专攻“黑”科技 提升“绿”含量

  ■团队在矿井地质构造和灾害源探测关键技术与仪器研发方面取得突破，应用于全国50多个矿井，为有很大成效避免煤矿安全事故发生提供了坚实技术支撑

  ■如今，在新疆、内蒙古、陕西、宁夏等地，团队的生态修复工程已开花结果，建立了10余个生态修复示范基地，累计修复面积超过10万亩，守护着这片土地的“绿水青山”

  被地层包裹的煤矿矿井下，是一个由钢铁、矿物和岩石交织而成的世界。庞大的采煤机如同地下穿行的钢铁巨兽，举起截割头缓缓地在煤层上移动，每一次转动都带起一阵煤尘的旋舞。掉落的煤炭汇聚成一条黑色的河流，沿着传送带源源不断地流向地表。

  事实上，采煤机这台“钢铁巨兽”并非来去自由，在亿万年复杂地质作用下形成的地层中，潜藏着断层、褶皱、地下水、瓦斯等众多影响正常掘进的障碍，如果不能提前预见并加以防范，施工全套工艺流程中一旦遇到，轻则停机延误生产，重则造成人员受伤或死亡。因此，采煤机的开机率是一个能综合反映煤矿开采过程中设备适应性、对煤层地质条件了解程度、组织管理上的水准等因素的重要参数。

  20世纪90年代至今，我国煤矿机械化生产开机率从不到40%提高至90%以上。这背后，有中国矿业大学（北京）煤矿安全开采地质保障与生态修复团队（以下简称“团队”）的突出贡献。日前，这个团队被党中央、国务院授予“国家卓越工程师团队”称号。

  煤矿开采过程中，精准预测地下地质构造是必要条件，这也是煤矿安全生产地质保障工作的基础。

  “煤矿机械化开采过程中遇到一个3—5米的断层就要停产搬家，一次搬家要花费1个月时间，经济损失能达到几千万元。”团队负责人、中国工程院院士、中国矿业大学（北京）教授彭苏萍说。

  地下世界像一张岩石构成的千层饼，这些岩层并不是整齐排列的，在亿万年复杂的地质作用下，有的地方厚，有的地方薄，有的地方以复杂的角度彼此交错，有的地方甚至完全缺失。

  地震波在地层中传播时，遇到不同性质的岩层后会产生反射、折射等现象，通过对这些地震波信号做多元化的分析，可以推断出地下不同岩层的性质、结构和形态。三维地震勘探是利用上述原理，设计相应的工作流程，对人工激发的地震波信号进行收集、处理、分析，进而构建起勘探区域的三维图像。这样的一个过程因为原理上与医学领域使用CT进行诊断有诸多相似之处，因此常被比喻为“给地球做CT”。

  给矿井“做CT”，彭苏萍和团队是国内最早一批“吃螃蟹”的人。20世纪90年代初，彭苏萍领衔的团队与安徽煤田地质局、淮南矿务局合作，在位于安徽淮南的谢桥、潘三煤矿进行了高分辨三维地震勘探。项目实施得很成功，为后面这项技术大范围的应用于煤矿地质构造预测打下了良好基础。

  不过，把三维地震勘探应用于煤矿地质构造探测的过程，远非看上去那样一帆风顺。这项脱胎于石油勘探的技术，在应用到煤矿之初时还存在着一系列“水土不服”的情况。

  石油勘探关注的地层深度大多在1000米以上，而煤矿勘探的目标地层要浅得多。看起来都是使用三维地震勘探，但二者要解决的问题和对精度的要求有很大区别，很多石油勘探领域成熟的经验都不能直接移植到煤矿上来。

  工程实践中，在理论可行和解决实际问题之间，往往还隔着一条巨大的鸿沟。要跨到对岸，没有捷径可走，只能立足基础原理，在“试错—分析—调整”的循环往复中不断寻找相对最优解。上述工程问题探索攻坚的过程，正是对这支高校科研团队“工程师”属性的最佳注释。

  服务国家战略，专注解决工程实践中的“硬骨头”问题，是彭苏萍一开始就给团队定下的发展趋势。“我要求大家必须要多跑工程现场，只有自己掌握情况、拿到数据，才有底气。”彭苏萍说。

  “脚踏实地、不怕吃苦、能打硬仗”是这个团队鲜明的底色：下完矿井脸上粘满黑色的粉尘，一趟野外考察下来从头到脚全是土……采访过程中，多位小组成员向记者展示了手机记录下的大家在工程一线的“狼狈”样子。

  多年来，围绕矿井地质构造的高分辨识别和精确定位、煤矿顶板岩性和稳定能力预测、煤矿瓦斯灾害隐患识别及矿井突水构造预测等工程问题，团队在矿井地质构造和灾害源探测关键技术与仪器研发方面取得突破，应用于全国50多个矿井，为有很大成效避免煤矿安全事故发生提供了坚实技术支撑。

  时下，智能化建设正成为煤矿发展的主攻方向，其核心特点是在掘进、采煤、运输、安全监控等各环节广泛引入自动化作业，实现井下生产的少人化甚至无人化。

  煤矿智能化建设，不仅需要有反映矿井精确地质构造的静态数据，还要在生产的全部过程中实时获取更高精度的动态数据。

  以采煤机的作业为例，其运行过程中，要依据前方煤层厚度及时作出调整截割头深入煤体的深度。截深过浅会导致采出率偏低造成浪费，反之则可能使截割头切入岩石，造成煤炭混入杂质、磨损齿轮，甚至在瓦斯浓度高的区域引发爆炸。

  要实现这套作业的无人化，首先要解决煤岩层位的智能区分问题，基于对前方煤层厚度的预测，及时调控采煤机的工作状态。相比识别断层、陷落柱等地质异常体，区分煤岩界面对探测手段在识别精度方面的要求又提高了一个数量级。

  与以地震波为媒介的地震勘探不同，地质雷达通过发射天线定向发射的高频短脉冲电磁波在地下传播，检测被地下地质体反射回来的信号或透射通过地质体的信号，来对探测目标做多元化的分析。由于电磁波在地层中衰减速度很快，其探测范围远不如地震波，但由于频率高、波长短的特性，可以“看清”小得多的地下构造。

  原理看起来并不复杂，但事实上，要制造出适合矿井下使用的地质雷达还面临大量工程实际问题。例如，为避免产生电火花，满足井下防爆要求，地质雷达设计要限制天线发出的电磁波频率，但这反过来又会约束雷达探测范围，难以满足实际作业需求。

  彭苏萍带领团队从20世纪90年代中期起步，最初从分析国外地质雷达仪器结构入手，经过10余年努力，研发出矿井灾害源超深探测地质雷达装备。

  做到这一步，还无法完全满足智能煤矿对实时探测的需求。面对矿井下复杂的地质条件，地质雷达要做到跟采煤机实时联动，就要在距探测界面还有一段距离的情况下仍能正常工作。要实现这个目标，涉及从雷达硬件设计到数据处理算法等方面的一系列创新。

  “从电路设计到信号处理算法的开发，（团队）都是自己动手，当时光天线多种，一次不行就再改，逐渐摸索着把参数定下来。”一位长期参与这项技术攻关的小组成员回忆说。

  上述成果不仅应用于矿井。夜深人静时，在北京等城市的街头，或许能碰巧遇见彭苏萍和团队的成员们——他们在给城市的地下空间“诊脉”。

  我国城市地下空间起步晚，但发展迅猛，地质调查还很不充分，地下安全形势严峻。基于研发矿井探测设备技术的积累，团队研发了城市道路地下病害车载探测装备及技术、城市地下空间超深探测装备及技术、城市地铁隧道多功能快速检测装备与技术、城市地下管道全空间智能检测装备及技术，形成了城市道路病害与安全隐患综合探测系列装备。

  2009年至今，团队自主开发的城市地质雷达探测装备成功应用于多次重大活动的市政道路、地下管线和地铁隧道等安全保障工程检验测试，出色地完成了保障重大活动交通安全的任务。

  专注煤矿开采和长期研究煤矿的生态修复，看似矛盾的两个研究方向，彭苏萍和团队一直在坚持同步推动。

  我国西部广袤的干旱半干旱地区，煤炭产量占全国的50%以上。然而，这里的水资源却极其稀缺，不足全国总量的4%。在这片本就水源紧张的土地上，煤炭的开采使地下水位不断下降，生态环境因此承受着更大的压力。

  彭苏萍深知，若在煤炭开采的过程中忽视对水资源的保护和利用，将会使这片土地的水资源更加捉襟见肘，严重制约煤炭产业的发展。遗憾的是，以前的技术和方法，尚无法支撑煤炭开采与生态环境的和谐共生。

  但团队并未放弃，他们深入西部煤矿区，经过长时间的监测和研究，惊奇地发现煤炭开采造成的岩层裂隙，竟与耕作时的松土有着异曲同工之妙，这或许能缓解干旱半干旱地区易发的次生盐碱化问题。这一发现，仿佛为黑色与绿色之间搭建起了一座桥梁。

  “我们发现，在对煤炭开发地区的土地整治和人工修复后，植物多样性和繁茂程度比原始状况有显著提升；煤炭开采后，地下水和生态环境存在自修复现象——特别是干旱的盐碱地环境，煤炭开采后盐碱地面积大幅度减少，生态推动作用显著。”彭苏萍说。

  通过不懈地定位监测，团队发现适度的裂缝发育有助于矿区生物多样性的保护和ECO的稳定。而后，他们运用物探监测技术，揭示了岩层和地下水受扰动的程度与范围，创新性地提出了地下水资源保护与综合利用技术，改变了传统保水开采的被动做法。

  团队以开采为驱动力，在时间和空间上，系统研究了矿山开采对上覆岩层、水资源、土地资源和生态环境的影响，以水资源保护利用为前提，提出西部煤矿区生态修复的多种模式。

  如今，在新疆、内蒙古、陕西、宁夏等地，团队的生态修复工程已开花结果，建立了10余个生态修复示范基地，累计修复面积超过10万亩，守护着这片土地的“绿水青山”。

  在2022年度中国煤炭工业协会科技奖的评选中，中国矿业大学（北京）矿山生态修复创新团队获评“科学技术创新团队奖”。

  “这份荣誉是对团队多年来在煤矿区水资源保护利用及生态修复领域辛勤耕耘的最好肯定。”彭苏萍感慨道。（本报记者 李澈）