二）技術(shù)路線 本項目將采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值仿真和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的研究方法對深部煤礦動力災(zāi)害的災(zāi)變機制及其防護措施開展深入細(xì)致的研究工作。 采用掃描電鏡、工業(yè) CT、核磁共振、數(shù)字散斑等先進的觀測手段 , 考察深部煤巖體的微結(jié)構(gòu)特征、裂隙特征和塊系結(jié)構(gòu)特征 , 從本質(zhì)上把握煤、巖石宏觀力學(xué)特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性；研究煤巖石礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述，構(gòu)建煤、巖石沖擊傾向性判別準(zhǔn)則。 深部煤礦動力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造 條件與采動應(yīng)力分布和能量場的時空演化關(guān)系密切。從能量角度研究深部巖體動力失穩(wěn)的力學(xué)機理，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)力與能量突變的非線性動力學(xué)模型，進而提出深部動力災(zāi)害的多尺度觸發(fā)條件、失穩(wěn)判別準(zhǔn)則和能量分析體系。 總體技術(shù)路線框圖（見圖 3）。 本項目的創(chuàng)新點和特色 具體體現(xiàn)在： 1. 從深部煤巖體動力破壞過程中能量積聚和釋放的本質(zhì)特征出發(fā)，針對深部煤巖體結(jié)構(gòu)的斷續(xù)屬性，探討 采動應(yīng)力與能量場的時空演化規(guī)律、相互作用及多因素耦合致災(zāi)機理，揭示深部煤礦動力災(zāi)害孕育和發(fā)生的能量積聚、傳遞、轉(zhuǎn)化與釋放規(guī)律， 提出基于能量突變的深部 煤 巖體 動力 失 穩(wěn)破壞的判別準(zhǔn)則； 2. 針對動力災(zāi)害誘發(fā)不同類型繼發(fā)性災(zāi)害的特點，探索局部動力災(zāi)害誘發(fā)繼發(fā)性災(zāi)害與頂板整體失穩(wěn)的力學(xué)機理，揭示動力災(zāi)害激增機制及其與支護體系的互饋效應(yīng)，建研究方法 資料收集 工程地質(zhì)資料 現(xiàn)場監(jiān)測資料 動力災(zāi)害資料 理論研究 非平衡態(tài)熱力學(xué) 系統(tǒng)災(zāi)變理論 斷續(xù)巖體力學(xué) 能量耗散與釋放 數(shù)值仿真 有限元 離散元 DDA 實驗與 模擬 研究 巖石力學(xué)試驗 相似模型實驗 多參量監(jiān)測試驗 現(xiàn)場研究 現(xiàn)場監(jiān)測 現(xiàn)場工業(yè)試驗 研究 系統(tǒng)集成 深部煤礦動力災(zāi)害多參量耦合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及災(zāi)變地質(zhì)條件判別準(zhǔn)則 ? 建立地質(zhì)賦存條件與深部動力災(zāi)害相關(guān)性的量化分析模型 ? 揭示高應(yīng)力和強卸荷共同作用下 組合煤巖體變形破壞過程中的動力響應(yīng)特征 ? 揭示深部煤巖動力災(zāi)害多因素耦合致災(zāi)機理和時空演化規(guī)律 ? 提出煤礦深部動力災(zāi)害預(yù)測與主動解危的理論和方法 研究目標(biāo) 深部煤礦動力災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造條件、原巖應(yīng)力特征及相互作用機制 深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律及其動力響應(yīng)特征 深部采動應(yīng)力場時空分布規(guī)律及對動力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機理 深部開采過程中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)害的監(jiān)測預(yù)警理論與綜合防治方法 研究內(nèi)容 28 28 立考慮動力災(zāi)害激增機制與支護體系互饋效應(yīng)的深部礦井復(fù)合動力災(zāi)害的多參數(shù)分析模型； 3. 針對深部開采條件下覆巖空間結(jié)構(gòu)運動與采動應(yīng)力場耦合特點以及應(yīng)力與能量突變的動力學(xué)過程，建立“覆巖空間結(jié)構(gòu) 空間應(yīng)力場 區(qū)域性沖擊”與“局部應(yīng)力異常 微震”的深部動力災(zāi)害多尺度非線性動力學(xué)模型，從而揭示不同尺度、不同量級動力災(zāi)害相互耦合的孕災(zāi)過程和觸發(fā)機 制； 4. 借助數(shù)據(jù)融合中的主元素分析方法，通過監(jiān)測不同地質(zhì)條件下采動誘發(fā)的微震等多參量前兆信息，建立前兆信息、致災(zāi)因子與動力災(zāi)害危險性關(guān)系的量化分析模型，提出煤礦深部動力災(zāi)害預(yù)測與主動解危的理論和方法，實現(xiàn)從被動救災(zāi)向主動防災(zāi)的重大轉(zhuǎn)變。研究隊伍集中了國內(nèi)煤礦動力災(zāi)害的主要研究力量，對相關(guān)研究內(nèi)容已經(jīng)進行了長期的研究，取得了一系列研究成果。項目組邀請了 5 位院士擔(dān)任學(xué)術(shù)顧問（錢鳴高、宋振琪、周世寧、謝和平、彭蘇萍）。有國家杰出青年基金獲得者 2 人、 “百千萬人 才工程 ”國家級人選 5 人、 “孫越崎青年科技獎 ”獲得者 7 人、教育部 “新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃 ”1 人， 部分研究骨干曾作為 國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和 3 個 教育部創(chuàng)新團隊 的成員 。 2．工作基礎(chǔ)優(yōu)勢 （ 1）研究 基礎(chǔ)與工作積累 項目組人員 長期從事煤礦 工程 災(zāi)害 孕災(zāi) 的地質(zhì)構(gòu)造條件 、煤巖體力學(xué)特性、致災(zāi)機理 、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及監(jiān)測預(yù)警與綜合防治 等 方面 的 基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用研究，特別是近五年來，結(jié)合我國能源與煤炭 科技的重大需求，通過參加和完成國家自然科學(xué)基金重大項目“深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用”， 973 項目“災(zāi)害環(huán)境和工程擾動過程中應(yīng)力傳遞與能量釋放規(guī)律及自適應(yīng)調(diào)控”、自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目“礦山巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論研究與工程應(yīng)用”、國家科技支撐項目“深部開采煤巖動力災(zāi)害多參量識別與解危關(guān)鍵技術(shù)及裝備”等項目研究，在深部煤礦工程動力響應(yīng)與動力災(zāi)害的致災(zāi)機理、深部煤礦巖層運動與采動應(yīng)力場分布規(guī)律、 深部煤礦動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警與綜合防治理論等方面取得了重要進展， 在國內(nèi)外形成了初步影響，完成了為完成本項目研究奠定了基礎(chǔ)。指出內(nèi)部能量耗散與能量釋放是控制巖石損傷至整體破壞的兩個不同的物理力學(xué)過程，能量耗散使巖石產(chǎn)生損傷，并導(dǎo)致巖性劣化和強度喪失；能量釋放則是引發(fā)巖石整體突然破壞的內(nèi)在原因 ； 給出了基于能量耗散的損傷與強度喪失準(zhǔn)則和基于可釋放應(yīng)變能的整體破壞準(zhǔn)則。 在 Lippmann沖擊地壓基本理論的基礎(chǔ)上，建立了沖擊地壓三維力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析了煤層整體突出前臨界狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況；得出了更合理的煤層突出范圍度量指標(biāo)以及煤層整體平動式突出傾向性的判定方法。 在深部煤礦動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警與綜合防治理論方面， 北京科技大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（徐州）、煤炭科學(xué)研究總院等單位研究了礦震構(gòu)造活動型、頂 板斷裂沖擊型和煤柱沖擊型三種不同震源機制，分析了礦震孕育、發(fā)生與開采過程的關(guān)系；建立了開采擾動勢模型，揭示了礦震發(fā)生及其規(guī)模與開采深度、開采量、斷層構(gòu)造和應(yīng)力環(huán)境的關(guān)系，解決了定量預(yù)測礦震發(fā)生時間、空間和強度的難題；開發(fā)出采礦地球物理方法－電磁輻射預(yù)測礦井動力災(zāi)害技術(shù)，研制出“便攜式電磁輻射沖擊地壓（突出）監(jiān)測儀”，并成功地進行了現(xiàn)場試驗和應(yīng)用。 項目組長期從事煤礦動力災(zāi)害研究，在 新汶、徐州、兗州、大屯、鶴崗、華亭、平頂山、義馬、邯鄲、豐城、南桐、鄂爾多斯等地區(qū) 開展了煤礦動力災(zāi)害的防治工作 ，為 本項目 研究提供了有利條件。同時擁有 Disp24 通道巖層失穩(wěn)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、 TDS6 微震信號采集系統(tǒng)、地應(yīng)力測試系統(tǒng)、 RIS K2 地質(zhì)力學(xué)探測雷達(dá)、鉆孔紅外成像儀、多波地震儀、瞬變電法儀等工程物探儀器和開發(fā)平臺，由 17 套服務(wù)器和工作站與大型軟件構(gòu)成的煤 礦高分辨三維地震資料處理解釋系統(tǒng)等，可對深部煤巖材料變形破裂過程中的聲發(fā)射、電磁輻射、微震等效應(yīng)進行測試研究。 （ 3） 項目組織與管理方式 以國內(nèi)長期從事預(yù)防煤礦煤礦動力災(zāi)害技術(shù)及基礎(chǔ)研究、并與國際同行具有廣泛合作交流的中國礦業(yè)大學(xué)（北京、 徐州）作為項目申報單位，聯(lián)合我國本領(lǐng)域科研實力最強的煤炭科學(xué)研究總院、北京科技大學(xué)、四川大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、山東科技大學(xué)和安徽理工大學(xué)等骨干單位，形成跨部門、多學(xué)科交叉的整體聯(lián)合研究隊伍。項目擬分為 6個課題，課題負(fù)責(zé)人對首席科學(xué)家負(fù)責(zé)，并接受咨詢專家監(jiān)督。 31 31 四、年度計劃 第一年度：項目 啟動協(xié)作 階段（ 2020 年） 組建項目專家組和管理組，制定項目運作、協(xié)調(diào)和管理方案，完成課題及專題的詳細(xì)論證，編制課題和專題的計劃任務(wù)書，落實具體研究計劃，全面啟動研究工作。 研究我國深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀 力學(xué)性質(zhì)與動力突出之間的關(guān)系；研究深部煤巖石在載荷作用下 (包括加載和卸荷 )破裂后演化（后破裂）規(guī)律及其力學(xué)特性，探索煤、巖石微結(jié)構(gòu)、裂隙分布特性對巖石破裂及其演化的影響規(guī)律；研究深部高地應(yīng)力與強開采條件下覆巖破斷方式、覆巖空間結(jié)構(gòu)形式和運動規(guī)律，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)模式與動力災(zāi)害的關(guān)系模型；研究深部原巖應(yīng)力場與動態(tài)開挖耦合條件下的煤巖體動力失穩(wěn)破壞的機理及觸發(fā)條件；研究煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的不同信息前兆特征及其耦合特征、變化規(guī)律和演變機理。 第二年度：主要研究階段（ 2020 年） 掌握深部 煤巖層的地應(yīng)力狀態(tài)和構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律，研究深部煤巖體的微結(jié)構(gòu)特征、裂隙特征，揭示深部煤巖層的構(gòu)造特征、深部斷層的地質(zhì)特征、深部巷道和采場圍巖的塊系結(jié)構(gòu)特征；獲取巖石破裂后繼續(xù)破碎過程中強度衰減的真實演化特征，研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)變形破壞規(guī)律；研究“覆巖空間結(jié)構(gòu) — 空間應(yīng)力場 — 區(qū)域性沖擊”的深部動力災(zāi)害的觸發(fā)機制、孕災(zāi)過程及判別準(zhǔn)則；揭示開挖過程中原巖應(yīng)力場與能量場的變化規(guī)律、能量積聚與演化的時空規(guī)律以及多因素耦合災(zāi)變機理；探索煤巖動力破壞全過程的可測信息特征及變化規(guī)律。 完成項目的中期評估。 發(fā)表論文 40 篇，申請專利 2 項，培養(yǎng) 博士后與 博士生 20 名，出版專 著 1部。 發(fā)表論文 40 篇，申請專利 2 項，培養(yǎng) 博士后與 博士生 25 名，出版專著 2部。 發(fā)表論文 40 篇，申請專利 2 項，培養(yǎng) 博士后與 博士生 40 名，出版專著 2部。為此，需要 認(rèn)識以下幾個方面的基礎(chǔ)問題： (1)建立重油分子層次組成、結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)表征手段與理論解析方法，構(gòu)建分子層次上的組成、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)預(yù)測模型，突破重油平均結(jié)構(gòu)描述的局限。 (3)從分子層次描述重油分子在催化劑上的擴散、吸附及轉(zhuǎn)化規(guī)律，突破集總動力學(xué)采用平均組成結(jié)構(gòu)對重油轉(zhuǎn)化機理描述的局限性，指導(dǎo)重油輕質(zhì)化催化劑的研究開發(fā)。主要研究內(nèi)容為： (1)建立將重油化學(xué)向分子層次推進的重油組成－結(jié)構(gòu)－物理化學(xué)性質(zhì)分析表征的成套方法，系統(tǒng)揭示重油組成－結(jié)構(gòu)－物理化學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)系。 (3)系統(tǒng)研究重油分子在催化劑上的擴散、吸附及轉(zhuǎn)化行為，為構(gòu)建基于孔道結(jié)構(gòu)和酸性分布調(diào)變的重油高效潔凈轉(zhuǎn)化催化劑體系奠定理論基礎(chǔ)。因此，獲得高選擇性的分離溶劑體系、提高梯級分離過程的萃取效率及殘渣與溶劑的分離效率、實現(xiàn)萃余殘渣的綜合利用就成為重油梯級分離過程開發(fā)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。 (2)掌握重油超臨界流體萃取分離過程的傳遞規(guī)律、殘渣－溶劑體系在噴霧造粒過程中的快速相變行為、殘渣輸送過程中的多相流動特性，發(fā)展重油多級萃?。陀鄽堅?/溶劑噴霧造粒 /溶劑回收－殘渣輸送耦合過程及其關(guān)鍵裝備的設(shè)計放大方法，為百萬噸級的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 針對上述問題的解決，設(shè)置“重油梯級分離過程的放大規(guī)律與設(shè)計方法”和“重油殘渣氣化制氫過程的放大規(guī)律與設(shè)計方法” 2 個課題。 (2)在項目依托部門的支持下，完成 萬噸 /年示范裝置的運行，獲得系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)，建立過程及其關(guān)鍵裝備的設(shè)計放大方法，為重油梯級分離過程百萬噸級工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ) 。 (4)揭示引入異性顆粒改善流化性能的協(xié)同作用機制和調(diào)控規(guī)律，通過冷模、數(shù)值模擬和實驗研究結(jié)合的方法建立提升管燃燒和湍動床氣化相耦合的重油殘渣氣化制氫過程放大設(shè)計方法，為重油殘渣氣化制氫過程的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。為此，必須解決如下基礎(chǔ)問題： (1)基于對重脫殘渣油中烴類分子和非烴分子 (主要是含硫、含氮化合物以及金屬有機化合物 )在分子水平上