山西焦煤山煤國(guó)際霍爾辛赫煤業(yè)公司3801工作面，監(jiān)控電子屏實(shí)時(shí)刷新著數(shù)據(jù)：固廢已處理179萬(wàn)噸、壓覆煤炭資源已采出165萬(wàn)噸……屏幕上紅色的預(yù)警線如同一條安全防線，守護(hù)著地下百萬(wàn)噸煤炭資源的安全采出。
屏幕上跳動(dòng)的曲線背后，是山東科技大學(xué)教授陳紹杰團(tuán)隊(duì)與礦山技術(shù)人員聯(lián)手，用三年時(shí)間攻克的世界級(jí)難題——首次實(shí)現(xiàn)加油站正常營(yíng)業(yè)情況下，在加油站正下方的礦井里，實(shí)現(xiàn)離層注漿充填采煤工作面綠色安全、高效開(kāi)采。
霍爾辛赫煤業(yè)，煤矸石處置集控中心
作為煤炭資源大省，山西曾因儲(chǔ)量豐沛無(wú)需過(guò)多考量“三下”（建筑物、水體、鐵路下）壓煤難題，但隨著數(shù)十年大規(guī)模開(kāi)采，淺部易采資源日益減少，若不能突破“三下”壓煤開(kāi)采技術(shù)，眾多礦井將面臨可持續(xù)發(fā)展困境。與此同時(shí)，山西存量煤矸石超15億噸，年新增量突破2億噸，固廢堆存引發(fā)的污染等問(wèn)題，成為制約全省高質(zhì)量發(fā)展的突出短板。這兩大難題的破解，正是山西推動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵之舉。
這場(chǎng)攻堅(jiān)，不僅為破解“三下”壓煤這一國(guó)家能源開(kāi)發(fā)瓶頸提供了技術(shù)范式，實(shí)現(xiàn)了礦井挖潛增效和大宗固廢綜合利用（邊采邊充、消耗矸石），有效解決煤矸石、粉煤灰排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，更讓深埋地下的“沉睡資源”在科技賦能下重?zé)ㄉ鷻C(jī)。
一塊“難啃的硬骨頭”
霍爾辛赫煤業(yè)是山煤國(guó)際公司動(dòng)力煤主力生產(chǎn)礦井，年生產(chǎn)能力400萬(wàn)噸。井田上，分布著大小42個(gè)村莊、焦化廠、加油站等建筑物，“三下”壓煤總量巨大。
霍爾辛赫煤業(yè)的井上下對(duì)照?qǐng)D上，3801工作面很大部分區(qū)域被紅色的保護(hù)煤柱線圈了進(jìn)去。這塊埋藏著優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤的區(qū)域，工作面中部正上方地面有一座運(yùn)營(yíng)中的加油站，稍微有較大的采動(dòng)影響都有可能引發(fā)儲(chǔ)油罐泄漏造成安全事故。
“陳教授，3801工作面被加油站壓覆了165萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)煤，但正上方是加油站，稍有差池就是大事！”，2022年，當(dāng)山煤國(guó)際相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)負(fù)責(zé)人帶著難題找到陳紹杰團(tuán)隊(duì)時(shí)，這位深耕開(kāi)采沉陷與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的學(xué)者，在井上下對(duì)照?qǐng)D上圈出了關(guān)鍵數(shù)據(jù)：煤層平均埋深521米、平均厚度5.8米、鄰近采空區(qū)隔離煤柱40米……這些參數(shù)意味著，傳統(tǒng)開(kāi)采技術(shù)在這里行不通。
山煤國(guó)際到訪交流，陳紹杰答疑
彼時(shí)，霍爾辛赫煤業(yè)已通過(guò)覆巖離層注漿充填技術(shù)解決了部分壓煤?jiǎn)栴}，但加油站的特殊性讓人犯了難。“加油站受鄰近工作面開(kāi)采影響已經(jīng)產(chǎn)生了一定變形，且儲(chǔ)油罐變形敏感容易受采煤影響產(chǎn)生安全隱患，必須跳出傳統(tǒng)開(kāi)采思路”陳紹杰回憶，團(tuán)隊(duì)第一次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研時(shí)，他望著遠(yuǎn)處的矸石山和加油站油價(jià)變化顯示屏，一個(gè)個(gè)的想法涌出——
“是否可以把矸石等大宗固廢變成高效綠色充填材料？”
“能不能找到保障地表穩(wěn)定的充填與開(kāi)采協(xié)同測(cè)度？”
“能不能在沒(méi)有礦區(qū)沉陷參數(shù)的情況下像油價(jià)預(yù)估一樣提前預(yù)測(cè)地表移動(dòng)變形和建筑變形？”
從“被動(dòng)防御”到“主動(dòng)預(yù)警調(diào)控”
陳紹杰團(tuán)隊(duì)面臨的技術(shù)難題非常清晰：一是這個(gè)礦區(qū)缺少類似開(kāi)采條件下工作面的地表巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)，不能提供準(zhǔn)確的沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)；二是煤礦公司希望采出地下煤炭的同時(shí)加油站不受影響、正常營(yíng)業(yè)。
傳統(tǒng)的覆巖離層注漿材料在離層空間里容易像“橡皮泥”一樣受采動(dòng)影響“捏”變形，經(jīng)過(guò)思考，陳紹杰團(tuán)隊(duì)充分利用礦山矸石和廢水等固廢研制了自膨脹注漿封堵材料和凝結(jié)可控的多源固廢注漿充填材料，充分滿足不同工況離層注漿充填工程需求。
“這個(gè)思路既可以解決壓覆的呆滯資源，同時(shí)把大宗固廢回填井下，一舉解決環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。”
霍爾辛赫煤矸石注漿站
2023年夏天，當(dāng)工作面推進(jìn)接近加油站下方時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示加油站區(qū)域的下沉速度和傾斜突然增大?！澳悄晗奶焯貏e熱，我們就在野外和井下反復(fù)調(diào)研。”2021級(jí)博士生盛守前說(shuō)，當(dāng)他們把現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)匯報(bào)給陳紹杰老師時(shí)，陳紹杰在技術(shù)討論會(huì)上，敏銳的發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：“注漿量和開(kāi)采速度不協(xié)調(diào)，就像開(kāi)車時(shí)油門和剎車沒(méi)配合好?！?span style="display:none">7hj速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
團(tuán)隊(duì)連夜制定方案，提出了“采注協(xié)同”的加油站安全推采方案，實(shí)現(xiàn)了建筑保護(hù)導(dǎo)向的工作面開(kāi)采與離層注漿充填協(xié)同精準(zhǔn)控制。
陳紹杰組織團(tuán)隊(duì)研討
經(jīng)過(guò)這次緊急攻關(guān)后，陳紹杰組織團(tuán)隊(duì)全部骨干研討，“我們要未雨綢繆，不能每次出現(xiàn)問(wèn)題才去解決問(wèn)題?！彼f(shuō)：“加油站的油價(jià)可以通過(guò)股市提前預(yù)測(cè)，方便大家在油價(jià)低的時(shí)候去加油；在沒(méi)有礦區(qū)沉陷參數(shù)的情況下，我們?nèi)绾螌?duì)加油站區(qū)域的變形提前預(yù)測(cè)、提前預(yù)防？”團(tuán)隊(duì)結(jié)合3801工作面已有數(shù)據(jù)和相似工況工作面數(shù)據(jù)，建立了加油站區(qū)域的變形超前預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)“數(shù)智預(yù)警”。
“韓總，目前地表巖移情況是：根據(jù)文龍中美注漿日?qǐng)?bào)，3月14日至3月30日，注漿系數(shù)由0.71提升至0.91，3月31日注漿系數(shù)為0.80，務(wù)必保證注漿質(zhì)量……建議：適當(dāng)降低zk7-2鉆孔的注漿壓力和注漿量，保證注漿質(zhì)量，注漿與開(kāi)采相協(xié)調(diào)，確保加油站安全……”
這樣的反饋有上百條。施工過(guò)程中，陳紹杰和山煤國(guó)際副總經(jīng)理、總工程師韓磊保持密切聯(lián)系，隨時(shí)溝通匯報(bào)最新情況、提出最新建議對(duì)策。
通過(guò)“數(shù)智預(yù)警”+“采注協(xié)同”模式，相當(dāng)于給離層注漿開(kāi)采裝上了“智慧大腦”，3801工作面實(shí)現(xiàn)了86.04%的地表減沉率。
2024年8月，當(dāng)3801工作面最后一礦車煤炭升井后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：加油站儲(chǔ)油罐傾斜遠(yuǎn)低于預(yù)警值（僅0.96毫米/米），其他相關(guān)建（構(gòu)）筑物采動(dòng)損害低于國(guó)標(biāo)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，完全符合安全標(biāo)準(zhǔn)。
陳紹杰與韓磊在實(shí)驗(yàn)室交流最新研究成果
一顆種子的力量
2025年春天，3801工作面回采完畢半年后，區(qū)域地表移動(dòng)變形控制良好，加油站全程正常營(yíng)業(yè)，工程成功了！
工程累計(jì)釋放了165萬(wàn)噸加油站壓覆的煤炭資源，消納了百萬(wàn)噸以上的煤基固廢和礦井廢水，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益7.25億元，中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)鑒定認(rèn)為：“該技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為類似條件下的資源開(kāi)采提供了范例。”
在總結(jié)會(huì)上，陳紹杰把功勞歸于山西焦煤霍爾辛赫煤業(yè)公司和文龍中美施工方：“沒(méi)有煤礦公司的專業(yè)調(diào)度和施工方的細(xì)致，這個(gè)項(xiàng)目就不能如此高效順暢、精準(zhǔn)落地?！?span style="display:none">7hj速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
他不吝贊美團(tuán)隊(duì)的年輕人?！斑@樣的科研項(xiàng)目要求是做到精、做到細(xì)，全程不能出任何問(wèn)題。最吃緊的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)成員每三天就要調(diào)度匯總一次數(shù)據(jù)，出一次技術(shù)報(bào)告。這股子較真勁兒，正是山東科技大學(xué)科研工作者的寫照——從實(shí)驗(yàn)室里反復(fù)推演的公式模型，到井下巷道里一次次校準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每一步都要有著嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科研態(tài)度?！彼D了頓，指著團(tuán)隊(duì)合影里補(bǔ)充道：“我們就是要培養(yǎng)既懂理論又懂工程，吃苦擔(dān)當(dāng)、敢啃硬骨頭的人才這也是科學(xué)家精神里那份扎根行業(yè)、服務(wù)國(guó)家需求的堅(jiān)守?！彼麍F(tuán)隊(duì)里，絕大部分研究生選擇留在礦山行業(yè)繼續(xù)深耕，“他們就像一顆顆種子，要把技術(shù)帶到更多礦井”。
韓磊等在一線指導(dǎo)工作
如今，在霍爾辛赫煤業(yè)的新備采面，陳紹杰團(tuán)隊(duì)研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)正在持續(xù)應(yīng)用，保障“三下”壓煤開(kāi)采的安全和環(huán)保?！熬虏擅哼^(guò)程產(chǎn)生的矸石等大宗固廢，經(jīng)過(guò)必要處理后，再次直接回填至井下，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的源頭治理與井下就地循環(huán)利用，有效解決了矸石地表堆放帶來(lái)的環(huán)境污染和土地占用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了從‘煤矸石’到‘沒(méi)矸石’的破題，是煤炭行業(yè)提檔升級(jí)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵舉措。”
而實(shí)驗(yàn)室里，2024級(jí)博士生們正圍著新的課題：“如何讓這套技術(shù)適應(yīng)不同地區(qū)、不同工況的煤層開(kāi)采？”
“煤炭資源埋在地下，但創(chuàng)新的種子要播在地上?！标惤B杰望著窗外的礦山說(shuō)。3801工作面從最初的被動(dòng)解決問(wèn)題，到主動(dòng)“數(shù)智預(yù)警”+“采注協(xié)同”突破，他和團(tuán)隊(duì)用一個(gè)個(gè)扎實(shí)的腳印證明：真正的科研，就是把“不可能”變成“可能”，讓每一塊資源都不被辜負(fù)。
（ 受訪者供圖）
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