在厚煤層開采路上勤耕不輟

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，是一支由厚煤層開采技術(shù)專家王家臣領(lǐng)銜的科技創(chuàng)新隊(duì)伍。

2024年底，中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國煤炭學(xué)會公布2024年度中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎，并評選出13個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)入列其中。

該團(tuán)隊(duì)是如何建立起來的，在厚煤層開采領(lǐng)域進(jìn)行了哪些探索？日前，筆者來到中國礦業(yè)大學(xué)（北京）一探究竟。

在井下實(shí)踐中攻堅(jiān)克難

厚煤層通常指的是井工開采厚度3.5米以上、露天開采厚度10米以上的煤層。

說到厚煤層開采，不得不提綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)。這一技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的法國，后在蘇聯(lián)、匈牙利等國家使用，但當(dāng)時(shí)主要用于邊角煤開采。

后來，作為一種正規(guī)采煤方法，綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)在我國得到創(chuàng)造性發(fā)展和大范圍推廣。

2000年以前，我國井工礦產(chǎn)量約占煤炭總產(chǎn)量的95%，其中近50%的產(chǎn)量來自厚煤層。當(dāng)時(shí)，厚煤層主要采用分層的方式開采，機(jī)械化程度不高，產(chǎn)量低，資源優(yōu)勢無法充分發(fā)揮。

1995年，從北京科技大學(xué)博士后出站的王家臣，加入了當(dāng)時(shí)的煤炭工業(yè)部放頂煤開采技術(shù)中心，從此開啟了30年的放頂煤開采科研攻關(guān)之路。

那時(shí)，中國礦業(yè)大學(xué)（北京研究生部教授吳健擔(dān)任煤炭工業(yè)部放頂煤開采技術(shù)中心主要負(fù)責(zé)人。厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)也在這里起步。

在吳健指導(dǎo)下，王家臣來到甘肅靖遠(yuǎn)魏家地煤礦，攻關(guān)高瓦斯突出極軟厚煤層綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)。這類煤層在當(dāng)時(shí)是放頂煤開采的禁區(qū)。

針對煤層條件，課題組制定了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ檀胧鉀Q了魏家地煤礦瓦斯突出、煤層易自燃、極軟煤層設(shè)備配套與開采工藝等難題。較原分層開采工藝，魏家地煤礦工作面產(chǎn)量提高1倍以上。在課題組的幫助下，投產(chǎn)6年的魏家地煤礦實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)。

據(jù)王家臣介紹，最開始，放頂煤開采技術(shù)僅適用于厚度較大、瓦斯含量較低的煤層。后來，隨著我國煤炭需求量的不斷增長，放頂煤開采技術(shù)逐漸被推廣應(yīng)用至堅(jiān)硬厚煤層、極軟厚煤層、較薄厚煤層、傾斜煤層等。

山西大同礦區(qū)“兩硬”厚煤層開采項(xiàng)目、河南鶴壁礦區(qū)急傾斜煤層開采項(xiàng)目以及安徽淮北礦區(qū)高瓦斯煤層開采項(xiàng)目，是厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)參與的代表性項(xiàng)目。

在這個(gè)過程中，厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)不斷成長壯大。

1997年3月，從東北大學(xué)博士畢業(yè)的陳忠輝，來到中國礦業(yè)大學(xué)（北京）讀博士后，同時(shí)加入厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，參與了大同礦區(qū)“兩硬”煤層開采項(xiàng)目。

大同礦區(qū)的煤層因煤層、底板均堅(jiān)硬，因而被稱為“兩硬”煤層。

據(jù)了解，山西大同礦區(qū)“兩硬”厚煤層開采項(xiàng)目是煤炭工業(yè)部“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，由中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、大同礦務(wù)局和太原理工大學(xué)共同承擔(dān)。

1996年至1998年，王家臣與陳忠輝幾乎每個(gè)月都要往返礦區(qū)，有時(shí)一待就是一兩個(gè)月，上午下井做試驗(yàn)，下午與礦區(qū)人員討論解決問題。

他們將該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人謝和平提出的頂煤破碎塊度分形與爆破能量關(guān)系的理論付諸于工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)炮孔參數(shù)與裝藥結(jié)構(gòu)，進(jìn)行爆破試驗(yàn)、科學(xué)分析，逐步積累了“兩硬”厚煤層放頂煤開采的經(jīng)驗(yàn)。2000年，該項(xiàng)目成果獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎。

通過深入分析厚煤層采場圍巖穩(wěn)定性與控制特點(diǎn)，厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出頂煤在加卸載復(fù)合作用下的破壞機(jī)理，建立了頂煤放出規(guī)律的BBR體系，并通過了現(xiàn)場放煤時(shí)間準(zhǔn)確性驗(yàn)證。而掌握破碎后散體頂煤的放出規(guī)律，正是放頂煤開采基礎(chǔ)理論的核心。

1999年，王家臣帶領(lǐng)幾位成員，到河南鶴壁二礦開展大傾角厚煤層放頂煤開采研究。鶴壁二礦煤層傾角31度，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)放頂煤工作面的最大傾角。當(dāng)時(shí)，煤炭市場又不景氣，很多礦區(qū)經(jīng)濟(jì)困難。在這種情況下，很多煤礦決定采用成本較低的輕型支架。鶴壁二礦也面臨著抉擇，輕型支架雖便宜，但又擔(dān)心其支撐力不夠。

王家臣帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與鶴壁二礦開展試驗(yàn)。長時(shí)間的實(shí)踐證明，輕型支架雖然阻力不占優(yōu)勢，但只要合理設(shè)計(jì)架型、采用科學(xué)的開采工藝，同樣可以在大傾角煤層實(shí)現(xiàn)放頂煤開采。

此后，王家臣、陳忠輝、潘衛(wèi)東等人共同參與了淮北礦區(qū)的蘆嶺礦項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，蘆嶺礦仍沿用過去的炮采工藝，同時(shí)開采六七個(gè)放頂煤工作面，且交錯(cuò)布置，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜。2003年，淮北礦業(yè)集團(tuán)決定采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，并由王家臣擔(dān)任技術(shù)總負(fù)責(zé)人。

一說要上綜采，個(gè)別人持反對意見：“煤太軟，炮采時(shí)片幫了還得打貼幫柱。綜采的話煤壁沒有支撐，片幫不更加嚴(yán)重嗎？”

王家臣表示：“綜采支架阻力大，可以減輕煤壁壓力，減少工作面片幫。一個(gè)炮采工作面一年最多能出30萬噸煤，年產(chǎn)180萬噸要上6個(gè)炮采工作面。如果用綜采的話，上一個(gè)工作面就能出100萬噸。是6個(gè)工作面好管理還是2個(gè)工作面好管理？”

經(jīng)過工藝革新后，蘆嶺礦、朱仙莊礦等一批高瓦斯礦井既提升了效益，又大幅降低了成本。此后，綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝在淮北礦區(qū)10多個(gè)煤礦推廣應(yīng)用。

持續(xù)開展厚煤層開采研究

王家臣說：“干礦業(yè)一定要有理論指導(dǎo)。跟著現(xiàn)場一起做工程，講過多的道理沒有用，模棱兩可更不行。實(shí)踐出真知?！?/p>

正是有了理論與實(shí)踐相結(jié)合，王家臣及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力才不斷提升。

2011年，在河南焦作趙固一礦開展試驗(yàn)時(shí)，王家臣升井后，習(xí)慣跟班組長和工人坐在一起，討論解決現(xiàn)場問題。

一次，說到煤壁片幫、工作面推不動時(shí)，王家臣說：“我總結(jié)就兩點(diǎn)，一是空頂距過大，二是支架初撐力不夠?！?/p>

一位班長反駁道：“我們不敢把支架往上頂，一頂煤就碎，更控制不住了?！?/p>

王家臣表示：“你這概念不對，支架頂碎的是表層頂板，里面沒有離層，不會造成頂板垮落。”

爭執(zhí)一番后，大家決定看結(jié)果。半個(gè)月的實(shí)踐證明，王家臣的方法是可行的。

結(jié)合豐富的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，王家臣等人組織編寫了《能源工程概論》《放煤規(guī)律與智能放煤》等基礎(chǔ)教材，如今已成為礦業(yè)專業(yè)學(xué)生必讀書目。

他們總結(jié)并創(chuàng)建了“四要素”放頂煤理論，即針對放頂煤開采技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮頂煤放出體、煤巖分界面、頂煤回收率和含矸率“四要素”，有效指導(dǎo)礦區(qū)確定高回收率的采放工藝?！八囊亍狈彭斆豪碚摫粚懭朊绹滩?，在美國、澳大利亞等8所高校使用。

多年來，王家臣先后主持“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等，獲國家科技進(jìn)步獎一等獎1項(xiàng)、二等獎3項(xiàng)和國家級教學(xué)成果二等獎1項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利30余件，入選斯坦福大學(xué)全球前2%頂尖科學(xué)家終身影響力排行榜。

陳忠輝先后主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，在國內(nèi)外期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，科研成果獲國家科技進(jìn)步獎二等獎。

該團(tuán)隊(duì)成員楊勝利先后主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題1項(xiàng)、子課題2項(xiàng)等，解決了大量的工程技術(shù)難題。

楊勝利、李楊入選國家級青年人才，李楊、王兆會獲全國煤炭青年科技獎，楊勝利、潘衛(wèi)東、張錦旺獲孫越崎青年科技獎，王兆會、張錦旺、魏煒杰、李良暉分別入選青年人才托舉工程等。

歷經(jīng)30年發(fā)展，厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有教授9人、副教授9人、講師2人、碩博士等其他研究人員150余人。該團(tuán)隊(duì)成員科研足跡遍布全國50余個(gè)礦區(qū)、150余座煤礦以及金屬礦山。

厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（左三為王家臣，右一為楊勝利）在陜煤集團(tuán)曹家灘礦業(yè)公司開展科研攻關(guān)

面對煤礦智能化發(fā)展趨勢，厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)繼續(xù)攻關(guān)放頂煤開采智能化關(guān)鍵技術(shù)難題——智能放煤。2011年，他們獲授權(quán)國內(nèi)外首件圖像識別自動化放煤發(fā)明專利。

2018年，他們和淮北礦業(yè)集團(tuán)再度合作，率先開展了以智能煤矸識別為基礎(chǔ)的智能綜放開采、以煤矸分界面均衡運(yùn)動可控和智能煤矸識別相結(jié)合的精準(zhǔn)放煤工藝研究。從2020年開始，相關(guān)研究成果在開灤集團(tuán)、陜煤集團(tuán)、潞安化工集團(tuán)、國家能源集團(tuán)等的多個(gè)煤礦推廣應(yīng)用。

“我們在淮北礦區(qū)、開灤礦區(qū)、潞安礦區(qū)的煤礦進(jìn)行煤矸取樣，研究不同光照條件下煤和矸石的灰度與紋理差異，為研發(fā)智能煤矸識別技術(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！迸诵l(wèi)東表示。

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了井下防塵防霧攝像頭，為智能煤矸識別提供硬件支撐。研發(fā)出高回收率精準(zhǔn)放煤工藝和智能控制系統(tǒng)，為智能煤矸識別提供軟件支持，并形成整體解決方案。

在綠色開采方面，厚煤層綠色智能開采創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在國家能源集團(tuán)雁寶能源公司開展了含水層下放頂煤開采技術(shù)研究，將頂煤放出高度精準(zhǔn)控制為6米，防止導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通含水層，避免出水潰砂（泥）。

從2024年10月開始，王家臣、李楊及其團(tuán)隊(duì)在雁寶能源公司工作面開展研究，揭示了含水層下特厚煤層綜放工作面限高開采頂煤運(yùn)移規(guī)律，對工作面裝備、控制系統(tǒng)進(jìn)行改造升級，將信號和圖像采集與處理系統(tǒng)、圖像識別算法和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，開發(fā)出智能化精準(zhǔn)控制頂煤放出高度監(jiān)測與控制平臺，為綠色開采提供支持。

王家臣表示，綠色智能是厚煤層開采的方向，但仍存在很多科學(xué)問題和工程技術(shù)難題，需要不斷解決。未來，他們將繼續(xù)深耕厚煤層放頂煤開采研究，力爭將中國的放頂煤開采技術(shù)向國外推廣，為俄羅斯、土耳其等賦存條件較好的地區(qū)提供技術(shù)幫助。

作者：本報(bào)記者王世雅 版面編輯：王世雅

來源：中國煤炭報(bào)

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