十三五矿业工程发展战略研究.doc
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1、第 卷 第 期煤炭工程 , word文档可自由复制编辑: “ 十三五”矿业工程发展战略研究何满潮 , 朱国龙,( 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 北京 ; 中国矿业大学( 北京) 力学与建筑工程学院, 北京 )摘 要: 随着 “ 十二五” 规划目标的实现, 从能源贡献、 研究贡献等方面, 对矿业工程 “ 十二五” 发展现状进行了总结。 根据 “ 十三五” 规划制定的新要求与目标, 分析了以矿井建 设、 矿山压力与开采沉陷为代表的矿业工程各领域发展规律、 发展态势、 发展目标及实现
2、途径, 讨论了矿业工程面临的关键问题及未来优先发展领域的研究方向。 同时, 从硬件措施、 人才队伍 建设、 相关政策措施保障等方面提出了实现 “ 十三五” 矿业工程发展战略的保障措施。 相信在 相关政策的保障下, 矿业工程定能够取得更长远的发展, 矿业工程领域从业人员定能够取得更辉 煌的成就。关键词: “ 十三五” 规划; 矿业工程; 矿山压力与开采沉陷; 矿井建设; 优先发展领域中图分类号: ; 文献标识码: 文章编号: () , ,( , ( ), , , ; , ( ), , , ): , , , , , , , , , : ; ; ; ; 矿业
3、工程是以矿物资源的安全、 高效、 环境友好地开 采以及矿物资源有效加工和利用的应用性基础学科, 包括 采矿工程、 矿山压力与开采沉陷、 矿井建设、 矿山安全、 矿井新能源等五方面。 矿业工程的研究内容广泛, 研究对 像迥异, 方法也不尽相同, 既存在共性规律, 也有各自的 规律。 由于矿业工程学科的研究对象是以地质体为主的自然物质系统, 其往往是多尺度与多场耦合的, 既包括诸如 岩石介质中微纳尺度的吸附、 解吸问题, 又包括细观尺度 的流体运移、 裂纹扩展及岩石损伤问题等, 这使应用性和 复杂性成为矿业工程学科的两个重要特点。 这些特殊性导 致矿业工程与人工设计的工业系统不同, 对于地学系统的
4、 复杂性人类到目前为止尚不能完全认知, 广大科研人员、收稿日期: 基金项目: 国家自然科学基金资助项目()作者简介: 何满潮(), 男, 河南灵宝人, 中国科学院院士, 教授, 主要从事深部岩体力学与工程灾害控制方面 的研究工作, : 。引用格式: 何满潮, 朱国龙 “ 十三五” 矿业工程发展战略研究 煤炭工程, , (): 专家论坛煤炭工程 年第 期工程技术人员在长期的学科发展与生产实践中付出了巨大 的努力, 也为经济与社会的发展作出了不可磨灭的贡献。随着 “ 十二五” 规划目标的实现, “ 十三五” 期间又对 广大矿业工程从业人员提出了新的要求与目标 。 这些新 的要
5、求与目标对于矿业工程学科的发展而言也是学科自身 和经济社会发展的必然需求。 本文谨对矿业工程领域广大 科研和技术工作者的现阶段部分成果进行简要总结, 结合 中共中央关于下一个五年的规划建议, 对本学科的发展战 略进行分析, 简述矿业工程学科未来发展趋势和优先发展 领域。 在此, 希望与广大科技工作者共同探讨, 力求推动 矿业工程不断发展, 为我国由矿业大国向矿业强国转变提 供坚实的理论和技术基础。矿业工程 “ 十二五” 发展概况“ 十二五” 期间, 矿业工程学科对我国发展的主要贡献 可简要概括为: 对我国发展的矿物资源贡献、 能源贡献和 学术研究贡献三个方面。 矿物资源贡献
6、在煤炭、 金属矿物与非金属矿物三个方面, 中国贡献 最大, 占 、 和 ; 在石油与天然气方面, 中国的贡献居于中等水平, 分别占 和 。 中国为 世界上第一大能源生产和消费国, 年, 一次能源生产 总量为 亿 吨 标 准 煤, 同 比 增 长 ; 消 费 总 量 为 亿吨标准煤, 增长 ; 能源自给率为 。 能源 结构不断改善, 煤炭比重不断下降, 天然气等清洁能源比 重不断上升。 年能源消费结构为: 煤炭占
7、49008; , 水 电、 风电、 核电、 天然气等占 。 原油产量 亿 , 增长 , 居第四位。 天 然 气 产 量 亿 , 增 长 , 居第六位。 年上半年, 原油产量 亿 , 同 比增长 ; 天然气 亿 , 增长 。 年 中国与典型国家的矿物资源产量对比见表 。煤 亿 石油 万桶天然气 亿 金属 非金属 万 的研究热点可知: 地下开采与岩石力学仍然是世界范围内的研究主题。 其中, 矿山安全、 露天开采、 岩石力学、
8、 采 矿废弃物、 高应力岩爆、 尾矿处理及高温矿井问题的研究表 年中国和典型国家矿物资源产量对比表国家图 中国和典型国家能源结构图 学术贡献在矿业工程领域( 以论文发表为例), 世界前 名国家 的国际高水平学术论文( 为主, 包括高水平的定期国际 学术会议论文) 在 年间发表的数量如图 所示。 中国排在第一位( ), 美国紧居中国之后( ), 印度排在第 位( )。图 国家在 年间国际高水平论文发表情况通过分析总结全球前 个国家近 在矿业工程领域中国美国
9、; 英国 加拿大 澳大利亚 印度 能源贡献中国和典型国家能源结构图如图 所示。 目前, 我国 的总发电量最大, 且煤电仍占主体地位; 美国是以煤电与 天然气发电为主体, 总发电量与我国相当。 在水力发电方 面, 我国略优于所列典型国家; 在核电方面, 我国达到了 同英国、 加拿大等国相当的规模 。也占有重要地位。 通过将我国同典型国家研究热点对比发现: 在岩石力学、 露天开采、 高应力岩爆、 以及矿山安全等五个研究方向上, 中
10、国的研究集中度均高于其他国家。 特别是在岩石 力学与高应力岩爆两个方向上, 中国远高于美、 英、 澳等 发达国家, 更远远高于印度。 同时发现, 单从论文发表总 量上来说, 中国已经是在矿业工程领域的研究大国。 但由 于中国的论文研究内容跟踪多, 创新少, 而原始创新的数 量则更少, 所以不是研究强国。综合判断, 在过去的这一时期, 虽然矿业工程领域在 国家经济和社会发展中做出了一定的贡献, 但也面临诸多 矛盾叠加、 风险隐患增多的严峻挑战。 因此, 中共中央关 年第 期煤炭工程专家论坛于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议 对 矿业工程学科和相关产业过去及未来的发展具有十分重要 的指
11、导意义, 认真总结经验并制定合理的学科发展战略规 划, 成为当前的重中之重。 矿业工程 “ 十三五” 发展战略研究为满足未来我国国民经济发展和全面建设小康社会的 需求, 做好矿物资源和能源需求的基础保障, 以及相关领 域内的技术支持和未来发展的知识储备, 是矿业工程学科 发展的首要任务。 按照 “ 十三五” 规划要求, 高效开采、 环境友好型开采及生态屏障建立的需求更为显著, 同时, 矿物资源加工, 以及随着开采产生的越来越严重的工程地 质灾害等问题, 都对矿业工程学科提出了新的重大需求。根据基金委有关制定 学科发展战略研究与十三五规 划 的要求, 本文主要对目前发展良好并有很大潜力、 具 有
12、国家重大需求背景, 但目前还比较薄弱的两个学科领域, 即矿井建设和矿山压力与开采沉陷二个主要研究领域进行 发展战略规划分析 , 对采矿工程、 矿山安全和矿井新 能源做简要分析。 矿业工程 “ 十三五” 发展战略规划分析 矿井建设矿井建设 是为获取地下矿产资源而实施的地下工 程技术。 建井工程是依据地下复杂工程地质条件而实施的 不同类型和用途的井筒、 巷道及工作面开挖与支护的技术 科学。 矿井建设学科包括井筒建设、 煤巷支护、 岩巷支护 及采场支护等, 主要与各类岩层打交道, 地下各类岩层的 开挖和支护问题是矿井建设的核心问题。 为实
13、现矿井建设 过程中科学的开挖与支护, 需要弄清井筒、 巷道与采场围 岩所处的地质力学环境, 需要研究不同地应力环境、 不同 性质、 不同结构岩层、 不同含水条件等多种情况下井筒、 巷道及采场围岩的稳定性, 需要研究不同条件下围岩稳定 性控制理论与方法。 由于地下矿层及地质条件的多样性、 复杂性, 矿井建设还需要进行大量的基础研究, 研究内容 涉及地质学、 力学、 运动学、 测量学、 机械学等多个学科。 发展规律和发展态势目前, 我国各类矿井深度超过 的井筒已占 以 上, 深部矿产资源开发利用已进入实施阶段, 多个煤矿和 金属矿山
14、的开拓开采深度已超过千米; 新一批超千米大型 矿井正在规划和建设中; 开凿大直径、 深立井井筒, 将是 我国今后一段时间矿井建设的主要任务。 岩石巷道工程支 护技术发展历程大致可以划分为三个时代。 第一代为被动 支护, 第二代为主动支护, 第三代为耦合支护。 近年来, 针对传统支护材料无法适应巷道围岩大变形而破断失效的 问题, 提出并研发了具有负泊松比效应的恒阻大变形锚杆( 索) 支护新材料, 其拉而不断的超常力学特性, 为有效控 制巷道围岩大变形以及岩爆、 冲击地压等大变形灾害提供 了有效途径, 改变了以传统支护材料为基础建立的巷道支护理论, 为真正实现耦合支护理念奠定了材料基础。 我国学者
15、针对深部围岩由于吸水软化、 结构破坏以及岩爆、 冲击地压等引起的灾害现象, 进行了系统的巷道变形和致灾机理等方面的理论和实验研究, 并取得了突破性 进展。 针对煤矿岩体中的黏土矿物成分吸水膨胀大变形导 致的巷道塌方灾害, 进行了软岩吸附量子力学研究。 利用 自主研发的岩爆力学实验系统, 设计了不同类型岩爆实验 方法, 实验室再现了岩爆全过程这一复杂的力学现象。 针 对深井开采高温高湿环境引起围岩软化大变形导致的巷道 塌方灾害, 采用深部高温岩体力学特性实验系统, 对围岩 在常温低湿到高温高湿环境下的力学特性进行了实验研究, 揭示了高温高湿环境易导致围岩软化大变形、 强度衰减而 发生破坏的规律,
16、 得出了深井高温高湿环境的控制是解决 深部环境效应引起围岩软化大变形的关键。建井工程及围岩支护经过多年的建设和发展, 已形成 以中国矿业大学南北两校、 煤炭科学研究总院建井分院为 龙头, 北京科技大学、 东北大学、 安徽理工大学、 山东科 技大学、 河南理工大学等广泛参与的基础理论研究基地, 可以承担深部建井工程领域的重大基础理论和应用技术理 论的研究工作。 煤炭科学研究总院建井分院具有复杂地层 的大型冻结法、 钻井法、 注浆法的模拟试验设施, 设计并 成功推广应用了多项深厚表土冻结、 钻井和立井快速施工 技术。 在软岩工程力学支护理论与技术体系方面, 研发形 成了具有负泊松比效应恒阻大变形锚
17、杆( 索) 支护理念、 工 艺、 材料及机具于一体的成套支护技术, 未来可以此为基 础, 进一步开展多场耦合深部岩体力学响应特性、 恒阻大 变形锚杆支护理论、 监测技术等方面的研究。 发展目标及实现途径 为进一步深入开展建井工程领域的研究, 宜在以下方面进行突破。 建立深厚表土( ) 冻结壁合理设计 理论及高效冻结法工艺技术; 建立斜井或立井全机械化掘进技术理论体系; 建立千米以上深井快速施工的技术理论 与井壁结构合理设计理论。 在围岩支护方面, 深入认识巷道围岩吸水强度衰减规律及其大变形破坏机理、 巷道围岩 吸附膨胀能量机理,
18、研发巷道围岩软岩结构效应及破坏模式的物理模拟技术、 深部巷道恒阻大变形锚杆( 索) 支护材 料与技术。 重点开展复杂应力条件下岩巷工程岩体与支护结构相互作用机理研究, 大力研发适用于岩巷工程围岩大 变形控制的支护材料及支护结构, 从而形成针对复杂开采 条件下的第三代岩巷支护稳定性理论、 设计方法及控制理论。 矿山压力与开采沉陷矿山压力与开采沉陷 是基于岩石( 体) 力学原理, 揭示采掘围岩应力分布规律, 探究岩层变形、 破坏及其稳 定性演化机理和控制原理的学科; 是在岩石( 体) 力学基础 上, 根据矿山开采的特点发展起来的新兴学科和边缘学科, 是应用
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- 十三 矿业 工程 发展战略 研究
