如何安全高效綠色開采煤炭，是一代代采礦人接力奮斗的目標(biāo)，這其中就有著我校采礦工程學(xué)科巖層移動(dòng)與綠色開采團(tuán)隊(duì)的身影。
20年前，錢鳴高院士提出了綠色開采的理念。在錢鳴高院士學(xué)術(shù)思想指引下，煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室許家林教授帶領(lǐng)巖層移動(dòng)與綠色開采團(tuán)隊(duì)近百人經(jīng)過二十年的奮斗，研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的覆巖隔離注漿充填技術(shù)，為礦井綠色開采帶來了新希望。
多重?fù)p害一注治理
我國(guó)長(zhǎng)期采用壁式體系采煤法，傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁式采煤法由于暴露面積較大，存在著地面塌陷的問題，一直以來困擾著礦區(qū)民眾。無數(shù)采礦人不斷尋求控制地表塌陷的更優(yōu)解。如何在不影響井下作業(yè)的前提下，控制地表塌陷？許家林把目光投向覆巖隔離注漿充填技術(shù)。
大量理論與實(shí)踐研究表明，在礦井下重重疊疊的地層中，“關(guān)鍵層”（堅(jiān)硬巖層）牽一發(fā)而動(dòng)全身。它對(duì)開采過程中的巖層及地表移動(dòng)起控制作用，礦震災(zāi)害及地面塌陷的原因就與關(guān)鍵層斷裂密切相關(guān)。
充填技術(shù)正是控制關(guān)鍵層不斷裂的源頭技術(shù)。覆巖隔離注漿充填技術(shù)通過地面鉆孔向關(guān)鍵層下方采動(dòng)裂隙進(jìn)行注漿充填，產(chǎn)生“壓下托上”的作用，在關(guān)鍵層下方形成支撐體，阻止關(guān)鍵層斷裂。
覆巖隔離注漿充填技術(shù)在不改變工作面的采煤工藝與裝備的同時(shí)，保證地面注漿與井下采煤同步實(shí)施、相互干擾小，實(shí)現(xiàn)了提高資源回收率、保護(hù)含水層資源、減少堅(jiān)硬巖層下礦震、保護(hù)地面建（構(gòu)）筑物、保護(hù)土地與環(huán)境、無害化處置煤基固廢等多重目標(biāo)，激活了我國(guó)煤礦綠色開采技術(shù)更蓬勃的發(fā)展。
無懼質(zhì)疑做逆行者
上世紀(jì)90年代，年輕的巖層移動(dòng)與綠色開采團(tuán)隊(duì)在多次礦井實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)及分析后，發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵層對(duì)地表沉陷的控制作用。團(tuán)隊(duì)仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，處理現(xiàn)場(chǎng)做的鉆孔探測(cè)的數(shù)據(jù)，充分研究采礦內(nèi)部巖層運(yùn)動(dòng)等理論模型。在行業(yè)專家普遍對(duì)離層注漿持否定態(tài)度和眾人質(zhì)疑聲中，團(tuán)隊(duì)堅(jiān)信關(guān)鍵層注漿充填新方法是可行的，并不斷尋求適宜覆巖隔離注漿技術(shù)實(shí)施的“沃土”。
功夫不負(fù)有心人，2002年許家林帶領(lǐng)學(xué)生前往淮北礦區(qū)海孜煤礦進(jìn)行調(diào)研時(shí)，發(fā)現(xiàn)井下整層120米厚的火成巖正是典型關(guān)鍵層，是控制采煤塌陷、減少采動(dòng)損害的極有利條件。許家林教授主動(dòng)與企業(yè)對(duì)接，在淮北礦業(yè)集團(tuán)公司多個(gè)領(lǐng)導(dǎo)的支持與認(rèn)可下，團(tuán)隊(duì)多年的構(gòu)想終于在海孜煤礦落地生根。
經(jīng)過大量努力后，團(tuán)隊(duì)完成了理論研究、方案制定，以及矸石粉碎系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、充填管路、注漿鉆孔施工工作，但工程試驗(yàn)過程卻不是一帆風(fēng)順，鉆孔探測(cè)未發(fā)現(xiàn)顯著離層空間，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)程大幅延緩。團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)下，發(fā)現(xiàn)了覆巖卸荷膨脹累積效應(yīng)以及其對(duì)采動(dòng)裂隙的占據(jù)作用，創(chuàng)建了關(guān)鍵層下“壓下托上”的壓實(shí)注漿充填新理論，從理論上解決了注漿量少的問題。
注漿充填實(shí)施中，注漿時(shí)機(jī)把握、漿液密度調(diào)整、注漿量與壓力調(diào)控、采注沉匹配及平衡，每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)看似很小的參數(shù)，都可能導(dǎo)致整個(gè)工程失敗。
在模擬漿體在地層的壓實(shí)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)反復(fù)討論，解決了加壓難題，得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在測(cè)量漿體在層內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，團(tuán)隊(duì)參考石油領(lǐng)域技術(shù)，設(shè)計(jì)出適用于煤礦的監(jiān)測(cè)裝置，山上冒雨搭帳篷開展監(jiān)測(cè)；在注漿參數(shù)監(jiān)測(cè)與調(diào)控時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員長(zhǎng)期住在工地，獲得了第一手?jǐn)?shù)據(jù)。從學(xué)校到礦井，種種艱辛都阻擋不了行走在實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想道路上的學(xué)者。
十年奮斗終成碩果
2009年，經(jīng)歷近十年的探索，淮北礦區(qū)工地上終于響起了注漿設(shè)備的轟鳴聲，這不僅標(biāo)志著覆巖隔離注漿充填首次成功實(shí)施，還意味著壓煤地區(qū)村莊的不再搬遷成為可能，將使飽受壓煤影響的中東部礦區(qū)的煤炭資源發(fā)揮更加長(zhǎng)足的優(yōu)勢(shì)。“一個(gè)科研人員堅(jiān)守最初的正確的研究方向，只要持續(xù)下去肯定是有所回報(bào)的?！避幋笱蟾苯淌谟懈卸l(fā)，他2009年本科直博開始進(jìn)入團(tuán)隊(duì)，一直專注于覆巖隔離注漿充填方向研究。
“最大的成果就是解決了工程問題?！痹S家林說道。2015年以來，覆巖隔離注漿充填技術(shù)陸續(xù)在山西、山東、河南、河北、江蘇、內(nèi)蒙等地推廣應(yīng)用。截至目前，累計(jì)在13個(gè)礦區(qū)成功應(yīng)用。大幅提高了采煤工作面效率與采出率，在地表減沉、固廢減排、減震防沖、保水開采等方面有著良好的應(yīng)用。覆巖隔離注漿充填是綠色開采技術(shù)的重大創(chuàng)新，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
在團(tuán)隊(duì)成員的共同努力下，覆巖隔離注漿充填技術(shù)已申請(qǐng)獲得國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)；獲得2012年中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)一等獎(jiǎng)、以及其他省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)共5項(xiàng)；制定能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)；2篇次論文入選“中國(guó)百篇最具影響國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)論文”，10篇次論文入選“中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文（F5000）”，20余篇論文發(fā)表在《煤炭學(xué)報(bào)》、《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》等國(guó)內(nèi)外采礦TOP期刊上。
二十年如一日守望礦井綠色開采，巖層移動(dòng)與綠色開采團(tuán)隊(duì)秉持著對(duì)學(xué)術(shù)一以貫之的嚴(yán)謹(jǐn)與熱情，將熱愛寫在了礦區(qū)的土地上。未來，覆巖隔離注漿充填技術(shù)將在煤礦減沉、減排、減震與保水開采中繼續(xù)發(fā)力，團(tuán)隊(duì)也會(huì)不斷創(chuàng)新實(shí)踐、不斷總結(jié)完善，用科學(xué)理論引領(lǐng)創(chuàng)新發(fā)展，以技術(shù)力量為“雙碳”目標(biāo)助力。
來源：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
