当前我国煤炭产量达47亿吨，支撑我国53.2%的一次能源供给，在地下超过千米的煤海中，隐伏着瓦斯、粉尘等事故隐患，严重阻碍了煤炭高效开发与利用。面对传统技术无法从根本上解决深部坚硬低渗煤层安全开采难题，从2015年起，山东科技大学安全与环境工程学院王刚教授团队潜心钻研工程煤岩渗流理论与灾害防控关键技术，长期聚焦深部煤炭资源开发工程难题，在煤体结构精细表征与多物理场耦合机理研究上取得关键突破，成功研发出“爆裂-强渗”一体化关键技术及装备，有力破解了深部开采中顶煤回采率低、瓦斯抽采难、粉尘防治效果差的共性难题，为我国煤炭资源的安全高效开采提供了坚实的科技支撑。
王刚教授(右二)在井下与施工人员讨论施工方案
给煤做“CT扫描”，看清看不见的细节
煤是一种复杂的多孔介质，内部赋存大量的甲烷，煤矿灾害综合防控必须认清“应力场-裂隙场-渗流场”等多物理场状态下的流固耦合机制，而煤体复杂结构的精细表征则是所有研究的基础。以前，想看清煤层内部那些细微的裂缝和孔隙，就像隔着一层毛玻璃看东西，模糊不清。围绕这个问题，团队首先从“看清楚”煤体内部结构入手，他们自主研发了一套实时加载X-CT扫描系统，识别裂缝和孔隙的精度相对传统方法提高50%，攻克了常规扫描无法还原多物理场耦合环境下煤体微观结构演化过程的共性难题。关键技术被沙特阿拉伯国家石油公司、中科院力学所等10余家单位所应用。在此基础上，团队还借助低场核磁和三维地质动态反演技术，实现了煤层的“透明化”解析，极限观测尺度从0.5微米突破到0.2微米——看清了更细微的渗流通道，为后续研究奠定了坚实基础。
王刚教授(右一)指导研究生进行煤体渗流试验
解密煤中流体运移的“黑匣子”，让爆破注水“恰到好处”
聚焦煤层工程改造技术涉及的关键难题，王刚团队围绕煤体“爆裂-强渗”技术开展了一系列实验研究及理论推导，形成“实验探明机制+理论支撑技术”的创新路径。在实验研究方面，团队首创了煤体多场多相水力压裂-渗流-润湿全过程六轴联动测试方法，探明了“复杂应力场作用下煤怎么裂、水怎么流”的耦合机制。并基于此研发了适用于坚硬煤体精细控制爆破的专用炸药，提升了精细压爆的能量释放效率。实验探明了“现象”，还需要依靠理论理清“本质”。在理论解析方面，团队建立了描述弯曲通道内流体输运特征的渗透率分形模型，揭示了煤体全尺度动力学特征，为编写智能分级裂化核心算法搭建了更扎实的“理论骨架”。
先“松土”后“爆破”，智能改造让煤层“通体舒畅”
针对传统技术改造煤体裂化程度低、均匀性差等问题，团队创研了深部低渗煤层“爆裂-强渗”智能改造关键技术，提出了“预先压裂+控制爆破”的技术构想，简单来说，就是先给煤层“舒筋活络”，再“精准加力”，并针对性开发了调控爆破布孔位置及封孔深度等关键参数的智能分析系统，致裂半径由3~5m增加到7~10m。
光是“裂得开”还不够，还得让水“渗得进、润得透”。团队研发了分级预裂注水技术，实现了注水数据实时监测-系统自动响应-过程自动判别-参数智能精准调控的闭环运行。为进一步提升水力渗润效果，对我国14个大型煤炭基地主采煤层进行了注水难易程度精细评价，并配套研制了微乳液及改性纳米减阻增渗材料，实现难注水煤层“强渗增润”的效果。
打造井下“变形金刚”，一键搞定压裂和爆破
为进一步攻克当前地面压裂装备体积大无法下井，井下裂化装备智能化程度低，难以适配深井高地应力环境下穿层、顺层及分段水力压裂的难题，团队开发了“水力压裂-控制爆破”分级致裂一体化装备，设计了“快速更换式柱塞+变频器”控制方式，可实现“测试+坐封+压裂+卸压”的智能化作业。新型泵组最大排量可达66m³/h，较传统泵组提高了35%，调控频率为5~50Hz，实现了分段压裂的智能化作业，突破了埋深1200m深井高地应力分段水力压裂的技术瓶颈。同时研发了智能精准注水控制装备，相当于给注水过程装上“高精度标尺”与“快速响应开关”，控制响应时间由分钟级缩减至秒级，真正实现了精准、高效注水减尘。
技术用到矿上，安全效益双双“拿捏”
围绕“确保能源安全”的战略要求，团队聚焦煤矿安全生产与能源高效利用的双重需求，将研发成果在山东能源集团、国家能源集团等大型矿业集团的68对矿井落地推广。成功打造了我国埋深1200m矿井高地应力坚硬低渗煤层智能裂化高效生产示范工作面，研发的3项核心技术被国家卫健委、中国煤炭工业协会列入先进适宜技术并进行全国推广;关键指标形成标准6项。成果的研发与应用为煤矿瓦斯治理与井下空气质量革命提供了中国方案。
王刚教授团队坚硬低渗煤层智能裂化高效生产技术现场试验
正如王刚教授所坚信的：“只有看清煤层的‘语言’，才能破解深部开采的安全密码。”从实验室的CT扫描到千米井下的智能装备，王刚团队的研究始终紧扣矿井安全与效率的核心命题，为推动我国煤炭工业的高质量发展注入了强有力的“山科智慧”。(图片由郭志珍授权提供)
以上内容为推广信息，所涉及内容不代表本网观点，不构成投资建议、消费建议。
