黃炳香：凝思聚力破解堅(jiān)硬頂板的及時(shí)可控放頂難題

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(fèi)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(jì)、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(jì)帶發(fā)展三大國家戰(zhàn)略的實(shí)施，煤炭工業(yè)發(fā)展迎來了諸多的歷史機(jī)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(dāng)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(xué)（以下簡稱“礦大”）煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)堅(jiān)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(fù)雜，其中堅(jiān)硬頂板賦存煤層占30%以上，覆蓋50%以上礦區(qū)。據(jù)了解，堅(jiān)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(qiáng)度高，在煤體采出后覆巖大面積懸頂造成采空區(qū)長時(shí)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(shí)，彈性能會(huì)瞬間釋放，導(dǎo)致沖擊礦壓、大面積來壓等礦壓災(zāi)害和颶風(fēng)，頂板懸頂還有可能引發(fā)瓦斯（煤塵）爆炸、煤自燃等衍生災(zāi)害，給工作面、采區(qū)甚至整個(gè)礦井帶來嚴(yán)重的破壞。因此堅(jiān)硬頂板的及時(shí)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(yīng)用?！懊簬r體水力致裂強(qiáng)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(kuò)展、翼型分支裂紋擴(kuò)展和吸水濕潤作用，達(dá)到結(jié)構(gòu)改造、強(qiáng)度弱化和增透等工程需要，同時(shí)針對不同工程3種作用的側(cè)重點(diǎn)也有所不同?！秉S炳香詳細(xì)地解釋道。不同于傳統(tǒng)炸藥爆破致裂頂板時(shí)既產(chǎn)生大量有毒有害氣體，同時(shí)在高瓦斯礦井中存在較大安全隱患等缺點(diǎn)，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(yù)定方向的裂縫，從而有望在處理堅(jiān)硬頂板時(shí)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(yīng)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(shí)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(jiān)硬頂煤頂板壓裂控制理論與成套技術(shù)”項(xiàng)目啟動(dòng)。在國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目“煤巖體水力致裂”、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“煤巖體定向水力割縫致裂機(jī)理研究”等的大力資助下，在四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司、淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)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(jì)劃”領(lǐng)軍人才黃炳香教授團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性提出了堅(jiān)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(jiān)硬頂板壓裂成套裝備與工藝技術(shù)體系，突破性解決了堅(jiān)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(yù)防了頂板失控冒落及其衍生災(zāi)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。

依托該項(xiàng)目，黃炳香及其團(tuán)隊(duì)取得了諸多可喜的科研成果：研制了大尺寸（500×500×500mm3）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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(gè)一批”技術(shù)推廣項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)（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(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)（2019005）；出版專著1部，發(fā)表論文82篇，其中SCI收錄26篇（9篇1區(qū)、4篇2區(qū)）、EI收錄40篇；授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利22項(xiàng)；獲省部級科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

實(shí)踐出真知筑起安全開采防護(hù)墻

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，煤炭開采領(lǐng)域也不例外，與其相關(guān)的理論分析和實(shí)驗(yàn)室的研究成果都必須經(jīng)過實(shí)踐生產(chǎn)應(yīng)用的驗(yàn)證，方能完成從實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)正是從工程需要出發(fā)，大膽創(chuàng)新小心求證，切實(shí)解決了煤層堅(jiān)硬頂板導(dǎo)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(tuán)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(jì)損失4708.9萬元。

據(jù)悉，造成該事故的根本原因是堅(jiān)硬頂板不能及時(shí)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(jiān)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(jiān)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(tuán)鶴壁中泰礦業(yè)有限公司在2005年也曾因頂板不能及時(shí)垮落導(dǎo)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(fù)了高效的放頂煤工藝。

川煤集團(tuán)綠水洞煤礦開采煤層的頂板堅(jiān)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(shí)，會(huì)將采空區(qū)的瓦斯擠出，導(dǎo)致工作面瓦斯超限。川煤集團(tuán)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(shí)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(gè)煤礦得到推廣應(yīng)用，黃炳香及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“堅(jiān)硬頂板采煤工作面端頭懸頂壓裂控制理論與技術(shù)”項(xiàng)目成果已獲得2019年四川省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

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

此外，黃炳香及其團(tuán)隊(duì)也曾在緊急時(shí)刻，用先進(jìn)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(jiān)硬、頂煤冒放性差，導(dǎo)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(fēng)流在上隅角匯集，最終導(dǎo)致工作面上隅角瓦斯超限。因此工作面推進(jìn)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(xiǎn)。在如此緊急的情況下，黃炳香項(xiàng)目組趕到現(xiàn)場后采用“高瓦斯堅(jiān)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(jiān)硬頂煤冒放性差導(dǎo)致的系列安全難題。

毋庸置疑，礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(tuán)隊(duì)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(gè)煤礦推廣應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。未來，黃炳香及其團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)行進(jìn)在安全科學(xué)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。