二十年,他們接力探索綠色開採新模式!

中國礦業大學 發佈 2022-05-21T11:59:08.392238+00:00

如何安全高效綠色開採煤炭,是一代代採礦人接力奮鬥的目標,這其中就有著我校採礦工程學科岩層移動與綠色開採團隊的身影。

如何安全高效綠色開採煤炭,是一代代採礦人接力奮鬥的目標,這其中就有著我校採礦工程學科岩層移動與綠色開採團隊的身影。

20年前,錢鳴高院士提出了綠色開採的理念。在錢鳴高院士學術思想指引下,煤炭資源與安全開採國家重點實驗室許家林教授帶領岩層移動與綠色開採團隊近百人經過二十年的奮鬥,研發出了具有自主智慧財產權的覆岩隔離注漿充填技術,為礦井綠色開採帶來了新希望。

多重損害 一注治理

我國長期採用壁式體系採煤法,傳統的長壁式採煤法由於暴露面積較大,存在著地面塌陷的問題,一直以來困擾著礦區民眾,無數採礦人不斷尋求著控制地表塌陷的更優解。如何在不影響井下作業的前提下控制地表塌陷?許家林把目光投向了覆岩隔離注漿充填技術。

大量理論與實踐研究表明,在礦井下重重疊疊的地層中,「關鍵層」(堅硬岩層)牽一髮而動全身。它對開採過程中的岩層及地表移動起控制作用,礦震災害及地面塌陷的原因就與關鍵層斷裂密切相關。

充填技術正是控制關鍵層不斷裂的源頭技術。覆岩隔離注漿充填技術通過地面鑽孔向關鍵層下方采動裂隙進行注漿充填,產生「壓下托上」的作用,在關鍵層下方形成支撐體,阻止關鍵層斷裂。

覆岩隔離注漿充填技術在不改變工作面的採煤工藝與裝備的同時,保證地面注漿與井下採煤同步實施、相互干擾小,實現了提高資源回收率、保護含水層資源、減少堅硬岩層下礦震、保護地面建(構)築物、保護土地與環境、無害化處置煤基固廢等多重目標,激活了我國煤礦綠色開採技術更蓬勃的發展。

無懼質疑 做逆行者

上世紀90年代,年輕的岩層移動與綠色開採團隊在多次礦井實測、實驗及分析後,發現了關鍵層對地表沉陷的控制作用。團隊仔細分析實驗結果,處理現場做的鑽孔探測數據,充分研究採礦內部岩層運動等理論模型。在行業專家普遍對離層注漿持否定態度和眾人的質疑聲中,團隊堅信關鍵層注漿充填新方法是可行的,並不斷尋求適宜覆岩隔離注漿技術實施的「沃土」。

功夫不負有心人,2002年許家林帶領學生前往淮北礦區海孜煤礦進行調研時,發現井下整層120米厚的火成岩正是典型關鍵層,是控制採煤塌陷、減少採動損害的極有利條件。許家林教授主動與企業對接,在淮北礦業集團公司多個領導的支持與認可下,團隊多年的構想終於在海孜煤礦落地生根。

經過大量努力後,團隊完成了理論研究、方案制定,以及矸石粉碎系統、注漿系統、充填管路、注漿鑽孔施工工作,但工程試驗過程卻不是一帆風順,鑽孔探測未發現顯著離層空間,導致項目進程大幅延緩。團隊持續攻關下,發現了覆岩卸荷膨脹累積效應以及其對采動裂隙的占據作用,創建了關鍵層下「壓下托上」的壓實注漿充填新理論,從理論上解決了注漿量少的問題。

注漿充填實施中,注漿時機把握、漿液密度調整、注漿量與壓力調控、采注沉匹配及平衡,每一個環節、每一個看似很小的參數,都可能導致整個工程失敗。

在模擬漿體在地層的壓實實驗中,團隊反覆討論,解決了加壓難題,得出了實驗結果;在測量漿體在層內的數據時,團隊參考石油領域技術,設計出適用於煤礦的監測裝置,並在山上冒雨搭帳篷開展監測;在注漿參數監測與調控時,團隊成員長期住在工地,獲得了第一手數據。從學校到礦井,種種艱辛都阻擋不了行走在實現夢想道路上的學者。

十年奮鬥 終成碩果

2009年,經歷近十年的探索,淮北礦區工地上終於響起了注漿設備的轟鳴聲,這不僅標誌著覆岩隔離注漿充填首次成功實施,還意味著壓煤地區村莊的不再搬遷成為可能,將使飽受壓煤影響的中東部礦區的煤炭資源發揮更加長足的優勢。「一個科研人員堅守最初的正確的研究方向,只要持續下去肯定是有所回報的。」軒大洋副教授有感而發,他2009年本科直博開始進入團隊,一直專注於覆岩隔離注漿充填方向研究。

「最大的成果就是解決了工程問題。」許家林說道。2015年以來,覆岩隔離注漿充填技術陸續在山西、山東、河南、河北、江蘇、內蒙等地推廣應用。截至目前,累計在13個礦區成功應用。大幅提高了採煤工作面效率與采出率,在地表減沉、固廢減排、減震防沖、保水開採等方面有著良好的應用。覆岩隔離注漿充填是綠色開採技術的重大創新,填補了國內外空白,達到了國際領先水平。

在團隊成員的共同努力下,覆岩隔離注漿充填技術已申請獲得國家發明專利20餘項;獲得2012年中國煤炭工業協會一等獎、以及其他省部級科技獎勵共5項;制定能源行業標準1項;2篇次論文入選「中國百篇最具影響國內學術論文」,10篇次論文入選「中國精品科技期刊頂尖學術論文(F5000)」,20餘篇論文發表在《煤炭學報》、《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》等國內外採礦TOP期刊上。

二十年如一日守望礦井綠色開採,岩層移動與綠色開採團隊秉持著對學術一以貫之的嚴謹與熱情,將熱愛寫在了礦區的土地上。未來,覆岩隔離注漿充填技術將在煤礦減沉、減排、減震與保水開採中繼續發力,團隊也會不斷創新實踐、不斷總結完善,用科學理論引領創新發展,以技術力量為「雙碳」目標助力。

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