项目名称多维多场耦合作用下多尺度煤岩体力学试验系统研

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1、项目名称：多维多场耦合作用下多尺度煤岩体力学试验系统研制及应用推荐单位：教育部项目简介：本项目属于矿山安全技术领域。随着煤矿开采深度的增加，地应力、瓦斯压力增大，地温升高，煤岩体处于应力场、渗流场、温度场等多场耦合状态。在采动影响下，由于煤岩体的失稳破坏而导致的煤与瓦斯突出等动力灾害事故频发，对煤矿的安全生产造成了严重的威胁。为此，本项成果成功研发了“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”、“多功能真三轴流固耦合试验系统”、“三向加载大型三维相似模拟试验系统”、“煤岩热流固耦合试验系统”。形成了从一维到三维、多场耦合作用下多尺度煤岩体力学系列试验装备。结合国家“973计划”项目、国家科技重大专

2、项项目、国家自然科学基金重点项目以及企业合作项目进行了大量的理论和试验研究，取得了创新性的研究成果。其主要技术发明点如下：1. 研发了“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”。该系统能够在真三维应力场和瓦斯渗流场耦合的条件下，对煤与瓦斯突出过程进行模拟研究，再现煤与瓦斯突出的孕育、发生与发展过程，并采用先进的测试技术对突出过程中的应力、瓦斯压力、温度、声发射等参数进行自动采集，是目前国内外最先进的煤矿动力灾害大型模拟试验系统。2. 研发了“多功能真三轴流固耦合试验系统”。该系统可进行真三轴应力（123）条件下煤岩力学特性、瓦斯渗流规律以及水压致裂的试验研究。为研究真三轴流固耦合条件下煤岩的力学

3、特性与流体渗流规律提供了新的试验手段。3. 研发了“三向加载大型三维相似模拟试验系统”。该系统与传统的平面相似模拟试验系统相比，能够实现三向不等应力的多级独立加载和倾角无级调整，可真实地模拟三维采动应力条件下的岩层移动与裂隙演化规律。4. 研发了“煤岩热流固耦合试验系统”。该系统能够开展应力场、温度场和渗流场等多物理场耦合条件下煤岩失稳破坏与流体渗透规律的试验研究。5. 建立了煤岩热流固耦合数学模型，揭示了真三维采动条件下煤岩体破断规律及瓦斯运移富集规律，提出了真三轴应力条件下的煤岩渗流测试方法与气、水致裂试验方法，获得了水压致裂、气体致裂提高瓦斯抽采率的关键技术参数，为煤与瓦斯共采及瓦斯动力

4、灾害的防治提供了理论和试验基础。 本项成果已获国家发明专利20项、实用新型专利9项。在科学出版社出版专著5部，在国内外权威期刊发表SCI、EI论文207篇，发表的论著被他引2761次。其研究成果在河南、四川和重庆等地的21座煤矿进行了应用，取得了显著的经济和社会效益。获高等学校科学研究优秀成果奖技术发明一等奖1项、省部级科技进步一等奖2项。以中国科学院宋振骐院士、中国工程院谢和平院士、张铁岗院士等为专家的鉴定委员会认为该研究成果提供了国内外唯一的一套包括不同尺度试件及其在应力、渗流、温度等多场耦合条件下煤岩失稳破坏的试验系统及测试技术，该项成果达到了国际领先水平。客观评价：1科技成果鉴定结论（

5、一）以中国科学院宋振骐院士为主任的鉴定专家委员会一致认为：该系统“提供了国内外唯一的一套包括不同尺度试件及其在应力、渗流、温度等多场耦合条件下煤矿动力灾害试验系统及测试技术，并进行了大量的试验研究”，“与国内外同类技术相比，该系统达到了国际领先水平”。 鉴定结论指出：1）“该系统能够在三维应力及瓦斯压力共同作用下，根据采动应力的变化对煤矿动力灾害的发生过程进行模拟试验研究，且加载和测试手段先进，属国内外首创。”2）“针对煤矿深部高地应力、高瓦斯压力、高地温环境下所发生的动力灾害及其煤岩失稳破坏规律，进行了系统研究，成功地解决了该领域试验研究的一系列技术难题，填补了国内外空白。”3）“该系统能够

6、开展含瓦斯煤岩在不同应力状态下的流变特性试验研究，为煤矿巷道围岩稳定性分析及控制方法的研究提供了先进的试验装备。”4）“该系统采用伺服控制、声发射仪、高速摄像机、高精度传感器等先进的自动化测试技术，构建了实时高精度自动检测和相关信息采集体系，保障了试验数据的可靠性和真实性。”2科技成果鉴定结论（二）以中国工程院谢和平院士、张铁岗院士为主任、副主任的鉴定专家委员会一致认为：1）“自主研发了含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置及多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统等新型实验装备，为煤岩体力学性质、瓦斯运移规律、煤岩体变形及破断规律的试验研究提供了设备支撑，实现了该领域的设备创新。”2）“构建了顶

7、板岩层蠕变损伤本构模型，分析了多煤层开采覆岩卸压及裂隙场演化规律，运用多物理场耦合系统对瓦斯的固气耦合流动规律进行了研究，建立了采动裂隙场中瓦斯运移与富集理论模型。”3）“对采动过程中的煤岩体破断规律进行了研究，得出了上覆岩层采动裂隙演化规律，填补了国内外超远距离保护层开采过程中上覆煤岩体裂隙发育、演化规律研究的空白。”4）“优化设计了瓦斯抽采技术方案，对丰富深部采动煤岩体力学及煤与瓦斯共采技术具有重要的指导意义。”该项研究成果达到国际领先水平。推广应用情况：本项成果研发了具有自主知识产权的多维多场耦合作用下多尺度煤岩体力学试验系统。利用该试验系统，结合国家重点基础研究发展计划（973计划）项

8、目“深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论（2011CB201200）”、“预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究（2005CB221500）”；国家科技重大专项项目“煤层气井生产过程中煤基质及气水相渗动态变化规律研究（2008ZX05034-002）”、“多煤层条件下煤层气联合开采储层动态评价技术（2011ZX05034-004）”；国家自然科学基金重点项目“深部低渗透高瓦斯煤层瓦斯抽采基础研究（51434003）”、“煤与瓦斯突出机理及探测预防基础研究（50534080）”；12项国家自然科学基金面上项目以及15项企业合作项目进行了深入系统的研究。所得出的理论和试验研究成果在河南省、四川省、重庆市等21座

9、煤矿进行了应用，取得了显著的社会效益和经济效益。对推动我国煤矿科学技术的进步和发展发挥了重要的作用。主要应用单位情况表应用单位名称应用技术应用的起止时间应用单位联系人/电话应用情况平顶山天安煤业股份有限公司八矿整体技术2010年1月2015年10月郭明功/13903757620经济效益4957.98万元平顶山天安煤业股份有限公司十矿整体技术2010年1月2015年10月李广涛/13569578078经济效益4698.70万元平顶山天安煤业股份有限公司十二矿整体技术2010年1月2015年10月张建华/15937597986经济效益4671.19万元河南平宝煤业有限公司整体技术2010年1月20

10、15年10月刘庆军/13837535773经济效益4504.95万元四川芙蓉集团实业有限责任公司杉木树煤矿整体技术2012年1月2015年10月杨旭/13550748091经济效益2349.40万元四川芙蓉集团实业有限责任公司珙泉煤矿整体技术2012年1月2015年10月欧道刚/15983139308经济效益911.15万元四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司整体技术2012年1月2015年10月刘欣/13982665133经济效益2197.80万元四川省华蓥山煤业股份有限公司李子垭煤矿整体技术2012年1月2015年10月任刚/13458905942经济效益1907.80万元四川省华蓥山煤业股份有

11、限公司绿水洞煤矿整体技术2012年1月2015年10月周忠国/15983465273经济效益2297.20万元中梁山煤电气有限公司矿业分公司整体技术2012年1月2015年10月廖春奎/13883750969经济效益1420.90万元主要知识产权证明目录：知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态发明专利多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统中国ZL201210082376.22013-12-181322877重庆大学尹光志；许江；黄滚；王维忠；彭守建；蒋长宝；刘东；张东明；程立朝；周文杰有效发明专利多功能真三轴流固耦合试验系统中国ZL201210

12、231738.X2014-07-021434340重庆大学许江，尹光志，王倩，彭守建，张东明，蒋长宝，程立朝，黄滚，李波波，李文璞，刘东，王维忠有效发明专利三向加载大型三维相似模拟试验系统中国ZL201210376520.32015-07-081721723重庆大学尹光志;许江;蒋长宝;黄滚;王维忠;彭守建;李文璞;李铭辉;姚俊伟;李生舟;刘东;有效发明专利含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室中国ZL200910104609.22012-10-311069071重庆大学尹光志;许江;魏作安;王倩;陶云奇;王维忠;彭守建;李东伟;陆漆;李晓泉;蒋长宝;李小双有效发明专利多功能真三轴流固耦合压力室

13、中国ZL201210232861.32014-07-021433839重庆大学许江;尹光志;王维忠;蒋长宝;彭守建;程立朝;黄滚;刘东;李文璞;李波波有效发明专利多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统中国ZL201310025093.92015-04-291649928重庆大学许江;尹光志;刘东;王维忠;彭守建;李波波;蒋长宝;程立朝;梁永庆;曹偈有效发明专利煤与瓦斯突出模具中国ZL200810233048.12011-07-20810423重庆大学许江;尹光志;鲜学福;陶云奇;魏作安;王维忠;李树春;赵洪宝;王登科有效发明专利多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置中国ZL2012100823

14、30.02013-10-231291519重庆大学尹光志；许江；黄滚；王维忠；蒋长宝；彭守建；张东明；刘东；程立朝；谭皓月有效发明专利真三轴状态下煤样渗流测试方法中国ZL201210231726.72014-10-291509394重庆大学尹光志;许江;王倩;彭守建;黄滚;蒋长宝;王浩;程立朝;刘东;李文璞;李波波;王维忠有效发明专利真三轴状态下煤岩水压致裂试验方法中国ZL201210231729.02014-07-021433685重庆大学尹光志;许江;王维忠;蒋长宝;黄滚;彭守建;张东明;程立朝;李波波;李文璞;刘东;王倩有效主要完成人情况表：尹光志，许江，张东明， 鲜学福，张建国，王寿全

15、1. 尹光志，排名1，国家重点实验室副主任，教授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，是该项目主要负责人。对本项目技术创造性贡献：（1）总体负责试验系统的研制；（2）对该项目主要技术发明点一、二、三做出了创造性贡献；（3）本项目发明专利“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”的第一发明人；（4）本项目发明专利“三向加载大型三维相似模拟试验方法”的第一发明人；（5）本项目发明专利“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室”的第一发明人；（6）本项目发明专利“真三轴状态下煤样渗流测试方法”的第一发明人；（7）专著含瓦斯煤岩固气耦合失稳理论与实验研究（第一作者，科学出版社，2011年）；（8）专著深

16、部煤与瓦斯开采中固液气耦合作用机理及实验研究（第一作者，科学出版社，2012年）。2. 许江，排名2，国家重点实验室副主任，教授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，对本项目技术创造性贡献：（1）对该项目主要技术发明点一、三、五做出了创造性贡献；（2）是本项目发明专利“多功能真三轴流固耦合试验系统” ZL201210231738.X的第一发明人；（3）是本项目发明专利“多功能真三轴流固耦合压力室” 的第一发明人；（4）是本项目发明专利“多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统”的第一发明人；（5）专著含瓦斯煤THM耦合模型及实验研究（第一作者，科学出版社，2012年）；（6）专著周期荷载作用下岩

17、石非线性变形与损伤特性（第一作者，科学出版社，2012年）。3. 张东明，排名3，教授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，对本项目技术创造性贡献：（1）对该项目主要技术发明点三、四做出了创造性贡献；（2）是本项目发明专利“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”的发明人；（3）是本项目发明专利“多功能真三轴流固耦合试验系统”的发明人；（4）是本项目发明专利“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置”的发明人；（5）是本项目发明专利“真三轴状态下煤岩水压致裂试验方法”的发明人；（6）专著岩石变形局部化及失稳破坏的理论与实验（第一作者，科学出版社，2011年）。4. 鲜学福，排名4，院士，教

18、授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，对本项目技术创造性贡献：（1）该项目的技术顾问；（2）对该项目主要技术发明点一做出了创造性贡献；（3）是本项目发明专利“煤与瓦斯突出模具”的发明人；（4）专著含瓦斯煤岩固气耦合失稳理论与实验研究（第二作者，科学出版社，2011）。5. 张建国，排名5，总工程师，教授级高工，工作单位：中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，完成单位：中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，对本项目技术创造性贡献：（1）在本项目技术发明点5中提出了现场水压致裂与气体致裂实施工艺，并做出了创造性贡献；（2）负责该项目在河南平顶山天安煤业股份有限公司八矿、天安煤业股份有限公司十

19、矿、天安煤业股份有限公司十二矿及河南平宝煤业有限公司的现场应用工作；（3）负责深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律的现场试验、瓦斯抽采方案的优化和效果检验等工作。6. 王寿全，排名6，总工程师，教授级高工，工作单位：四川省煤炭产业集团有限责任公司，完成单位：四川省煤炭产业集团有限责任公司，对本项目技术创造性贡献：（1）在本项目技术发明点5中提出了现场水压致裂与气体致裂实施工艺，并做出了创造性贡献；（2）负责该项目在川煤集团芙蓉公司珙泉煤矿、杉木树煤矿，四川省华蓥山煤业股份有限公司李子垭煤矿、绿水洞煤矿及四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司的现场应用工作；（3）负责采动破断煤岩体中瓦斯运移与富

20、集机理及规律的现场试验、瓦斯抽采方案的优化和效果检验等工作。完成人合作关系说明：1. 共同立项： （1）尹光志、许江、张东明从2011.1-2015.12共同立项：国家重点基础研究计划（973计划）课题“深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律” （2011CB201203）；（2）尹光志、张建国、许江、张东明从2011.1-2013.12共同立项：中平能化集团煤与瓦斯共采模式及关键技术研究（合同号：41040220112103）；（3）尹光志、王寿全、张东明从2012.7-2014.12共同立项：川煤集团采动破断煤岩体瓦斯运移规律与卸压抽采研究。2. 共同知识产权（发明专利）：(2003

21、.3-2015.1) （1）尹光志、许江获1）多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统；2）多功能真三轴流固耦合试验系统；3）三向加载大型三维相似模拟试验系统；4）含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置等20项发明专利。（2）尹光志、许江、张东明获1）多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统；2）多功能真三轴流固耦合试验系统；3）多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置等7项发明专利。（3）许江;尹光志;鲜学福获煤与瓦斯突出模具等发明专利。3.专著合著：(2003.3-2015.1)（1）尹光志、鲜学福、张东明合著含瓦斯煤岩固气耦合失稳理论与实验研究（科学出版社，2011.6）；（2）许江、尹光志合著含

22、瓦斯煤THM耦合模型及实验研究（科学出版社，2012.5）；（3）张东明、尹光志合著岩石变形局部化及失稳破坏的理论与实验（科学出版社，2011.4）；（4）尹光志、许江合著深部煤与瓦斯共采中固-液-气耦合作用机理及实验研究（科学出版社，2012.6）；（5）许江、尹光志合著周期荷载作用下岩石非线性变形与损伤特性（科学出版社，2012.10）；4. 论文合著：(2003.3-2015.1)（1）Yin G.Z., Li M.H., Wang J.G., Xu J., Li W.P. Mechanical Behavior and Permeability Evolution of Gas Inf

23、iltrated Coals During Protective Layer Mining J. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015, 80: 292-301.（2）Yin G.Z., Jiang C.B., Wang J.G, Xu J. Geomechanical and Flow Properties of Coal From Loading Axial Stress and Unloading Confining Pressure Tests J. International Journal

24、 of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015, 76:155-161.（3）Yin G.Z., Jing C.B., Wang J.G, Xu J. Combined Effect of Stress, Pore Pressure and Temperature on Methane Permeability in Anthracite Coal: An Experimental Study J. Transport in Porous Media. 2013, 100: 1-16. （4）Yin G.Z., Jiang C.B., Wang J.G

25、, Xu J., Zhang D.M., Huang G. A New Experimental Apparatus for Coal and Gas Outburst Simulation J. Rock Mechanics and Rock Engineering. Online.（5）Yin G.Z., Jiang C.B., Xu J., Guo L.S., Peng S.J., Li W.P. An Experimental Study on The Effects of Water Content on Coalbed Gas Permeability in Ground Stress Fields J. Transport in Porous Media. 2012, 94: 87-99. （6）尹光志、许江在煤炭学报、岩石力学与工程学报等EI刊物上合作发表论文18篇。（7）尹光志、张东明在煤炭学报、岩石力学与工程学报等EI刊物上合作发表论文17篇。5. 共同获奖：（1）尹光志、许江、鲜学福、张东明 “多尺度多场耦合条件下煤矿动力灾害试验系统研制与应用”，2014年获高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖；（2）张建国、尹光志、张东明 “深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律研究”，2014年获中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖。