潛心水力致裂，保障安全高效開采——記中國礦業(yè)大學(xué)教授黃炳香

本刊記者 褚 焱

在我國，煤炭資源分布不均勻、地質(zhì)條件復(fù)雜的特殊性決定了煤炭開采的困難性。近年來，我國煤礦開采技術(shù)水平不斷提高，作為煤炭行業(yè)的一員，中國礦業(yè)大學(xué)教授黃炳香長期致力于煤巖體水力致裂方面的研究工作，克服重重困難，研制了大尺寸真三軸水力致裂實驗研究平臺；以水力致裂改造煤巖體結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，基于堅硬頂板、頂煤，瓦斯排采及防突消沖等采礦技術(shù)難題，形成了煤巖體水力致裂的理論與工藝技術(shù)體系，并已成功應(yīng)用于山西、內(nèi)蒙古、河南等省（自治區(qū)）的數(shù)個礦區(qū)30多個工作面；同時，對煤層氣地面井水力致裂增產(chǎn)，頁巖氣、可燃冰開采技術(shù)難題，開展了相關(guān)研究；攻克種種難題，形成了理論→技術(shù)→裝備→技術(shù)服務(wù)的發(fā)展模式，創(chuàng)下了一個個輝煌的成績。

鏗鏘起步：獨立開辟水力致裂新方向

在大家的眼中，黃炳香可謂是天子驕子、棟梁之材。1978年出生的他，于2001年在西安科技大學(xué)采礦工程專業(yè)畢業(yè)之后，被免試推薦為這所西北地區(qū)唯一一家礦業(yè)類院校的碩士研究生。2004年碩士畢業(yè)之后，他又來到了世界著名的礦業(yè)學(xué)府中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系任教，年輕有為，前途光明。

在中國礦業(yè)大學(xué)的各項評比中，因為他出類拔萃的表現(xiàn)、兢兢業(yè)業(yè)的治學(xué)態(tài)度斬獲了多項國家和省部級的獎項。也因此，31歲的他便被破格評為副教授，33歲被評為博導(dǎo)，35歲破格晉升為教授，是中國礦業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年骨干教師、中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)骨干。

能者多勞，智者多憂。一直以來，煤巖體結(jié)構(gòu)改造是解決煤礦許多技術(shù)難題的共性核心科技問題，而水力致裂是實現(xiàn)煤巖體結(jié)構(gòu)改造的有效途徑。為了攻克這個難題，在學(xué)院的支持下，帶著學(xué)院的殷切期望，黃炳香成立了水力致裂課題組，主要研究煤巖體水力致裂理論及其在煤礦的各方面應(yīng)用。

萬事開頭難。水力致裂在中國礦業(yè)大學(xué)是一個新的研究方向，他親力親為，自行研制了大尺寸真三軸水力致裂實驗系統(tǒng)，具備水力致裂、瓦斯驅(qū)趕和水力割縫（70MPa）的一體化功能。雖然此時的他已經(jīng)是破格的副教授，但因為是新進年輕老師，第一年的碩士招考中，只招到一名學(xué)生。那段時間，他肩負著本科生、研究生的教學(xué)任務(wù)，處在博士研究生畢業(yè)的關(guān)鍵時期，恰逢課題組剛剛成立，可以說，舉步維艱，篳路藍縷。

雖然這條新路開始是狹窄的,但它卻是黃炳香延伸拓寬的序曲。當(dāng)他與課題組學(xué)生埋頭鉆研，終于取得進展時，卻又迎來了新問題。他們知道，采礦是一門很重實踐的學(xué)科，因此大量的理論分析和實驗室研究成果，急需在現(xiàn)場應(yīng)用中試驗驗證。但由于水力致裂對于煤礦來說，還是新型技術(shù)，很多煤礦不愿去承擔(dān)風(fēng)險，使得他們有了技術(shù)，卻苦于沒有用武之地，這使他更加體會到了創(chuàng)業(yè)的艱難和不易。

然而，黃炳香堅定地認為自己的研究課題、思路和方法可行，一定能做出實用成果。無論遇到什么困難，他從不放棄不退縮。同樣，每當(dāng)遇到難題的時候，他的學(xué)生也向他看齊，常常拿他的“辦法總是人想出來的”“辦法總比困難多”等這些教誨來激勵自己。另外，他的嚴(yán)格也是出了名的，以身作則的他要求自己及課題組學(xué)生踏踏實實做實驗，認認真真做研究。有時為了一個細節(jié)、一個數(shù)據(jù)，他們沒日沒夜做實驗，一做就是一整天。晚上10點多，課題組學(xué)生晚歸時經(jīng)常看到他們的黃老師依然靜靜地在辦公室聚精會神地推敲論文、分析數(shù)據(jù)。

蓄力崛起：水力致裂開煤巖層的“銅墻鐵壁”

沒有一個人的成功是輕而易舉得來的，成功總是伴隨著艱辛。雖然31歲黃炳香就晉升為了副教授，但是他的年輕也引起了學(xué)生的擔(dān)心。然而即使當(dāng)年只有1個研究生，他也從未懈怠，以個人的實際行動和魅力感召著學(xué)生。2010年，僅僅1年時間，他以良好的口碑成為了很多讀研學(xué)生爭奪的香餑餑。2011年，更是有多名保送研究生報名。從2009年至2011年，不到3年的時間，他的課題組從1個研究生發(fā)展到了10多位研究生，課題組規(guī)模迅速擴大。課題組的壯大，為水力致裂的研究提供了有力的支撐。他開始帶領(lǐng)課題組去攀登更高的山峰。

為了能夠在現(xiàn)場進行水力致裂技術(shù)試驗，向企業(yè)證明水力致裂技術(shù)的可行性，他跑遍了徐州周邊的煤礦集團，終于神火集團的一個煤礦同意了試用水力致裂技術(shù)。為了得到第一手的現(xiàn)場資料，為了使得研究的內(nèi)容在現(xiàn)場更好地檢驗出效果，他帶領(lǐng)研究生馬劍等在現(xiàn)場跟班，一呆就是幾十天，他的努力沒有白費，為后期的連連成功奠定了基礎(chǔ)。

面對著山西大同礦區(qū)典型的堅硬頂板，波蘭專家多年試驗堅硬頂板水力致裂，均未致裂開，每每以失敗告終。之后，黃炳香課題組接下了這個難題，現(xiàn)場的很多人員對此表示懷疑：“波蘭專家都解決不了的問題，他們能解決？”為了解決好現(xiàn)場的問題，也為了證明自己的技術(shù)可行，黃炳香課題組采用自己成套的技術(shù)與裝備，開始堅硬頂板水力致裂試驗。黃炳香帶領(lǐng)研究生在塔山礦一呆就是一個月，施工的時候正好趕上春節(jié)前后，春節(jié)只休息了6天大家便回到礦上繼續(xù)工作，經(jīng)過充分的準(zhǔn)備，試驗取得圓滿成功，一次性成功致裂開大同這個銅墻鐵壁的頂板，取得突破性的進展。同煤集團領(lǐng)導(dǎo)都贊揚這次成功試驗意義重大，集團總工程師于斌說：“礦大黃炳香的技術(shù)為我們同煤集團實實在在解決了現(xiàn)場技術(shù)難題。”

課題組鉆研開發(fā)出能控制堅硬頂板、堅硬頂板下沿空留巷、保護臨空巷道、應(yīng)力定向轉(zhuǎn)移等的頂板定向致裂技術(shù)，采用這套技術(shù)與裝備避免了工作面強礦壓顯現(xiàn)，消除了懸頂突然垮落導(dǎo)致的瓦斯超限，提高了資源采出率，為堅硬頂板煤層井工開采的安全及圍巖控制等提供了新的解決思路和方法。這項技術(shù)成功解決了塔山、同忻等煤礦堅硬頂板（頂煤）綜采（放）面初采頂板垮落與瓦斯防治、臨空巷道沖擊地壓與底臌控制等技術(shù)難題；成功解決了神華神東公司綜采面端頭懸頂控制的安全問題，技術(shù)效果更是得到了現(xiàn)場的充分肯定。相關(guān)院士、專家鑒定該理論與成套技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。

頂板水力致裂控制理論與系統(tǒng)的控制方法將促進煤炭開采的科技進步，為深部煤炭資源開采奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。目前，該成套技術(shù)已在大同、神東等礦區(qū)的十幾個煤礦應(yīng)用，克服了高瓦斯礦井炸藥爆破存在的安全隱患，推廣應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。

他們的成績有目共睹。隨著水力致裂的成功應(yīng)用，越來越多的煤礦開始主動找到中國礦業(yè)大學(xué)尋求水力致裂的技術(shù)支持。從2009年至今，課題組從四處尋求煤礦進行試驗，到神華神東集團、同煤集團等全國大型煤炭企業(yè)主動尋求合作，徹底扭轉(zhuǎn)了被動的局面，得到了大家的一致認可。

勇創(chuàng)輝煌：達到國際領(lǐng)先水平

科學(xué)需要忘我的獻身精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。黃炳香不在乎名利，堅持項目必須對煤礦有所幫助，堅決不做重復(fù)無用的項目。哪怕是很小的煤礦現(xiàn)場問題，他都認真去解決，因此備受煤礦現(xiàn)場技術(shù)人員的好評，僅2013年一年簽約現(xiàn)場研究項目就達5項。

我們知道，放頂煤開采是特厚煤層的主導(dǎo)采煤方法。我國的堅硬特厚煤層儲量豐富，特別是陜、甘、寧、新等西部地區(qū)，分布著大量的堅硬特厚煤層。其中，榆林柳巷煤礦3號煤埋藏淺，煤層厚度大，煤質(zhì)堅硬，煤層裸巷兩年后無明顯變形，節(jié)理裂隙不發(fā)育。堅硬頂煤冒放性的安全有效控制成為了一項技術(shù)難題。在不采用炸藥的條件下，應(yīng)用小孔徑多孔線性水力致裂等技術(shù)與裝備。一方面定向致裂堅硬老頂，保障工作面初采安全生產(chǎn)，誘導(dǎo)礦壓破煤；另一方面水力致裂弱化堅硬頂煤，實現(xiàn)了頂煤的及時充分破碎垮落，頂煤破碎塊度滿足正常放煤要求。已在多個煤礦應(yīng)用，尤其在不適宜爆破的高瓦斯礦井可以發(fā)揮巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，相關(guān)院士、專家鑒定該技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平。

薛湖煤礦采用深孔水力致裂驅(qū)趕與淺孔抽采技術(shù)后，突出煤層掘進節(jié)省了10個區(qū)域孔的工程量和施工時間，減少了瓦斯抽采時間，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。深孔水力致裂驅(qū)趕與淺孔抽采也適用于突出煤層底抽巷穿層鉆孔的增透與消突，已在3個煤礦的6條煤巷掘進工作面和多個采煤工作面應(yīng)用。深孔水力致裂驅(qū)趕與淺孔抽采為瓦斯開采、突出煤層特別是單一低透煤層的消突提供了新的理念和技術(shù)途徑。實踐證明，突出煤層掘進頭超前深孔水力致裂驅(qū)趕與淺孔抽采的消突技術(shù)通過深孔水力致裂和淺孔瓦斯抽采相結(jié)合的方式，實現(xiàn)增透、弱化、瓦斯驅(qū)趕、抽采與注水濕潤的有機結(jié)合，有效地提高了瓦斯抽采率和消除了突出危險性。

他主持的多項國家自然科學(xué)基金項目、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)等項目受到同行的認可和好評。發(fā)表論文50余篇（SCI、EI檢索29篇），出版《煤巖體水力致裂理論及其應(yīng)用》等專著2部，獲發(fā)明專利5項、實用新型專利10項，申請發(fā)明專利6項。

他學(xué)術(shù)思想活躍、治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)求實，因此，獲得了孫越崎青年科技獎（2012）、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃（2012）、江蘇省“333人才培養(yǎng)工程”中青年科學(xué)技術(shù)帶頭人（2013）、江蘇省“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師（2012）、江蘇省優(yōu)秀博士學(xué)位論文（2010）等獎項。

如今，作為一名國家級重點學(xué)科的年輕教授，黃炳香正帶領(lǐng)課題組研究生，以更加飽滿的熱情、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，齊力承擔(dān)起多項國家自然科學(xué)基金、省部級科研項目，奔走在水力致裂理論與技術(shù)的不同分支方向，埋首在煤層氣地面井水力致裂增產(chǎn)技術(shù)、煤層壓裂濾失機理等中石油科技攻關(guān)項目以及頁巖氣、可燃冰開采方面的基礎(chǔ)研究中，向一道道水力致裂解決煤炭高效開采和安全的工程難題發(fā)起了挑戰(zhàn)，為祖國的能源事業(yè)源源不斷地奉獻著自己全部的力量。