讓烏金“極盡其能”的“碳”索者

煤炭資源整體回收率僅50%多，這個(gè)數(shù)據(jù)著實(shí)令人感到震驚，因?yàn)樗馕吨禾抠Y源浪費(fèi)的總量接近產(chǎn)出的總量。當(dāng)前，儲(chǔ)量不多的焦煤、無(wú)煙煤等優(yōu)質(zhì)戰(zhàn)略性煤炭資源的可持續(xù)保供成為亟待解決的世界性難題。如何科學(xué)開(kāi)發(fā)與高效利用這些戰(zhàn)略性煤炭資源？如何提升煤炭資源的回收率？作為山西能源學(xué)院黨委副書(shū)記、院長(zhǎng)，礦山巖層控制及災(zāi)害防控山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，山西省煤基資源綠色高效開(kāi)發(fā)工程研究中心主任，馮國(guó)瑞深感責(zé)任重大，他憑借一腔凌云志，直面難題，勇攀科技高峰，為遺留煤炭資源（下簡(jiǎn)稱(chēng)“遺煤”）開(kāi)采打造出一片璀璨星空。

將需求作追求 深耕科研領(lǐng)域

持續(xù)學(xué)習(xí)、深耕科研，將所學(xué)知識(shí)貢獻(xiàn)到能源重化工基地，更好地回報(bào)自己的家鄉(xiāng)和祖國(guó)。這顆學(xué)業(yè)有成、報(bào)效祖國(guó)的種子早在求學(xué)時(shí)便已深埋馮國(guó)瑞的心底。

在太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院就讀期間，馮國(guó)瑞逐漸認(rèn)識(shí)到：煤炭作為工業(yè)的食糧，為我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)作出了巨大的貢獻(xiàn)，但長(zhǎng)期粗放掠奪式的開(kāi)采導(dǎo)致我國(guó)煤炭資源的回收率并不高，有很多做法嚴(yán)重超出了生態(tài)環(huán)境的容量。出于歷史、地質(zhì)、技術(shù)、市場(chǎng)等各方面的原因，很多礦區(qū)采優(yōu)棄劣、采厚棄薄、采易棄難、采肥棄瘦，導(dǎo)致存在大量的遺煤及廢棄空間，資源浪費(fèi)巨大，生態(tài)環(huán)境破壞明顯。焦煤、無(wú)煙煤等世界性稀缺優(yōu)質(zhì)煤炭資源更是如此，一方面是極其有限、即將殆盡的資源儲(chǔ)量，一方面是沒(méi)有科學(xué)規(guī)劃的無(wú)序浪費(fèi)。“這個(gè)現(xiàn)狀難道不能改變？長(zhǎng)此以往，煤炭工業(yè)的可持續(xù)繁榮興旺與現(xiàn)代化堅(jiān)強(qiáng)保障如何兜底？”馮國(guó)瑞心想。

在家國(guó)情懷與使命擔(dān)當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)下，馮國(guó)瑞1999年本科畢業(yè)后，毅然選擇了在本校讀研深造，師從康立勛教授，攻讀采礦工程碩士學(xué)位。

自馮國(guó)瑞讀研以來(lái)，康立勛教授立足山西遺煤這一難題，確定了“遺煤開(kāi)采覆巖面接觸塊體結(jié)構(gòu)研究”的方向，正式引領(lǐng)馮國(guó)瑞走上了煤炭科研的道路。

2005年，馮國(guó)瑞在康立勛教授的帶領(lǐng)下攻關(guān)西山煤電集團(tuán)白家莊煤礦殘采區(qū)上覆蹬空6號(hào)煤層開(kāi)采技術(shù)。他在攻關(guān)初期就遇到了煤層開(kāi)采可行性難以判別的問(wèn)題。原來(lái)的判別方法不夠科學(xué)，致使處于裂隙帶的很多可采煤炭資源被判別成不可開(kāi)采。

經(jīng)過(guò)冥思苦想與反復(fù)研討，馮國(guó)瑞認(rèn)為不應(yīng)該僅從層間巖層厚度這個(gè)角度出發(fā)，而應(yīng)該從巖層結(jié)構(gòu)這個(gè)可以支撐開(kāi)采作業(yè)的本質(zhì)出發(fā)，研究基于巖體結(jié)構(gòu)的殘采區(qū)上行開(kāi)采可行性定量判定的理論與方法，徹底解決難題，為后續(xù)相關(guān)蹬空遺煤的安全高效回收提供切實(shí)可行的理論基礎(chǔ)。

做“不安分”的人 讓烏金“極盡其能”

征途已至新起點(diǎn)，不負(fù)韶華再出發(fā)。國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目獲批后，馮國(guó)瑞繼續(xù)秉持“主動(dòng)、投入、嚴(yán)肅、創(chuàng)新、卓越”的科研初心，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)立足山西，面向全國(guó)，聚焦各類(lèi)遺煤開(kāi)發(fā)與利用難題，系統(tǒng)梳理了我國(guó)遺煤開(kāi)采礦井的時(shí)空分布特征，總結(jié)了我國(guó)遺煤開(kāi)采的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，進(jìn)一步針對(duì)復(fù)雜賦存條件的遺煤開(kāi)采進(jìn)行了集中攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用推廣，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)不同種類(lèi)遺煤，馮國(guó)瑞創(chuàng)新發(fā)明了上行復(fù)采、充填復(fù)采、綜放復(fù)采和露天復(fù)采等遺煤開(kāi)采方法。經(jīng)過(guò)大量的開(kāi)采實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)很多遺煤開(kāi)采表現(xiàn)出明顯的多元致災(zāi)效應(yīng)，面臨礦壓異常顯現(xiàn)、地表塌陷嚴(yán)重、瓦斯局部涌出、積水災(zāi)害頻發(fā)等復(fù)雜技術(shù)難題。他說(shuō)：“遺煤資源是非常寶貴的地下資源，有著極高的開(kāi)采價(jià)值，我們必須解決這些難題，想辦法把這些資源盡可能多地開(kāi)采出來(lái)，實(shí)在不能開(kāi)采的也要想辦法進(jìn)行高效利用甚至是資源化利用。”

基于此，馮國(guó)瑞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)反復(fù)斟酌、頻頻研討、超前規(guī)劃，提出從遺煤開(kāi)采多元災(zāi)害發(fā)生的源頭出發(fā)探索致災(zāi)機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展一些原創(chuàng)性的技術(shù)攻關(guān)，突破該領(lǐng)域的“卡脖子”難題。

馮國(guó)瑞還針對(duì)性地布局了遺煤開(kāi)采圍巖失穩(wěn)分源聯(lián)動(dòng)控制、遺煤結(jié)構(gòu)充填開(kāi)采沉陷控制、遺煤采前瓦斯高效協(xié)同抽采、遺煤開(kāi)采水害孕育機(jī)理及其防控等研究方向，開(kāi)展了集中的理論、技術(shù)和應(yīng)用研究攻關(guān)，取得了一系列成果。

圍繞遺煤開(kāi)采巖層控制，馮國(guó)瑞針對(duì)不同種類(lèi)遺煤揭示了擾動(dòng)載荷作用下圍巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)機(jī)理，提出了復(fù)合殘采區(qū)煤柱群鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的關(guān)鍵柱理論，形成了復(fù)合殘采區(qū)遺煤開(kāi)采關(guān)鍵域充填巖層控制技術(shù)體系。

除此之外，馮國(guó)瑞還聚焦遺煤結(jié)構(gòu)充填開(kāi)采，發(fā)明了結(jié)構(gòu)充填開(kāi)采的技術(shù)方法，開(kāi)發(fā)了以廢棄混凝土、生物質(zhì)灰渣、煤矸石、粉煤灰和分選垃圾等為原料的多種新型結(jié)構(gòu)充填材料，揭示了結(jié)構(gòu)充填巖移控制的核心機(jī)制；發(fā)明了結(jié)構(gòu)充填材料性能優(yōu)化測(cè)試的新裝置與新工藝，構(gòu)建了基于電阻率法的結(jié)構(gòu)充填效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的綜合技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了三下壓煤的高效回收。

牢記科技創(chuàng)新初心 爭(zhēng)當(dāng)能源革命排頭兵

西山煤電西曲礦于1984年投產(chǎn)，受周邊小窯破壞影響及其他歷史原因影響，目前資源匱乏，面臨著工作面無(wú)法正常接續(xù)等問(wèn)題。這與山西省的很多礦井如出一轍，面臨稀缺遺煤開(kāi)采的諸多技術(shù)難題。為此，馮國(guó)瑞在提高煤炭資源回收率、降低萬(wàn)噸掘進(jìn)率及緩解生產(chǎn)銜接上謀篇布局，成立了“遺留難采煤炭資源安全綠色高回收率開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。

西曲礦上組煤僅剩余南三港立村盤(pán)區(qū)的14306和14307兩個(gè)工作面。為最大限度地提高回收率，西曲礦請(qǐng)來(lái)了馮國(guó)瑞團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)調(diào)研，馮國(guó)瑞選定14307工作面作為試驗(yàn)工作面。他了解到，當(dāng)初設(shè)計(jì)14307工作面的時(shí)候，工作面順槽長(zhǎng)度最初僅能布置將近350米，部分地區(qū)由于歷史原因8#煤已經(jīng)回采結(jié)束，造成4#煤區(qū)域蹬空，不少遺煤資源極其難采。

面對(duì)如此困境，馮國(guó)瑞創(chuàng)新性地提出在14307工作面前半部分實(shí)施蹬空開(kāi)采，后半部分采用沿空留巷技術(shù)。這一想法提出后，多方都產(chǎn)生了質(zhì)疑。這兩種技術(shù)都對(duì)采礦技術(shù)和圍巖穩(wěn)定性有著極高的要求，更不用說(shuō)將兩種方法結(jié)合在一起使用了。如果蹬空開(kāi)采過(guò)程中沒(méi)有處理好下伏采空區(qū)穩(wěn)定性的問(wèn)題，極易導(dǎo)致遺留煤柱的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)，使得整個(gè)14307工作面覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形。為此，馮國(guó)瑞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)精化方案，采用多種手段反復(fù)測(cè)算，提出了科學(xué)方案并編制了稀缺遺煤開(kāi)采的可行性技術(shù)報(bào)告。經(jīng)過(guò)多方論證，方案通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審并獲得高度評(píng)價(jià)，14307工作面順利開(kāi)展采掘作業(yè)。

固本拓新，奮力開(kāi)創(chuàng)。在不斷地解決一個(gè)又一個(gè)難采遺煤安全開(kāi)采問(wèn)題的同時(shí)，馮國(guó)瑞意識(shí)到可以有效利用殘采區(qū)浪費(fèi)的空間和不可采遺煤，助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。他開(kāi)始聚焦煤礦殘采區(qū)空間資源開(kāi)發(fā)和CO2儲(chǔ)集面臨的重大技術(shù)難題，以錢(qián)鳴高院士綠色開(kāi)采和科學(xué)開(kāi)采的學(xué)術(shù)思想為指導(dǎo)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次提出殘采區(qū)關(guān)鍵域充填儲(chǔ)碳空間重構(gòu)的技術(shù)構(gòu)想。殘采區(qū)關(guān)鍵域充填儲(chǔ)碳空間重構(gòu)技術(shù)構(gòu)想獲得2023年度國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助。

馮國(guó)瑞憑借孜孜求索的精神，收獲“國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者”“國(guó)家‘萬(wàn)人計(jì)劃’科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”“科學(xué)探索獎(jiǎng)獲得者”“科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”等多項(xiàng)榮譽(yù)。這些榮譽(yù)是對(duì)他不斷勇攀科學(xué)高峰的鼓勵(lì)。在榮譽(yù)面前，他繼續(xù)開(kāi)拓創(chuàng)新，書(shū)寫(xiě)科技創(chuàng)新的新篇章。