承担国家级项目44项，获国家技术发明奖二等奖1项、国家科技进步奖二等奖10项、省部级一等奖6项；建成全国首个冲击地压远程在线监控预警平台，发射“矿大南湖号”智慧矿山专用卫星；首创煤基固废充填与采煤一体化技术，实现固废近零排放、地表近零沉陷……这是中国矿业大学煤炭资源绿色智能开采教师团队近五年来的科研成果。

这支队伍的前身，是1952年成立的中国矿业大学采矿教研室。七十余年来，从这里走出了钱鸣高、陈清如等中国工程院院士，也产生了屠世浩、窦林名等名师，还有袁永、李桂臣、张强、曹安业、马丹等青年学者。一代代教师深耕不辍，支撑矿业工程学科连续五轮获评全国A+、在软科世界一流学科中排名第一。

如今，该团队主攻煤矿绿色高效智能开采、动力灾害防控、煤基固废处置等前沿技术，致力于打通“问题—理论—技术”的研发链条，把论文写在千米井下。

把“不可能”变“我能”

深耕绿色充填开采创新之路

煤矸石是我国存放量最大的工业固体废物之一。

数据显示，我国煤炭开采产生的煤矸石累计堆放量超过60亿吨，占全国工业固体废弃物的20%以上，形成大量矸石山，不仅大面积压占土地，还会滋生自燃、滑坡等安全隐患，严重破坏矿区生态环境、制约煤炭行业绿色发展。

中国矿业大学矿业工程学院院长、教授黄艳利深耕采矿领域多年，常年奔走于各大矿区，行业痛点让他陷入深思。大量赋存于建筑物下、铁路下、水体下的“三下”煤炭资源，受开采技术限制长期无法开采，大量优质煤炭资源被闲置浪费。

一边是固废堆积的生态难题，一边是资源闲置的发展困境。能不能用矸石回填采空区，既破解固废污染难题，又盘活闲置煤炭资源？

最初，这套以废治废、填采结合的创新思路，被业内不少人认为是难以实现的设想。但黄艳利坚信，科研的意义，就是打破局限、攻克未知，把行业的“不可能”变成产业发展的“我能”。

从攻读博士学位开始，黄艳利便锚定煤矿矸石固废充填开采与生态保护这一核心方向，扎根科研一线。

“搞采矿科研，不能只待在实验室里，必须扎根矿区、深入井下。”多年来，黄艳利始终保持着高强度的科研节奏，一年有150多天扎在各大矿区，往返于煤矿生产一线、教室与实验室之间。

黄艳利的学生、如今已是博士后的李俊孟记忆犹新：“黄老师对待科研严谨极致、以身作则，实地调研从不畏难，坚持下井跟班作业，和团队学生加班攻坚、深耕试验到深夜是常态。”

煤炭资源绿色智能开采教师团队成员在实验室探讨采掘方案

安装监测设备、优化充填工艺……每一项工作都要在真实的采煤环境中完成。有时候遇到技术难题，他们就蹲在巷道角落里就着冷包子开讨论会。

这种“死磕”精神，终于结出了果实。黄艳利团队研发出成熟的固体充填采煤技术，配套研发的固体充填采煤液压支架、底卸式刮板输送机等核心装备，构建起适配不同矿区的矸石固废充填开采工艺体系，有效控制顶板覆岩稳定性，精准破解“三下”压煤开采难题。

这套技术体系彻底颠覆了传统采煤模式，实现矸石固废井下消纳、闲置煤炭资源盘活、矿区生态保护的多重突破，成为国内煤矿绿色开采的核心关键技术。

技术落地见效后，黄艳利并未止步不前。聚焦不同地域矿区的差异化痛点，针对生态脆弱矿区水资源流失、矿井水浪费等难题，他牵头研发风蚀地貌干旱矿区水资源保护性开采与矿井水综合利用技术，攻克干旱矿区生态保护与煤炭高效开采兼顾的技术瓶颈，实现矿井水近零排放。

目前，黄艳利团队的充填开采系列技术已广泛应用在山东济宁、安徽淮北等10余个大型矿区，累计无害化处理矸石、粉煤灰等矿山固废1108万吨，盘活开采闲置压煤921万吨，为行业创造数十亿元经济产值。

把问题变答案

解决软岩巷道遇水泥化难题

随着浅部煤炭资源逐步开采殆尽，我国煤矿开采向千米井下挺进。而深部软岩巷道遇水泥化失稳问题，是长期制约深地资源安全高效开采的世界性工程难题。

“软岩巷道遇水泥化是行业难题。”中国矿业大学能源资源战略发展研究院院长、教授李桂臣说，“以前下井时经常看到维修大巷区域，岩石因遇水变软没有承载能力而变形失稳，影响正常生产。”

井下巷道是煤矿生产的“生命线”，一旦支护失效引发垮塌，直接威胁作业人员生命安全。

李桂臣介绍：“软岩泥化巷道是指煤系沉积岩层受水岩作用显著影响，因之失稳、大变形的工程通道，其所在岩层的泥质矿物含量通常在50%以上。”

这类巷道分布于安徽、贵州、内蒙古、新疆等水文地质条件复杂的矿区，且随着开采深度和强度增加，极易发生泥化垮冒。

煤炭资源绿色智能开采教师团队成员在矿山一线

在安徽涡北煤矿，李桂臣遇到“卡脖子”难题。

该矿8米厚的煤层呈散体状粉末结构，传统锚杆、架棚支护全部失效，巷道掘进停滞。

转机来自一次偶然的观察。

李桂臣在建筑工地上看到打地基，用的是高压旋喷技术。他联想打地基的技术，将旋喷由垂直改为水平，利用自主研制的小型装备切割煤体的同时喷出浆液，形成加固圈，稳定后再挖掘中间煤层，最终成功开掘巷道，解决了松散煤体的支护难题。

李桂臣说，不同矿区的软岩泥化机理完全不同，有的遇水物理软化，有的遇水完全泥化，“先搞清楚‘病因’，才能开‘药方’”。

围绕软岩泥化失稳这一核心问题，李桂臣团队建立软岩水岩作用“微—细—宏”耦合关联机制，形成了软岩泥化巷道多层次强化稳定控制理论，建立了“锚固界面—承载结构—围岩环境”梯级改性强化控制技术体系。

李桂臣团队的这套技术体系在国内多个煤矿推广应用，取得了显著成效，斩获安徽省科技进步奖一等奖。

安徽芦岭煤矿西轨道大巷泥质岩体遇水软化，改良围岩性质后岩体强度与支护刚度显著提升，锚固极限承载力提高30%以上；安徽涡北煤矿运输大巷围岩软弱破碎导致锚固失效，采用高压旋喷技术进行加固，显著降低锚杆（索）失效率；安徽朱仙庄煤矿运输大巷高承压水致围岩泥化，通过置换软弱岩体形成强韧封闭层，巷道收缩量大幅降低。

李桂臣说：“这套技术体系在安徽淮北和贵州、内蒙古等十几个矿区推广应用，解决了过去修了垮、垮了修的难题。”

防治冲击地压

给深部开采“号脉”

煤炭资源绿色智能开采教师团队成员、深部煤炭资源开采教育部重点实验室副主任曹安业师从窦林名，是国内最早研究冲击地压的专家之一。

冲击地压是深部开采中最致命的灾害之一，通俗地讲就是“岩层爆炸”——深部煤岩体承受巨大应力，一旦失衡，瞬间释放的能量能把几吨重的液压支架掀翻，造成巷道整体变形、坍塌。

浅部资源逐步枯竭，深部开采成为必然，冲击地压矿井数量随之增加。对此，窦林名意识到，必须用新技术给冲击地压“号脉”。

“矿山微震监测环境多变且传播路径复杂，导致震动波波形复杂且易受噪声和干扰信号影响。”曹安业表示。

窦林名、曹安业带领团队开展微震数据智能处理研究，形成基于深度迁移学习的矿山微震自动定位方法，并通过近10万条矿山微震数据集的迁移学习，实现矿山复杂环境下微震信号的智能处理。

窦林名、曹安业带领团队构建了基于不同冲击地压类型的“应力—震动—能量”三场多参量监测预警指标体系，研发出多元融合权重自适应预警模型，形成冲击危险区源头判识及全时空智能预警理论技术。

该成果先后获得日内瓦国际发明展金奖（2024年）及发明展最高奖——评审团特别嘉许金奖（2026年）。

陕西正通煤业公司冲击地压、水、火、瓦斯四重灾害叠加，连续多年亏损。

窦林名、曹安业带领团队接下项目，组建了跨校、跨国的联合攻关团队，同步推进多个课题。

从2019年到2023年，该团队在正通煤业公司“蹲”了四年，每天至少保证2人至3人在现场。四年里，正通煤业公司没再发生过冲击地压事故。生产正常后，该公司于2021年扭亏为盈。

如今，该团队建成的冲击地压多参量综合预警云平台已接入全国近100座冲击地压矿井的实时数据。该平台工作界面实时更新矿井冲击地压危险等级，各矿井工作面危险等级一目了然。

元宇宙沉浸式CAVE教学中心

“目前，我们做不到预测几点几分发生冲击地压，但能告诉你危险是否在上升、高危险区在哪。一旦发现风险上升，就及时控制割煤刀数，把开采强度降下来。”曹安业说。

该平台可集成微震、应力、地音等监测方式，以及大直径卸压、煤层注水、卸压爆破等治理信息，实现由点、局部、单参量监测到多场、多参量、区域及时空协同预警的转变。

截至目前，国内已有50%以上的冲击地压矿井应用该团队研发的多参量智能判识预警技术。

研究突水灾害治理

推动探索地热开采

煤炭资源绿色智能开采教师团队成员，中国矿业大学教授、绿色智能开采研究所所长马丹长期从事煤矿突水灾害防控研究。

突水灾害发生过程中，会有大量的岩石细小颗粒被迁移带出，逐渐形成突水通道，最后诱发突水。

马丹说：“突水灾害不仅对矿工生命构成威胁，而且这种大量高温高矿化度矿井水的排放，也会破坏矿区脆弱的生态结构。”

在研究过程中，马丹注意到一种现象：深部矿井涌出的水，温度往往在40摄氏度至50摄氏度之间，矿化度比较高。

“以前它就是‘灾害源’，排到地面还要处理，成本很高。”马丹说，“但换个角度设想，40摄氏度的水，不就是地热吗？”

如果能把这些“废水”变成热源，煤矿不仅是能源生产基地，还能成为能源输出基地。

2019年左右，马丹开始带着团队进行攻关，先后开展了理论建模、数值模拟等实验验证工作。

怎么采热？直接打井抽水，成本太高。马丹想到了断层。

断层是地壳中的破裂带，岩石破碎、裂隙发育，渗透性远高于完整岩层。在很多矿区，断层恰恰是突水灾害的罪魁祸首——水沿着断层涌进巷道。但反过来，如果利用断层的高渗透性，它就可以成为地热水的“天然管道”。

“我们在内部进行讨论，有资深教授说，到底是防灾还是引灾？”马丹回忆，“他们的担心有道理——断层渗透性本来就难控制，你再去‘利用’它，万一把水引到不该去的地方，可能会达不到预期效果。”

“搞科研被质疑是常态，得拿出东西来证明。”马丹说。

智慧矿山工业级实景教学中心

马丹带着团队自行设计并开发了一套热—流—固耦合三轴渗流试验系统。马丹团队使用这套系统反复开展导水断层岩体热—流—固耦合特性试验，揭示出不同变量对断层渗透性的具体影响规律，发现问题的关键在于开采深度。

模拟结果显示，当地热开采深度达到一定水平后，应力场对断层渗透性的控制作用会超过水压的影响，突水风险反而会降低。

“通过不断尝试，我们发现，当开采达到一定深度时，反而更安全、更高效。最终，我们找到了一个稳定的阈值。”马丹说。

该团队搭建起一套高温高压渗流实验系统，模拟千米深井的温度和压力条件，反复测试，验证模拟结果。

基于上述研究，马丹团队提出了“采动先行—采热跟进”的深部煤炭与地热协同高效开采方法：工作面推进后，先圈定底板高渗区范围，随后沿其长轴布设生产井和回灌井，实现地热资源的高效开发。

研究成果表明，在一定的深部开采条件下，利用断层开发矿山地热具备可行性。这个方向后来被提炼为“矿山地热协同开采”概念，成为绿色矿山建设新思路。

马丹说，这项研究的价值体现在三个方面：一是丰富了绿色开采的内涵，二是可以延长矿井的使用寿命，三是对矿区社会稳定有积极作用。煤采完了，矿工的工作可以变采煤为采热。

上述是煤炭资源绿色智能开采教师团队代表在各自研究领域的深耕和探索，并将一直持续下去。

“我们这一代采矿人，不用像老前辈那样在戈壁滩吃苦受罪，但爱国奋斗的根不能丢，要继续在智能化绿色化转型的新赛道上跑出加速度。”黄艳利说。

作者：王琳 王静姝 李秀

原文链接：在煤炭绿色智能开采路上深耕不辍