【矿大人物】煤岩体水力致裂的领跑者

发布者:系统管理员发布时间:2015-12-31浏览次数:141


上天容易,入地难。

我国煤炭资源分布不均,地质条件复杂,煤矿中的坚硬顶板、冲击地压、低渗透性煤层瓦斯抽采、煤与瓦斯突出等一直是制约矿井安全高效生产的技术难题。这涉及一个共性的核心问题——煤岩体结构改造,即在煤岩体中人工增加裂缝,弱化其强度、改善其渗透性等。

与传统方法不同,我校矿业学院黄炳香教授独辟蹊径,开拓了新的研究方向——煤岩体水力致裂。

他研制了煤炭行业唯一的大尺寸真三轴水力致裂实验系统,多年攻关研究形成了煤岩体水力致裂的理论与工艺技术体系,成功应用于山西、内蒙古、河南等省(自治区)数个矿区的30多个工作面。他还对煤层气地面井水力致裂增产,页岩气、可燃冰开采技术难题开展了相关研究。


独辟水力致裂方向

个子不高,身材瘦削,在平常人眼里一副文弱书生模样的黄炳香却有着异乎寻常的拼劲。

1978年,黄炳香出生于一个贫苦家庭,祖辈几乎每代都有教师。黄炳香从小就学习刻苦,1997年高考时,机缘巧合进入西北地区唯一一家矿业类院校的西安科技大学采矿工程专业读书。

当时煤炭行业极不景气,同专业中不少学生都很苦恼,闹专业情绪。然而,黄炳香没有随波逐流,他认为,“既然来到了采矿专业,就要不怕苦,敢吃苦,将专业学好。”

要学会游泳,必须要下水。黄炳香深知,“采矿专业是理论和实践并重的学科,要将专业学好,就必须跟煤矿打交道。”为此,从大一开始,当其他同学惬意地享受假期时,黄炳香就已经进入陕北的大柳塔煤矿(神华)实习。

“大柳塔煤矿当时仅有691人,所有的装备都是进口的,只有通信系统是我们国产的。”黄炳香回忆道。一种强烈的社会责任感油然而生,促使黄炳香树立坚定的信念,一定要学好专业,“要让煤矿都能用中国的技术与设备。”

2001年,黄炳香因为各方面表现突出,成为本专业唯一一名被免试推荐的研究生。

“本科毕业是7月1号,我7月2号就跑到刚刚发生瓦斯爆炸的陕西陈家山煤矿,在那里一待就是两个半月。刚开始下井由矿上的人带着,到后面根本都无须人带,自己一个人下去干活,一个人上来。一直到研究生开学了,我才回到学校。”

研究生三年里,当别人花前月下,尽享青春快乐时,他却在实验室一待就是一天,常常忙得顾不上吃饭。凭着这种拼劲,黄炳香又以优秀的成绩硕士毕业,并来到了我校采矿工程系任教。

能者多劳,智者多忧。一直以来,煤矿中的坚硬顶板、冲击地压、低渗透性煤层瓦斯抽采、煤与瓦斯突出、坚硬厚及特厚煤层综放开采等是制约矿井安全高效生产的技术难题。解决这些技术难题涉及一个共性的核心问题——煤岩体结构改造,在煤岩体中人工增加裂缝,弱化其强度、改善其渗透性等。

为了攻克这个难题,在学院的殷切期望和大力支持下,黄炳香成立了水力致裂课题组,主要研究煤岩体水力致裂理论及其在煤矿的各方面应用。

万事开头难。水力致裂在我校是一个新的研究方向,他亲力亲为,日夜奋战,广泛查阅最新资料,进行大量基础实验,分析大量数据。有时为了一个细节,一个数据,黄炳香更是没日没夜地做实验,一做就是一整天。晚上十点多,学生晚归时常常看到他仍然静静地在办公室聚精会神地推敲论文。

皇天不负有心人。黄炳香自行研制了大尺寸真三轴水力致裂实验系统,具备流压致裂、渗流、驱赶瓦斯、水力割缝(70MPa)等一体化功能;系统研究了煤岩体水力致裂的机理与裂缝扩展规律,揭示了采动煤岩体水力致裂弱化的时空关系,提出了较为系统的煤岩体水力致裂控制方法;提出并研究了煤层水力致裂(注水)的驱赶瓦斯理论、深孔水力致裂驱赶瓦斯浅孔抽采的增透与消突方法、基于水力致裂驱赶的煤层强度弱化、增透、消突、减尘等的一体化方法。


研以致用服务煤矿

一种新技术的开发,从实验室迈向工业化,转化为生产力,要经历一个漫长的攀登过程,水力致裂技术也不例外。

当黄炳香埋头钻研,基础实验研究取得进展时,又迎来了新问题。采矿是一门很注重实践的学科,大量的理论分析和实验室研究成果急需在现场应用中试验验证。但由于水力致裂对于煤矿来说,还是新型技术,很多煤矿不愿去承担风险,这使得黄炳香有了技术,却苦于没有用武之地,这让他更加体会到了创业的艰难和不易。

然而,黄炳香坚定地认为自己的研究课题、思路和方法可行,一定能做出实用成果。无论遇到什么困难,他从不放弃,从不退缩。

为了能够在现场进行水力致裂技术试验,向企业证明水力致裂技术的可行性,他跑遍了徐州周边的煤矿集团,终于神火集团的一个煤矿同意了试用水力致裂技术。为了得到第一手的现场资料,为了在现场更好地检验出效果,黄炳香带领研究生在现场跟班,他们常常在现场喝凉水,啃面包、方便面。就这样,一呆就是几十天。

随后,神华神东集团的一个煤矿因长壁工作面端头悬顶的控制问题找到黄炳香,煤矿仅能给予5万元的材料费进行试验。试验取得很满意的效果,神东集团公司的高层领导下井考察效果后,将神东公司中有类似问题的6个煤矿统一交由黄炳香进行解决。黄炳香更忙了,但只要想到能够帮助解决煤矿安全生产问题,他就劲头十足,忙得不亦乐乎。

面对山西大同矿区典型的坚硬顶板,波兰专家多年试验坚硬顶板水力致裂,均未致裂开,每每以失败告终。之后,黄炳香课题组接下了这个难题,现场的很多人员对此表示怀疑:“波兰专家都解决不了的问题,他们能解决?”

而为了解决好现场的问题,也为了证明自己的技术可行,黄炳香采用自己研发的成套技术与装备,开始坚硬顶板水力致裂试验。

施工的时候正好赶上春节前后,黄炳香放弃了跟家人团聚的机会,只休息了6天,就赶回到矿上继续工作。经过充分的准备,试验取得圆满成功,一次性成功致裂开大同这个铜墙铁壁的顶板,取得突破性的进展。

同煤集团领导都赞扬这次成功试验意义重大,同煤集团总工程师于斌说:“矿大黄炳香的技术为我们同煤集团实实在在解决了现场技术难题。”试验煤矿给黄炳香及其参加试验的研究生每人赠送了纪念品,以表谢意。

2013年的春节前夕,在加拿大英属哥伦比亚大学做访问学者的黄炳香从国外回来。第二天,他就匆匆赶到山西朔州麻家梁煤矿现场。到达煤矿时已经是下午一点多,黄炳香就在矿门口的小餐馆简单扒了几口饭,来不及和矿上领导打招呼,就和研究生一起下井去水力致裂施工现场调研。

在井下的十几个小时,黄炳香认真观察记录井下的各种事项,询问现场情况,并反复叮嘱大家注意安全。检查完施工现场,黄炳香不顾劳累,又抓住这个难得的机会,带研究生在煤矿井下其他非施工的巷道和工作面进行参观调查,给他们讲解有关煤矿的专业知识。升井时已是午夜时分,穿着笨重的工作服长时间在阴暗潮湿的煤矿井下跋涉让大家都很疲惫,然而黄炳香却毫不在意。

哪怕是很小的煤矿现场问题,黄炳香都认真去解决,因此备受煤矿现场技术人员的好评,仅2013年一年签约现场研究项目就达5项。

随着水力致裂的成功应用,越来越多的煤矿开始主动找中国矿业大学寻求水力致裂的技术支持。从2009年至今,黄炳香从四处寻求煤矿进行试验,到神华神东集团、同煤集团等全国大型煤炭企业主动寻求合作,彻底扭转了被动的局面,得到了大家的一致认可。如今他已形成了“理论—技术—装备—技术服务”的发展模式,并取得了辉煌的成绩。


科技成果领跑国际

科学需要忘我的献身精神和严谨的治学态度。而黄炳香正是凭着献身科学的精神,在水力致裂的研究方向上渐行渐深。

黄炳香钻研开发出能控制坚硬顶板、坚硬顶板下沿空留巷、保护临空巷道、应力定向转移等的顶板定向致裂技术,采用这套技术与装备避免了工作面强矿压显现,消除了悬顶突然垮落导致的瓦斯超限,提高了资源采出率,为坚硬顶板煤层井工开采的安全及围岩控制等提供了新的解决思路和方法。

这项技术成功解决了大同塔山、同忻等煤矿坚硬顶板临空巷道冲击地压与大变形等技术难题,成功解决了神华神东公司综采面端头悬顶控制的安全问题,技术效果更是得到了现场的充分验证。

放顶煤开采是特厚煤层的主导采煤方法。我国的坚硬特厚煤层储量丰富,特别是陕、甘、宁、新等西部地区分布着大量的坚硬特厚煤层。坚硬顶煤的冒放性控制是个技术难题。黄炳香提出基于顶煤水力致裂弱化与老顶(定向)水力致裂诱导矿压破煤,形成了顶煤顶板水力致裂控制顶煤冒放性的方法。煤体压裂与岩石压裂有本质区别,且顶煤冒放性控制的要求与坚硬顶板控制不同。在不采用炸药的条件下,应用小孔径多孔线性水力致裂等技术与装备,实现了顶煤的及时充分破碎垮落,顶煤破碎块度满足正常放煤要求。该技术已在榆林柳巷煤矿等多个煤矿应用,尤其在不适宜爆破的高瓦斯矿井具有显著的技术经济效益。相关院士、专家鉴定,坚硬特厚煤层综放开采顶煤水力致裂控制理论与技术达到国际领先水平。他作为第一完成人获得了中国煤炭工业协会颁发的中国煤炭工业科学技术一等奖。

目前,他的研究成果已在大同煤矿集团、神东集团、华北油田煤层气公司等全国大型集团公司的23个矿井和2个煤层气田推广应用,在解决现场技术难题中已取得显著实效。

黄炳香主持的多项国家自然科学基金项目、教育部新世纪优秀人才、江苏省六大人才高峰等项目受到同行的认可和好评,发表论文50余篇(SCI、EI检索33篇),出版《煤岩体水力致裂理论及其应用》等专著2部,获发明专利8项等。

他学术思想活跃、治学态度严谨求实,获得了国家优秀青年科学基金(2015)、江苏省“六大人才高峰”A类(2014)、教育部新世纪优秀人才支持计划(2012)、孙越崎青年科技奖(2012)、江苏省“333人才培养工程”中青年科学技术带头人(2013)、江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师(2012)、江苏省优秀博士学位论文(2010)等荣誉与奖项。

与此同时,黄炳香31岁便被破格评为副教授,33岁被评为博导,35岁破格晋升为教授,是中国矿业大学优秀创新团队首席专家、中国矿业大学学术骨干。

矿业学院院长张农教授说,“黄炳香是非常优秀的青年教授,科研很拼搏,同时,能做到公私兼顾,乐意为学科和大家服务,有很强的大局意识。”

黄炳香总是一心扑在工作上,不讲究吃穿,生活很简朴。学生反映,每次上课都会看到他穿着一双已经发旧但依旧干净的黄色皮鞋。

如今,黄炳香正带领课题组成员继续研究水力致裂理论与技术的不同分支方向:研究水力致裂解决煤炭高效开采和安全的工程难题,承担了煤层气地面井压裂增产技术、煤层压裂滤失机理等中石油科技攻关项目以及页岩气、可燃冰开采方面的基础研究。


率先垂范感召学生

对于黄炳香而言,教学和科研一样,都是他生命中不可缺少的部分。他将教师“教书育人”的使命、对学生的爱,都融入到日常工作中。

2009年,年仅31岁的黄炳香就晋升为了副教授,但他的年轻也引起了学生的担心,当年只有1个研究生。但他从未懈怠,以个人的实际行动和魅力感召着学生。2010年,仅仅1年时间,他以良好的口碑成为了很多读研学生争夺的香饽饽。2011年之后,更是有多名保送研究生希望入其门下深造。

黄炳香对研究生培养倾注了大量心血,经常深入实验室和工程现场指导学生,并对他们要求严格。他很少苦口婆心地说教,更多的是通过率先垂范地行动,来引导学生,感染学生。

研究生张佳兴无比钦佩地说:“黄老师给我最大的印象就是对科研的忘我投入。一年到头,不管刮风下雨,还是周末节假日,只要不是出差或给学生上课,每天早上八点左右,黄老师的车都会准时出现在矿业学院楼下。没有休闲,没有娱乐,这就是黄老师日常生活的真实写照,在他看来,科研就是最大的乐趣所在。这种对科研的投入,让我深受感动。”

研究生赵兴龙说,“黄老师做科研很严谨,他常常叮嘱我们,要细心,善于发现生活中的科学现象。有一次我们做真三轴实验,试块被压坏,就随手扔到垃圾堆了。黄老师询问实验情况后,仔细观察试块说,‘你们无意中做出了别人想做都做不出来的实验现象’,并安排我们重新对试块进行研究,讲解为什么会出现这种实验现象。”

研究生张权说:“黄老师教导我们的几句话,我时刻牢记在心。在我做研究心烦意乱的时候,会想起黄老师告诉过我们‘做科研,要静下心来’;当我遇到科研中的难题时,我会想起黄老师告诉我们‘办法总是人想出来的’,‘办法总比困难多’。黄老师教导我们做科研要从大处着手,不要陷入研究的死胡同;要踏踏实实做实验,认认真真做研究;不怕吃苦,敢于吃苦。”

博士生卢卫永说,黄老师在学术上的高深造诣令他钦佩不已,更让他折服的是黄老师高尚的人格魅力。“他常告诫我们,为人要端正。记得我初次向他表明自己想跟他攻读博士学位时,黄老师对我提出了三点要求:第一,要做事,先做人,做人不能有问题;第二,搞科研尤其是咱们矿业工程专业的研究人员要搞好科学研究,深入现场是家常便饭,必须要有吃苦耐劳的精神;第三,要有一定的数学和岩石力学基础,这是搞科学搞研究的基本功。”

此外,黄炳香还大量承担着本科生的教学工作。他总是善于选择有代表性的实际问题,结合学科新发展和生产现场的实际,将教学与科研有效结合起来,从而提高教学效果。

采矿卓越13-2班张广跃说,“黄老师教学严谨,善于启发,课堂授课时注意从思路和方法上引导学生。如遇到巷道煤与瓦斯突出问题时,他会首先向学生们提问,让我们提出自己的点子,然后再将书本的内容展开,提出自己的研究观点,让同学们对于知识的了解更加深刻。这种互动启发式的授课方式,既调动了学生们的积极性,又增加了学生们对于知识的了解。”

采矿卓越13-2班商闯说:“黄老师善于也乐于开发学生的自主思维能力。黄老师将我们班级分成小组,每组负责一个小项目,要求都要参与其中,上台展示。这不仅让我们更加透彻地掌握知识点,也锻炼了我们的表达能力。我负责的部分恰好是黄老师主要研究的水力致裂,当时上台展示时心里很紧张,老师微笑着鼓励我,让我更加热衷于岩体力学的学习。当然,使我最受触动的是黄炳香老师总是牺牲休息时间来给同学们辅导。”


如今,作为一名国家重点学科的年轻教授,黄炳香正以更加饱满的热情、科学严谨的治学态度,向压裂理论与技术的不同分支方向迈进,向一道道压裂解决煤炭及煤系伴生资源安全高效开采的工程难题发起挑战,为祖国的采矿事业奉献自己的力量。

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