中國礦業大學（北京）厚煤層綠色智能開采創新團隊，是一支由厚煤層開采技術專家王家臣領銜的科技創新隊伍。

2024年底，中國煤炭工業協會、中國煤炭學會公布2024年度中國煤炭工業協會科學技術獎，并評選出13個創新團隊。中國礦業大學（北京）厚煤層綠色智能開采創新團隊入列其中。

該團隊是如何建立起來的，在厚煤層開采領域進行了哪些探索？日前，筆者來到中國礦業大學（北京）一探究竟。

在井下實踐中攻堅克難

厚煤層通常指的是井工開采厚度3.5米以上、露天開采厚度10米以上的煤層。

說到厚煤層開采，不得不提綜合機械化放頂煤開采技術。這一技術起源于20世紀60年代的法國，后在蘇聯、匈牙利等國家使用，但當時主要用于邊角煤開采。

后來，作為一種正規采煤方法，綜合機械化放頂煤開采技術在我國得到創造性發展和大范圍推廣。

2000年以前，我國井工礦產量約占煤炭總產量的95%，其中近50%的產量來自厚煤層。當時，厚煤層主要采用分層的方式開采，機械化程度不高，產量低，資源優勢無法充分發揮。

1995年，從北京科技大學博士后出站的王家臣，加入了當時的煤炭工業部放頂煤開采技術中心，從此開啟了30年的放頂煤開采科研攻關之路。

那時，中國礦業大學（北京研究生部教授吳健擔任煤炭工業部放頂煤開采技術中心主要負責人。厚煤層綠色智能開采創新團隊也在這里起步。

在吳健指導下，王家臣來到甘肅靖遠魏家地煤礦，攻關高瓦斯突出極軟厚煤層綜合機械化放頂煤開采技術。這類煤層在當時是放頂煤開采的禁區。

針對煤層條件，課題組制定了科學嚴謹的工程措施，解決了魏家地煤礦瓦斯突出、煤層易自燃、極軟煤層設備配套與開采工藝等難題。較原分層開采工藝，魏家地煤礦工作面產量提高1倍以上。在課題組的幫助下，投產6年的魏家地煤礦實現達產。

據王家臣介紹，最開始，放頂煤開采技術僅適用于厚度較大、瓦斯含量較低的煤層。后來，隨著我國煤炭需求量的不斷增長，放頂煤開采技術逐漸被推廣應用至堅硬厚煤層、極軟厚煤層、較薄厚煤層、傾斜煤層等。

山西大同礦區“兩硬”厚煤層開采項目、河南鶴壁礦區急傾斜煤層開采項目以及安徽淮北礦區高瓦斯煤層開采項目，是厚煤層綠色智能開采創新團隊參與的代表性項目。

在這個過程中，厚煤層綠色智能開采創新團隊不斷成長壯大。

1997年3月，從東北大學博士畢業的陳忠輝，來到中國礦業大學（北京）讀博士后，同時加入厚煤層綠色智能開采創新團隊，參與了大同礦區“兩硬”煤層開采項目。

大同礦區的煤層因煤層、底板均堅硬，因而被稱為“兩硬”煤層。

據了解，山西大同礦區“兩硬”厚煤層開采項目是煤炭工業部“九五”重點科技攻關項目，由中國礦業大學（北京）、大同礦務局和太原理工大學共同承擔。

1996年至1998年，王家臣與陳忠輝幾乎每個月都要往返礦區，有時一待就是一兩個月，上午下井做試驗，下午與礦區人員討論解決問題。

他們將該項目負責人謝和平提出的頂煤破碎塊度分形與爆破能量關系的理論付諸于工程實踐，設計炮孔參數與裝藥結構，進行爆破試驗、科學分析，逐步積累了“兩硬”厚煤層放頂煤開采的經驗。2000年，該項目成果獲得國家科學技術進步獎二等獎。

通過深入分析厚煤層采場圍巖穩定性與控制特點，厚煤層綠色智能開采創新團隊創造性地提出頂煤在加卸載復合作用下的破壞機理，建立了頂煤放出規律的BBR體系，并通過了現場放煤時間準確性驗證。而掌握破碎后散體頂煤的放出規律，正是放頂煤開采基礎理論的核心。

1999年，王家臣帶領幾位成員，到河南鶴壁二礦開展大傾角厚煤層放頂煤開采研究。鶴壁二礦煤層傾角31度，是當時國內放頂煤工作面的最大傾角。當時，煤炭市場又不景氣，很多礦區經濟困難。在這種情況下，很多煤礦決定采用成本較低的輕型支架。鶴壁二礦也面臨著抉擇，輕型支架雖便宜，但又擔心其支撐力不夠。

王家臣帶領團隊與鶴壁二礦開展試驗。長時間的實踐證明，輕型支架雖然阻力不占優勢，但只要合理設計架型、采用科學的開采工藝，同樣可以在大傾角煤層實現放頂煤開采。

此后，王家臣、陳忠輝、潘衛東等人共同參與了淮北礦區的蘆嶺礦項目。當時，蘆嶺礦仍沿用過去的炮采工藝，同時開采六七個放頂煤工作面，且交錯布置，通風系統復雜。2003年，淮北礦業集團決定采用綜合機械化放頂煤開采工藝，并由王家臣擔任技術總負責人。

一說要上綜采，個別人持反對意見：“煤太軟，炮采時片幫了還得打貼幫柱。綜采的話煤壁沒有支撐，片幫不更加嚴重嗎？”

王家臣表示：“綜采支架阻力大，可以減輕煤壁壓力，減少工作面片幫。一個炮采工作面一年最多能出30萬噸煤，年產180萬噸要上6個炮采工作面。如果用綜采的話，上一個工作面就能出100萬噸。是6個工作面好管理還是2個工作面好管理？”

經過工藝革新后，蘆嶺礦、朱仙莊礦等一批高瓦斯礦井既提升了效益，又大幅降低了成本。此后，綜合機械化放頂煤開采工藝在淮北礦區10多個煤礦推廣應用。

持續開展厚煤層開采研究

王家臣說：“干礦業一定要有理論指導。跟著現場一起做工程，講過多的道理沒有用，模棱兩可更不行。實踐出真知。”

正是有了理論與實踐相結合，王家臣及其團隊發現問題、解決問題的能力才不斷提升。

2011年，在河南焦作趙固一礦開展試驗時，王家臣升井后，習慣跟班組長和工人坐在一起，討論解決現場問題。

一次，說到煤壁片幫、工作面推不動時，王家臣說：“我總結就兩點，一是空頂距過大，二是支架初撐力不夠。”

一位班長反駁道：“我們不敢把支架往上頂，一頂煤就碎，更控制不住了。”

王家臣表示：“你這概念不對，支架頂碎的是表層頂板，里面沒有離層，不會造成頂板垮落。”

爭執一番后，大家決定看結果。半個月的實踐證明，王家臣的方法是可行的。

結合豐富的理論研究和實踐經驗，王家臣等人組織編寫了《能源工程概論》《放煤規律與智能放煤》等基礎教材，如今已成為礦業專業學生必讀書目。

他們總結并創建了“四要素”放頂煤理論，即針對放頂煤開采技術特點，綜合考慮頂煤放出體、煤巖分界面、頂煤回收率和含矸率“四要素”，有效指導礦區確定高回收率的采放工藝。“四要素”放頂煤理論被寫入美國教材，在美國、澳大利亞等8所高校使用。

多年來，王家臣先后主持“十三五”國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目等，獲國家科技進步獎一等獎1項、二等獎3項和國家級教學成果二等獎1項，發表論文200余篇，授權發明專利30余件，入選斯坦福大學全球前2%頂尖科學家終身影響力排行榜。

陳忠輝先后主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金項目，在國內外期刊發表學術論文100余篇，科研成果獲國家科技進步獎二等獎。

該團隊成員楊勝利先后主持國家自然科學基金項目3項，國家重點研發計劃課題1項、子課題2項等，解決了大量的工程技術難題。

楊勝利、李楊入選國家級青年人才，李楊、王兆會獲全國煤炭青年科技獎，楊勝利、潘衛東、張錦旺獲孫越崎青年科技獎，王兆會、張錦旺、魏煒杰、李良暉分別入選青年人才托舉工程等。

歷經30年發展，厚煤層綠色智能開采創新團隊現有教授9人、副教授9人、講師2人、碩博士等其他研究人員150余人。該團隊成員科研足跡遍布全國50余個礦區、150余座煤礦以及金屬礦山。

厚煤層綠色智能開采創新團隊（左三為王家臣，右一為楊勝利）在陜煤集團曹家灘礦業公司開展科研攻關

面對煤礦智能化發展趨勢，厚煤層綠色智能開采創新團隊繼續攻關放頂煤開采智能化關鍵技術難題——智能放煤。2011年，他們獲授權國內外首件圖像識別自動化放煤發明專利。

2018年，他們和淮北礦業集團再度合作，率先開展了以智能煤矸識別為基礎的智能綜放開采、以煤矸分界面均衡運動可控和智能煤矸識別相結合的精準放煤工藝研究。從2020年開始，相關研究成果在開灤集團、陜煤集團、潞安化工集團、國家能源集團等的多個煤礦推廣應用。

“我們在淮北礦區、開灤礦區、潞安礦區的煤礦進行煤矸取樣，研究不同光照條件下煤和矸石的灰度與紋理差異，為研發智能煤矸識別技術提供了基礎數據。”潘衛東表示。

在此基礎上，該團隊開發了井下防塵防霧攝像頭，為智能煤矸識別提供硬件支撐。研發出高回收率精準放煤工藝和智能控制系統，為智能煤矸識別提供軟件支持，并形成整體解決方案。

在綠色開采方面，厚煤層綠色智能開采創新團隊在國家能源集團雁寶能源公司開展了含水層下放頂煤開采技術研究，將頂煤放出高度精準控制為6米，防止導水裂隙帶導通含水層，避免出水潰砂（泥）。

從2024年10月開始，王家臣、李楊及其團隊在雁寶能源公司工作面開展研究，揭示了含水層下特厚煤層綜放工作面限高開采頂煤運移規律，對工作面裝備、控制系統進行改造升級，將信號和圖像采集與處理系統、圖像識別算法和實時控制系統進行集成，開發出智能化精準控制頂煤放出高度監測與控制平臺，為綠色開采提供支持。

王家臣表示，綠色智能是厚煤層開采的方向，但仍存在很多科學問題和工程技術難題，需要不斷解決。未來，他們將繼續深耕厚煤層放頂煤開采研究，力爭將中國的放頂煤開采技術向國外推廣，為俄羅斯、土耳其等賦存條件較好的地區提供技術幫助。

作者：本報記者王世雅 版面編輯：王世雅

來源：中國煤炭報