專攻“黑”科技 提升“綠”含量

——中國礦業(yè)大學（北京）煤礦安全開采地質保障與生態(tài)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(fā)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(fā)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(tài)修復工程已開花結果，建立了10余個生態(tài)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(yè)大學（北京）煤礦安全開采地質保障與生態(tài)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(yè)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(xiàn)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(tài)。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(fā)的地震波信號進行收集、處理、分析，進而構建起勘探區(qū)域的三維圖像。這個過程因為原理上與醫(yī)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(qū)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(huán)往復中不斷尋找相對最優(yōu)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(zhàn)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(fā)展方向。“我要求大家一定要多跑工程現(xiàn)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(wěn)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(fā)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(fā)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(fā)展的主攻方向，其核心特點是在掘進、采煤、運輸、安全監(jiān)控等各環(huán)節(jié)廣泛引入自動化作業(yè)，實現(xiàn)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(tài)數據，還要在生產過程中實時獲取更高精度的動態(tài)數據。

以采煤機的作業(yè)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?jié)舛雀叩膮^(qū)域引發(fā)爆炸。

要實現(xiàn)這套作業(yè)的無人化，首先要解決煤巖層位的智能區(qū)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(tài)。相比識別斷層、陷落柱等地質異常體，區(qū)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(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(fā)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(yè)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(fā)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(lián)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(xiàn)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(chuàng)新。

“從電路設計到信號處理算法的開發(fā)，（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(fā)展迅猛，地質調查還很不充分，地下安全形勢嚴峻。基于研發(fā)礦井探測設備技術的積累，團隊研發(fā)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(fā)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(tài)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(qū)，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(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(yè)的發(fā)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(tài)環(huán)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(qū)，經過長時間的監(jiān)測和研究，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)，在對煤炭開發(fā)地區(qū)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(tài)環(huán)境存在自修復現(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)促進作用顯著。”彭蘇萍說。

通過不懈地定位監(jiān)測，團隊發(fā)現(xiàn)適度的裂縫發(fā)育有助于礦區(qū)生物多樣性的保護和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。而后，他們運用物探監(jiān)測技術，揭示了巖層和地下水受擾動的程度與范圍，創(chuàng)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(tǒng)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(tǒng)研究了礦山開采對上覆巖層、水資源、土地資源和生態(tài)環(huán)境的影響，以水資源保護利用為前提，提出西部煤礦區(qū)生態(tài)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(tài)修復工程已開花結果，建立了10余個生態(tài)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(yè)協(xié)會科學技術獎的評選中，中國礦業(yè)大學（北京）礦山生態(tài)修復創(chuàng)新團隊獲評“科學技術創(chuàng)新團隊獎”。

“這份榮譽是對團隊多年來在煤礦區(qū)水資源保護利用及生態(tài)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