中國礦業(yè)大學(xué)（北京）厚煤層綠色智能開(kāi)采創(chuàng )新團隊，是一支由厚煤層開(kāi)采技術(shù)專(zhuān)家王家臣領(lǐng)銜的科技創(chuàng )新隊伍。

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

該團隊是如何建立起來(lái)的，在厚煤層開(kāi)采領(lǐng)域進(jìn)行了哪些探索？日前，筆者來(lái)到中國礦業(yè)大學(xué)（北京）一探究竟。

在井下實(shí)踐中攻堅克難

厚煤層通常指的是井工開(kāi)采厚度3.5米以上、露天開(kāi)采厚度10米以上的煤層。

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

后來(lái)，作為一種正規采煤方法，綜合機械化放頂煤開(kāi)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(lái)自厚煤層。當時(shí)，厚煤層主要采用分層的方式開(kāi)采，機械化程度不高，產(chǎn)量低，資源優(yōu)勢無(wú)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，加入了當時(shí)的煤炭工業(yè)部放頂煤開(kāi)采技術(shù)中心，從此開(kāi)啟了30年的放頂煤開(kāi)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任煤炭工業(yè)部放頂煤開(kāi)采技術(shù)中心主要負責人。厚煤層綠色智能開(kāi)采創(chuàng )新團隊也在這里起步。

在吳健指導下，王家臣來(lái)到甘肅靖遠魏家地煤礦，攻關(guān)高瓦斯突出極軟厚煤層綜合機械化放頂煤開(kāi)采技術(shù)。這類(lèi)煤層在當時(shí)是放頂煤開(kāi)采的禁區。

針對煤層條件，課題組制定了科學(xué)嚴謹的工程措施，解決了魏家地煤礦瓦斯突出、煤層易自燃、極軟煤層設備配套與開(kāi)采工藝等難題。較原分層開(kāi)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)現達產(chǎn)。

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

山西大同礦區“兩硬”厚煤層開(kāi)采項目、河南鶴壁礦區急傾斜煤層開(kāi)采項目以及安徽淮北礦區高瓦斯煤層開(kāi)采項目，是厚煤層綠色智能開(kāi)采創(chuàng )新團隊參與的代表性項目。

在這個(gè)過(guò)程中，厚煤層綠色智能開(kāi)采創(chuàng )新團隊不斷成長(cháng)壯大。

1997年3月，從東北大學(xué)博士畢業(yè)的陳忠輝，來(lái)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(kāi)采創(chuàng )新團隊，參與了大同礦區“兩硬”煤層開(kāi)采項目。

大同礦區的煤層因煤層、底板均堅硬，因而被稱(chēng)為“兩硬”煤層。

據了解，山西大同礦區“兩硬”厚煤層開(kāi)采項目是煤炭工業(yè)部“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項目，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。

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

他們將該項目負責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，設計炮孔參數與裝藥結構，進(jìn)行爆破試驗、科學(xué)分析，逐步積累了“兩硬”厚煤層放頂煤開(kāi)采的經(jīng)驗。2000年，該項目成果獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎。

通過(guò)深入分析厚煤層采場(chǎng)圍巖穩定性與控制特點(diǎn)，厚煤層綠色智能開(kāi)采創(chuàng )新團隊創(chuàng )造性地提出頂煤在加卸載復合作用下的破壞機理，建立了頂煤放出規律的BBR體系，并通過(guò)了現場(chǎng)放煤時(shí)間準確性驗證。而掌握破碎后散體頂煤的放出規律，正是放頂煤開(kāi)采基礎理論的核心。

1999年，王家臣帶領(lǐng)幾位成員，到河南鶴壁二礦開(kāi)展大傾角厚煤層放頂煤開(kāi)采研究。鶴壁二礦煤層傾角31度，是當時(shí)國內放頂煤工作面的最大傾角。當時(shí)，煤炭市場(chǎng)又不景氣，很多礦區經(jīng)濟困難。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(zhù)抉擇，輕型支架雖便宜，但又擔心其支撐力不夠。

王家臣帶領(lǐng)團隊與鶴壁二礦開(kāi)展試驗。長(cháng)時(shí)間的實(shí)踐證明，輕型支架雖然阻力不占優(yōu)勢，但只要合理設計架型、采用科學(xué)的開(kāi)采工藝，同樣可以在大傾角煤層實(shí)現放頂煤開(kāi)采。

此后，王家臣、陳忠輝、潘衛東等人共同參與了淮北礦區的蘆嶺礦項目。當時(shí)，蘆嶺礦仍沿用過(guò)去的炮采工藝，同時(shí)開(kāi)采六七個(gè)放頂煤工作面，且交錯布置，通風(fēng)系統復雜。2003年，淮北礦業(yè)集團決定采用綜合機械化放頂煤開(kāi)采工藝，并由王家臣擔任技術(shù)總負責人。

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

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(wàn)噸煤，年產(chǎn)180萬(wàn)噸要上6個(gè)炮采工作面。如果用綜采的話(huà)，上一個(gè)工作面就能出100萬(wàn)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(guò)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，綜合機械化放頂煤開(kāi)采工藝在淮北礦區10多個(gè)煤礦推廣應用。

持續開(kāi)展厚煤層開(kāi)采研究

王家臣說(shuō)：“干礦業(yè)一定要有理論指導。跟著(zhù)現場(chǎng)一起做工程，講過(guò)多的道理沒(méi)有用，模棱兩可更不行。實(shí)踐出真知?！?/span>

正是有了理論與實(shí)踐相結合，王家臣及其團隊發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力才不斷提升。

2011年，在河南焦作趙固一礦開(kāi)展試驗時(shí)，王家臣升井后，習慣跟班組長(cháng)和工人坐在一起，討論解決現場(chǎng)問(wèn)題。

一次，說(shuō)到煤壁片幫、工作面推不動(dòng)時(shí)，王家臣說(shuō)：“我總結就兩點(diǎn)，一是空頂距過(guò)大，二是支架初撐力不夠?！?/span>

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

王家臣表示：“你這概念不對，支架頂碎的是表層頂板，里面沒(méi)有離層，不會(huì )造成頂板垮落?！?/span>

爭執一番后，大家決定看結果。半個(gè)月的實(shí)踐證明，王家臣的方法是可行的。

結合豐富的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗，王家臣等人組織編寫(xiě)了《能源工程概論》《放煤規律與智能放煤》等基礎教材，如今已成為礦業(yè)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必讀書(shū)目。

他們總結并創(chuàng )建了“四要素”放頂煤理論，即針對放頂煤開(kāi)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”，有效指導礦區確定高回收率的采放工藝?！八囊亍狈彭斆豪碚摫粚?xiě)入美國教材，在美國、澳大利亞等8所高校使用。

多年來(lái)，王家臣先后主持“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目等，獲國家科技進(jìn)步獎一等獎1項、二等獎3項和國家級教學(xué)成果二等獎1項，發(fā)表論文200余篇，授權發(fā)明專(zhuān)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)計劃課題、國家自然科學(xué)基金項目，在國內外期刊發(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。

該團隊成員楊勝利先后主持國家自然科學(xué)基金項目3項，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題1項、子課題2項等，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(huì )獲全國煤炭青年科技獎，楊勝利、潘衛東、張錦旺獲孫越崎青年科技獎，王兆會(huì )、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(kāi)采創(chuàng )新團隊現有教授9人、副教授9人、講師2人、碩博士等其他研究人員150余人。該團隊成員科研足跡遍布全國50余個(gè)礦區、150余座煤礦以及金屬礦山。

厚煤層綠色智能開(kāi)采創(chuàng )新團隊（左三為王家臣，右一為楊勝利）在陜煤集團曹家灘礦業(yè)公司開(kāi)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(kāi)采創(chuàng )新團隊繼續攻關(guān)放頂煤開(kāi)采智能化關(guān)鍵技術(shù)難題——智能放煤。2011年，他們獲授權國內外首件圖像識別自動(dòng)化放煤發(fā)明專(zhuān)利。

2018年，他們和淮北礦業(yè)集團再度合作，率先開(kāi)展了以智能煤矸識別為基礎的智能綜放開(kāi)采、以煤矸分界面均衡運動(dòng)可控和智能煤矸識別相結合的精準放煤工藝研究。從2020年開(kāi)始，相關(guān)研究成果在開(kāi)灤集團、陜煤集團、潞安化工集團、國家能源集團等的多個(gè)煤礦推廣應用。

“我們在淮北礦區、開(kāi)灤礦區、潞安礦區的煤礦進(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)提供了基礎數據?！迸诵l東表示。

在此基礎上，該團隊開(kāi)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)出高回收率精準放煤工藝和智能控制系統，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(kāi)采方面，厚煤層綠色智能開(kāi)采創(chuàng )新團隊在國家能源集團雁寶能源公司開(kāi)展了含水層下放頂煤開(kāi)采技術(shù)研究，將頂煤放出高度精準控制為6米，防止導水裂隙帶導通含水層，避免出水潰砂（泥）。

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

王家臣表示，綠色智能是厚煤層開(kāi)采的方向，但仍存在很多科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)難題，需要不斷解決。未來(lái)，他們將繼續深耕厚煤層放頂煤開(kāi)采研究，力爭將中國的放頂煤開(kāi)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提供技術(shù)幫助。

作者：本報記者王世雅 版面編輯：王世雅

來(lái)源：中國煤炭報