專攻“黑”科技 提升“綠”含量

——中國礦業大學（北京）煤礦安全開采地質保障與生態修復團隊攻堅紀實

■團隊在礦井地質構造和災害源探測關鍵技術與儀器研發方面取得突破，應用于全國50多個礦井，為有效避免煤礦安全事故發生提供了堅實技術支撐

■如今，在新疆、內蒙古、陜西、寧夏等地，團隊的生態修復工程已開花結果，建立了10余個生態修復示范基地，累計修復面積超過10萬畝，守護著這片土地的“綠水青山”

·走在教育強國大路上·支撐高水平科技自立自強

被地層包裹的煤礦礦井下，是一個由鋼鐵、礦物和巖石交織而成的世界。龐大的采煤機如同地下穿行的鋼鐵巨獸，舉起截割頭緩緩地在煤層上移動，每一次轉動都帶起一陣煤塵的旋舞。掉落的煤炭匯聚成一條黑色的河流，沿著傳送帶源源不斷地流向地表。

事實上，采煤機這臺“鋼鐵巨獸”并非來去自由，在億萬年復雜地質作用下形成的地層中，潛藏著斷層、褶皺、地下水、瓦斯等眾多影響正常掘進的障礙，如果不能提前預見并加以防范，施工過程中一旦遇到，輕則停機延誤生產，重則造成人員傷亡。因此，采煤機的開機率是一個能綜合反映煤礦開采過程中設備適應性、對煤層地質條件了解程度、組織管理水平等因素的重要參數。

20世紀90年代至今，我國煤礦機械化生產開機率從不到40%提高至90%以上。這背后，有中國礦業大學（北京）煤礦安全開采地質保障與生態修復團隊（以下簡稱“團隊”）的突出貢獻。日前，這個團隊被黨中央、國務院授予“國家卓越工程師團隊”稱號。

給礦井“做CT”

煤礦開采過程中，精準預測地下地質構造是必要條件，這也是煤礦安全生產地質保障工作的基礎。

“煤礦機械化開采過程中遇到一個3—5米的斷層就要停產搬家，一次搬家要花費1個月時間，經濟損失能達到幾千萬元。”團隊負責人、中國工程院院士、中國礦業大學（北京）教授彭蘇萍說。

地下世界像一張巖石構成的千層餅，這些巖層并不是整齊排列的，在億萬年復雜的地質作用下，有的地方厚，有的地方薄，有的地方以復雜的角度彼此交錯，有的地方甚至完全缺失。

要精準描述地下構造，離不開高分辨率三維地震勘探這個“利器”。

地震波在地層中傳播時，遇到不同性質的巖層后會產生反射、折射等現象，通過對這些地震波信號進行分析，可以推斷出地下不同巖層的性質、結構和形態。三維地震勘探就是利用上述原理，設計相應的工作流程，對人工激發的地震波信號進行收集、處理、分析，進而構建起勘探區域的三維圖像。這個過程因為原理上與醫學領域使用CT進行診斷有諸多相似之處，因此常被比喻為“給地球做CT”。

給礦井“做CT”，彭蘇萍和團隊是國內最早一批“吃螃蟹”的人。20世紀90年代初，彭蘇萍領銜的團隊與安徽煤田地質局、淮南礦務局合作，在位于安徽淮南的謝橋、潘三煤礦進行了高分辨三維地震勘探。項目實施得很成功，為后面這項技術廣泛應用于煤礦地質構造預測打下了良好基礎。

不過，把三維地震勘探應用于煤礦地質構造探測的過程，遠非看上去那樣一帆風順。這項脫胎于石油勘探的技術，在應用到煤礦之初時還存在著一系列“水土不服”的情況。

石油勘探關注的地層深度大多在1000米以上，而煤礦勘探的目標地層要淺得多。看起來都是使用三維地震勘探，但二者要解決的問題和對精度的要求有很大區別，很多石油勘探領域成熟的經驗都不能直接移植到煤礦上來。

工程實踐中，在理論可行和解決實際問題之間，往往還隔著一條巨大的鴻溝。要跨到對岸，沒有捷徑可走，只能立足基本原理，在“試錯—分析—調整”的循環往復中不斷尋找相對最優解。上述工程問題探索攻堅的過程，正是對這支高校科研團隊“工程師”屬性的最佳注釋。

服務國家戰略，專注解決工程實踐中的“硬骨頭”問題，是彭蘇萍一開始就給團隊定下的發展方向。“我要求大家一定要多跑工程現場，只有自己掌握情況、拿到數據，才有底氣。”彭蘇萍說。

“腳踏實地、不怕吃苦、能打硬仗”是這個團隊鮮明的底色：下完礦井臉上粘滿黑色的粉塵，一趟野外考察下來從頭到腳全是土……采訪過程中，多位團隊成員向記者展示了手機記錄下的大家在工程一線的“狼狽”樣子。

多年來，圍繞礦井地質構造的高分辨識別和精確定位、煤礦頂板巖性和穩定性預測、煤礦瓦斯災害隱患識別及礦井突水構造預測等工程問題，團隊在礦井地質構造和災害源探測關鍵技術與儀器研發方面取得突破，應用于全國50多個礦井，為有效避免煤礦安全事故發生提供了堅實技術支撐。

為地下空間“診脈”

時下，智能化建設正成為煤礦發展的主攻方向，其核心特點是在掘進、采煤、運輸、安全監控等各環節廣泛引入自動化作業，實現井下生產的少人化甚至無人化。

煤礦智能化建設，不僅需要有反映礦井精確地質構造的靜態數據，還要在生產過程中實時獲取更高精度的動態數據。

以采煤機的作業為例，其運行過程中，要依據前方煤層厚度及時調整截割頭深入煤體的深度。截深過淺會導致采出率偏低造成浪費，反之則可能使截割頭切入巖石，造成煤炭混入雜質、磨損齒輪，甚至在瓦斯濃度高的區域引發爆炸。

要實現這套作業的無人化，首先要解決煤巖層位的智能區分問題，基于對前方煤層厚度的預測，及時調控采煤機的工作狀態。相比識別斷層、陷落柱等地質異常體，區分煤巖界面對探測手段在識別精度方面的要求又提高了一個數量級。

針對上述問題，團隊長期攻關的另一項技術——地質雷達的作用日益凸顯。

與以地震波為媒介的地震勘探不同，地質雷達通過發射天線定向發射的高頻短脈沖電磁波在地下傳播，檢測被地下地質體反射回來的信號或透射通過地質體的信號，來對探測目標進行分析。由于電磁波在地層中衰減速度很快，其探測范圍遠不如地震波，但由于頻率高、波長短的特性，可以“看清”小得多的地下構造。

原理看起來并不復雜，但事實上，要制造出適合礦井下使用的地質雷達還面臨大量工程實際問題。例如，為了防止產生電火花，滿足井下防爆要求，地質雷達設計要限制天線發出的電磁波頻率，但這反過來又會約束雷達探測范圍，難以滿足實際作業需求。

彭蘇萍帶領團隊從20世紀90年代中期起步，最初從分析國外地質雷達儀器結構入手，經過10余年努力，研發出礦井災害源超深探測地質雷達裝備。

做到這一步，還無法完全滿足智能煤礦對實時探測的需求。面對礦井下復雜的地質條件，地質雷達要做到跟采煤機實時聯動，就要在距探測界面還有一段距離的情況下仍能正常工作。要實現這個目標，涉及從雷達硬件設計到數據處理算法等方面的一系列創新。

“從電路設計到信號處理算法的開發，（團隊）都是自己動手，當時光天線的型號就試了30多種，一次不行就再改，逐漸摸索著把參數定下來。”一位長期參與這項技術攻關的團隊成員回憶說。

上述成果不僅應用于礦井。夜深人靜時，在北京等城市的街頭，或許能碰巧遇見彭蘇萍和團隊的成員們——他們在給城市的地下空間“診脈”。

我國城市地下空間起步晚，但發展迅猛，地質調查還很不充分，地下安全形勢嚴峻。基于研發礦井探測設備技術的積累，團隊研發了城市道路地下病害車載探測裝備及技術、城市地下空間超深探測裝備及技術、城市地鐵隧道多功能快速檢測裝備與技術、城市地下管道全空間智能檢測裝備及技術，形成了城市道路病害與安全隱患綜合探測系列裝備。

2009年至今，團隊自主開發的城市地質雷達探測裝備成功應用于多次重大活動的市政道路、地下管線和地鐵隧道等安全保障工程檢測，出色地完成了保障重大活動交通安全的任務。

守護“綠水青山”

專注煤礦開采和長期研究煤礦的生態修復，看似矛盾的兩個研究方向，彭蘇萍和團隊一直在堅持同步推動。

我國西部廣袤的干旱半干旱地區，煤炭產量占全國的50%以上。然而，這里的水資源卻極其稀缺，不足全國總量的4%。在這片本就水源緊張的土地上，煤炭的開采使地下水位不斷下降，生態環境因此承受著更大的壓力。

彭蘇萍深知，若在煤炭開采的過程中忽視對水資源的保護和利用，將會使這片土地的水資源更加捉襟見肘，嚴重制約煤炭產業的發展。遺憾的是，以前的技術和方法，尚無法支撐煤炭開采與生態環境的和諧共生。

黑色與綠色，似乎陷入了無法調和的對立。

但團隊并未放棄，他們深入西部煤礦區，經過長時間的監測和研究，驚奇地發現煤炭開采造成的巖層裂隙，竟與耕作時的松土有著異曲同工之妙，這或許能緩解干旱半干旱地區易發的次生鹽堿化問題。這一發現，仿佛為黑色與綠色之間搭建起了一座橋梁。

“我們發現，在對煤炭開發地區的土地整治和人工修復后，植物多樣性和繁茂程度比原始狀況有顯著提升；煤炭開采后，地下水和生態環境存在自修復現象——特別是干旱的鹽堿地環境，煤炭開采后鹽堿地面積大幅度減少，生態促進作用顯著。”彭蘇萍說。

通過不懈地定位監測，團隊發現適度的裂縫發育有助于礦區生物多樣性的保護和生態系統的穩定。而后，他們運用物探監測技術，揭示了巖層和地下水受擾動的程度與范圍，創新性地提出了地下水資源保護與綜合利用技術，改變了傳統保水開采的被動做法。

團隊以開采為驅動力，在時間和空間上，系統研究了礦山開采對上覆巖層、水資源、土地資源和生態環境的影響，以水資源保護利用為前提，提出西部煤礦區生態修復的多種模式。

如今，在新疆、內蒙古、陜西、寧夏等地，團隊的生態修復工程已開花結果，建立了10余個生態修復示范基地，累計修復面積超過10萬畝，守護著這片土地的“綠水青山”。

黑色與綠色，力量之火與生命之源，從相互制約走向了相互促進。

在2022年度中國煤炭工業協會科學技術獎的評選中，中國礦業大學（北京）礦山生態修復創新團隊獲評“科學技術創新團隊獎”。

“這份榮譽是對團隊多年來在煤礦區水資源保護利用及生態修復領域辛勤耕耘的最好肯定。”彭蘇萍感慨道。

本報記者 李澈

《中國教育報》2024年07月24日第1版