蔡巧玉

煤炭是我國的主體能源和冶金、建材、化工等重要產(chǎn)業(yè)的主要工業(yè)原料。在我國，煤炭占一次能源消費比例的60%，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上，堪稱我國穩(wěn)定、經(jīng)濟、自主保障程度最高的能源。尤其是隨著“一帶一路”建設(shè)、京津冀協(xié)同發(fā)展、長江經(jīng)濟帶發(fā)展三大國家戰(zhàn)略的實施，煤炭工業(yè)發(fā)展迎來了諸多的歷史機遇，正如《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中所說的：“努力建設(shè)集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系”，而這也成為當今每一位煤炭從業(yè)者神圣而艱巨的使命。

中國礦業(yè)大學（以下簡稱“礦大”）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的黃炳香教授就是其中一位。從業(yè)多年以來，黃炳香默默扎根一線，從實際出發(fā)，屢次突破創(chuàng)新，逐步形成了一系列相關(guān)理論和成套的技術(shù)裝備。

十年磨一劍 實現(xiàn)堅硬頂板可控放頂

我國煤炭資源豐富但分布不均，且地質(zhì)條件復雜，其中堅硬頂板賦存煤層占30%以上，覆蓋50%以上礦區(qū)。據(jù)了解，堅硬頂板是指煤體上覆頂板巖層厚度較大，自穩(wěn)能力好，巖體抗拉、抗壓強度高，在煤體采出后覆巖大面積懸頂造成采空區(qū)長時間處于空洞狀態(tài)的頂板。這些頂板巖層因彎曲、變形積聚了大量的彈性能，一旦突然垮落時，彈性能會瞬間釋放，導致沖擊礦壓、大面積來壓等礦壓災害和颶風，頂板懸頂還有可能引發(fā)瓦斯（煤塵）爆炸、煤自燃等衍生災害，給工作面、采區(qū)甚至整個礦井帶來嚴重的破壞。因此堅硬頂板的及時可控放頂一直是煤炭開采中的世界性難題。

為了攻克這道難題，黃炳香成立了煤巖體壓裂課題組，開始研究煤巖體水力致裂理論及其在煤礦的各方面應用。“煤巖體水力致裂強調(diào)的是通過注入高壓水，使煤巖體產(chǎn)生水壓裂縫，通過水壓主裂縫擴展、翼型分支裂紋擴展和吸水濕潤作用，達到結(jié)構(gòu)改造、強度弱化和增透等工程需要，同時針對不同工程3種作用的側(cè)重點也有所不同?！秉S炳香詳細地解釋道。不同于傳統(tǒng)炸藥爆破致裂頂板時既產(chǎn)生大量有毒有害氣體，同時在高瓦斯礦井中存在較大安全隱患等缺點，水力致裂技術(shù)不僅成本較低、安全性好，而且能夠通過定向壓裂技術(shù)產(chǎn)生預定方向的裂縫，從而有望在處理堅硬頂板時得到良好的施工效果。礦井下的壓裂與石油行業(yè)地面壓裂在應力環(huán)境、巖層條件、目的與功能、施工條件等方面有顯著的區(qū)別；實踐表明，必須構(gòu)建礦井的壓裂理論與技術(shù)。

2007年年初，“井工礦堅硬頂煤頂板壓裂控制理論與成套技術(shù)”項目啟動。在國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金項目“煤巖體水力致裂”、國家自然科學基金面上項目“煤巖體定向水力割縫致裂機理研究”等的大力資助下，在四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團有限責任公司、淮南礦業(yè)（集團）有限責任公司等相關(guān)單位的共同努力下，歷經(jīng)10番寒暑，國家“萬人計劃”領(lǐng)軍人才黃炳香教授團隊開創(chuàng)性提出了堅硬頂板（煤）壓裂理論與系統(tǒng)性裂縫形態(tài)控制方法，研發(fā)了井工礦堅硬頂板壓裂成套裝備與工藝技術(shù)體系，突破性解決了堅硬頂板大面積懸頂控制系列難題，提高了懸頂處置的可控性，有效預防了頂板失控冒落及其衍生災害事故。與爆破放頂相比，效率提高了3倍，成本降低了50%以上，產(chǎn)量提高了5%以上。

堅硬頂板及其衍生災害

依托該項目，黃炳香及其團隊取得了諸多可喜的科研成果：研制了大尺寸（500×500×500m m3）真三軸、小尺寸（100×100×100m m3）真三軸和微型（φ50mm×100mm）假三軸等成體系的多尺度煤巖體壓裂實驗系統(tǒng)，成套技術(shù)與裝備于2017年入選科技部與原國家安監(jiān)總局第一批安全生產(chǎn)先進適用技術(shù)與產(chǎn)品，于2015年入選原國家安監(jiān)總局第三批安全科技“四個一批”技術(shù)推廣項目；“綜采工作面端頭懸頂水力致裂控制技術(shù)規(guī)范”于2019年獲國家能源局煤炭行業(yè)標準立項（能源20190274），“井工礦煤巖體壓裂技術(shù)規(guī)范”于2019年獲中國煤炭學會團體標準立項（2019005）；出版專著1部，發(fā)表論文82篇，其中S C I收錄26篇（9篇1區(qū)、4篇2區(qū)）、E I收錄40篇；授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利22項；獲省部級科技獎一等獎3項。

實踐出真知筑起安全開采防護墻

實踐是檢驗真理的唯一標準，煤炭開采領(lǐng)域也不例外，與其相關(guān)的理論分析和實驗室的研究成果都必須經(jīng)過實踐生產(chǎn)應用的驗證，方能完成從實驗室到工業(yè)化的轉(zhuǎn)變，真正轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。多年以來，黃炳香及其團隊正是從工程需要出發(fā)，大膽創(chuàng)新小心求證，切實解決了煤層堅硬頂板導致的一系列安全問題。

2013年3月29日，吉林省通化礦業(yè)集團吉林江源煤業(yè)有限公司（原八寶煤礦）發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故，造成36人遇難、12人受傷，直接經(jīng)濟損失4708.9萬元。

據(jù)悉，造成該事故的根本原因是堅硬頂板不能及時垮落，給采空區(qū)煤自燃和瓦斯積聚創(chuàng)造了條件。事后，吉林江源煤業(yè)有限公司與礦大開展合作，深入分析急傾斜煤層堅硬頂板的破斷規(guī)律，并采用水力壓裂的方法控制急傾斜煤層的堅硬頂板，有效解決了工作面采空區(qū)懸頂?shù)膯栴}，從源頭上解決了采空區(qū)煤自燃和瓦斯積聚問題。與此條件類似，鶴煤集團鶴壁中泰礦業(yè)有限公司在2005年也曾因頂板不能及時垮落導致采空區(qū)瓦斯爆炸，為此煤礦放棄了放頂煤開采工藝，改用效率低、成本高的分層開采，直到與礦大合作采用工作面頂板水力致裂技術(shù)后，才恢復了高效的放頂煤工藝。

川煤集團綠水洞煤礦開采煤層的頂板堅硬，工作面上端頭容易形成“懸頂-垮落-再懸頂”的周期性現(xiàn)象，懸頂突然垮落時，會將采空區(qū)的瓦斯擠出，導致工作面瓦斯超限。川煤集團與礦大合作，采用工作面端頭懸頂水力致裂控制技術(shù)，切實解決了工作面端頭懸頂問題。據(jù)悉，同類型的技術(shù)還在神東礦區(qū)6個煤礦得到推廣應用，黃炳香及其團隊研發(fā)的“堅硬頂板采煤工作面端頭懸頂壓裂控制理論與技術(shù)”項目成果已獲得2019年四川省科技進步獎一等獎。

淮南礦業(yè)集團顧橋煤礦開采深度達800m，地應力大，采動應力大，二者疊加導致工作面停采線附近的盤區(qū)大巷變形嚴重，巷道維護工程量大。淮南礦業(yè)集團與礦大合作采用定向壓裂應力轉(zhuǎn)移的方法，切斷老頂關(guān)鍵巖層，阻斷采動應力的傳遞途徑，有效改善了盤區(qū)大巷的應力環(huán)境，解決了采動應力引起的盤區(qū)大巷變形問題，對我國深井采動巷道的維護具有重要的指導意義。

臨空巷道壓裂應力轉(zhuǎn)移控制原理

此外，黃炳香及其團隊也曾在緊急時刻，用先進的理論和技術(shù)設(shè)備為煤礦解除燃眉之急。據(jù)悉，在陜西省崔家溝煤礦2303綜放工作面初采期間，老頂來壓之前，因頂煤堅硬、頂煤冒放性差，導致大量的頂煤遺留在采空區(qū)中并不斷地釋放瓦斯，使采空區(qū)中的瓦斯隨風流在上隅角匯集，最終導致工作面上隅角瓦斯超限。因此工作面推進速度緩慢，而煤層極易自燃發(fā)火，最短自燃發(fā)火期僅為28天，可以說采空區(qū)面臨著煤自燃和瓦斯超限的雙重危險。在如此緊急的情況下，黃炳香項目組趕到現(xiàn)場后采用“高瓦斯堅硬頂煤脈沖壓裂弱化、增透、減塵與防火一體化技術(shù)”，通過壓裂增加煤體的裂隙，不僅改善了頂煤的冒放性，而且增加了煤體透氣性，最終解決了堅硬頂煤冒放性差導致的系列安全難題。

毋庸置疑，礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，而煤炭在我國能源安全保障上具有“壓艙石”“兜底”的基礎(chǔ)性和主體性作用。如今，黃炳香及其團隊研發(fā)的成套技術(shù)與裝備已在山西、陜西、四川等省區(qū)的43個煤礦推廣應用，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益。未來，黃炳香及其團隊還將繼續(xù)行進在安全科學開采煤炭的道路上，為建成現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系添磚加瓦。