创新引领筑牢高质量发展之基
编者按
科技决定山西未来发展，创新引领三晋转型升级。作为科技创新体系的重要组成部分，重点实验室已成为孕育重大原始创新、助力高质量发展的重要科技力量。近年来，按照省委省政府战略部署，山西围绕传统产业转型升级和战略性新兴产业集群发展，不断加大扶持力度和建设水平，涌现出一批引领前沿、学科交叉、综合集成、国内外有影响的重点实验室，为我省2030年基本实现转型、2035年基本实现现代化目标发挥了有力的支撑作用。
为深入实施科教兴省、人才强省、创新驱动发展战略，展现山西发展的新领域、新动能、新优势，本报与省科技厅联合推出“山西省重点实验室巡礼”系列报道。“山西省重点实验室巡礼”将视角对准全省百余家重点实验室，用生动的笔墨、精彩的镜头，多角度、近距离记录实验室建设发展成效，多形式、立体化讲述富有成效的创新案例和鲜为人知的创新故事，多渠道、宽领域展示我省重点实验室近年来取得的丰硕成果。系列报道将努力把对科技创新的礼赞，以有高度、有深度、有温度的方式呈现出来，为奋力推进中国式现代化山西实践作出新的更大贡献。
矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室
创新驱动科技赋能 构筑绿色矿采发展新模式
改造升级为老矿插上腾飞的翅膀
在西山煤电集团西曲煤矿，工人们正在对14307工作面遗煤资源进行开采。“通过对14307工作面重新优化设计，工作面的推进长度增加了505米，储量增加了39.1万吨，极大地提高了工作面的回收率。”西曲矿生产技术中心副主任宁瑞峰介绍。由于14307工作面处于村庄煤柱区，地质条件比较复杂，掘进过程中除要过煤柱外，还会碰到踩空区域。为此，技术攻关小组又大胆提出了“一段一策”支护方案，及时调整优化各段巷道支护形式，采用锚杆、锚索、钢筋网等联合支护方式，安全、科学、合理、高效地提升了支护效率和效果，降低了工人的劳动强度。
在山西省科技重大专项项目的支持下，冯国瑞带领团队攻关遗留难采煤炭资源安全绿色高回收率开采关键技术。目前，这项技术正在西曲矿投入使用，让这个老矿再次焕发生机。“该技术成果拟开发遗留难采煤炭资源赋存状况的全方位勘探新技术，构建遗留难采煤炭资源采场残存瓦斯地面高效协同抽采技术体系，开发遗留难采煤炭资源采场积水水量和危险区域的针对性探查方法，研发超前注浆封堵新材料、新装置与新工艺，开发遗煤采场围岩失稳危险域的原位探测技术，构建遗煤开采结构增稳—应力调控—物性改良的围岩失稳分源联动防控技术体系，并力争形成1个遗煤资源安全绿色高回收率开采的先导工程。”冯国瑞介绍到。
该技术是团队前期山西省技术发明奖一等奖研究成果的延伸、发展与拓展。在这方面，研发了上行复采、露天复采、充填复采和综放复采等技术方法，实现了“蹬空区—浅埋深—旧采区—近距离”等各类赋存条件下难采遗煤开采方法的革新，完善了煤炭资源开采的技术方法体系；首创了遗留难采煤炭资源开采结构充填岩移控制的技术方法，发明了结构充填“材料开发—性能优化—装备研发”的配套工艺，研发了难采遗煤开采厚硬顶板三位一体的强矿压消减技术及工作面过煤柱群、侵入区、陷落柱时的岩层控制技术；提出了不同类型赋存空间内瓦斯地面协同抽采的技术方法，发明了难采遗煤开采瓦斯协同抽采的配套技术工艺、装置与系统，开发了超前注浆等水害防治的遗煤开采安全保障技术。
深度开发向“复杂遗煤”开采探路
在资源整合前，有一些私人或者小煤窑这个地方挖一点、那个地方采一点。整合以后，形成了大量残采区上覆整层遗煤或复合残采区中层遗煤。
我省遗煤资源储量占到全国的四分之一。“我们实验室开展了‘复杂条件下遗弃煤炭资源开采岩层控制基础理论与关键技术研究’，通过这项技术，遗煤资源现在可以安全开发出来。”冯国瑞介绍说，跟常规的开采主要差异就在于会出现异常的矿压现象，摸清楚遗煤开采的岩层结构是精准岩层控制的基本前提。
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“这项成果研究了复杂条件下遗弃煤炭资源开采采场岩层‘应力场—变形场—结构场’的时空演化规律，掌握了其异常矿压显现规律。”聊起专业时冯国瑞依然神采奕奕、侃侃而谈：此项成果构建了复杂条件下遗弃煤炭资源开采岩层运移预测模型和岩层结构模型，进行了力学解析，揭示了岩层结构机理；构建了复杂条件下遗弃煤炭资源开采可行性判别的理论框架，提出了其开采可行性的定量判定方法；确定了复杂条件下遗弃煤炭资源开采工作面的工艺参数、巷道布置和支护形式，研发了复杂条件下遗弃煤炭资源开采支架滑倒、倾斜和失稳等动力灾害的防治技术，提出了复杂条件下遗弃煤炭资源开采柱旁充填岩移控制的技术思路，研发了柱旁充填材料与工艺，形成了基于电阻率法的充填效果监测方法。
据悉，目前，我省已经有20多家煤矿使用了此项遗煤开采技术，其经济社会效益显著。
科技支撑推进安全健康发展
“结构充填是遗煤开采岩移控制的关键技术之一。揭示结构充填的耦合承载机理是遗煤开采沉陷防控的核心基础……”
提及充填开采，冯国瑞笑着说起了实验室的新技术——“村庄下压煤柱式结构充填开采理论与沉陷控制关键技术”。该成果研发了村庄下压煤“下位柱式膏体充填+上位柱旁注浆充填”多层位结构充填开采协同控制地表沉陷的新方法，揭示了村庄下压煤资源多层位结构充填开采岩层控制的核心机理，掌握了村庄下压煤资源多层位结构充填开采的矿压显现规律，研发了村庄下压煤资源多层位结构充填开采的新材料，开发了村庄下压煤资源多层位结构充填开采的关键技术工艺，革新了村庄下压煤柱式结构充填开采沉陷监测新技术，评价了村庄下压煤柱式结构充填开采岩层控制的效果。
结构充填开采作为煤矿开采的发展方向，一直以来受到充填成本高和充填效率低等影响，难以推广。结构充填开采技术可以有效避免煤炭开采带来的地面塌陷，相比短期的资金收入，企业更看重长久的环保效益。此项技术对地表开采损害的有效控制，节约搬迁资金也是十分可观的。结构充填开采实施消除了矿区的污染源，节约了耕地，社会效益也是十分显著。
创新引领安全高效开采新模式
科技日益发展的同时，也带动了矿山灾害防治新技术水平的提高。
实验室开展的“老矿井全空间灾害防治新技术及应用研究”，这一核心技术的攻克和创新应用，不仅实现了以废换“宝”，还大幅提高了矿井的“含绿量”。
“这项研究成果有利于残采区瓦斯富集区域的精准识别，可以指导残采区瓦斯地面抽采钻井井位的选择和井网的布置，实现遗煤开采的采前瓦斯高效抽采，真正实现‘化害为利’‘变废为宝’。”冯国瑞激动地说。该成果提出了具有创新性的地面钻井井位层位精准优选技术和“低—中—高”变负压最优化调控地面抽采技术，实现了采动区瓦斯的持续最大化抽采；提出了老采空区瓦斯浓度场的分布特征，精细划分老采空区的瓦斯富集空间，并结合老采空区含水层涌水量大、残留瓦斯压力低等特点，研发了专门的防水井身结构和老采空区地面钻井井位层位优选技术；研发了韧性强、发泡温度低、阻燃性高、可随岩层运动的复合泡沫材料及具体灌注工艺，解决了在采动区、老采空区瓦斯抽采，综采、综掘面降尘和老矿井采空区堵漏风等方面的问题。
“作为一名科技工作者，为社会经济发展提供必要的技术支撑是历史赋予的使命和担当。”冯国瑞说，“我们要更加重视原创性的基础研究，推进颠覆性的技术创新，以学生为中心，全面建设世界一流的矿业学科。”
他表示，今后，实验室将在前期研究工作的基础上，针对遗煤开采表现出明显的多元致灾效应，聚焦遗煤开采多元灾害的孕育机理与科学防控，继续深入开展“遗留难采煤炭资源开采与灾害防控”的创新性研究，促进降损减沉，推进“绿”“减”“优”，助力煤炭开采利用方式实现变革，构筑山西省煤炭工业的战略性竞争新优势！
来源：山西科技报
