呂騰波
煤炭是世界上儲(chǔ)量最多、分布最廣的常規(guī)能源,也是最廉價(jià)的能源之一。在我國,煤炭作為基礎(chǔ)能源和重要的工業(yè)原料,為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了巨大的歷史性貢獻(xiàn),是國家能源安全、支撐工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)民生的重要戰(zhàn)略物資。
雖然我國的煤炭儲(chǔ)量非常豐富,但煤炭是不可再生資源,如何安全、高效、綠色、智能地開采煤炭,推動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,成為業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。誰能率先找到突破口,誰就能在這場“戰(zhàn)斗”中占據(jù)制高點(diǎn)。
作為全球唯一全產(chǎn)業(yè)鏈綜合性煤炭科技創(chuàng)新型企業(yè)——中國煤炭科工集團(tuán)有限公司——的一員,姜鵬飛自2008年加入之日起,就以強(qiáng)烈的使命感和責(zé)任感,以減少煤礦頂板災(zāi)害為己任,長期從事煤礦巷道圍巖控制理論與技術(shù)開發(fā)研究。經(jīng)過十多年的創(chuàng)新實(shí)踐,姜鵬飛已成為獨(dú)當(dāng)一面的團(tuán)隊(duì)“家長”,他和團(tuán)隊(duì)在煤礦巷道錨桿支護(hù)、井下綜合應(yīng)力場分布與演化、深部巷道圍巖控制、巷道快速自動(dòng)化掘進(jìn)與支護(hù)及巖層區(qū)域水力壓裂技術(shù)等多個(gè)方面取得了重要的研究成果,成為我國煤炭巷道支圍巖控制研究領(lǐng)域的中堅(jiān)力量。
姜鵬飛
2021年是姜鵬飛出任中煤科工開采研究院有限公司(天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部)科創(chuàng)中心副主任的第四年,也是中國煤炭行業(yè)處于安全、高效、綠色、智能發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,姜鵬飛將繼續(xù)堅(jiān)守自己的“戰(zhàn)場”,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以滿腔的熱忱積極投身于深部巷道圍巖控制、巷道快速自動(dòng)化掘進(jìn)與支護(hù)、巖層區(qū)域水力壓裂卸壓等行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)中,不懼艱辛,一往無前。
如果要回顧姜鵬飛接觸煤炭的契機(jī),那應(yīng)該是冥冥之中的安排,雖然中國礦業(yè)大學(xué)(北京)只是姜鵬飛的第三志愿,但他最終被這所大學(xué)錄取,從此開啟了他與煤炭不得不說的不解之緣。
起初,姜鵬飛對(duì)煤炭的了解還停留在:煤炭是我國工業(yè)的糧食、煤炭產(chǎn)量在世界位居前幾位這樣淺顯的表面,但隨著他進(jìn)入大學(xué),與學(xué)校里眾多的煤炭科學(xué)家接觸,就越發(fā)感覺到煤炭沒有他想象中的那么簡單。在與老師的交流中,姜鵬飛知道了煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)比例最高,是一項(xiàng)非常重要且不能忽視的戰(zhàn)略資源,它影響著國民生活的方方面面。
彼時(shí),20歲不到的姜鵬飛,逐漸對(duì)煤炭產(chǎn)生了興趣?!拔蚁胫绻约耗馨衙禾啃袠I(yè)遇到的實(shí)際問題通通解決,這將是一件多么酷的事情,也是值得一輩子從事的事業(yè)!因?yàn)樗怯袑?shí)際意義的。”抱著這樣的想法,姜鵬飛在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)一路從本科讀到了碩士。
京西礦務(wù)局的木城澗煤礦,是姜鵬飛印象最深的一個(gè)煤礦。讀研期間他在導(dǎo)師姜耀東教授指導(dǎo)下多次下井,了解到煤礦的實(shí)際問題,尤其是煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)問題,亟需大量的科研人員去攻關(guān)。在巷道圍巖穩(wěn)定性問題無法解決的情況下,煤礦事故的悲劇還會(huì)接二連三地發(fā)生,這是姜鵬飛不愿看到的。
2008年,碩士畢業(yè)的姜鵬飛被煤炭科學(xué)研究總院(現(xiàn)中國煤炭科工集團(tuán)有限公司)錄取,真正進(jìn)入了煤炭行業(yè),成為一名煤炭新人。“為什么選擇煤科總院呢?因?yàn)槲矣X得只有這里才能把我的強(qiáng)項(xiàng)充分發(fā)揮,圓我為煤炭事業(yè)作貢獻(xiàn)的夢(mèng)想。”十多年過去了,姜鵬飛依然記得當(dāng)初選擇這里的初衷,且朝著目標(biāo)、理想一步步走下去。
目前我國煤礦以地下開采為主,需要在井下開掘大量巷道,每年新掘進(jìn)的巷道總長度超過12000km,其中煤、半煤巖巷道占比80%以上,是我國規(guī)模最大的地下工程。為了保證巷道的暢通和圍巖的穩(wěn)定,巷道支護(hù)對(duì)煤礦的建設(shè)和生產(chǎn)至關(guān)重要。姜鵬飛從碩士研究生開始就跟著姜耀東教授研究巷道支護(hù),連研究生畢業(yè)論文的研究課題都是巷道支護(hù),后來他被分配到了中煤科工開采研究院有限公司(天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部)巷道所(以下簡稱“中煤科工開采研究院巷道所”)。
“你只要采煤就得掘巷道,對(duì)煤巷而言,掘不是問題,最重要的是支護(hù)。因?yàn)檫@涉及地下埋深幾百米甚至上千米的深度,煤又是沉積巖,它強(qiáng)度低,僅相當(dāng)于巖石1/5左右的強(qiáng)度,受工作面回采影響,巷道很容易發(fā)生大變形。而且巷道不僅需要在掘進(jìn)期間保持穩(wěn)定,還要求工作面回采后頂板及時(shí)垮落,這非常難。此外,回采巷道的服務(wù)年限只有一兩年,對(duì)支護(hù)成本也提出了要求,這其中有太多的科學(xué)問題需要解決?!敝v到自己最了解的巷道支護(hù),姜鵬飛滔滔不絕,眼里閃著別樣的光彩。
事實(shí)上,姜鵬飛剛來到中煤科工開采研究院巷道所沒多久,就接到了負(fù)責(zé)井下現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)測試的任務(wù)。在為期一年的時(shí)間里,姜鵬飛先后帶隊(duì)在晉煤礦區(qū)趙莊煤礦,汾西礦區(qū)河?xùn)|煤礦、紫金煤礦,伊泰礦區(qū)酸刺溝煤礦、大地精煤礦、寶山煤礦,寧東礦區(qū)棗泉煤礦,潞寧礦區(qū)孟家窯煤礦共5個(gè)礦區(qū)8個(gè)礦井32個(gè)測站開展地質(zhì)力學(xué)測試。地質(zhì)力學(xué)測試工作的順利開展,為煤礦井下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),提高了巷道支護(hù)形式與參數(shù)選取的可靠性,同時(shí)也為采場巖層控制提供了依據(jù)。他說:“巷道是否通暢與穩(wěn)定,決定了煤礦能否實(shí)現(xiàn)安全高效地開采,這既是前提又是保證?!边@也是姜鵬飛工作最重要的意義。
在完成了井下現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)測試的任務(wù)后,姜鵬飛作為主要研發(fā)人員參與了多項(xiàng)國家級(jí)項(xiàng)目,比如“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“特厚煤層大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”、國家原“973”課題“深部煤巖體應(yīng)力場與采動(dòng)疊加效應(yīng)”、國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于煤礦井下綜合應(yīng)力場的煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測與控制基礎(chǔ)研究”等。其中“特厚煤層大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”項(xiàng)目是科技部在煤炭行業(yè)立項(xiàng)的重大項(xiàng)目,姜鵬飛參與了該項(xiàng)目中“大斷面煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)與材料研發(fā)”課題的研究。在這個(gè)課題中,姜鵬飛開展了500~830MPa系列高強(qiáng)度、高沖擊韌性錨桿材料及構(gòu)件的力學(xué)性能研究,得出高強(qiáng)錨桿在巷道掘進(jìn)及工作面回采全過程的受力特征,揭示了錨桿長期承載的蠕變效應(yīng)和工作面回采過程錨桿在控制煤體失穩(wěn)破壞的作用機(jī)理?!拔覀冮_發(fā)了超高強(qiáng)度、高沖擊韌性的錨桿材料及配套構(gòu)件,提出了針對(duì)特厚煤層大斷面煤巷的錨桿支護(hù)技術(shù)方案,解決了大同礦區(qū)20米特厚煤層全煤巷道支護(hù)的一個(gè)難題?!闭f起這個(gè),姜鵬飛顯得很開心,他提到的科研成果已廣泛應(yīng)用于我國20個(gè)省、60多個(gè)大中型礦區(qū),取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。并且該成果作為“特厚煤層大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備”創(chuàng)新性成果之一,獲得了2014年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
這個(gè)項(xiàng)目對(duì)于姜鵬飛來說,印象最深刻的卻是那“連續(xù)下井的3個(gè)月”。他說:“我當(dāng)時(shí)是全程參與了這個(gè)項(xiàng)目,對(duì)我來說這是特別有意義的一次經(jīng)歷,從中學(xué)到了很多課本上學(xué)不到的知識(shí)?!苯i飛很清楚地記得,從2010年10月到12月,項(xiàng)目所有的科研人員在大同塔山煤礦連續(xù)駐礦3個(gè)月,每天下井,實(shí)地考察煤礦存在的實(shí)際問題,發(fā)現(xiàn)問題立即展開科學(xué)調(diào)研分析,然后解決問題。
除了下井解決問題外,姜鵬飛感覺自己與礦上溝通和解決問題的能力也提高了不少。他給記者舉了個(gè)例子。一次,某煤礦的工作人員給姜鵬飛打電話,有個(gè)礦冒頂了,把掘進(jìn)機(jī)埋進(jìn)去了,雖然沒有出現(xiàn)安全問題,但對(duì)方希望姜鵬飛能盡快幫他們解決問題。姜鵬飛一去,立馬就看出了問題,首先是錨桿的問題,其次是水的問題?!皠傞_始的時(shí)候,我肯定看不出來,但時(shí)間長了,去各個(gè)礦下井下得多了,做的實(shí)驗(yàn)多了,基本上一眼就能看出問題?!苯i飛幾句話一說,對(duì)方立刻明白問題出在哪兒,并希望姜鵬飛對(duì)此問題進(jìn)行研究,幫助他們從根本上解決問題。后來該礦所在礦務(wù)局開技術(shù)例會(huì)的時(shí)候,還請(qǐng)了姜鵬飛去給他們講課。
十多年來,姜鵬飛就是這樣在實(shí)踐中不斷成長起來,成為能獨(dú)當(dāng)一面的科研骨干人物。2018年3月,姜鵬飛開始擔(dān)任中煤科工開采研究院有限公司(天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部)科創(chuàng)中心副主任,向煤礦千米深井巷道圍巖控制、巷道快速自動(dòng)化掘進(jìn)與支護(hù)、巖層區(qū)域水力壓裂卸壓等行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)發(fā)起新的挑戰(zhàn)。
2017年,國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤礦千米深井圍巖控制及智能開采技術(shù)”項(xiàng)目獲得科技部的正式批復(fù),該項(xiàng)目由中國工程院院士、中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家康紅普負(fù)責(zé),天地科技股份有限公司牽頭,中國礦業(yè)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)、河南理工大學(xué)、中煤新集能源股份有限公司等9家單位參與,姜鵬飛作為項(xiàng)目的秘書長負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目前期測試工作。這也是姜鵬飛4年來投入時(shí)間最多的一個(gè)項(xiàng)目。
姜鵬飛去的中煤新集口孜東礦是該項(xiàng)目的示范礦井,該礦井所在的安徽淮南礦區(qū)是我國在華東地區(qū)唯一的整裝煤田,十分具有代表性,示范成功后將對(duì)我國深部煤炭資源開采提供技術(shù)保障。
最初,為了獲取盡可能多的數(shù)據(jù),姜鵬飛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從2017年12月1日起統(tǒng)一開展井下測試和監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作。經(jīng)過將近一個(gè)月的每天下井,打鉆安裝儀器,現(xiàn)場測試安裝工作順利完成。由于姜鵬飛采用的是在線監(jiān)測系統(tǒng),后期采集數(shù)據(jù)大多通過系統(tǒng)自動(dòng)采集,他計(jì)劃2018年2月初便能完成全部測試任務(wù)。
但姜鵬飛沒想到意外來得那么快,因?yàn)榭谧螙|礦埋深超過1000m,再加上運(yùn)輸?shù)扔绊?,巷道變形大的地方已?jīng)達(dá)到兩三米,甚至更多,這一變形導(dǎo)致井下部分?jǐn)?shù)據(jù)線斷裂,無法接收到數(shù)據(jù)?!罢f起這事,還能想起當(dāng)時(shí)承受的那種壓力,很郁悶?!弊鳛闇y試負(fù)責(zé)人,擺在姜鵬飛面前只有兩種選擇:一是利用現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)分析,缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合;二是全部重新安裝、重新測試。
如果選擇重新安裝、重新測試,就要面臨好幾個(gè)難題:一是重新裝儀器,涉及打孔安裝,所有的成本需要幾十萬元;二是當(dāng)時(shí)的時(shí)間是2018年1月24日,快過春節(jié)了,重新安裝意味著春節(jié)期間也需要有人留守現(xiàn)場。
盡管需要面對(duì)的困難很多,但姜鵬飛還是下定決心:重新安裝?!皬氖驴茖W(xué)研究是不能有半點(diǎn)虛偽和僥幸心理的,為了獲得真實(shí)準(zhǔn)確的第一手資料,我覺得還是要重新安裝?!睘榇耍i飛請(qǐng)團(tuán)隊(duì)的隊(duì)員去小飯店吃飯,給大家打氣;與研究生進(jìn)行交流,爭取他們能多在礦上待一段時(shí)間。
姜鵬飛在千米深井—口孜東礦進(jìn)行井下注漿效果調(diào)研取樣
在重新安裝的過程中,最讓姜鵬飛印象深刻的是2018年2月5日當(dāng)天,為了盡快完成安裝,他和團(tuán)隊(duì)成員從早上8點(diǎn)下井,到晚上9點(diǎn)升井,連續(xù)工作了13個(gè)小時(shí)。“幸好有個(gè)學(xué)生早上多帶了幾個(gè)包子,不然人就虛脫了,但心里卻很高興?!边B續(xù)13個(gè)小時(shí)沒有摸過手機(jī)的姜鵬飛,錯(cuò)過了許多同事、朋友和家人的短信和電話,他發(fā)了一條朋友圈和大家報(bào)平安,而這條朋友圈的配圖正是他已經(jīng)被煤灰熏黑的臉。
從2018年2月8日一直到3月底,現(xiàn)場的測試工作才全部完成??粗约汉蛨F(tuán)隊(duì)取得的全套現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)成果,姜鵬飛的心里十分踏實(shí)和高興?!拔蚁肫鹆肆?xí)近平總書記說過的一句話:幸福都是奮斗出來的。奮斗本身就是一種幸福。只有奮斗的人生才稱得上幸福的人生。我想做科學(xué)研究也是同樣的道理,獲得第一手資料本身就是一種科研,只有依靠第一手資料的科研才算是真正的科研。”
根據(jù)全套現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果,得出了地應(yīng)力場分布規(guī)律、采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律及支護(hù)體受力規(guī)律,姜鵬飛馬上投入對(duì)巷道支護(hù)方案的思考中。他說:“我們項(xiàng)目里邊最重要的技術(shù)就是煤礦千米深井巷道支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制技術(shù),現(xiàn)在我們已經(jīng)掌握了基礎(chǔ)資料,提出的巷道支護(hù)方案就有依據(jù),可以將方案應(yīng)用于煤礦巷道?!苯i飛和團(tuán)隊(duì)馬不停蹄地進(jìn)行了試驗(yàn),他們將提出的方案應(yīng)用于煤礦中的巷道,其效果比原巷道的變形量減少50%以上,為工作面順利回采提供了保證,解決了巷道大變形的難題。
但巷道的問題并沒有完全解決,為此,姜鵬飛和團(tuán)隊(duì)又做了一條示范巷道,針對(duì)巷道出現(xiàn)的其他問題,做進(jìn)一步的研究,然后解決問題?!爱?dāng)時(shí)煤幫仍有一定變形,測得的錨固力雖已翻了一倍,但仍未達(dá)到錨桿的承載能力,我們又開發(fā)了新的注漿錨桿錨索,用于高壓錨注,從而解決了煤幫變形的問題?!敝链耍_發(fā)出來的千米深井強(qiáng)采動(dòng)巷道支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制技術(shù),為我國深部巷道圍巖的有效控制提供了技術(shù)途徑。
多年來,姜鵬飛主持和參加了包括國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)、國家科技支撐、北京市科委、中國工程院、中國煤炭科工集團(tuán)、天地公司等各類科研項(xiàng)目40余項(xiàng);獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng),省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)20項(xiàng),其中特等獎(jiǎng)1項(xiàng),一等獎(jiǎng)6項(xiàng),獲中國煤炭科工集團(tuán)科技成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。
從最開始的10人發(fā)展到現(xiàn)在的26人,姜鵬飛所帶領(lǐng)的科創(chuàng)中心研發(fā)團(tuán)隊(duì),全部擁有研究生學(xué)歷,其中清華大學(xué)博士/碩士6人,北京理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等重點(diǎn)大學(xué)及煤炭科學(xué)研究總院博士/碩士20人,平均年齡33歲,涵蓋采礦、力學(xué)、機(jī)械、材料、機(jī)電、控制等多個(gè)專業(yè),在跨學(xué)科的交叉研究中不斷取得重大技術(shù)創(chuàng)新和系列研究成果。
這樣一支來自不同學(xué)科的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì),剛開始聚在一起時(shí),也曾遇到難題?!霸谙锏揽焖倬蜻M(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究方向上,當(dāng)時(shí)康紅普院士給我們的建議,讓我們第一年只干一件事,那就是去調(diào)研,去發(fā)現(xiàn)問題。以問題為導(dǎo)向,看看煤礦井下有哪些問題,需要哪些技術(shù)去解決”。就這樣,姜鵬飛帶著團(tuán)隊(duì)去煤礦井下跟班、去了國內(nèi)外有名的掘進(jìn)機(jī)廠家考察,又去美國、德國下井,還查閱了國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)、專利、論文,調(diào)研了接近一年時(shí)間,最終提出了8個(gè)方案,但這些方案沒有一個(gè)被采用,這樣的結(jié)果讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)都難以接受。
姜鵬飛清楚地記得,他們有一次5天去了5個(gè)礦,下了4個(gè)井,每個(gè)礦都是跨省的煤礦,只能晚上趕路,白天下井。看著團(tuán)隊(duì)的年輕人紛紛陷入迷茫,姜鵬飛反復(fù)鼓勵(lì)他們,不要?dú)怵H,這才是真正的科研,了解井下最真實(shí)的需要,研發(fā)的成果才最接地氣,“在挫折的背后,是這些年輕人最寶貴的財(cái)富”。
區(qū)域水力壓裂技術(shù)與裝備井下試驗(yàn)成功(2019年9月28日,新中國成立70周年前夕,姜鵬飛和隊(duì)員在井下祝祖國70周年生日快樂)
為解決巷道和工作面強(qiáng)礦壓、圍巖變形量大的問題,姜鵬飛與水力壓裂研發(fā)小組一起開展井下區(qū)域水力壓裂技術(shù)攻關(guān),包括區(qū)域水力壓裂卸壓理論、井下遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)、壓裂液制備系統(tǒng)、大流量壓裂泵組、壓裂裂縫監(jiān)測系統(tǒng)等,經(jīng)過長時(shí)間努力和井下實(shí)踐,煤礦井下水平孔區(qū)域水力壓裂技術(shù)與裝備于2019年9月28日在大梁灣煤礦試驗(yàn)成功,在井下為新中國成立70周年獻(xiàn)上一份薄禮。開發(fā)的區(qū)域水力壓裂技術(shù)與裝備壓裂鉆孔最大深度>800m,水平孔深度400~650m,單泵流量達(dá)到1.5m3/min,裂縫半徑>50m。目前,這項(xiàng)技術(shù)已在國內(nèi)多個(gè)典型煤礦得到推廣應(yīng)用,包括彬長孟村礦中央大巷群遠(yuǎn)距離區(qū)域壓裂卸壓解危、彬長胡家河礦動(dòng)壓巷道長水平孔壓裂、晉城野川礦沿空留巷頂板切頂卸壓、榆北曹家灘礦工作面區(qū)域壓裂卸壓等。這項(xiàng)技術(shù)已成為解決煤層開采中的動(dòng)壓問題、沖擊地壓遠(yuǎn)距離解危和保障工作面安全開采的有效技術(shù)手段。
2021年4月,全國煤炭行業(yè)共青團(tuán)工作指導(dǎo)和推進(jìn)委員會(huì)召開2020年度五四表彰大會(huì),姜鵬飛通過層層篩選,榮獲了第9屆“全國煤炭青年五四獎(jiǎng)?wù)隆薄T诮i飛看來,這次獲獎(jiǎng)是對(duì)他在工程技術(shù)創(chuàng)新和成果應(yīng)用方面取得成績的再一次肯定,這并不是一個(gè)很容易獲得的獎(jiǎng)項(xiàng),是需要付出艱辛的努力,取得亮眼的成績才能拿到的獎(jiǎng)項(xiàng),也是他十多年來科研攻關(guān)的最好見證。
如今,姜鵬飛和團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)準(zhǔn)了“煤礦井下圍巖控制及智能采掘”這個(gè)需要不懈探索的事業(yè)。下一步,他們將繼續(xù)努力,讓煤礦產(chǎn)業(yè)朝著安全、綠色、智能的發(fā)展方向穩(wěn)步邁進(jìn),在多學(xué)科交叉創(chuàng)新的道路上勇往直前。