黄炳香：凝思聚力破解坚硬顶板的及时可控放顶难题

蔡巧玉

煤炭是我国的主体能源和冶金、建材、化工等重要产业的主要工业原料。在我国，煤炭占一次能源消费比例的60%，燃煤发电量占总发电量的70%以上，堪称我国稳定、经济、自主保障程度最高的能源。尤其是随着“一带一路”建设、京津冀协同发展、长江经济带发展三大国家战略的实施，煤炭工业发展迎来了诸多的历史机遇，正如《煤炭工业发展“十三五”规划》中所说的：“努力建设集约、安全、高效、绿色的现代煤炭工业体系”，而这也成为当今每一位煤炭从业者神圣而艰巨的使命。

中国矿业大学（以下简称“矿大”）煤炭资源与安全开采国家重点实验室的黄炳香教授就是其中一位。从业多年以来，黄炳香默默扎根一线，从实际出发，屡次突破创新，逐步形成了一系列相关理论和成套的技术装备。

十年磨一剑实现坚硬顶板可控放顶

我国煤炭资源丰富但分布不均，且地质条件复杂，其中坚硬顶板赋存煤层占30%以上，覆盖50%以上矿区。据了解，坚硬顶板是指煤体上覆顶板岩层厚度较大，自稳能力好，岩体抗拉、抗压强度高，在煤体采出后覆岩大面积悬顶造成采空区长时间处于空洞状态的顶板。这些顶板岩层因弯曲、变形积聚了大量的弹性能，一旦突然垮落时，弹性能会瞬间释放，导致冲击矿压、大面积来压等矿压灾害和飓风，顶板悬顶还有可能引发瓦斯（煤尘）爆炸、煤自燃等衍生灾害，给工作面、采区甚至整个矿井带来严重的破坏。因此坚硬顶板的及时可控放顶一直是煤炭开采中的世界性难题。

为了攻克这道难题，黄炳香成立了煤岩体压裂课题组，开始研究煤岩体水力致裂理论及其在煤矿的各方面应用。“煤岩体水力致裂强调的是通过注入高压水，使煤岩体产生水压裂缝，通过水压主裂缝扩展、翼型分支裂纹扩展和吸水湿润作用，达到结构改造、强度弱化和增透等工程需要，同时针对不同工程3种作用的侧重点也有所不同。”黄炳香详细地解释道。不同于传统炸药爆破致裂顶板时既产生大量有毒有害气体，同时在高瓦斯矿井中存在较大安全隐患等缺点，水力致裂技术不仅成本较低、安全性好，而且能够通过定向压裂技术产生预定方向的裂缝，从而有望在处理坚硬顶板时得到良好的施工效果。矿井下的压裂与石油行业地面压裂在应力环境、岩层条件、目的与功能、施工条件等方面有显著的区别；实践表明，必须构建矿井的压裂理论与技术。

2007年年初，“井工矿坚硬顶煤顶板压裂控制理论与成套技术”项目启动。在国家自然科学基金优秀青年基金项目“煤岩体水力致裂”、国家自然科学基金面上项目“煤岩体定向水力割缝致裂机理研究”等的大力资助下，在四川省煤炭产业集团有限责任公司、淮南矿业（集团）有限责任公司等相关单位的共同努力下，历经10番寒暑，国家“万人计划”领军人才黄炳香教授团队开创性提出了坚硬顶板（煤）压裂理论与系统性裂缝形态控制方法，研发了井工矿坚硬顶板压裂成套装备与工艺技术体系，突破性解决了坚硬顶板大面积悬顶控制系列难题，提高了悬顶处置的可控性，有效预防了顶板失控冒落及其衍生灾害事故。与爆破放顶相比，效率提高了3倍，成本降低了50%以上，产量提高了5%以上。

依托该项目，黄炳香及其团队取得了诸多可喜的科研成果：研制了大尺寸（500×500×500mm3）真三轴、小尺寸（100×100×100m m3）真三轴和微型（φ50mm×100mm）假三轴等成体系的多尺度煤岩体压裂实验系统，成套技术与装备于2017年入选科技部与原国家安监总局第一批安全生产先进适用技术与产品，于2015年入选原国家安监总局第三批安全科技“四个一批”技术推广项目；“综采工作面端头悬顶水力致裂控制技術规范”于2019年获国家能源局煤炭行业标准立项（能源20190274），“井工矿煤岩体压裂技术规范”于2019年获中国煤炭学会团体标准立项（2019005）；出版专著1部，发表论文82篇，其中SCI收录26篇（9篇1区、4篇2区）、EI收录40篇；授权国内外发明专利22项；获省部级科技奖一等奖3项。

实践出真知筑起安全开采防护墙

实践是检验真理的唯一标准，煤炭开采领域也不例外，与其相关的理论分析和实验室的研究成果都必须经过实践生产应用的验证，方能完成从实验室到工业化的转变，真正转化为生产力。多年以来，黄炳香及其团队正是从工程需要出发，大胆创新小心求证，切实解决了煤层坚硬顶板导致的一系列安全问题。

2013年3月29日，吉林省通化矿业集团吉林江源煤业有限公司（原八宝煤矿）发生特别重大瓦斯爆炸事故，造成36人遇难、12人受伤，直接经济损失4708.9万元。

据悉，造成该事故的根本原因是坚硬顶板不能及时垮落，给采空区煤自燃和瓦斯积聚创造了条件。事后，吉林江源煤业有限公司与矿大开展合作，深入分析急倾斜煤层坚硬顶板的破断规律，并采用水力压裂的方法控制急倾斜煤层的坚硬顶板，有效解决了工作面采空区悬顶的问题，从源头上解决了采空区煤自燃和瓦斯积聚问题。与此条件类似，鹤煤集团鹤壁中泰矿业有限公司在2005年也曾因顶板不能及时垮落导致采空区瓦斯爆炸，为此煤矿放弃了放顶煤开采工艺，改用效率低、成本高的分层开采，直到与矿大合作采用工作面顶板水力致裂技术后，才恢复了高效的放顶煤工艺。

川煤集团绿水洞煤矿开采煤层的顶板坚硬，工作面上端头容易形成“悬顶-垮落-再悬顶”的周期性现象，悬顶突然垮落时，会将采空区的瓦斯挤出，导致工作面瓦斯超限。川煤集团与矿大合作，采用工作面端头悬顶水力致裂控制技术，切实解决了工作面端头悬顶问题。据悉，同类型的技术还在神东矿区6个煤矿得到推广应用，黄炳香及其团队研发的“坚硬顶板采煤工作面端头悬顶压裂控制理论与技术”项目成果已获得2019年四川省科技进步奖一等奖。

淮南矿业集团顾桥煤矿开采深度达800m，地应力大，采动应力大，二者叠加导致工作面停采线附近的盘区大巷变形严重，巷道维护工程量大。淮南矿业集团与矿大合作采用定向压裂应力转移的方法，切断老顶关键岩层，阻断采动应力的传递途径，有效改善了盘区大巷的应力环境，解决了采动应力引起的盘区大巷变形问题，对我国深井采动巷道的维护具有重要的指导意义。

此外，黄炳香及其团队也曾在紧急时刻，用先进的理论和技术设备为煤矿解除燃眉之急。据悉，在陕西省崔家沟煤矿2303综放工作面初采期间，老顶来压之前，因顶煤坚硬、顶煤冒放性差，导致大量的顶煤遗留在采空区中并不断地释放瓦斯，使采空区中的瓦斯随风流在上隅角汇集，最终导致工作面上隅角瓦斯超限。因此工作面推进速度缓慢，而煤层极易自燃发火，最短自燃发火期仅为28天，可以说采空区面临着煤自燃和瓦斯超限的双重危险。在如此紧急的情况下，黄炳香项目组赶到现场后采用“高瓦斯坚硬顶煤脉冲压裂弱化、增透、减尘与防火一体化技术”，通过压裂增加煤体的裂隙，不仅改善了顶煤的冒放性，而且增加了煤体透气性，最终解决了坚硬顶煤冒放性差导致的系列安全难题。

毋庸置疑，矿产资源是国民经济和社会发展的物质基础，而煤炭在我国能源安全保障上具有“压舱石”“兜底”的基础性和主体性作用。如今，黄炳香及其团队研发的成套技术与装备已在山西、陕西、四川等省区的43个煤矿推广应用，取得了显著的社会经济效益。未来，黄炳香及其团队还将继续行进在安全科学开采煤炭的道路上，为建成现代煤炭工业体系添砖加瓦。