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地球深处辟乾坤——访中国科学院院士、太原理工大学矿业工程学院教授赵阳升

发布时间:2020-01-16来源:中国煤炭报 作者:中国煤炭报点击率:

2019年11月22日,中国科学院公布了 2019 年新晋院士名单,来自太原理工大学矿业工程学院的教授赵阳升位列其中。他是2019 年度唯一一位煤炭系统新晋院士。

当选院士后,赵阳生依然保持低调,许多地方和单位邀请他作事迹报告,都被他婉言谢绝了。

“院士的选任是对我和我的团队过去工作的肯定,同时也是我承担更大责任的起点。我要把时间留给学科建设和人才培养,一心一意为党工作、为人民服务。”赵阳生说“,我将坚守科学道德规范,维护院士群体的声誉,在矿业工程领军人才的培养、发掘和提携上做更多的事情,服务山西地方经济,服务国家新的资源能源开发。

赵阳升长期从事煤层气、盐矿、油页岩和干热岩地热等能源开采研究,是原位改性流体化采矿理论与实践的开拓者。在科学探索期间,他发现了物理、化学改性固体矿床多孔化和流体化演变规律,创立了原位改性流体化采矿理论体系,创建了破裂、溶解、热解为主体的相应技术体系,在全国许多煤矿、盐矿应用,即将应用于油页岩、干热岩地热工业开发。

突出贡献主要包括:

1.首创原位改性流体化采矿概念,建立了原位改性流体化采矿理论体系,阐明了下一代地下资源与能源规模开采的技术原理。

2.发明原位物理改性开采成套技术与装备,推进了低渗透煤层煤层气高回采率开采与煤矿安全技术,引领中国干热岩地热开发研究。

3.发明原位化学改性流体化开采方法与成套技术,解决薄层与难溶盐矿开采的技术难题,并引领油页岩原位开采技术发展。

把毕生所学倾注于采矿

1977 年,赵阳升被山西矿业学院(现太原理工大学)工程力学专业录取,后被送往太原重型机械学院(现太原科技大学)数学力学专业委托培养。

“在校期间,钱学森、周培源、陈宗基等科学界大拿在《力学与实践》创刊号上发表展望性论文,提出了‘力学的生命力在于它的创造性’‘力学向天、地、生发展’等观点,对我的学业产生很大的影响。当时我就暗下决心,将来我要从事岩石力学与矿业工程研究,研究方向要与采矿工程、采矿科学、煤炭工业紧密结合。”赵阳升说。

1982年,赵阳升在山西矿业学院毕业后留校,进入山西矿业学院基础部力学教研室工作。从此,他一头扎进了煤炭行业领域,奉献着自己的聪明才智。

一年半后,赵阳升报考了阜新矿业学院(现辽宁工程技术大学)采矿工程专业的硕士研究生,师从教授章梦涛。研究生毕业后,赵阳升又回到山西矿业学院采矿系,从事井下科研工作,从前辈身上学习研究方法和煤矿井上井下的相关知识。

1987年12月,为加强矿业科学与工程的研究,赵阳升与同是采矿工程专业的教授靳钟铭共同创办了采矿工艺研究室,坚持岩石力学领域的基础研究,并将研究重点放在厚煤层放顶煤综放开采、坚硬顶煤控制、承压水上采煤理论及工程。

不久后,采矿工艺研究室在国内率先开展了综采放顶煤研究,发现了顶煤压裂区分布规律、放顶煤工作面支架最大阻力小于普通工作面的最大阻力,提出了预注水和煤层裂隙方位匹配中硬煤放顶煤软化技术。为此,赵阳升主持开展了对放顶煤技术有重要影响的潞安王庄煤矿4309工作面综采放顶煤开采的工业试验,并在晋城、大同、准格尔、海勃湾等矿区广泛使用。

1994年,赵阳升撰写的国内外第一部系统论述矿山岩体固流耦合理论体系的学术专著《矿山岩石流体力学》问世,打消了科学界“岩石是固体,怎么会和流体合在一起”的诸多疑问,国内专家学者一致认为,赵阳升是国内做固流热化学耦合的先驱者。

“随着煤炭开采不断延伸,受地层深部高承压奥灰水的危害日趋加剧,突水事故频繁发生。我国受奥灰水害威胁的煤层绝大部分是石炭纪煤层。据统计,我国受其威胁的大型煤矿就有230多处,已发生突水事故近百起。”赵阳升说,“当时,国内外对奥灰突水与预测预报的研究均集中在采场围岩的变形破坏失稳上,即采用固体力学的方法,基于矿压实测与统计资料,对奥灰突水只能作出某些点或小范围的预报,加上地质构造的复杂性,特别是断层、无炭柱的存在,这种预报方法不敏感、速度慢,甚至滞后,因此实施起来比较困难。”

为此,赵阳升提出采用渗流力学的方法对奥灰突水进行监控。他分析研究渗流理论与突水事故后得出结论:奥灰突水前,必然与煤层底板的含水层发生水力联系,其趋势是“奥灰水—本溪组含水层—太原组含水层—采掘空间”。如将某含水层(太原组或本溪组)作为监控层,由于流体(水)与固体(岩层)特性的显著差异,监测监控层水压分布规律,就能快速准确地发现突水区域与突水点,而且能实现大范围的区域性预报。

与此同时,赵阳升团队还先后提出了基于多含水层水力联系的区域性带压开采突水监控理论、监控软件和技术,提出了带压开采分段后退式开采布局方法,在太原东山煤矿、潞安屯留煤矿和晋煤赵庄煤矿等矿井进行了工业应用。

2010年,赵阳升潜心30多年研究完成的学术专著《多孔介质多场耦合作用及其工程响应》问世,受到国内外学术界的高度评价与广泛引用。从发表《演变多孔介质传输及原位改性采矿理论、技术与工程》开始,他就致力于多孔介质多场耦合作用这一新兴分支学科领城的探索与研究,成为我国矿山岩体多孔介质多场耦合力学的主要学术带头人,为该分支学科的创建与发展做出贡献。他研究揭示了拟连续介质、裂隙介质三应力作用下煤岩体液体、气体渗流物性规律,提出了岩体修正的有效应力规律,最先提出了拟连续介质、裂隙介质的固体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法,并应用于煤矿瓦斯研究。

攻克煤层气开采国际难题

赵阳升不仅在岩石力学与矿业工程的研究中被广泛认可,他还在煤层气开采研究中攻克了国际难题。

1989年后,赵阳升的研究领域开始转向煤层气开采。1992年,他建立了国际上第一个固气耦合的理论模型。

赵阳升团队先后开展了岩体固气耦合、固液耦合、固流热耦合、固流热化学耦合等研究。在研究中,他发现了物理、化学改性固体矿床多孔化和流体化演变规律,创立了原位改性流体化采矿理论体系,建立了破裂、溶解、热解为主体的相应技术体系,发明了原位物理、化学改性开采成套技术与装备。

“所谓原位改性流体化采矿,就是在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采。原位改性采矿以多场耦合作用的演变多孔介质传输理论为基础,借助相关领域科学技术,对矿产资源进行原位物理、化学与力学特性的改造,从而实施地下矿产资源与能源(包括伴生资源)的安全 、高效 、绿色 、经济开采与利用。”赵阳升解释说。

彼时,高瓦斯低渗透煤层瓦斯抽采是国际难题。煤层气以游离与吸附两种方式赋存于煤体中 ,而吸附煤层气约占 90%以上。煤层气开采时必须将微孔隙裂隙表面吸附的煤层气解吸和扩散,使其转变为游离态的煤层气,赋存于较大的孔隙裂隙中,进而渗流进入采掘空间。但煤层气吸附与解吸是互为条件转化的,游离煤层气压强低于吸附煤层气压强时,吸附煤层气能较快转变为游离煤层气,反之亦然。

为此,降低游离煤层气压强是煤层气开采的必要条件。设法提高煤层渗透性,疏通渗流通道,使游离煤层气排出是煤层气开采的关键步骤。当时,国内针对低渗透煤层煤层气抽采实施了大直径密集钻孔开采、水力冲孔扩孔技术、水力压裂加支撑剂技术、超长钻孔支撑压力裂隙带开采等技术,但收效甚微,其他国家对此也无能为力。

1997年,赵阳升团队开展了高压水力割缝强化低渗透煤层气开采研究,系统研究了煤体基质岩块的气体渗流规律,揭示了三维应力和孔隙压力对吸附气体在煤体基质岩块中的渗流存在影响。

1998年,赵阳升提出了卸压抽采煤层气的技术原理,即三维地层压力是影响煤储层渗透性的主要因素,煤体应力低了,渗透性就会提高。

技术原理有了,用什么方法才能实现?赵阳升提出了水力割缝卸压技术“。钻孔进去,以700个大气压的水压,从小孔里射出水流,水有很大冲击力,能使煤体破裂。”赵阳升解释说。他详细研究了在煤层埋藏深度、有效割缝宽度等条件下的煤层应力转移规律和渗透系数改变规律、割缝引起的卸压范围及卸压效果。通过割缝卸压来改造低渗透煤储层,这一结论从固流耦合作用机理角度得到论证。

赵阳升通过研究试验,在揭示三维应力作用下煤层透气性规律、煤层孔隙裂隙分布规律与裂隙介质固气耦合作用规律基础上,又提出了卸压改造低渗透煤层方法的成套技术方案,发明了深孔超高压水力割缝强化瓦斯抽采成套技术与设备,大幅度提高了煤层的透气性,提高了高瓦斯层资源的回采率,降低了风排瓦斯引起的环境污染,保障了煤矿安全生产,收到了良好的经济效益和社会效益。

原位热解开采即将试水

针对资源能源矿床致密、低渗透性、埋藏深等因素,传统井工开采、钻井抽采技术极难开采,而采用物理、化学方法在地下原位改造,使矿体多孔化、矿物流体化,进而流体化采出矿产资源。赵阳升不但在煤矿娴熟使用这一技术,还将其拓展到新的能源领域。

十几年来,他在国内外首创性地提出了原位注过热蒸汽开采油页岩油气的方法、天然裂缝断层模式的高温岩体地热开采方法等。

我国有丰富的褐煤及长焰煤等低变质煤资源,但这类煤炭含水量高、煤质差、发热量低、发火期短。西方国家对低变质煤的深加工处理做了大量研究,研发了非蒸发脱水提质技术、成型提质技术、热解提质技术。但是,这些技术均为地面实施,需要庞大的配套设施,还会对环境造成污染。

2005年以来,赵阳升团队开展了低变质煤原位脱水与提质研究,提出了低变质煤原位注热脱水提质与开采油气技术。该技术是在地面施工群井进入煤层,通过水力压裂技术使群井沿煤层连通,并选择其中一些井作为注热井,另外一些井作为生产井,沿注热井注入高温过热水蒸汽,对流加热煤层,使煤层脱水和提质改性。同时,煤层产出大量烃类气体和煤焦油,从生产井排到地面,经过换热器使油气水分离,油气即可进入销售环节,水经净化处理加热重复注入煤层,循环使 用。经脱水和提质改性后获得的优质煤,可正常实施露天或井工开采。使用该技术后,褐煤在采动前的含水量由20%降到5%以下,降低了褐煤开采和运输的成本,提高了褐煤的利用价值。

“煤在地下原位不动,通过钻孔把高温蒸汽注下去,把水和挥发分都处理了。水蒸汽从地面出来后,就成了含有很多烃类的气体,热值差不多有2500大卡,跟焦炉煤气差不多。处理完后,低质量的煤变成高质量的煤,原来卖200 元/吨的煤现在能卖400/吨。这才是真正的改性。”赵阳升兴奋地说。

目前,赵阳升团队已揭示了霍林河、乌兰察布、元宝山等褐煤脱水、产气以及提质的规律,即将进行工业开发。

2006年,赵阳升团队进一步发现了低渗透煤层煤层气吸附态到游离态转化的能量关系,发明了井下注热开采煤层气的方法,获批了煤层气开采矿用电加热装置的煤矿安标证书与产品防爆合格证,即将进行工业试验。

与此同时,赵阳升建立的原位改性流体化采矿理论与技术体系还阐明了下一代资源能源规模开采的技术原理,孕育了非常规能源与资源开发的重大变革,在油页岩、干热岩地热等众多下一代资源能源开采领域,实现颠覆性的技术突破。

2004年开始,赵阳升团队开展了油页岩原位热解开采研究,并于2005年发明了对流加热开采油页岩油气的方法。该方法通过地面布置与施工群井,钻井进入油页岩层,选择注热井和生产井,将过热蒸汽沿注热井注入油页岩层加热,使油页岩层中的干酪根热分解后形成油气,通过低温蒸汽或水携带油气从生产井排至地面 。 生产井采出的蒸汽、水、原油、石油气以及天然气混合物,采用物理方法分离。

围绕工业开发的一系列科学与工程问题,赵阳升团队先后进行了20余吨油页岩样品试验和大型岩样的实验室模拟中试,研发了油页岩原位压裂热解开采油气的实验室中试系统和地下原位注高温蒸汽热解的成套技术, 获得了油页岩高温蒸汽热解规律和参数、页岩油气产物的组分分析,进行了详细的技术经济评价分析。该试验成果属于国内外首创,可使油页岩开发高效节能、大规模工业实施,被认为是最具工业前景的中国技术,即将实施工业开发。

干热岩地热资源是指温度在200摄氏度以上的岩体中蕴藏的地热资源。它可以通过开采,提取过热水蒸汽,直接用于发电、供暖、医疗、洗浴、水产养殖、农业温室等产业中,具有资源量大、发电效率高、可再生性强等优点,有着巨大的利用价值和开发潜力。

“上世纪90年代,我在一本杂志里看到了干热岩地热资源的相关内容,给我启发特别大。这样的资源说不定将来会成为人类永恒的能源,或成为重大的接替能源。”赵阳升回忆说,“当时,这个领域在国内尚没有人研究。

2000年后,赵阳升团队开始干热岩地热开采研究,于2005年承担了国家自然科学基金重点项目——高温岩体地热开采基础研究,建立了高温岩体地热开采的变形—渗流—传热的耦合理论,提出了断层模式的干热岩地热开采新方法和一系列利用地质体原始组构及构造建造干热岩地热开采的人工储留层的理论。

“当前,在低碳经济模式下,开发利用深层清洁地热资源,尤其是干热岩地热资源,已成为许多发达国家积极研究的课题。尽管山西的地热资源不是很好,但用干热岩地热来供暖这条路有发展前景,水温达到100摄氏度就可以。”赵阳升说。

一心一意扶栋梁

30多年来,赵阳升始终从事采矿工程领域的教学科研工作,一直孜孜不倦地谋求科学创新,指导与推动采矿工程技术的进步和变革。

回顾多年的科研之路,赵阳升认为自己是从科学理论走到技术研究,最后走向工程实践的。

“我们研究事物,先要研究其普遍的科学规律,并在此指导下,研究其技术原理,进而研究该事物具体工程门类的技术工艺和装备。一项科学技术的突破能解决一大门类科学技术的问题,从而推动工业和产业进步,解决国民经济发展难题。”赵阳升为自己选择采矿事业感到自豪。

“30年奋斗的成绩,都是他自己干出来的。他不怕苦不怕累,一心一意干事,认准方向往前走,值得我们学习。”靳钟铭说。

“赵老师在个人品行与修养、学风、工作作风等方面严格要求我们。他始终保持着严谨的科学作风,积极奋发向上的干劲儿,旺盛的创新活力,使我们受益终生。”赵阳升的学生,现已是副教授的冯子军说。

长期以来,赵阳升始终用心耕耘着研究所这块神圣的责任田,春风化雨,桃李芬芳,如今,他播撒的种子已悄然成长为栋梁之才。

个人简介

赵阳升,1955年生,山西阳曲人,教授,博士生导师,国家杰出青年科学基金和全国五一劳动奖章获得者,教育部长江学者。1982年毕业于山西矿业学院工程力学专业,获学士学位;1986年毕业于阜新矿业学院采矿工程专业,获硕士学位;1992年毕业于同济大学结构工程专业,获博士学位。2010年创建原位改性采矿教育部重点实验室,2018 年与中石化合作创建国家油页岩开采研发中心。2019年11月,当选为中国科学院院士。先后获得国家技术发明二等奖2项,省部级自然科学、技术发明一等奖4项,出版专著6部,发表论文436篇,授权发明专利44项,在国际学术会议做特邀报告32次,培养博士和博士后66名。

来源:中国煤炭报

链接:http://paper.ccoalnews.com/202001/16/colm4.html

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