當前我國煤炭產量達47億噸，支撐我國53.2%的一次能源供給，在地下超過千米的煤海中，隱伏著瓦斯、粉塵等事故隱患，嚴重阻礙了煤炭高效開發與利用。面對傳統技術無法從根本上解決深部堅硬低滲煤層安全開采難題，從2015年起，山東科技大學安全與環境工程學院王剛教授團隊潛心鉆研工程煤巖滲流理論與災害防控關鍵技術，長期聚焦深部煤炭資源開發工程難題，在煤體結構精細表征與多物理場耦合機理研究上取得關鍵突破，成功研發出“爆裂-強滲”一體化關鍵技術及裝備，有力破解了深部開采中頂煤回采率低、瓦斯抽采難、粉塵防治效果差的共性難題，為我國煤炭資源的安全高效開采提供了堅實的科技支撐。
王剛教授(右二)在井下與施工人員討論施工方案
給煤做“CT掃描”，看清看不見的細節
煤是一種復雜的多孔介質，內部賦存大量的甲烷，煤礦災害綜合防控必須認清“應力場-裂隙場-滲流場”等多物理場狀態下的流固耦合機制，而煤體復雜結構的精細表征則是所有研究的基礎。以前，想看清煤層內部那些細微的裂縫和孔隙，就像隔著一層毛玻璃看東西，模糊不清。圍繞這個問題，團隊首先從“看清楚”煤體內部結構入手，他們自主研發了一套實時加載X-CT掃描系統，識別裂縫和孔隙的精度相對傳統方法提高50%，攻克了常規掃描無法還原多物理場耦合環境下煤體微觀結構演化過程的共性難題。關鍵技術被沙特阿拉伯國家石油公司、中科院力學所等10余家單位所應用。在此基礎上，團隊還借助低場核磁和三維地質動態反演技術，實現了煤層的“透明化”解析，極限觀測尺度從0.5微米突破到0.2微米——看清了更細微的滲流通道，為后續研究奠定了堅實基礎。
王剛教授(右一)指導研究生進行煤體滲流試驗
解密煤中流體運移的“黑匣子”，讓爆破注水“恰到好處”
聚焦煤層工程改造技術涉及的關鍵難題，王剛團隊圍繞煤體“爆裂-強滲”技術開展了一系列實驗研究及理論推導，形成“實驗探明機制+理論支撐技術”的創新路徑。在實驗研究方面，團隊首創了煤體多場多相水力壓裂-滲流-潤濕全過程六軸聯動測試方法，探明了“復雜應力場作用下煤怎么裂、水怎么流”的耦合機制。并基于此研發了適用于堅硬煤體精細控制爆破的專用炸藥，提升了精細壓爆的能量釋放效率。實驗探明了“現象”，還需要依靠理論理清“本質”。在理論解析方面，團隊建立了描述彎曲通道內流體輸運特征的滲透率分形模型，揭示了煤體全尺度動力學特征，為編寫智能分級裂化核心算法搭建了更扎實的“理論骨架”。
先“松土”后“爆破”，智能改造讓煤層“通體舒暢”
針對傳統技術改造煤體裂化程度低、均勻性差等問題，團隊創研了深部低滲煤層“爆裂-強滲”智能改造關鍵技術，提出了“預先壓裂+控制爆破”的技術構想，簡單來說，就是先給煤層“舒筋活絡”，再“精準加力”，并針對性開發了調控爆破布孔位置及封孔深度等關鍵參數的智能分析系統，致裂半徑由3~5m增加到7~10m。
光是“裂得開”還不夠，還得讓水“滲得進、潤得透”。團隊研發了分級預裂注水技術，實現了注水數據實時監測-系統自動響應-過程自動判別-參數智能精準調控的閉環運行。為進一步提升水力滲潤效果，對我國14個大型煤炭基地主采煤層進行了注水難易程度精細評價，并配套研制了微乳液及改性納米減阻增滲材料，實現難注水煤層“強滲增潤”的效果。
打造井下“變形金剛”，一鍵搞定壓裂和爆破
為進一步攻克當前地面壓裂裝備體積大無法下井，井下裂化裝備智能化程度低，難以適配深井高地應力環境下穿層、順層及分段水力壓裂的難題，團隊開發了“水力壓裂-控制爆破”分級致裂一體化裝備，設計了“快速更換式柱塞+變頻器”控制方式，可實現“測試+坐封+壓裂+卸壓”的智能化作業。新型泵組最大排量可達66m3/h，較傳統泵組提高了35%，調控頻率為5~50Hz，實現了分段壓裂的智能化作業，突破了埋深1200m深井高地應力分段水力壓裂的技術瓶頸。同時研發了智能精準注水控制裝備，相當于給注水過程裝上“高精度標尺”與“快速響應開關”，控制響應時間由分鐘級縮減至秒級，真正實現了精準、高效注水減塵。
技術用到礦上，安全效益雙雙“拿捏”
圍繞“確保能源安全”的戰略要求，團隊聚焦煤礦安全生產與能源高效利用的雙重需求，將研發成果在山東能源集團、國家能源集團等大型礦業集團的68對礦井落地推廣。成功打造了我國埋深1200m礦井高地應力堅硬低滲煤層智能裂化高效生產示范工作面，研發的3項核心技術被國家衛健委、中國煤炭工業協會列入先進適宜技術并進行全國推廣;關鍵指標形成標準6項。成果的研發與應用為煤礦瓦斯治理與井下空氣質量革命提供了中國方案。
王剛教授團隊堅硬低滲煤層智能裂化高效生產技術現場試驗
正如王剛教授所堅信的：“只有看清煤層的‘語言’，才能破解深部開采的安全密碼。”從實驗室的CT掃描到千米井下的智能裝備，王剛團隊的研究始終緊扣礦井安全與效率的核心命題，為推動我國煤炭工業的高質量發展注入了強有力的“山科智慧”。(圖片由郭志珍授權提供)
以上內容為推廣信息，所涉及內容不代表本網觀點，不構成投資建議、消費建議。
