黃炳香：凝思聚力破解堅硬頂板的及時可控放頂難題

蔡巧玉

煤炭是我國的主體能源和冶金、建材、化工等重要產業的主要工業原料。在我國，煤炭占一次能源消費比例的60%，燃煤發電量占總發電量的70%以上，堪稱我國穩定、經濟、自主保障程度最高的能源。尤其是隨著“一帶一路”建設、京津冀協同發展、長江經濟帶發展三大國家戰略的實施，煤炭工業發展迎來了諸多的歷史機遇，正如《煤炭工業發展“十三五”規劃》中所說的：“努力建設集約、安全、高效、綠色的現代煤炭工業體系”，而這也成為當今每一位煤炭從業者神圣而艱巨的使命。

中國礦業大學（以下簡稱“礦大”）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的黃炳香教授就是其中一位。從業多年以來，黃炳香默默扎根一線，從實際出發，屢次突破創新，逐步形成了一系列相關理論和成套的技術裝備。

十年磨一劍 實現堅硬頂板可控放頂

我國煤炭資源豐富但分布不均，且地質條件復雜，其中堅硬頂板賦存煤層占30%以上，覆蓋50%以上礦區。據了解，堅硬頂板是指煤體上覆頂板巖層厚度較大，自穩能力好，巖體抗拉、抗壓強度高，在煤體采出后覆巖大面積懸頂造成采空區長時間處于空洞狀態的頂板。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，彈性能會瞬間釋放，導致沖擊礦壓、大面積來壓等礦壓災害和颶風，頂板懸頂還有可能引發瓦斯（煤塵）爆炸、煤自燃等衍生災害，給工作面、采區甚至整個礦井帶來嚴重的破壞。因此堅硬頂板的及時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用。“煤巖體水力致裂強調的是通過注入高壓水，使煤巖體產生水壓裂縫，通過水壓主裂縫擴展、翼型分支裂紋擴展和吸水濕潤作用，達到結構改造、強度弱化和增透等工程需要，同時針對不同工程3種作用的側重點也有所不同。”黃炳香詳細地解釋道。不同于傳統炸藥爆破致裂頂板時既產生大量有毒有害氣體，同時在高瓦斯礦井中存在較大安全隱患等缺點，水力致裂技術不僅成本較低、安全性好，而且能夠通過定向壓裂技術產生預定方向的裂縫，從而有望在處理堅硬頂板時得到良好的施工效果。礦井下的壓裂與石油行業地面壓裂在應力環境、巖層條件、目的與功能、施工條件等方面有顯著的區別；實踐表明，必須構建礦井的壓裂理論與技術。

2007年年初，“井工礦堅硬頂煤頂板壓裂控制理論與成套技術”項目啟動。在國家自然科學基金優秀青年基金項目“煤巖體水力致裂”、國家自然科學基金面上項目“煤巖體定向水力割縫致裂機理研究”等的大力資助下，在四川省煤炭產業集團有限責任公司、淮南礦業（集團）有限責任公司等相關單位的共同努力下，歷經10番寒暑，國家“萬人計劃”領軍人才黃炳香教授團隊開創性提出了堅硬頂板（煤）壓裂理論與系統性裂縫形態控制方法，研發了井工礦堅硬頂板壓裂成套裝備與工藝技術體系，突破性解決了堅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，有效預防了頂板失控冒落及其衍生災害事故。與爆破放頂相比，效率提高了3倍，成本降低了50%以上，產量提高了5%以上。

堅硬頂板及其衍生災害

依托該項目，黃炳香及其團隊取得了諸多可喜的科研成果：研制了大尺寸（500×500×500m m3）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驗系統，成套技術與裝備于2017年入選科技部與原國家安監總局第一批安全生產先進適用技術與產品，于2015年入選原國家安監總局第三批安全科技“四個一批”技術推廣項目；“綜采工作面端頭懸頂水力致裂控制技術規范”于2019年獲國家能源局煤炭行業標準立項（能源20190274），“井工礦煤巖體壓裂技術規范”于2019年獲中國煤炭學會團體標準立項（2019005）；出版專著1部，發表論文82篇，其中S C I收錄26篇（9篇1區、4篇2區）、E I收錄40篇；授權國內外發明專利22項；獲省部級科技獎一等獎3項。

實踐出真知筑起安全開采防護墻

實踐是檢驗真理的唯一標準，煤炭開采領域也不例外，與其相關的理論分析和實驗室的研究成果都必須經過實踐生產應用的驗證，方能完成從實驗室到工業化的轉變，真正轉化為生產力。多年以來，黃炳香及其團隊正是從工程需要出發，大膽創新小心求證，切實解決了煤層堅硬頂板導致的一系列安全問題。

2013年3月29日，吉林省通化礦業集團吉林江源煤業有限公司（原八寶煤礦）發生特別重大瓦斯爆炸事故，造成36人遇難、12人受傷，直接經濟損失4708.9萬元。

據悉，造成該事故的根本原因是堅硬頂板不能及時垮落，給采空區煤自燃和瓦斯積聚創造了條件。事后，吉林江源煤業有限公司與礦大開展合作，深入分析急傾斜煤層堅硬頂板的破斷規律，并采用水力壓裂的方法控制急傾斜煤層的堅硬頂板，有效解決了工作面采空區懸頂的問題，從源頭上解決了采空區煤自燃和瓦斯積聚問題。與此條件類似，鶴煤集團鶴壁中泰礦業有限公司在2005年也曾因頂板不能及時垮落導致采空區瓦斯爆炸，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后，才恢復了高效的放頂煤工藝。

川煤集團綠水洞煤礦開采煤層的頂板堅硬，工作面上端頭容易形成“懸頂-垮落-再懸頂”的周期性現象，懸頂突然垮落時，會將采空區的瓦斯擠出，導致工作面瓦斯超限。川煤集團與礦大合作，采用工作面端頭懸頂水力致裂控制技術，切實解決了工作面端頭懸頂問題。據悉，同類型的技術還在神東礦區6個煤礦得到推廣應用，黃炳香及其團隊研發的“堅硬頂板采煤工作面端頭懸頂壓裂控制理論與技術”項目成果已獲得2019年四川省科技進步獎一等獎。

淮南礦業集團顧橋煤礦開采深度達800m，地應力大，采動應力大，二者疊加導致工作面停采線附近的盤區大巷變形嚴重，巷道維護工程量大。淮南礦業集團與礦大合作采用定向壓裂應力轉移的方法，切斷老頂關鍵巖層，阻斷采動應力的傳遞途徑，有效改善了盤區大巷的應力環境，解決了采動應力引起的盤區大巷變形問題，對我國深井采動巷道的維護具有重要的指導意義。

臨空巷道壓裂應力轉移控制原理

此外，黃炳香及其團隊也曾在緊急時刻，用先進的理論和技術設備為煤礦解除燃眉之急。據悉，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，因頂煤堅硬、頂煤冒放性差，導致大量的頂煤遺留在采空區中并不斷地釋放瓦斯，使采空區中的瓦斯隨風流在上隅角匯集，最終導致工作面上隅角瓦斯超限。因此工作面推進速度緩慢，而煤層極易自燃發火，最短自燃發火期僅為28天，可以說采空區面臨著煤自燃和瓦斯超限的雙重危險。在如此緊急的情況下，黃炳香項目組趕到現場后采用“高瓦斯堅硬頂煤脈沖壓裂弱化、增透、減塵與防火一體化技術”，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，最終解決了堅硬頂煤冒放性差導致的系列安全難題。

毋庸置疑，礦產資源是國民經濟和社會發展的物質基礎，而煤炭在我國能源安全保障上具有“壓艙石”“兜底”的基礎性和主體性作用。如今，黃炳香及其團隊研發的成套技術與裝備已在山西、陜西、四川等省區的43個煤礦推廣應用，取得了顯著的社會經濟效益。未來，黃炳香及其團隊還將繼續行進在安全科學開采煤炭的道路上，為建成現代煤炭工業體系添磚加瓦。