專攻“黑”科技 提升“綠”含量

——中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤礦安全開采地質(zhì)保障與生態(tài)修復(fù)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)紀(jì)實(shí)

■團(tuán)隊(duì)在礦井地質(zhì)構(gòu)造和災(zāi)害源探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與儀器研發(fā)方面取得突破，應(yīng)用于全國(guó)50多個(gè)礦井，為有效避免煤礦安全事故發(fā)生提供了堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐

■如今，在新疆、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏等地，團(tuán)隊(duì)的生態(tài)修復(fù)工程已開花結(jié)果，建立了10余個(gè)生態(tài)修復(fù)示范基地，累計(jì)修復(fù)面積超過(guò)10萬(wàn)畝，守護(hù)著這片土地的“綠水青山”

·走在教育強(qiáng)國(guó)大路上·支撐高水平科技自立自強(qiáng)

被地層包裹的煤礦礦井下，是一個(gè)由鋼鐵、礦物和巖石交織而成的世界。龐大的采煤機(jī)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(dòng)，每一次轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)上，采煤機(jī)這臺(tái)“鋼鐵巨獸”并非來(lái)去自由，在億萬(wàn)年復(fù)雜地質(zhì)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(jìn)的障礙，如果不能提前預(yù)見并加以防范，施工過(guò)程中一旦遇到，輕則停機(jī)延誤生產(chǎn)，重則造成人員傷亡。因此，采煤機(jī)的開機(jī)率是一個(gè)能綜合反映煤礦開采過(guò)程中設(shè)備適應(yīng)性、對(duì)煤層地質(zhì)條件了解程度、組織管理水平等因素的重要參數(shù)。

20世紀(jì)90年代至今，我國(guó)煤礦機(jī)械化生產(chǎn)開機(jī)率從不到40%提高至90%以上。這背后，有中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤礦安全開采地質(zhì)保障與生態(tài)修復(fù)團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“團(tuán)隊(duì)”）的突出貢獻(xiàn)。日前，這個(gè)團(tuán)隊(duì)被黨中央、國(guó)務(wù)院授予“國(guó)家卓越工程師團(tuán)隊(duì)”稱號(hào)。

給礦井“做CT”

煤礦開采過(guò)程中，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)地下地質(zhì)構(gòu)造是必要條件，這也是煤礦安全生產(chǎn)地質(zhì)保障工作的基礎(chǔ)。

“煤礦機(jī)械化開采過(guò)程中遇到一個(gè)3—5米的斷層就要停產(chǎn)搬家，一次搬家要花費(fèi)1個(gè)月時(shí)間，經(jīng)濟(jì)損失能達(dá)到幾千萬(wàn)元。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國(guó)工程院院士、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）教授彭蘇萍說(shuō)。

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

要精準(zhǔn)描述地下構(gòu)造，離不開高分辨率三維地震勘探這個(gè)“利器”。

地震波在地層中傳播時(shí)，遇到不同性質(zhì)的巖層后會(huì)產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)這些地震波信號(hào)進(jìn)行分析，可以推斷出地下不同巖層的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形態(tài)。三維地震勘探就是利用上述原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工作流程，對(duì)人工激發(fā)的地震波信號(hào)進(jìn)行收集、處理、分析，進(jìn)而構(gòu)建起勘探區(qū)域的三維圖像。這個(gè)過(guò)程因?yàn)樵砩吓c醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用CT進(jìn)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(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)最早一批“吃螃蟹”的人。20世紀(jì)90年代初，彭蘇萍領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)與安徽煤田地質(zhì)局、淮南礦務(wù)局合作，在位于安徽淮南的謝橋、潘三煤礦進(jìn)行了高分辨三維地震勘探。項(xiàng)目實(shí)施得很成功，為后面這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤礦地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)打下了良好基礎(chǔ)。

不過(guò)，把三維地震勘探應(yīng)用于煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的過(guò)程，遠(yuǎn)非看上去那樣一帆風(fēng)順。這項(xiàng)脫胎于石油勘探的技術(shù)，在應(yīng)用到煤礦之初時(shí)還存在著一系列“水土不服”的情況。

石油勘探關(guān)注的地層深度大多在1000米以上，而煤礦勘探的目標(biāo)地層要淺得多。看起來(lái)都是使用三維地震勘探，但二者要解決的問(wèn)題和對(duì)精度的要求有很大區(qū)別，很多石油勘探領(lǐng)域成熟的經(jīng)驗(yàn)都不能直接移植到煤礦上來(lái)。

工程實(shí)踐中，在理論可行和解決實(shí)際問(wèn)題之間，往往還隔著一條巨大的鴻溝。要跨到對(duì)岸，沒有捷徑可走，只能立足基本原理，在“試錯(cuò)—分析—調(diào)整”的循環(huán)往復(fù)中不斷尋找相對(duì)最優(yōu)解。上述工程問(wèn)題探索攻堅(jiān)的過(guò)程，正是對(duì)這支高校科研團(tuán)隊(duì)“工程師”屬性的最佳注釋。

服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略，專注解決工程實(shí)踐中的“硬骨頭”問(wèn)題，是彭蘇萍一開始就給團(tuán)隊(duì)定下的發(fā)展方向。“我要求大家一定要多跑工程現(xiàn)場(chǎng)，只有自己掌握情況、拿到數(shù)據(jù)，才有底氣。”彭蘇萍說(shuō)。

“腳踏實(shí)地、不怕吃苦、能打硬仗”是這個(gè)團(tuán)隊(duì)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(lái)從頭到腳全是土……采訪過(guò)程中，多位團(tuán)隊(duì)成員向記者展示了手機(jī)記錄下的大家在工程一線的“狼狽”樣子。

多年來(lái)，圍繞礦井地質(zhì)構(gòu)造的高分辨識(shí)別和精確定位、煤礦頂板巖性和穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、煤礦瓦斯災(zāi)害隱患識(shí)別及礦井突水構(gòu)造預(yù)測(cè)等工程問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)在礦井地質(zhì)構(gòu)造和災(zāi)害源探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與儀器研發(fā)方面取得突破，應(yīng)用于全國(guó)50多個(gè)礦井，為有效避免煤礦安全事故發(fā)生提供了堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐。

為地下空間“診脈”

時(shí)下，智能化建設(shè)正成為煤礦發(fā)展的主攻方向，其核心特點(diǎn)是在掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安全監(jiān)控等各環(huán)節(jié)廣泛引入自動(dòng)化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)的少人化甚至無(wú)人化。

煤礦智能化建設(shè)，不僅需要有反映礦井精確地質(zhì)構(gòu)造的靜態(tài)數(shù)據(jù)，還要在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取更高精度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

以采煤機(jī)的作業(yè)為例，其運(yùn)行過(guò)程中，要依據(jù)前方煤層厚度及時(shí)調(diào)整截割頭深入煤體的深度。截深過(guò)淺會(huì)導(dǎo)致采出率偏低造成浪費(fèi)，反之則可能使截割頭切入巖石，造成煤炭混入雜質(zhì)、磨損齒輪，甚至在瓦斯?jié)舛雀叩膮^(qū)域引發(fā)爆炸。

要實(shí)現(xiàn)這套作業(yè)的無(wú)人化，首先要解決煤巖層位的智能區(qū)分問(wèn)題，基于對(duì)前方煤層厚度的預(yù)測(cè)，及時(shí)調(diào)控采煤機(jī)的工作狀態(tài)。相比識(shí)別斷層、陷落柱等地質(zhì)異常體，區(qū)分煤巖界面對(duì)探測(cè)手段在識(shí)別精度方面的要求又提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

針對(duì)上述問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期攻關(guān)的另一項(xiàng)技術(shù)——地質(zhì)雷達(dá)的作用日益凸顯。

與以地震波為媒介的地震勘探不同，地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線定向發(fā)射的高頻短脈沖電磁波在地下傳播，檢測(cè)被地下地質(zhì)體反射回來(lái)的信號(hào)或透射通過(guò)地質(zhì)體的信號(hào)，來(lái)對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分析。由于電磁波在地層中衰減速度很快，其探測(cè)范圍遠(yuǎn)不如地震波，但由于頻率高、波長(zhǎng)短的特性，可以“看清”小得多的地下構(gòu)造。

原理看起來(lái)并不復(fù)雜，但事實(shí)上，要制造出適合礦井下使用的地質(zhì)雷達(dá)還面臨大量工程實(shí)際問(wèn)題。例如，為了防止產(chǎn)生電火花，滿足井下防爆要求，地質(zhì)雷達(dá)設(shè)計(jì)要限制天線發(fā)出的電磁波頻率，但這反過(guò)來(lái)又會(huì)約束雷達(dá)探測(cè)范圍，難以滿足實(shí)際作業(yè)需求。

彭蘇萍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從20世紀(jì)90年代中期起步，最初從分析國(guó)外地質(zhì)雷達(dá)儀器結(jié)構(gòu)入手，經(jīng)過(guò)10余年努力，研發(fā)出礦井災(zāi)害源超深探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)裝備。

做到這一步，還無(wú)法完全滿足智能煤礦對(duì)實(shí)時(shí)探測(cè)的需求。面對(duì)礦井下復(fù)雜的地質(zhì)條件，地質(zhì)雷達(dá)要做到跟采煤機(jī)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，就要在距探測(cè)界面還有一段距離的情況下仍能正常工作。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，涉及從雷達(dá)硬件設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)處理算法等方面的一系列創(chuàng)新。

“從電路設(shè)計(jì)到信號(hào)處理算法的開發(fā)，（團(tuán)隊(duì)）都是自己動(dòng)手，當(dāng)時(shí)光天線的型號(hào)就試了30多種，一次不行就再改，逐漸摸索著把參數(shù)定下來(lái)。”一位長(zhǎng)期參與這項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)的團(tuán)隊(duì)成員回憶說(shuō)。

上述成果不僅應(yīng)用于礦井。夜深人靜時(shí)，在北京等城市的街頭，或許能碰巧遇見彭蘇萍和團(tuán)隊(duì)的成員們——他們?cè)诮o城市的地下空間“診脈”。

我國(guó)城市地下空間起步晚，但發(fā)展迅猛，地質(zhì)調(diào)查還很不充分，地下安全形勢(shì)嚴(yán)峻。基于研發(fā)礦井探測(cè)設(shè)備技術(shù)的積累，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了城市道路地下病害車載探測(cè)裝備及技術(shù)、城市地下空間超深探測(cè)裝備及技術(shù)、城市地鐵隧道多功能快速檢測(cè)裝備與技術(shù)、城市地下管道全空間智能檢測(cè)裝備及技術(shù)，形成了城市道路病害與安全隱患綜合探測(cè)系列裝備。

2009年至今，團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的城市地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)裝備成功應(yīng)用于多次重大活動(dòng)的市政道路、地下管線和地鐵隧道等安全保障工程檢測(cè)，出色地完成了保障重大活動(dòng)交通安全的任務(wù)。

守護(hù)“綠水青山”

專注煤礦開采和長(zhǎng)期研究煤礦的生態(tài)修復(fù)，看似矛盾的兩個(gè)研究方向，彭蘇萍和團(tuán)隊(duì)一直在堅(jiān)持同步推動(dòng)。

我國(guó)西部廣袤的干旱半干旱地區(qū)，煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的50%以上。然而，這里的水資源卻極其稀缺，不足全國(guó)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(tài)環(huán)境因此承受著更大的壓力。

彭蘇萍深知，若在煤炭開采的過(guò)程中忽視對(duì)水資源的保護(hù)和利用，將會(huì)使這片土地的水資源更加捉襟見肘，嚴(yán)重制約煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。遺憾的是，以前的技術(shù)和方法，尚無(wú)法支撐煤炭開采與生態(tài)環(huán)境的和諧共生。

黑色與綠色，似乎陷入了無(wú)法調(diào)和的對(duì)立。

但團(tuán)隊(duì)并未放棄，他們深入西部煤礦區(qū)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)和研究，驚奇地發(fā)現(xiàn)煤炭開采造成的巖層裂隙，竟與耕作時(shí)的松土有著異曲同工之妙，這或許能緩解干旱半干旱地區(qū)易發(fā)的次生鹽堿化問(wèn)題。這一發(fā)現(xiàn)，仿佛為黑色與綠色之間搭建起了一座橋梁。

“我們發(fā)現(xiàn)，在對(duì)煤炭開發(fā)地區(qū)的土地整治和人工修復(fù)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(tài)環(huán)境存在自修復(fù)現(xiàn)象——特別是干旱的鹽堿地環(huán)境，煤炭開采后鹽堿地面積大幅度減少，生態(tài)促進(jìn)作用顯著。”彭蘇萍說(shuō)。

通過(guò)不懈地定位監(jiān)測(cè)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)適度的裂縫發(fā)育有助于礦區(qū)生物多樣性的保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。而后，他們運(yùn)用物探監(jiān)測(cè)技術(shù)，揭示了巖層和地下水受擾動(dòng)的程度與范圍，創(chuàng)新性地提出了地下水資源保護(hù)與綜合利用技術(shù)，改變了傳統(tǒng)保水開采的被動(dòng)做法。

團(tuán)隊(duì)以開采為驅(qū)動(dòng)力，在時(shí)間和空間上，系統(tǒng)研究了礦山開采對(duì)上覆巖層、水資源、土地資源和生態(tài)環(huán)境的影響，以水資源保護(hù)利用為前提，提出西部煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的多種模式。

如今，在新疆、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏等地，團(tuán)隊(duì)的生態(tài)修復(fù)工程已開花結(jié)果，建立了10余個(gè)生態(tài)修復(fù)示范基地，累計(jì)修復(fù)面積超過(guò)10萬(wàn)畝，守護(hù)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(jìn)。

在2022年度中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的評(píng)選中，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）礦山生態(tài)修復(fù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獲評(píng)“科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)”。

“這份榮譽(yù)是對(duì)團(tuán)隊(duì)多年來(lái)在煤礦區(qū)水資源保護(hù)利用及生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域辛勤耕耘的最好肯定。”彭蘇萍感慨道。

本報(bào)記者 李澈

《中國(guó)教育報(bào)》2024年07月24日第1版