|
|
| 首頁 >> 特別報道 >> 趙陽升，地球深處辟乾坤
|
| |
| 趙陽升，地球深處辟乾坤 |
| 來源：中國煤炭報 作者：李侖 牛祥 時間：2020/1/19 |
地球深處辟乾坤
———訪中國科學院院士、太原理工大學礦業工程學院教授趙陽升
個人簡介 趙陽升，1955年生，山西陽曲人，教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金和全國五一勞動獎章獲得者，教育部長江學者。1982年畢業于山西礦業學院工程力學專業，獲學士學位;1986年畢業于阜新礦業學院采礦工程專業，獲碩士學位;1992年畢業于同濟大學結構工程專業，獲博士學位。2010年創建原位改性采礦教育部重點實驗室，2018年與中石化合作創建國家油頁巖開采研發中心。2019年11月，當選為中國科學院院士。先后獲得國家技術發明二等獎2項，省部級自然科學、技術發明一等獎4項，出版專著6部，發表論文436篇，授權發明專利44項，在國際學術會議做特邀報告32次，培養博士和博士后66名。
2019年11月22日，中國科學院公布了2019年新晉院士名單，來自太原理工大學礦業工程學院的教授趙陽升位列其中。他是2019年度唯一一位煤炭系統新晉院士。
當選院士后，趙陽生依然保持低調，許多地方和單位邀請他作事跡報告，都被他婉言謝絕了。
“院士的選任是對我和我的團隊過去工作的肯定，同時也是我承擔更大責任的起點。我要把時間留給學科建設和人才培養，一心一意為黨工作、為人民服務。”趙陽生說，“我將堅守科學道德規范，維護院士群體的聲譽，在礦業工程領軍人才的培養、發掘和提攜上做更多的事情，服務山西地方經濟，服務國家新的資源能源開發。”
趙陽升長期從事煤層氣、鹽礦、油頁巖和干熱巖地熱等能源開采研究，是原位改性流體化采礦理論與實踐的開拓者。在科學探索期間，他發現了物理、化學改性固體礦床多孔化和流體化演變規律，創立了原位改性流體化采礦理論體系，創建了破裂、溶解、熱解為主體的相應技術體系，在全國許多煤礦、鹽礦應用，即將應用于油頁巖、干熱巖地熱工業開發。
突出貢獻主要包括
1.首創原位改性流體化采礦概念，建立了原位改性流體化采礦理論體系，闡明了下一代地下資源與能源規模開采的技術原理。
2.發明原位物理改性開采成套技術與裝備，推進了低滲透煤層煤層氣高回采率開采與煤礦安全技術，引領中國干熱巖地熱開發研究。
3.發明原位化學改性流體化開采方法與成套技術，解決薄層與難溶鹽礦開采的技術難題，并引領油頁巖原位開采技術發展。
把畢生所學
傾注于采礦
1977年，趙陽升被山西礦業學院(現太原理工大學)工程力學專業錄取，后被送往太原重型機械學院(現太原科技大學)數學力學專業委托培養。
“在校期間，錢學森、周培源、陳宗基等科學界大拿在《力學與實踐》創刊號上發表展望性論文，提出了‘力學的生命力在于它的創造性’‘力學向天、地、生發展’等觀點，對我的學業產生很大的影響。當時我就暗下決心，將來我要從事巖石力學與礦業工程研究，研究方向要與采礦工程、采礦科學、煤炭工業緊密結合。”趙陽升說。
1982年，趙陽升在山西礦業學院畢業后留校，進入山西礦業學院基礎部力學教研室工作。從此，他一頭扎進了煤炭行業領域，奉獻著自己的聰明才智。
一年半后，趙陽升報考了阜新礦業學院(現遼寧工程技術大學)采礦工程專業的碩士研究生，師從教授章夢濤。研究生畢業后，趙陽升又回到山西礦業學院采礦系，從事井下科研工作，從前輩身上學習研究方法和煤礦井上井下的相關知識。
1987年12月，為加強礦業科學與工程的研究，趙陽升與同是采礦工程專業的教授靳鐘銘共同創辦了采礦工藝研究室，堅持巖石力學領域的基礎研究，并將研究重點放在厚煤層放頂煤綜放開采、堅硬頂煤控制、承壓水上采煤理論及工程。
不久后，采礦工藝研究室在國內率先開展了綜采放頂煤研究，發現了頂煤壓裂區分布規律、放頂煤工作面支架最大阻力小于普通工作面的最大阻力，提出了預注水和煤層裂隙方位匹配中硬煤放頂煤軟化技術。為此，趙陽升主持開展了對放頂煤技術有重要影響的潞安王莊煤礦4309工作面綜采放頂煤開采的工業試驗，并在晉城、大同、準格爾、海勃灣等礦區廣泛使用。
1994年，趙陽升撰寫的國內外第一部系統論述礦山巖體固流耦合理論體系的學術專著《礦山巖石流體力學》問世，打消了科學界“巖石是固體，怎么會和流體合在一起”的諸多疑問，國內專家學者一致認為，趙陽升是國內做固流熱化學耦合的先驅者。
“隨著煤炭開采不斷延伸，受地層深部高承壓奧灰水的危害日趨加劇，突水事故頻繁發生。我國受奧灰水害威脅的煤層絕大部分是石炭紀煤層。據統計，我國受其威脅的大型煤礦就有230多處，已發生突水事故近百起。”趙陽升說，“當時，國內外對奧灰突水與預測預報的研究均集中在采場圍巖的變形破壞失穩上，即采用固體力學的方法，基于礦壓實測與統計資料，對奧灰突水只能作出某些點或小范圍的預報，加上地質構造的復雜性，特別是斷層、無炭柱的存在，這種預報方法不敏感、速度慢，甚至滯后，因此實施起來比較困難。”
為此，趙陽升提出采用滲流力學的方法對奧灰突水進行監控。他分析研究滲流理論與突水事故后得出結論：奧灰突水前，必然與煤層底板的含水層發生水力聯系，其趨勢是“奧灰水—本溪組含水層—太原組含水層—采掘空間”。如將某含水層(太原組或本溪組)作為監控層，由于流體(水) 與固體(巖層)特性的顯著差異，監測監控層水壓分布規律，就能快速準確地發現突水區域與突水點，而且能實現大范圍的區域性預報。
與此同時，趙陽升團隊還先后提出了基于多含水層水力聯系的區域性帶壓開采突水監控理論、監控軟件和技術，提出了帶壓開采分段后退式開采布局方法，在太原東山煤礦、潞安屯留煤礦和晉煤趙莊煤礦等礦井進行了工業應用。
2010年，趙陽升潛心30多年研究完成的學術專著《多孔介質多場耦合作用及其工程響應》問世，受到國內外學術界的高度評價與廣泛引用。從發表《演變多孔介質傳輸及原位改性采礦理論、技術與工程》開始，他就致力于多孔介質多場耦合作用這一新興分支學科領城的探索與研究，成為我國礦山巖體多孔介質多場耦合力學的主要學術帶頭人，為該分支學科的創建與發展做出貢獻。他研究揭示了擬連續介質、裂隙介質三維應力作用下煤巖體液體、氣體滲流物性規律，提出了巖體修正的有效應力規律，最先提出了擬連續介質、裂隙介質的固體變形與氣體滲流的耦合數學模型及其數值解法，并應用于煤礦瓦斯研究。
攻克煤層氣開采國際難題
趙陽升不僅在巖石力學與礦業工程的研究中被廣泛認可，他還在煤層氣開采研究中攻克了國際難題。
1989年后，趙陽升的研究領域開始轉向煤層氣開采。1992年，他建立了國際上第一個固氣耦合的理論模型。
趙陽升團隊先后開展了巖體固氣耦合、固液耦合、固流熱耦合、固流熱化學耦合等研究。在研究中，他發現了物理、化學改性固體礦床多孔化和流體化演變規律，創立了原位改性流體化采礦理論體系，建立了破裂、溶解、熱解為主體的相應技術體系，發明了原位物理、化學改性開采成套技術與裝備。
“所謂原位改性流體化采礦，就是在原位對礦體進行物理、化學性態改造，實施礦物的流體化開采。原位改性采礦以多場耦合作用的演變多孔介質傳輸理論為基礎，借助相關領域科學技術，對礦產資源進行原位物理、化學與力學特性的改造，從而實施地下礦產資源與能源(包括伴生資源)的安全、高效、綠色、經濟開采與利用。”趙陽升解釋說。
彼時，高瓦斯低滲透煤層瓦斯抽采是國際難題。煤層氣以游離與吸附兩種方式賦存于煤體中，而吸附煤層氣約占90%以上。煤層氣開采時必須將微孔隙裂隙表面吸附的煤層氣解吸和擴散，使其轉變為游離態的煤層氣，賦存于較大的孔隙裂隙中，進而滲流進入采掘空間。但煤層氣吸附與解吸是互為條件轉化的，游離煤層氣壓強低于吸附煤層氣壓強時，吸附煤層氣能較快轉變為游離煤層氣，反之亦然。
為此，降低游離煤層氣壓強是煤層氣開采的必要條件。設法提高煤層滲透性，疏通滲流通道，使游離煤層氣排出是煤層氣開采的關鍵步驟。當時，國內針對低滲透煤層煤層氣抽采實施了大直徑密集鉆孔開采、水力沖孔擴孔技術、水力壓裂加支撐劑技術、超長鉆孔支撐壓力裂隙帶開采等技術，但收效甚微，其他國家對此也無能為力。
1997年，趙陽升團隊開展了高壓水力割縫強化低滲透煤層氣開采研究，系統研究了煤體基質巖塊的氣體滲流規律，揭示了三維應力和孔隙壓力對吸附氣體在煤體基質巖塊中的滲流存在影響。
1998年，趙陽升提出了卸壓抽采煤層氣的技術原理，即三維地層壓力是影響煤儲層滲透性的主要因素，煤體應力低了，滲透性就會提高。
技術原理有了，用什么方法才能實現?趙陽升提出了水力割縫卸壓技術。“鉆孔進去，以700個大氣壓的水壓，從小孔里射出水流，水有很大沖擊力，能使煤體破裂。”趙陽升解釋說。他詳細研究了在煤層埋藏深度、有效割縫寬度等條件下的煤層應力轉移規律和滲透系數改變規律、割縫引起的卸壓范圍及卸壓效果。通過割縫卸壓來改造低滲透煤儲層，這一結論從固流耦合作用機理角度得到論證。
趙陽升通過研究試驗，在揭示三維應力作用下煤層透氣性規律、煤層孔隙裂隙分布規律與裂隙介質固氣耦合作用規律基礎上，又提出了卸壓改造低滲透煤層方法的成套技術方案，發明了深孔超高壓水力割縫強化瓦斯抽采成套技術與設備，大幅度提高了煤層的透氣性，提高了高瓦斯煤層資源的回采率，降低了風排瓦斯引起的環境污染，保障了煤礦安全生產，收到了良好的經濟效益和社會效益。
原位熱解開采即將試水
針對資源能源礦床致密、低滲透性、埋藏深等因素，傳統井工開采、鉆井抽采技術極難開采，而采用物理、化學方法在地下原位改造，使礦體多孔化、礦物流體化，進而流體化采出礦產資源。趙陽升不但在煤礦嫻熟使用這一技術，還將其拓展到新的能源領域。
十幾年來，他在國內外首創性地提出了原位注過熱蒸汽開采油頁巖油氣的方法、天然裂縫斷層模式的高溫巖體地熱開采方法等。
我國有豐富的褐煤及長焰煤等低變質煤資源，但這類煤炭含水量高、煤質差、發熱量低、發火期短。西方國家對低變質煤的深加工處理做了大量研究，研發了非蒸發脫水提質技術、成型提質技術、熱解提質技術。但是，這些技術均為地面實施，需要龐大的配套設施，還會對環境造成污染。
2005年以來，趙陽升團隊開展了低變質煤原位脫水與提質研究，提出了低變質煤原位注熱脫水提質與開采油氣技術。該技術是在地面施工群井進入煤層，通過水力壓裂技術使群井沿煤層連通，并選擇其中一些井作為注熱井，另外一些井作為生產井，沿注熱井注入高溫過熱水蒸汽，對流加熱煤層，使煤層脫水和提質改性。同時，煤層產出大量烴類氣體和煤焦油，從生產井排到地面，經過換熱器使油氣水分離，油氣即可進入銷售環節，水經凈化處理加熱重復注入煤層，循環使用。經脫水和提質改性后獲得的優質煤，可正常實施露天或井工開采。使用該技術后，褐煤在采動前的含水量由20%降到5%以下，降低了褐煤開采和運輸的成本，提高了褐煤的利用價值。
“煤在地下原位不動，通過鉆孔把高溫蒸汽注下去，把水和揮發分都處理了。水蒸汽從地面出來后，就成了含有很多烴類的氣體，熱值差不多有2500大卡，跟焦爐煤氣差不多。處理完后，低質量的煤變成高質量的煤，原來賣200元/噸的煤現在能賣400/噸。這才是真正的改性。”趙陽升興奮地說。
目前，趙陽升團隊已揭示了霍林河、烏蘭察布、元寶山等褐煤脫水、產氣以及提質的規律，即將進行工業開發。
2006年，趙陽升團隊進一步發現了低滲透煤層煤層氣吸附態到游離態轉化的能量關系，發明了井下注熱開采煤層氣的方法，獲批了煤層氣開采礦用電加熱裝置的煤礦安標證書與產品防爆合格證，即將進行工業試驗。
與此同時，趙陽升建立的原位改性流體化采礦理論與技術體系還闡明了下一代資源能源規模開采的技術原理，孕育了非常規能源與資源開發的重大變革，在油頁巖、干熱巖地熱等眾多下一代資源能源開采領域，實現顛覆性的技術突破。
2004年開始，趙陽升團隊開展了油頁巖原位熱解開采研究，并于2005年發明了對流加熱開采油頁巖油氣的方法。該方法通過地面布置與施工群井，鉆井進入油頁巖層，選擇注熱井和生產井，將過熱蒸汽沿注熱井注入油頁巖層加熱，使油頁巖層中的干酪根熱分解后形成油氣，通過低溫蒸汽或水攜帶油氣從生產井排至地面。生產井采出的蒸汽、水、原油、石油氣以及天然氣混合物，采用物理方法分離。
圍繞工業開發的一系列科學與工程問題，趙陽升團隊先后進行了20余噸油頁巖樣品試驗和大型巖樣的實驗室模擬中試，研發了油頁巖原位壓裂熱解開采油氣的實驗室中試系統和地下原位注高溫蒸汽熱解的成套技術，獲得了油頁巖高溫蒸汽熱解規律和參數、頁巖油氣產物的組分分析，進行了詳細的技術經濟評價分析。該試驗成果屬于國內外首創，可使油頁巖開發高效節能、大規模工業實施，被認為是最具工業前景的中國技術，即將實施工業開發。
干熱巖地熱資源是指溫度在200攝氏度以上的巖體中蘊藏的地熱資源。它可以通過開采，提取過熱水蒸汽，直接用于發電、供暖、醫療、洗浴、水產養殖、農業溫室等產業中，具有資源量大、發電效率高、可再生性強等優點，有著巨大的利用價值和開發潛力。
“上世紀90年代，我在一本雜志里看到了干熱巖地熱資源的相關內容，給我啟發特別大。這樣的資源說不定將來會成為人類永恒的能源，或成為重大的接替能源。”趙陽升回憶說，“當時，這個領域在國內尚沒有人研究。”
2000年后，趙陽升團隊開始干熱巖地熱開采研究，于2005年承擔了國家自然科學基金重點項目——高溫巖體地熱開采基礎研究，建立了高溫巖體地熱開采的變形—滲流—傳熱的耦合理論，提出了斷層模式的干熱巖地熱開采新方法和一系列利用地質體原始組構及構造建造干熱巖地熱開采的人工儲留層的理論。
“當前，在低碳經濟模式下，開發利用深層清潔地熱資源，尤其是干熱巖地熱資源，已成為許多發達國家積極研究的課題。盡管山西的地熱資源不是很好，但用干熱巖地熱來供暖這條路有發展前景，水溫達到100攝氏度就可以。”趙陽升說。
一心一意扶棟梁
30多年來，趙陽升始終從事采礦工程領域的教學科研工作，一直孜孜不倦地謀求科學創新，指導與推動采礦工程技術的進步和變革。
回顧多年的科研之路，趙陽升認為自己是從科學理論走到技術研究，最后走向工程實踐的。
“我們研究事物，先要研究其普遍的科學規律，并在此指導下，研究其技術原理，進而研究該事物具體工程門類的技術工藝和裝備。一項科學技術的突破能解決一大門類科學技術的問題，從而推動工業和產業進步，解決國民經濟發展難題。”趙陽升為自己選擇采礦事業感到自豪。
“30年奮斗的成績，都是他自己干出來的。他不怕苦不怕累，一心一意干事，認準方向往前走，值得我們學習。”靳鐘銘說。
“趙老師在個人品行與修養、學風、工作作風等方面嚴格要求我們。他始終保持著嚴謹的科學作風，積極奮發向上的干勁兒，旺盛的創新活力，使我們受益終生。”趙陽升的學生，現已是副教授的馮子軍說。
長期以來，趙陽升始終用心耕耘著研究所這塊神圣的責任田，春風化雨，桃李芬芳，如今，他播撒的種子已悄然成長為棟梁之才。
|
| 責任編輯：myadmin |
| 上一條：
鉆井“巡航制導”20年攻關的背后 |
| 下一條：
陳昊：國際舞臺上的80后電力專家 |
|
|
|
京公網安備11011102000836號
