(一)黄土沟壑区煤油气共生矿井耦合灾害防治关键技术

（一）黄土沟壑区煤油气共生矿井耦合灾害防治关键技术
1.成果的基本情况
黄陇侏罗纪煤田地质条件复杂，水、火、瓦斯、强矿压等多种灾害共存。

2000~2005年，区内累计生产原煤2.7亿吨，死亡467人，百万吨死亡率1.73，其中，陕煤化集团矿井累计生产原煤3487万吨，死亡232人，百万吨死亡率6.65，2004年11月28日陈家山煤矿发生了特大瓦斯爆炸事故，死亡166人，造成了巨大的社会影响。

2005年国家安全会诊要求开展耦合灾害防治研究。

本项目历时6年，完成野外调查154174km2，现场调查69次，矿压观测142天，钻孔5146个，进尺335309m，物探测线452943m，测点37710个，排水巷2800m，瓦斯抽放巷5000m，各类测试试验762组（次），抽水试验63层次，注浆240次，巷道支护12780m。

项目推广应用后，建成了16个安全高效矿井，累计安全产煤1.58亿吨，直接经济效益295.8亿元，百万吨死亡率由6.65（全国同期为3.08）降至0.03（全国同期为0.293），取得了显著的经济和社会效益。

2.主要技术指标
建立了黄土沟壑区致灾地质因素综合探查技术体系：（1）揭示了巨厚黄土层的地震响应特征，确定了“沟底激发，塬面接收”获取有效波的技术途径，提出了“沿沟弯线+多方位塬面直线”的地震特殊观测系统，突破了黄土沟壑区煤炭浅层地震勘探技术瓶颈。

（2）揭示了巨厚黄土层的电性特征，集成创新了巨厚黄土覆盖区含水层富水性探测技术，发明了矿井巷道顺层直流超前探测技术，破解了掘进工作面前方潜在突水构造预测难题。

研发了反向排水建井和顶板水害超前疏放技术。

（1）针对斜井井筒穿越巨厚松软含水层时水岩耦合导致井壁垮塌，无法维护的问题，提出了在井田内选择弱富水区先行施工通风立井，在风井和主井井底施工联络巷，运用定向定点反向钻探技术，沿主斜井井筒底面施工疏水钻孔，形成了斜井施工、钻孔导水、风井排水的建井技术。

（2）针对煤层顶板之上冲刷充填型富水区，采用井下定向定点钻探技术，施工定向高精度疏水钻孔，实现超前疏放。

揭示了煤油气共生矿井瓦斯与煤层自燃耦合致灾机理，开发了耦合灾害协同防控预警系统。

（1）提出了煤油气共生矿井瓦斯是由煤层瓦斯、顶底板瓦斯和煤系油气组成的复合气体，开采过程中的突出特点是瓦斯含量低、涌出量大、规律性差。

（2）通过实验确定了煤油气共生矿井瓦斯（油气）成分、燃爆范围以及煤层自燃的变化规律。

（3）创立了煤油气共生矿井耦合灾害防治新理念，建立了以防火为核心技术的协同防控技术体系，研发了矿井多源信息融合的无线自组网监测预警系统。

针对巨厚黄土载荷层、沟壑纵横地貌、透镜状砾岩、巨厚松软含水层组合状态下，矿压变化大，规律性差的特点，建立了高强稳定型锚网支护、棚索协同支护、“控帮+卸压槽”综合控底、“底反拱+底板锚索”控底技术体系。

3.影像资料
根据地震正演模拟的结论，利用克浪软件对黄土沟壑区实际地形条件下的地震观测系统进行了优化设计，采用“接收线穿沟过塬束状布设、炮点沿沟布设、固定排列接收”的特殊观测系统，即利用“沟底激发，塬面接收”获取有效波的技术途径，提出了“沿沟弯线+多方位塬面直线”的地震特殊观测系统，形成了黄土沟壑区地震勘探特观设计的方法，在保证目的层有效覆盖次数相对均匀、方位角比较合理的前提下，使黄土沟壑区地震记录的甲级率提高了25%以上。

图2-6-2-1 黄土沟壑区地震勘探特殊观测系统
黄土层的电性特征取决于含水率，只有当黄土层不能对下伏岩层形成屏蔽时，地面直流电法才能够有效探测下伏岩层的含水性。

针对沟壑地貌巨厚黄土层的地质条件，分别采用地面瞬变电磁法和直流电法，解决了高阻、低阻屏蔽，地形复杂的条件下富水性探测的难题.
图2-6-2-2 黄陵一号煤矿402 工作面富水性探测
为了实现防止煤层自燃与瓦斯抽采并举，对煤矿安全监控系统、火灾束管监测系统、无线自组网温度监测系统、分布式光线温度监测系统监测的指标数据进行了融合，开发出了矿井多源信息融合自燃监测预警系统，基于实验研究、现场观测及专家经验得出的火灾预警指标体系和火灾发展规律，利用模式识别等数学方法，融合处理来自不同位置、具有不同物理
含义的多源火灾信息，判断火灾危险程度，确定火灾危险区域，实现了煤矿井下火灾的监测预警。

图2-6-2-3 矿井多源信息融合监测预警系统
（二）黄陇侏罗纪煤田煤油气共生矿井耦合灾害防控关键技术
1.成果的基本情况
黄陇侏罗纪煤田地质条件复杂，水、火、瓦斯、强矿压等多种灾害共存。

2000~2005年，区内累计生产原煤2.7亿吨，死亡467人，百万吨死亡率1.73，其中，陕煤化集团矿井累计生产原煤3487万吨，死亡232人，百万吨死亡率6.65，2004年11月28日陈家山煤矿发生了特大瓦斯爆炸事故，死亡166人，造成了巨大的社会影响。

2005年国家安全会诊要求开展耦合灾害防治研究。

本项目历时6年，完成野外调查154174km2，现场调查69次，矿压观测142天，钻孔5146个，进尺335309m，物探测线452943m，测点37710个，排水巷2800m，瓦斯抽放巷5000m，各类测试试验762组（次），抽水试验63层次，注浆240次，巷道支护12780m。

项目推广应用后，建成了16个安全高效矿井，累计安全产煤1.58亿吨，直接经济效益295.8亿元，百万吨死亡率由6.65（全国同期为3.08）降至0.03（全国同期为0.293），取得了显著的经济和社会效益。

2.主要技术指标
（1）建立了黄陇侏罗纪煤田致灾地质因素综合探查技术体系：（1）揭示了巨厚黄土层的地震响应特征，确定了“沟底激发，塬面接收”获取有效波的技术途径，提出了“沿沟弯线+多方位塬面直线”的地震特殊观测系统，突破了黄陇侏罗纪煤炭浅层地震勘探技术瓶颈。

（2）揭示了巨厚黄土层的电性特征，集成创新了巨厚黄土覆盖区含水层富水性探测技术，发明了矿井巷道顺层直流超前探测技术，破解了掘进工作面前方潜在突水构造预测难题。

（2）研发了反向排水建井和顶板水害超前疏放技术。

（1）针对斜井井筒穿越巨厚松软含水层时水岩耦合导致井壁垮塌，无法维护的问题，提出了在井田内选择弱富水区先行施工通风立井，在风井和主井井底施工联络巷，运用定向定点反向钻探技术，沿主斜井井筒底面施工疏水钻孔，形成了斜井施工、钻孔导水、风井排水的建井技术。

（2）针对煤层顶板之上冲刷充填型富水区，采用井下定向定点钻探技术，施工定向高精度疏水钻孔，实现超前疏放。

（3）揭示了煤油气共生矿井瓦斯与煤层自燃耦合致灾机理，开发了耦合灾害协同防控预警系统。

提出了煤油气共生矿井瓦斯是由煤层瓦斯、顶底板瓦斯和煤系油气组成的复合气体，开采过程中的突出特点是瓦斯含量低、涌出量大、规律性差。

通过实验确定了煤油气共生矿井瓦斯（油气）成分、燃爆范围以及煤层自燃的变化规律。

创立了煤油气共生矿井耦合灾害防治新理念，建立了以防火为核心技术的协同防控技术体系，研发了矿井多源信息融合的无线自组网监测预警系统。

（4）针对巨厚黄土载荷层、沟壑纵横地貌、透镜状砾岩、巨厚松软含水层组合状态下，矿压变化大，规律性差的特点，建立了高强稳定型锚网支护、棚索协同支护、“控帮+卸压槽”综合控底、“底反拱+底板锚索”控底技术体系。

3.影像资料
发明矿井直流超前探测技术，超前探测距离达到100m，破解了掘进工作面前方潜在突水构造预测难题。

图2-6-2-4 直流电法超前探测图
通过对斜井井筒穿越地层的分析研究，提出了反向排水的新理念，根据富水性探测成果，在井田内选择弱富水区先行施工通风立井，在风井和主井井底施工联络巷，运用定向定点反向钻探技术，沿主斜井井筒底面施工疏水钻孔，形成斜井施工、钻孔导水、风井排水的建井技术。

用2 年时间完成了916m 的斜井，为巨厚松软含水层中斜井建设创立了一条新途径
图2-6-2-5 井筒反向排水示意图
提出了U 型钢支护结构补偿技术，采用外置式锚索与棚式支护耦合装置和棚式支护稳结装置等，分别对巷顶、巷帮下部进行结构补偿，实现了破碎围岩巷道的有效支护，有效解决了西部侏罗纪煤田软岩巷道支护难题。

图2-6-2-6 U 型钢支护结构补偿技术
（三）西部侏罗纪煤自燃隐患识别及预测技术
1.成果的基本情况
煤火灾害主要包括矿井煤层自燃火灾和地面煤田火灾，是西部煤矿开采的主要灾害之一。

在西部，侏罗纪煤炭储量巨大，煤火灾害严重，在大中型煤矿中，自然发火危险程度严重的占72.9%，因自燃造成的经济损失每年达数十亿元。

近年来，随着西部高产高效新技术的不断发展，矿井开采强度加大，煤层自燃危险性有明显增大趋势。

煤自燃环境的复杂性、高温火源的隐蔽性和煤氧化释放出气体的漂移性决定了煤自然发火早期预报难度大、准确性差、预警技术相对滞后，从而严重制约了煤层自然发火防治技术的成熟和发展，威胁着矿井的安全生产。

西部的煤田露头自燃火灾也十分严重，据统计有煤田火区56处，火区总面积720km2，
新疆9个大的煤田火区每年损失煤炭资源1亿吨，直接经济损失超过100亿元，并造成严重的大气污染与生态环境破坏，因煤层自燃火灾放出的CO2占全球CO2排放量的2～3%。

根据我国西部巨厚或大倾角煤层（群）开采煤火灾害特点，以煤低温氧化自然发火机制、自燃火灾形成及时空演化动力学机理、非控燃烧煤（岩）中气体运移规律、自燃特征信息识别为主攻方向，从煤分子结构、量子化学、煤氧复合化学动力学、火灾动力学、多场耦合理论、信息模式识别理论等方面进行系统深入的研究，揭示煤自然发火及其致灾机理，分析煤自燃过程特征及其主要影响因素，建立煤自燃灾害形成及时空演化动力学模型，掌握煤自燃特征信息及识别方法，探索煤自然发火的早期监测预警方法，为煤自燃火灾早期预测与防控新技术的研究提供理论基础。

2.主要技术指标
1）掌握侏罗纪煤低温氧化放热特性及氧化动力学相关参数，建立煤自燃火灾动力学模型，掌握煤自燃火灾动力学时空演化规律，形成煤层自燃灾害力学理论体系；
2）掌握侏罗纪煤低温自然发火特征信息及其随煤体温度的变化规律，得出煤自燃特征信息识别方法，建立基于多源信息融合的煤层自然发火早期预测理论模型，指导煤自燃隐患监测识别与火源探测新技术的开发；
3）建立煤层非控燃烧裂隙场分布模型及灾害气体蔓延模型，掌握非控燃烧煤体气体运移规律，提出从源头控制煤层自燃火灾发生、发展及诱发灾害的方法；
4）建立侏罗纪煤层自燃危险区域的判定及预测技术。

3.影像资料
采用CT 三维扫描研究煤岩体从常温至500℃的过程中，在不同温度下的热破坏裂隙扩展演化规律。

如图所示：①煤样从室温升至500℃的过程中，裂隙宽度逐渐增大，且300℃以前，裂隙的宽度变化较为平缓，在300℃以后变化幅度急剧增加，可以认为煤样的热破裂阈值约在300℃处。

②煤样在100℃时没有产生裂隙，到了200℃后，形成了数量较多的新生裂隙，可以认为煤样试样热破坏裂隙产生温度约为200℃。

③岩样经不同温度热处理没有产生明显的裂隙，孔隙率有所变化，但同样不明显。

图2-6-2-7 煤体在不同温度下裂隙演化扩展规律
根据西部侏罗纪煤火灾害实际，结合实验测试指标参数，定义了煤自然危险度概率函数和计算煤火不同品质因素的效用函数，并对煤火燃烧状态实施定量划分，提出了描述煤火燃烧状态的“四区”理论，给出了具体判定方法步骤和颜色标识规范，以便合理规划灭火范围。

图2-6-2-8 煤自燃危险度函数“四区”定量划分步骤
数值模拟得出了煤岩体剪应力、第一主应力、von Mises 主应力、y 向位移、第一主应变、von Mises 主应变在煤体燃烧中心发展推进至不同位置时的分布规律。

结合内蒙乌达煤火实际，煤体燃烧中心往深部发展到 72～78m 之间时发生断裂破坏，形成上覆岩层大面积垮落裂隙场。

得到了煤田火区上覆岩层监测点温度场、应力场随时间的变化关系和包括氧气浓度场、渗流速度场和压力场等煤田火区的流场分布。

图2-6-2-9 煤火灾害火源中心时空演化规律
（四）矿井煤层自然发火标志性气体研究
1.成果的基本情况
本项目结合川煤集团技术中心瓦斯与放灭火实验室的先进设备，对川煤集团下属的各个矿区的代表性煤层进行煤自燃程序升温实验等。

成功调研分析了川煤集团下属26对生产矿井的煤层赋存情况、矿井生产、开采工艺、煤层自燃特点等实验情况，选定了其中17对生产矿井的31个煤层（煤样）进行了试验，掌握了各实验矿井煤自燃特性，并提出了有针对性煤层自燃防灭火技术方案。

建立起川煤集团各矿区代表性煤层的发火特性和自燃标志性气体的基础性研究体系，对各个矿区的煤自燃防治工作具有较好的指导意义。

该成果于2017年4月获四川省科学技术进步一等奖，研究成果获授权专利9项，授理专利1项。

其中，授权发明专利5项，实用新型专利4项；川煤集团自有发明专利4项。

公开发表学术论文12篇，其中EI收录4篇。

获批并完成中国博士后基金项目1项。

2.主要技术指标
1）自行建造了四川省第一套煤自然发火实验系统，可以为四川省及西南地区煤矿进行煤自然发火实验测试。

2）通过实验测试，得出四川省各矿区煤层自然发火的、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等标志性气体及耗氧速度、临界温度、干裂温度的参考应用曲线，建立了煤自燃早期监测指标体系，掌握了各实验矿井煤自燃特性。

3）课题组根据现场实际需求，研发出了煤层自燃多参数无线监测装置，监测参数包括CO、CH4、O2、温\湿度、压力等5个重要参数，能够实时监测井下浮煤自燃程度，及时、准确反应煤层自燃状态，提高了矿井防灭火技术水平。

4）根据矿井生产特点，提出了实验矿井煤层自燃监测预警方法，确定了矿井煤层自燃监测的合理位置，确保监测信息的准确性。

5）根据各实验矿区煤层自燃特性，结合其煤层赋存条件、矿井开拓方式、开采工艺等实际情况，对川煤集团下属矿区进行了煤层自燃危险等级划分。

煤层自然发火等级共划分为
三级，从高到低分别为一类自燃危险矿区、二类自燃危险矿区和三类自燃危险矿区。

按照煤层自燃危险等级提出了有针对性的防灭火整体解决方案，进行分类预防处理。

3.影像资料
图2-6-2-10 煤自燃特性参数测试实验系统原理框图
图2-6-2-11 程序升温台及煤样罐
自行建造了四川省第一套煤自然发火实验系统，可以为四川省及西南地区煤矿进行煤自然发火实验测试。

图2-6-2-12 白皎煤矿24区保护层三煤层煤样耗氧速度与温度关系曲线通过实验测试，得出四川省各矿区煤层自然发火的、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等标志性气体及耗氧速度、临界温度、干裂温度的参考应用曲线，建立了煤自燃早期监测指标体系，掌握了各实验矿井煤自燃特性。

图2-6-2-13 煤自燃多参数信息无线采集装置硬件结构组成框图根据现场实际需求，研发出了煤层自燃多参数无线监测装置，监测参数包括CO、CH4、O2、温\湿度、压力等5个重要参数，能够实时监测井下浮煤自燃程度，及时、准确反应煤层自燃状态，提高了矿井防灭火技术水平。

图2-6-2-14 密闭区煤自燃特征信息无线感知网络监测预警系统现场布置方法示意图根据矿井生产特点，提出了实验矿井煤层自燃监测预警方法，确定了矿井煤层自燃监测的合理位置，确保监测信息的准确性。

（五）矿山垂直钻井救生救援关键技术与装备
1.成果的基本情况
本成果是由陕西省煤田地质有限公司、西安科技大学、陕西煤田地质机械制造有限公司、陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司合作完成。

本项目立足于国内外矿山应急救援相关技术及装备的研究前沿，采用理论研究、实验研究、数值模拟、硬件设计、软件开发、防爆检验和工业试验相结合的方法，研究出了一套矿山垂直钻井救生救援技术，并研制了相关装备。

本项目的成果是我国矿山垂直钻井救生救援技术装备的一个重大创新。

本项目从垂直钻井救生救援技术的三主要阶段进行研究：在生命信息侦察阶段，提出了垂直救生钻孔生命信息探测技术；在大口径通道施工技术阶段，提出了集束式正、反循环气动潜孔锤钻进行施工技术方案和多用途大口径钻孔井壁管安装装置与成井工艺；在救生提升技术方面，提出了多功能垂直救生舱技术技术研究。

本项目的研究实现了垂直钻井救生救援
装备的技术创新，其成果完善了矿山垂直钻井救生救援技术体系，提升了我国的矿井救援装备水平，取得了显著的经济和社会效益。

主要研究成果如下：
1）针对无线信号在钻孔及井下受限空间衰减速度快、多媒体信息无法正常传输的难题，采用SDSL有线传输技术，解决了探测器采集到的信息无法通过钻孔传输到地面，以及信息传输不稳定的问题。

采用无线双频Mesh组网和SDSL有线传输相结合的多媒体中继远传技术，解决了通讯线轮盘受环境影响难以快速布线以及与地面工作站快速连接的问题。

采用双码流技术、分层同步法和时间戳同步法相结合的技术，可以在实时监控的同时实现信息的存储，并有效地解决了信号传输延迟与多媒体信息不同步的问题。

2）针对矿山垂直大口径救援通道施工过程中出现的效率低，速度慢，以及复杂地层容易出现坍塌的情况，采用自主研发的集束式正、反循环气动潜孔锤一次扩孔成孔，形成救援通道。

集束式正循环、反循环两种气动潜孔锤的研制，建立数学模型，以MATLAB计算机软件为平台求解，得出了集束式气动潜孔锤工作压力在0.7～1.4MPa范围内破岩能量的利用率较高。

为矿山垂直钻井救生通道施工建立了一套技术先进的国有化产品与技术。

3）针对矿山多用途大口径钻孔井壁管安装难度大，一次成井率较低的问题，采用由单（双）绞车、钢丝绳、滑轮、底座等组成的托底法井壁管安装方法，替代传统的穿杠提吊法。

该方法安全可靠，费用低，大大缩短了安装时间。

特别适用于在山区交通不畅、场地受限的施工环境。

4）针对矿山垂直救生救援装备在遇险人员升井提升过程中，人员提升装置运行不稳定，救生舱可能出现氧气不足、有害气体超标、人员状态难以实时监测的难题。

提升机构采用全液压传动方式及实时监测装置，保证系统安全可靠；控制系统采用稳定可靠的CAN总线集成控制，救生舱内配备氧气供给、多种气体检测装置，采用矿用多媒体通讯系统进行井上井下实时交流，救生舱设上、下逃生装置，当意外发生时，可将被困人员随舱顶提升至地面，或重新下降到井底。

其功能达到国内领先水平。

本项目共发表相关学术论文5篇、发明专利1项、实用新型专利3项、鉴定证书1份。

2.主要技术指标
项目达到的技术经济指标：
1）救援过程中的语音、视频、环境参数同步实时传输，视音频传输延时小于1s。

红外灯最小可视照度0LUX，语音清晰度：≥95%，地面无线传输距离≥500 米，钻孔中有线传输距离≥3000 米；
2）集束式正循环气动潜孔锤扩孔直径φ850，满足救生通道要求。

集束体上子锤同时冲击做功，钻进效率是常规钻进的10倍以上，是大口径单体潜孔锤效率的2.5倍以上；集束式反循环气动潜孔锤扩孔直径φ850，钻头集束体上设置3个吸渣口，实现顺利反循环排渣。

3）垂直救生救援提升装备的救生舱外径φ540，长度2.8米，平稳提升最大速度2m/s，下降最大速度3m/s，最大提升力4.5T，救援深度600m。

3.影像资料
图2-6-2-15 井下多媒体信息地面钻孔探测系统
图2-6-2-16 救生救援装备示意图图2-6-2-17 救生舱示意图
图2-6-2-18 系统音视频、气体检测装置结构原理图
图2-6-2-19 在山东平邑救援中的应用
（图为探测器获取到的井下被困矿工的手）
（六） 矿井救援无线多媒体通信关键技术研究与装备应用
1.成果的基本情况
本项目开发的“无线/有线相结合”的矿山应急救援无线多媒体通信系统及装备，通过现场应急救援实践，系统装备提高救护队员的救援效率，实现了灾区信息的实时准确传送，提高了救灾决策的效率和准确性，有效的避免了救援队员遇到的潜在危险，为科学救灾提供了技术和装备保障。

该成果于2013年9月获陕西省科学技术进步二等奖，该项目申请专利5项。

目前此项技术已经成熟并在全国开始推广应用，矿井救援无线多媒体通信系统成功地完成了陕西大佛寺矿瓦斯抽放立孔故障探查、内蒙古骆驼山矿透水事故遇险人员搜寻、河北宣东矿井下灾害勘察与治理和新疆轮台宝山煤矿井下遇险人员搜寻等数十次矿山事故应急救
援，并为煤矿企业挽回巨大经济损失，为保障广大煤矿井下工作人员的人身安全树立了良好的国际形象，取得巨大的经济效益和社会效益。

2.主要技术指标
1）无线双频Mesh组网和SDSL有线传输相结合的多媒体远传中继器，无线组网传输距离大于4km，井下无线链路跳数大于12跳，有线单个中继传输距离大于4km，无线结合有线传输距离达30 km以上。

2）救援过程中的语音、视频和环境参数同步实时传输，视音频传输延时小于1s。

3）12V，10Ah便携式电源本安型电源本安电源短路关断时间小于175ns，短路打火能量小于40uJ。

系统移动基站（无线/有线自适应中继器）重量小于1.5kg。

4）系统装备具有灾区前端多路视频输入，多路音频双向接口，能实现井下灾区、井下救援基地、地面指挥中心的三方实时通话并同步传输环境参数、视音频数据，系统装备支持WiFi Mesh、以太网、RS485等网络通信标准接入，能够通过互联网与卫星系统进入地面各级指挥系统。

3.影像资料
图2-6-2-20 矿井安全生产模拟实验巷道
在西安科技大学矿井安全生产模拟实验巷道（如图2）对无线Mesh 网络路由器进行大量模拟实验，找到救援过程中的Mesh 链状多跳骨干链路性能特点，信号衰减规律。