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董书宁:打赢治水与保水核心技术攻坚战

来源:光明网2023-05-25 17:52

  煤炭是我国能源体系的基石,长期以来为经济发展和国家能源安全稳定提供了有力保障。水是生命之源,世间万物皆离不开水,但煤炭和水资源往往共存于一个地质体中。在煤炭资源开发过程中,水体从岩层进入矿井,常造成水害事故,同时导致大量地下水流失而引发严重的水资源浪费。近40年来,中国煤科西安研究院董书宁研究员紧盯国家需要和社会需求,在煤矿防治水领域持续深耕并取得杰出成果,形成系列创新技术,推动煤矿水害由被动治理向主动预防、局部治理向区域治理、治理为主向治保结合的重大转变。

  临危受命,勇当救水队长

  突水事故的抢险救援中,如何快速查明突水水源、封堵过水通道控制水情,一直是世界性工程科技难题。这一问题也一直萦绕在董书宁心头。

  2010年3月1日,董书宁突然接到相关领导的电话,“骆驼山矿突水了,井下还有31个人!”。那时候,已是西安研究院院长的他,迅速组织大批专家第一时间赶赴现场,在处理完手头紧急工作后也立刻奔赴现场。当踏入骆驼山煤矿招待所的时候,相关领导紧皱眉头“我们矿井在西北干旱地区,怎么会出这么大的水?不过,你来了我相信肯定能搞定”。随即他火速组织专家确定救援方案:在矿工可能逃生聚集处施工生命钻孔,增加水泵和排水管路加大排水量,重点在突水的16号煤回风大巷北部修筑“阻水墙”,减小透水量至可控范围。抢险期间,西安研究院参战专家、技术人员在救援现场风餐露宿、昼夜不息,他们和时间赛跑,与严寒抗争,同风沙搏斗,终于在4月5日建成了稳固的“阻水墙”,将残余水量控制到100m3/h以内,并进一步加固注浆充填裂隙。最终,仅用54天就完成了整个封堵工程并开始试验排水,排水试验表明,“阻水墙”耐受住了2.3MPa水头压力的考验。也就是这项突水封堵工程,他们团队创造了世界采矿史上同等条件下突水封堵用时最短记录,99.9%的堵水率也得到了国家安监局和相关煤企的高度认可。仅在2008~2022的15年内,他带领团队研发了矿井突水控制注浆高效封堵技术,先后承担了20余项矿井突水治理工程。作为团队带头人,董书宁总能做到“每临大事有静气”,在事故发生时沉着冷静,挽矿井之将倾,救工人于水患。

董书宁:打赢治水与保水核心技术攻坚战

  骆驼山煤矿透水事故抢险现场

  砥砺深耕,突破治水瓶颈

  每次突水抢险过程中,董书宁会问自己“为什么突水事故时有发生,能否在灾害发生之前避免”。虽然这也是行业面临的共性问题,但他无论身处何处都在时刻思考着。

  2009年,河南焦作煤业一位总工程师到西安研究院咨询碎软煤层瓦斯抽采定向钻孔成孔问题,董书宁召集相关专家,和这位总工程师及随行人员一起讨论技术方案。在讨论过程中,董书宁突然想到,煤层底板灰岩含水层突水的主要原因在于垂向断裂构造区极为薄弱,如果采用类似于瓦斯抽采钻孔这种顺层定向钻孔注浆,就可以更大范围的揭露并加固这些薄弱区,有效治理水灾隐患。因此,他提出变常规井下穿层斜孔为顺层定向钻孔进行注浆治理煤层底板水害。但是,这项看似简单的变化存在很多难题:水平孔注浆浆液如何扩散?灰岩地层硬度大、水压高,定向钻孔如何施工?如此大规模注浆如何控制浆液?这些都给他的团队提出了新的难题,其中的大多数基础理论、技术装备都属于行业空白。为此,董书宁带领团队开展了大量理论研究、室内测试等工作,并在焦作赵固一矿煤层底板含水层定向长钻孔注浆试验工程中取得显著效果。之后,他们依托“十二五”国家科技支撑计划、“十三五”国家重点研发计划持续研究,创建了煤层底板水患超前区域探查治理技术体系,使有效注浆孔段率提高了80%以上,单孔平均注浆量提高5倍以上。现在,这项技术在澄合、淮北、邯邢等10余个矿区20余座矿井广泛应用,治理后的矿井均未发生突水事故,已然成为我国煤层底板灰岩水害防治的主要技术,突破了我国煤层底板水患治理的技术瓶颈,也成为了西安研究院经济增长的新亮点。

董书宁:打赢治水与保水核心技术攻坚战

  放水实验井下水量观测

  积极探索,践行保水使命

  从元宝山露天矿勘查项目伊始,董书宁就意识到西部矿区水资源保护的重要性,自“十二五”以来,我国煤炭开发重心逐步西移,陕甘宁蒙青疆6省份煤炭产量现已占到全国总产量的54%左右。但由于西北地区干旱少雨,水资源缺乏,大规模、高强度的煤炭开采带来的矿区水环境问题也愈发突出。“如何既安全地把煤采出来,又能最大程度的保护水资源?”这是董书宁发出的疑问。

  董书宁带领团队在近30年的不断凝练和总结中,提出并践行了“治保结合、治用结合”这项解决煤—水矛盾的法宝。他们探索研究揭示了煤层顶板含水层泄压涌水的动力学机制,摸清了矿井涌水动态变化规律;形成了煤层顶板水控制疏放技术,消除矿井涌水峰值确保安全生产;开发的矿井强渗透含水层帷幕截流保水技术,彻底消除了地表水渗透补给造成的矿井高强度涌水现象。他们积极响应国家保护黄河的号召,2021年牵头申报了“黄河流域中段矿区(煤矿)生态环境保护与修复校企联合研究中心”,并承担了中国煤炭科工集团科技创新创业基金重点项目,持续开展西部煤矿区水害防治与水资源保护利用技术研发,带领团队持续践行煤炭行业“绿色发展”的理念。

  “十三五”末以来,煤矿智能化建设进程如火如荼,煤矿水害防治和水资源保护利用的智能化转型,也成为新时代煤矿智能化地质保障技术的重要组成部分。早在2017年,董书宁就带领团队开始了煤矿水害远程诊断与防控云平台研发,依托这一平台,结合矿区水资源保护利用新需求,团队正在开发矿区水资源保护与利用智能管控平台,有望成为破解煤矿智能化建设煤—水矛盾的新利器。

  在科技攻关和自主创新的道路上,董书宁获得了无数奖励和荣誉,有国家科技进步奖项、省部级科技一等奖,以及孙越崎能源大奖、中华国际科学交流基金会杰出工程师奖。面对这些荣誉,他时刻不忘初心,始终牢记使命,虽年过花甲,仍坚持科研工作。董书宁常叮嘱他自己的学生,“我们水文地质工作者,一定要注重现场工作的磨炼,扎扎实实做到学中干、干中学”。他坚持为党育人、为国育才,截止目前,已培养了15名博士和9名硕士研究生。让他们欣喜的是,在管理部门与行业科技工作者的共同努力下,煤炭行业已经撕下了“高危行业”的标签,正在加速实现由“黑”变“绿”的转型,这为煤矿防治水工作带来了新契机。他也将以国家战略需求为导向,继续集聚力量进行科技攻关,打赢煤矿防治水与水资源保护的关键核心技术攻坚战,站在人与自然和谐共生的高度,为推动煤炭行业安全绿色低碳发展贡献自己的全部智慧和力量。

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