探索煤矿水害根治之路
——记中国煤炭科工集团开采研究院有限公司安环分院副院长樊振丽
2024-07-16
矿井水灾，是煤矿常见的主要灾害之一。一旦发生透水，不但影响矿井正常生产，而且有时还会造成人员伤亡，淹没采区甚至是整个矿井，危害十分严重。做好矿井防治水工作，是保证矿井安全生产的重要内容之一。
中国煤炭科工集团开采研究院安全与生态环境研究分院（简称“安环分院”）副院长樊振丽长期扎根于煤炭科研的一线，致力于煤矿水害防治、近水体采煤理论及岩层控制技术等方面的研究及应用工作，秉持“勇于突破、实干巧干、追求卓越”的工作理念，他已成长为对行业科技进步有突出贡献的青年科学家。从全流程控水角度发展实践近水体采煤理论技术，将采动响应理论与水害防治技术有机结合，深入煤矿现场实践、验证科研成果，在承压水体上采煤、厚煤层覆岩破坏规律、矿井突水水源定量化判别、顶板控水采煤技术研究等方面取得了诸多创新性成果，并成功应用于峰峰、两淮、平朔、乌海、义马、鄂榆等矿区30余座矿井，解决了大量现场难题，取得了良好的经济、社会效益。
新时代、新形势，面对煤炭行业新发展要求，为更好地服务国家战略，在做好原有研究的基础上，围绕绿色、低碳发展方向，樊振丽及所在团队的事业也迈入新征程。追求卓越、持续奋斗，以现场需求为导向，以技术为引领，他将持续推动绿色开采、生态保护理论与技术发展，为煤炭工业的高质量绿色发展继续贡献力量。
科研要贴近实际
奋斗在煤炭科研道路上，樊振丽曾获得16项中国煤炭工业科学技术奖及3项中国煤炭科工集团科技进步奖，2023年获得中国煤炭学会煤炭青年科技奖是业内对他所做工作的再度认可。对于获奖，他都以平常心对待。从2013年博士毕业来到安环分院工作，从一名新入职的员工到获得同行的认可，他认为一路走来重在积累，但心中十分感激业界对自己所做工作的肯定。
与许多人阴差阳错被动接受不同，投身煤炭行业是樊振丽主动选择的结果，甚至还带着某种向往。在河南新密长大，他的童年记忆中煤矿似乎在家乡随处可见，而他的父亲就是一座煤矿的矿长。受环境浸染，尤其是受父亲影响，他曾一度有个“矿长梦”。
怀揣朴素梦想，高考第一志愿樊振丽报考了我国煤炭行业最高学府中国矿业大学（北京），并如愿进入这一学校地质系学习地质工程专业。经过几年学习，他对所学专业产生了浓厚兴趣，专业课成绩在班里名列前茅。
地质保障工作是煤矿开采的基础。矿井灾害的防治更要以翔实的地质资料为依据和指导。根据自己所学和兴趣，临近大学毕业，樊振丽选择报考著名矿床水文地质学家武强教授的研究生并被顺利录取。武强是中国矿山水防治领域学科带头人之一，在矿井水防治与利用理论和技术研发等领域作出了重要贡献，2015年他当选为中国工程院院士。跟随武老师求学，樊振丽步入科研的大门，也在硕士阶段把水防治理论基础打得很扎实。“武老师承担的项目多，这给了我锻炼的机会，通过攻关我系统地完善了煤矿水害防治的相关知识，这对于我在科研上的成长是最关键的一个阶段。”樊振丽说。
做项目培养了樊振丽对科研的感觉，虽然当时的硕士毕业生在就业市场很抢手，但他想继续深造，并想尝试新的专业。他认为，学科交叉对科研总有好处。入读博士那年，恰逢国内高校与科研院所联合进行博士培养的第一年。中国矿业大学（北京）和煤炭科学研究总院联合培养博士，樊振丽就是其中一位学生。导师申宝宏研究员是开采研究院近水体采煤研究的领军人物，跟随申老师到煤炭科学研究总院开采研究院，樊振丽开启了博士阶段的学习，所学专业也从地质工程转向采矿工程，这也是他从事地质学原理与采动响应理论交叉融合的开始。
博士期间樊振丽主攻顶板水相关研究，研究厚煤层开采后顶板如何破裂、裂隙如何演化。“原来主要针对东部矿区做研究，采高只有两三米，到了西部装备水平提升了，一次采高达到了七八米，有的甚至达到了10米，这样顶板的破坏规律就和之前完全不一样了。”樊振丽介绍。在此背景下，他将博士论文定为厚煤层开采覆岩破坏特征研究及水体下的安全开采研究，在陕北、内蒙古等地的矿区完成课题研究的同时，他也参与了其他课题的研究。
2010年到2013年，3年博士求学，除第一学期在矿大上基础课，其余时间，樊振丽基本都在煤矿一线，这样的学习模式让他有机会将学校所学拿到现场去验证。“在开采研究院学习的主要特点就是和现场结合很紧，钻探、物探、注浆这些手段都会用到，做的科研更‘硬’。在学校时，虽然我们也会做实验，但大多是将地质队的资料收集来，用所学理论对资料进行分析，最后形成研究报告。到研究院后，我们要亲自获取数据并接受现场检验，科研更贴近实际，更能解决实际问题。”樊振丽说。
不管做什么样的科研，都要把实际问题解决好，在博士求学过程中，樊振丽对科研的认知发生了转变。所以博士毕业，面临诸多就业选择时，他毫不犹豫地留在了开采研究院。因为他喜欢开采研究院的科研氛围和工作平台；更喜欢深入矿山一线，钻机隆隆的轰鸣声，令他踏实，也带给他力量。用所学解决采矿实际问题，樊振丽坚定了自己未来的方向。
一辈子做好一件事
茂密的森林、辽阔的草原、干旱的沙漠……开采研究院不断承接新项目，随着项目的结束、开始，以樊振丽为代表的这帮年轻人也不断跟着项目组转场，去到新的地方。在长白山上扎帐篷露营，帐篷外常有蛇出没；在沙漠里作业，大风卷起沙子，吹得鼻子、嘴里都是……但他们不觉得艰苦，反而把这当成了旅行，觉得一切都是那么新奇。
海下能采矿吗？大江大河下能采吗？这些疑问需要樊振丽他们拿到一手数据，所以必须到采矿一线去，于是出差成了家常便饭。开始的新鲜劲头到现在已经养成了习惯，樊振丽算了算，2022年他在外出差有260多天。
在一次次转场中、一项项课题攻关中，一个个问题解决中，樊振丽也由毫无积累的科研新手进阶为能解决煤矿水害防治问题的行家里手。
读博士期间，樊振丽对淮北、淮南、兖州、东北、蒙陕等矿区厚煤层开采“两带”实测数据进行了分析，研究得出了厚煤层开采覆岩破坏特征及规律，提出了厚及特厚煤层覆岩破坏的回归公式，为缺少实测数据的煤矿水体下采煤提供了新的途径。
入职开采研究院后的2014—2016年间，樊振丽承担了陕西黑龙沟煤矿3-1煤层开采采空区疏放水项目。3-1号煤层首采工作面开采需要对顶板2-2号煤层采空区积水进行疏放，两层煤平均间距33米，导水裂缝带直接导通2-2煤采空区。工作面切眼位置物探探测受支架影响较大，在前期钻孔出水量较小的情况下，樊振丽坚持对物探异常区展开更大范围的验证，结果发现了3-1煤层首采工作面切眼上方采空区大面积积水的情况，疏放水量达16万立方米，避免了一次采空区突水事故。
承压动水断层导水、突水具有较大的危险性。在承压动水断层突水机理与巷道突水区截围探注支一体化治理技术研究项目中，针对内蒙古乌海市某矿巷道掘进过程中钻遇断层带，需要对承压动水断层突水机理进行研究并进行有效的治理的问题，樊振丽带领团队提出了“截-围-探-注-支”一体化的治理技术，最终突水点涌水量减小了95%，断层影响的突水区巷道通过加强支护的方式顺利穿过断层破碎区段。
“我国煤矿向深部开采，煤层与底板岩溶承压含水层间距越来越小，薄隔水层区段为底板突水的‘完整型弱面区’，当煤层底板赋存断层、陷落柱时，也极易造成突水事故，这一类型被称为‘构造型弱面区’。”樊振丽介绍。2016—2021年间，樊振丽开展了超薄煤层底板周期递进式破裂特征与承压水弱面突破机理研究，成果在具体采矿实践中发挥了作用。山西晋中某矿六采区首采面10号煤层距离底板奥陶系灰岩平均间距25米，最小间距17米，底板采动破坏带极易导通底板奥陶系灰岩含水层进而发生突水事故。樊振丽采用“立体探查-弱面圈定-精准评价-弱面增厚”技术手段，对工作面开采范围内的弱面进行了确认，制订了针对性的注浆治理方案，通过对突水弱面的注浆增厚、封堵、加固处理后，工作面实现了安全回采。通过研究团队的系统性研究，2022年由科学出版社出版了《承压水弱面突破与控水采煤》专著。
对承压水体上采煤而言，导水通道的封堵和煤层底板隔水层厚度的注浆增厚是水害防治的关键，继续对底板水害的地面区域治理技术与工程应用开展研究，樊振丽采用地面定向钻孔的区域治理技术很好地解决了这个问题，通过对技术的吸收和再创新，他在乌海、义马等矿区成功开展工程实践。
参加工作10年，樊振丽愈发感觉到随着开采走向深部，遇到的情况也越来越复杂，之前局部治理的思路和方法已无法应对当今煤矿开采遇到的新问题。《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》已经提出体系化治理水害的要求，在此背景下，樊振丽带领团队攻关，遵循采矿流程，抓住薄弱点，考虑矿区整体情况，构建了“立体探查-透明地质-弱面圈定-精准评价-避害设计-弱面增厚-动压控制-智能监测”的科学采矿体系。通过井上下联合立体化探查，采前、采中、采后的全流程监测，全方位保障采矿人员、单位的生命财产安全，为安全构筑最坚实的防线。
展望未来，通过机理创新、治理工艺的优化、治理装备的革新，樊振丽希望探索出一条行之有效的水害根治之路。“我始终认为，每个人都有自己要做的事情，坚持一辈子，总能把它做好。”
加快绿色转型步伐
“勇于奉献，深入现场，求真务实”作为安环分院这个团队的精神内核被一代一代传承。老前辈们的宝贵精神财富激励着大家在创新的路上接续奋斗。
人心齐，泰山移。团队成员团结互助，领导层身体力行带头干，团队朝气蓬勃跨过了一个个难关。“青春、活力、有干劲、有闯劲，是我们这个团队的特点。”樊振丽自豪地说。
樊振丽介绍，安环分院前身是特殊采煤研究所，专注于“三下”开采（即建筑物下、水体下、铁路下），研究院已取得了一系列辉煌成就。作为我国开采工作面灾害防治的头部团队之一，以国家能源安全新战略的重大需求为导向，面对煤矿绿色安全发展的新要求，团队近年来逐步走上转型之路。
围绕安全与绿色两个方向发力，团队在完善部署上下足了功夫。
目前团队有30余名核心成员，专业覆盖采矿、地质、测量、地球物理、遥感、材料学、结构学等诸多方向，业务模式从以前的技术咨询为主向技术工程化转变，团队年产值从2018年以前的五千万元增长到2023年的两亿元。
“实践证明换个思路发展得更快，但同时我们也面临着一些挑战。”樊振丽坦言，“人才是最重要的资源，年轻人的成长需要时间，如何让新鲜血液快速成长为业务骨干，是我们面对的一个大课题。除此，如何保持持续创新，而且把持续创新与我们的业务融合起来，这也是非常大的挑战。”
“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之。”治学之理，古今通用。对于年轻人如何成长，樊振丽想将《礼记•中庸》中的这句话与他们分享。对于创新，樊振丽认为有平台、环境加持只要去做就会有收获。
以“双碳”目标为导向，以低损害开采为核心，安环分院团队在国内率先提出了“粉煤灰固碳+防灭火”综合利用新方法，初步开发了粉煤灰固碳及充填利用技术与装备，2022年在现场进行了中试和工业性示范，有望助力煤电联营企业在碳减排和构建循环发展新模式方面迈出实质性一步。樊振丽认为这是团队转型发展、矢志创新走出的重要一步。
绿色已逐渐成为煤炭产业发展的底色和使命。步履不停，躬耕不辍，带领团队攻坚克难，紧抓“双碳”机遇加快绿色转型步伐，樊振丽期待着一幅幅和谐隽美的煤矿生态文明画卷在他们脚下徐徐展开。
来源：科学中国人 2024年第6期 创新之路
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