在厚煤层开采路上勤耕不辍——记中国矿业大学（北京）厚煤层绿色智能开采创新团队

转自：国家矿山安全监察局

中国矿业大学（北京）厚煤层绿色智能开采创新团队，是一支由厚煤层开采技术专家王家臣领衔的科技创新队伍。

2024年底，中国煤炭工业协会、中国煤炭学会公布2024年度中国煤炭工业协会科学技术奖，并评选出13个创新团队。中国矿业大学（北京）厚煤层绿色智能开采创新团队入列其中。

该团队是如何建立起来的，在厚煤层开采领域进行了哪些探索？日前，笔者来到中国矿业大学（北京）一探究竟。

在井下实践中攻坚克难

厚煤层通常指的是井工开采厚度3.5米以上、露天开采厚度10米以上的煤层。

说到厚煤层开采，不得不提综合机械化放顶煤开采技术。这一技术起源于20世纪60年代的法国，后在苏联、匈牙利等国家使用，但当时主要用于边角煤开采。

后来，作为一种正规采煤方法，综合机械化放顶煤开采技术在我国得到创造性发展和大范围推广。

2000年以前，我国井工矿产量约占煤炭总产量的95%，其中近50%的产量来自厚煤层。当时，厚煤层主要采用分层的方式开采，机械化程度不高，产量低，资源优势无法充分发挥。

1995年，从北京科技大学博士后出站的王家臣，加入了当时的煤炭工业部放顶煤开采技术中心，从此开启了30年的放顶煤开采科研攻关之路。

那时，中国矿业大学（北京）研究生部教授吴健担任煤炭工业部放顶煤开采技术中心主要负责人。厚煤层绿色智能开采创新团队也在这里起步。

在吴健指导下，王家臣来到甘肃靖远魏家地煤矿，攻关高瓦斯突出极软厚煤层综合机械化放顶煤开采技术。这类煤层在当时是放顶煤开采的禁区。

针对煤层条件，课题组制定了科学严谨的工程措施，解决了魏家地煤矿瓦斯突出、煤层易自燃、极软煤层设备配套与开采工艺等难题。较原分层开采工艺，魏家地煤矿工作面产量提高1倍以上。在课题组的帮助下，投产6年的魏家地煤矿实现达产。

据王家臣介绍，最开始，放顶煤开采技术仅适用于厚度较大、瓦斯含量较低的煤层。后来，随着我国煤炭需求量的不断增长，放顶煤开采技术逐渐被推广应用至坚硬厚煤层、极软厚煤层、较薄厚煤层、倾斜煤层等。

山西大同矿区“两硬”厚煤层开采项目、河南鹤壁矿区急倾斜煤层开采项目以及安徽淮北矿区高瓦斯煤层开采项目，是厚煤层绿色智能开采创新团队参与的代表性项目。

在这个过程中，厚煤层绿色智能开采创新团队不断成长壮大。

1997年3月，从东北大学博士毕业的陈忠辉，来到中国矿业大学（北京）读博士后，同时加入厚煤层绿色智能开采创新团队，参与了大同矿区“两硬”煤层开采项目。

大同矿区的煤层因煤层、底板均坚硬，因而被称为“两硬”煤层。

据了解，山西大同矿区“两硬”厚煤层开采项目是煤炭工业部“九五”重点科技攻关项目，由中国矿业大学（北京）、大同矿务局和太原理工大学共同承担。

1996年至1998年，王家臣与陈忠辉几乎每个月都要往返矿区，有时一待就是一两个月，上午下井做试验，下午与矿区人员讨论解决问题。

他们将该项目负责人谢和平提出的顶煤破碎块度分形与爆破能量关系的理论付诸于工程实践，设计炮孔参数与装药结构，进行爆破试验、科学分析，逐步积累了“两硬”厚煤层放顶煤开采的经验。2000年，该项目成果获得国家科学技术进步奖二等奖。

通过深入分析厚煤层采场围岩稳定性与控制特点，厚煤层绿色智能开采创新团队创造性地提出顶煤在加卸载复合作用下的破坏机理，建立了顶煤放出规律的BBR体系，并通过了现场放煤时间准确性验证。而掌握破碎后散体顶煤的放出规律，正是放顶煤开采基础理论的核心。

1999年，王家臣带领几位成员，到河南鹤壁二矿开展大倾角厚煤层放顶煤开采研究。鹤壁二矿煤层倾角31度，是当时国内放顶煤工作面的最大倾角。当时，煤炭市场又不景气，很多矿区经济困难。在这种情况下，很多煤矿决定采用成本较低的轻型支架。鹤壁二矿也面临着抉择，轻型支架虽便宜，但又担心其支撑力不够。

王家臣带领团队与鹤壁二矿开展试验。长时间的实践证明，轻型支架虽然阻力不占优势，但只要合理设计架型、采用科学的开采工艺，同样可以在大倾角煤层实现放顶煤开采。

此后，王家臣、陈忠辉、潘卫东等人共同参与了淮北矿区的芦岭矿项目。当时，芦岭矿仍沿用过去的炮采工艺，同时开采六七个放顶煤工作面，且交错布置，通风系统复杂。2003年，淮北矿业(13.690, -0.03, -0.22%)集团决定采用综合机械化放顶煤开采工艺，并由王家臣担任技术总负责人。

一说要上综采，个别人持反对意见：“煤太软，炮采时片帮了还得打贴帮柱。综采的话煤壁没有支撑，片帮不更加严重吗？”

王家臣表示：“综采支架阻力大，可以减轻煤壁压力，减少工作面片帮。一个炮采工作面一年最多能出30万吨煤，年产180万吨要上6个炮采工作面。如果用综采的话，上一个工作面就能出100万吨。是6个工作面好管理还是2个工作面好管理？”

经过工艺革新后，芦岭矿、朱仙庄矿等一批高瓦斯矿井既提升了效益，又大幅降低了成本。此后，综合机械化放顶煤开采工艺在淮北矿区10多个煤矿推广应用。

持续开展厚煤层开采研究

王家臣说：“干矿业一定要有理论指导。跟着现场一起做工程，讲过多的道理没有用，模棱两可更不行。实践出真知。”

正是有了理论与实践相结合，王家臣及其团队发现问题、解决问题的能力才不断提升。

2011年，在河南焦作赵固一矿开展试验时，王家臣升井后，习惯跟班组长和工人坐在一起，讨论解决现场问题。

一次，说到煤壁片帮、工作面推不动时，王家臣说：“我总结就两点，一是空顶距过大，二是支架初撑力不够。”

一位班长反驳道：“我们不敢把支架往上顶，一顶煤就碎，更控制不住了。”

王家臣表示：“你这概念不对，支架顶碎的是表层顶板，里面没有离层，不会造成顶板垮落。”

争执一番后，大家决定看结果。半个月的实践证明，王家臣的方法是可行的。

结合丰富的理论研究和实践经验，王家臣等人组织编写了《能源工程概论》《放煤规律与智能放煤》等基础教材，如今已成为矿业专业学生必读书目。

他们总结并创建了“四要素”放顶煤理论，即针对放顶煤开采技术特点，综合考虑顶煤放出体、煤岩分界面、顶煤回收率和含矸率“四要素”，有效指导矿区确定高回收率的采放工艺。“四要素”放顶煤理论被写入美国教材，在美国、澳大利亚等8所高校使用。

多年来，王家臣先后主持“十三五”国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等，获国家科技进步奖一等奖1项、二等奖3项和国家级教学成果二等奖1项，发表论文200余篇，授权发明专利30余件，入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家终身影响力排行榜。

陈忠辉先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目，在国内外期刊发表学术论文100余篇，科研成果获国家科技进步奖二等奖。

该团队成员杨胜利先后主持国家自然科学基金项目3项，国家重点研发计划课题1项、子课题2项等，解决了大量的工程技术难题。

杨胜利、李杨入选国家级青年人才，李杨、王兆会获全国煤炭青年科技奖，杨胜利、潘卫东、张锦旺获孙越崎青年科技奖，王兆会、张锦旺、魏炜杰、李良晖分别入选青年人才托举工程等。

历经30年发展，厚煤层绿色智能开采创新团队现有教授9人、副教授9人、讲师2人、硕博士等其他研究人员150余人。该团队成员科研足迹遍布全国50余个矿区、150余座煤矿以及金属矿山。

面对煤矿智能化发展趋势，厚煤层绿色智能开采创新团队继续攻关放顶煤开采智能化关键技术难题——智能放煤。2011年，他们获授权国内外首件图像识别自动化放煤发明专利。

2018年，他们和淮北矿业集团再度合作，率先开展了以智能煤矸识别为基础的智能综放开采、以煤矸分界面均衡运动可控和智能煤矸识别相结合的精准放煤工艺研究。从2020年开始，相关研究成果在开滦集团、陕煤集团、潞安化工集团、国家能源集团等的多个煤矿推广应用。

“我们在淮北矿区、开滦矿区、潞安矿区的煤矿进行煤矸取样，研究不同光照条件下煤和矸石的灰度与纹理差异，为研发智能煤矸识别技术提供了基础数据。”潘卫东表示。

在此基础上，该团队开发了井下防尘防雾摄像头，为智能煤矸识别提供硬件支撑。研发出高回收率精准放煤工艺和智能控制系统，为智能煤矸识别提供软件支持，并形成整体解决方案。

在绿色开采方面，厚煤层绿色智能开采创新团队在国家能源集团雁宝能源公司开展了含水层下放顶煤开采技术研究，将顶煤放出高度精准控制为6米，防止导水裂隙带导通含水层，避免出水溃砂（泥）。

从2024年10月开始，王家臣、李杨及其团队在雁宝能源公司工作面开展研究，揭示了含水层下特厚煤层综放工作面限高开采顶煤运移规律，对工作面装备、控制系统进行改造升级，将信号和图像采集与处理系统、图像识别算法和实时控制系统进行集成，开发出智能化精准控制顶煤放出高度监测与控制平台，为绿色开采提供支持。

王家臣表示，绿色智能是厚煤层开采的方向，但仍存在很多科学问题和工程技术难题，需要不断解决。未来，他们将继续深耕厚煤层放顶煤开采研究，力争将中国的放顶煤开采技术向国外推广，为俄罗斯、土耳其等赋存条件较好的地区提供技术帮助。（王世雅）

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