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何满潮院士:用科学技术为煤炭安全开采保驾护航
字号:[    ] 发布时间:2017-09-11 00:00:00 来源:何满潮院士:用科学技术为煤炭安全开采保驾护航 发布人:黄振东

  何满潮:

  中国科学院院士,中国矿业大学北京深部岩土力学与地下工程国家重点实验室主任,2016年全国杰出科技人才奖获得者。

  何满潮是地地道道农民的孩子,家里兄弟姐妹六个,为了减轻家里的负担,小小年纪的何满潮有了远大的理想,一定要好好读书,考上大学,让父母不再辛苦。

  1977年恢复高考后,他考入长春地质学院工程地质专业,后又以优异成绩考入中国矿业大学力学系读博士、博士后。2000年何满潮在北京中国矿业大学创建了深部岩土力学与地下工程实验室,2008年他的实验室被国家批准为国家重点实验室。

  何满潮院士带领团队建立了以地形力学机制为核心的工程岩体力学理论与支护方法,他所提出的煤炭开采的110工法、N00工法被誉为煤炭开采探索的第三次技术变革。

  科研转折

  “我个人出生在豫西伏牛山区,在这个山区里隐藏了大量的金矿,在我们小的时候,他们开采时遇到了很多的自然灾害,这样的矿山在我们国家开挖的过程中都会都发一些相应的滑坡、崩塌、泥石流等等这些地理灾害。我在上大学的时候,读的矿山资源相关的学校——长春地质学院,我们的专业叫工程地质。

  工程地质研究的就是与工程相关的一些地质问题,在我上大学时学到工程地质这样一个专业,这是对它(滑坡、崩塌、泥石流等等这些地理灾害)形成的过程,与地质有关的这些规律有些认识,但是这还远远不够。

  我记得当时第一次研究的是抚顺西露天矿的滑坡,抚顺西露天矿是咱们国家最大的一个露天矿,当时已经发生了上百次的滑坡,毁坏了很多机器,之字形的铁路折返线发生了很多这样灾害性的事件。

  我们读硕士的时候就做这么一个课题,在做这个课题的过程当中就发现力学很重要。那么在做这个课题研究的时候,就觉得工程地质(研究)做完了以后,再把滑坡这个问题真正研究清楚,知识是不够的,所以硕士毕业以后考的力学专业。

  转到纯力学的专业就和以前的专业不一样了,(我是学工程地质的)和学力学的硕士学生一起去考,这个竞争是不具优势,所以我用了一年的时间在吉林大学(听课)。吉林大学是长春地质学院旁边的一个学校,吉林大学有一个特点,就是没有校门,没有院墙,所以它那个教室我们是可以进去听课的。

  所以我利用了一年的时间,在它那(吉林大学)旁听了一年数学力学课,然后就进行考试,考力学的博士,也就是我们目前所在这个大学(中国矿业大学)力学系。当时我们有四个考生,三个都是学力学的,然后我自己学工程地质的,所以和他们同台竞争考力学,(中国矿业大学力学系)当时只招生一个博士研究生,只有一个指标,很荣幸,后来老师通过功课的评估,最后就把我录取了。”


▲获得比利时蒙斯大学荣誉博士

  “所以(我在中国矿业大学)进行了三年博士的力学的学习,之后在这个学校做了两年博士后的研究,这样我就有机会做了五年的力学方面的研究,在1990年、1991年等于完成了整个地质方面的学习,大概(总计)用了12年的时间。

  这12年读完了以后开始用力学和地质结合起来,做工程地质灾害(方面的研究),特别是矿山的地质灾害控制方面的研究。做力学专业研究生的时候正好也做的抚顺西露天矿,当时是给总工程师吴江吴总当一个总工助理,给他做了很多事情。这个实际上是我进入到这个专业,对这个专业产生浓厚兴趣的一次契机。

  这样就使得我们做大学的学习,硕士、博士的学习对国家就有用。所以从这开始,我们对这个滑坡的灾害的监测目前做得是最好的,我们滑坡(监测)目前能做到什么程度,滑坡(监测)目前做到在我们这个实验室里面有一个滑坡检测中心,滑坡的矿山在野外产生滑坡的方面,我们这是可以看出来的,就是我们在预测预报这块,而且成功的进行了(预测),就是我们监测的地区发生了十次滑坡,这十次滑坡全部成功的被预测出来,就是避免十次滑坡的灾难,这是一个很了不起的事。”


▲2013年当选中国科学院院士

  软岩巷道研究

  “我做的第二项工作叫软岩巷道支护,其实就是和塌方有关系的。边坡是露天的塌方,这个是井工开采隧道的塌方。那么这个隧道塌方(的研究)我是什么时候介入的?1990年的时候我们国家有一个叫广西那龙二号井,广西那龙二号井三次下马,由于塌方问题和大变形问题,给国家造成了大量的经济的损失。这个项目当时非常困难,是列在我们国家岩土工程界一个老大难问题。

  我是第257人次被请去(解决塌方问题)的,被请去的那个时候我还没有下过井,我一直做露天(的研究)。那是我第一次下的井,但对于我来讲到井下看,第一个是地质问题,隧道在地质体里面,就是各种岩层进行开挖。地质我是明白一点,还有一个就是坡滑,是个力学问题,所以正好我用地质和力学结合起来来研究这个问题。”

  “所以我当时就到现场待了三个多月,因为我对这个事不了解,我也没下过井,所以到了现场以后我就想,人家把我当专家,实际上我是先去学习。通过很多的现场调研,做出了一个新的方法,这个方法应该说是对症下药。

  现在想来当时是一个很笨的一个方法,但是它确实把这个问题解决了,最后按照这个方案一做,到年底就投产了。这个矿井八年没有建成,最后问题解决了。

  所以这就使得我开始对软岩方面开始了研究,软岩方面的研究之后也研究了很多别的类型的研究,比如高应力软岩,尖锐化软岩,膨胀性软岩,很多种。”

  其他成果

  煤炭资源是不可再生资源。近年来由于长期开采,浅部资源日趋枯竭,大部分煤矿已进入深部开采状态。随着开采深度的不断增加,原岩温度不断升高,开采与掘进工作面的高温热害日益严重。

  将深井里的地热变害为宝是何满潮在其研究领域的重要成就,他结合目前我国的实际情况,原创性的提出以矿井水为冷源进行深井降温构想,同时还将提取的热量在井上利用,代替工业产区的燃煤锅炉,进行建筑货物供暖,洗浴,井口防冻等,热害资源化,真正实现了环保节能,和可持续发展,这一系统后来获得五个国家发明专利,并获一个国家技术发明奖,技术水平走在了世界前列。

  如今,何满潮院士带领团队投入到煤炭开采技术的创新研究,以何提出的切顶短臂梁理论为指导的110工法、N00工法,更是被业界誉为煤炭开采探索的第三次技术革命。

  目前的121开采体系

  “煤矿实际上是两件事,矿井建成以后,一个就是隧道工程,隧道工程就是打巷道,就是打一个运输通道,然后把那个煤进行开采,开采以后通过运输通道运出来,那就是一个巷道工程,另一个是开采工程。 现在国内外的采矿方法叫长壁开采。

  那么长壁开采简单地说是什么呢?比如说一个工作面,我需要有两个巷道,也就是打两个通道,通过这两个通道把我的材料,把采的煤给它运出来,这叫一个工作面。这个采完了,再采下一工作面怎么办呢?我要留一个煤柱。为什么要留一个煤柱?因为我采这个工作面的时候它有很大的压力,这个压力就是压着相邻煤层,不能接着采。然后到正常区里再打两个巷道,再到中间采,这就是一个工作面,两个巷道,一个煤柱,这个方法我们给它叫做121开采体系。”

  121工法的特点

  采掘比例失调、生产接替紧张,一直是困扰煤矿生产组织和安全管理的难题,如何提高煤炭开采的安全性、降低成本、提高开采效率是我国煤炭科研工作者的探索方向。

  中国工程院钱鸣高院士提出了以砌体梁理论为基础的121大煤柱工法;中国科学院宋振骐院士提出了以传递岩梁理论为基础的121小煤柱工法;引领了我国煤炭开采领域的两次技术变革,每一次采矿技术的变革,都让我国的煤炭开采利用效率大幅度提升。

  “煤矿每年要打多少巷道?我们国家每年要打一万多公里的巷道,12000到13000(公里)这样一个巷道。这个巷道相当于什么?相当于我们大约三年的时间,沿着这个地球打一圈,就是这个工程量是很大的。

  过去巷道工程和开采工程,完全是两个。先进行巷道工程,然后进行开采(工程),它是分开的。而且开采工程对现有的巷道工程还有干扰,就是它一开采有一个力,可能就把它(巷道工程)扰动坏了,实际它扰动坏了就容易出问题,所以中间还要留个煤柱。这个煤柱是不能开采的,这个煤柱大概占多少?占差不多20%,就是你40亿吨的煤炭,每年大约动用储量是50个亿,这10个亿就不能够(再开采),就浪费掉了。

  我们国家还有一个安全问题,安全问题是什么?我们国家煤炭系统伤亡是比较多的,91.25%的事故出在哪?都是出在巷道。打巷道的时候,巷道有空井作业,现在开采的面很少,开采面为什么(少)? 那就是都有一个很好的支固,很好的支架,这个安全问题是一个很大的问题。还有一个打一米巷道是很需要花钱的,而且打巷道非常辛苦,我做软岩巷道实际上是配合他们巷道工程打得又快又稳定。”

  110巷道

  “110就是一个工作面,我只需要打一个巷道,把121变成110,零个煤柱,就是取消了一个巷道的掘进。我巷道还有,但是那个巷道不是打出来的,是自动形成的,用开采工作面的方法让它来形成一个巷道,这样就不用打了。

  所以它只需要打一个巷道,就是一个工作面只需要打一个巷道,不留煤柱了,没有煤柱了,就是110,这就相当你多采了20%的煤炭。”

  新工法

  目前110工法已经开始在我国煤炭行业广泛推广,然而,何满潮院士团队的创新脚步不止一次,已经进入实验阶段的N00工法,将为我国煤炭开采领域带来更大的变革。

  “N00就是我一个盘区大概有N个工作面,我一条巷道都不要,N个工作面,零个巷道的掘进,零个煤柱,就是无煤柱,没有巷道掘进,但它还是有巷道,它不是无巷道,而是无巷道掘进,就是巷道我不是掘出来的,我巷道是通过工作量自动形成的。

  我们现在正在做的N00工法的实验,大概今年(2016年)年底实验结束,如果N00实验结束,我们国家的煤矿(开采效率)将产生一个很大的幅度(的提升)。

  N00而且再往前走,就有可能实现无人化,如果实现无人化煤矿(开采),安全事故就会根本的解决。如果110工法能把安全事故减少很多的话,N00将来就非常安全,非常大的一个转变。

  所以这是我们最新的更好的方法,不要像过去我们用很多新的材料,我现在不打巷道了,一个工艺的改变,一个开采方法的改变,一个变革,那么它会带来一个革命性的进步,对控制灾害来讲带来一个革命性的进步,这就是目前发生在煤炭的这一二十年发生的故事。”

  未来目标

  “我今年是我的花甲这样一个年龄。我记得我30岁的时候进入到博士的行列,大概也用了将近30年时间进入到了院士的行列。

  如果上帝还能我给30年,我未来的方向就是N00,把110的普及工作做好,把N00的研究和普及工作做好,这个N00将是我们国家煤炭能源作为一个支柱能源它(开采的)发展方向,也将会带动国外在煤炭开采上起到推动和引领的作用,如果是这样的话,我今后的几十年就是做这个事情。”

  如今,N00工法及关键装备已被写入《中国制造2025----能源装备实施方案》,成为未来10年进行技术攻关的煤炭采掘装备之一。 以110-N00工法为代表,我国煤炭开采技术的第三次变革正在向自动化、智能化、无人化的方向迈进。

  相信随着科学技术的进步,我国的煤炭资源必将得到更加合理的开发利用,科学技术让煤炭开采更安全、更高效、更智能。

  用科学技术努力的减少矿难,为矿工的生命安全,为国家安全开采、能源安全保驾护航,这正是何满潮院士团队源源不断的科研动力。

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