西部煤海勤求索綠色之路勇創(chuàng)新
——記西安科技大學(xué)教授黃慶享

□ 呂騰波

自18世紀(jì)瓦特改良蒸汽機(jī)開啟了第一次工業(yè)革命，煤炭就成為人類生產(chǎn)生活的主要能源，也被稱為“黑色的金子”和“工業(yè)的糧食”。我國是一個(gè)富煤少氣缺油的國家，煤炭在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有不可替代的地位。而我國煤炭主要分布在西部，隨著西部大開發(fā)和煤炭大發(fā)展，各種煤炭開采問題也隨之而來。所謂“時(shí)勢(shì)造英雄”，西安科技大學(xué)教授黃慶享從深入邊疆礦區(qū)到扎根陜北煤田，潛心鉆研西部煤炭科學(xué)開采難題，為我國煤炭事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。

黃慶享指導(dǎo)學(xué)生開展淺埋煤層群減損開采研究

深入邊疆礦區(qū)，嶄露創(chuàng)新鋒芒

1983年，黃慶享從新疆維吾爾自治區(qū)沙灣縣老沙灣鄉(xiāng)考入西安礦業(yè)學(xué)院（西安科技大學(xué)前身）采礦系。次年的10月18日，新華社一條電訊發(fā)往世界各地：陜北有煤海，質(zhì)優(yōu)易開采。這時(shí)的黃慶享可沒想到，9年后他會(huì)投身于這片煤海，開始長達(dá)20多年的潛心研究。

1987年，黃慶享大學(xué)畢業(yè)后順利攻讀采礦工程碩士，在新中國第一位女采礦專家吳紹倩教授的指導(dǎo)下開展研究。1988年，我國首屆放頂煤學(xué)術(shù)會(huì)議在蘭州召開，黃慶享隨導(dǎo)師前往參加。那時(shí)我國剛剛進(jìn)入放頂煤的探索階段，理論和技術(shù)都不成熟。通過這次會(huì)議，黃慶享了解到家鄉(xiāng)烏魯木齊市礦務(wù)局正在開展急傾斜特厚煤層水平分段綜采放頂煤試驗(yàn)，而且開采過程出現(xiàn)了很多問題。

會(huì)后，黃慶享決定深入新疆烏魯木齊礦務(wù)局六道灣煤礦進(jìn)行調(diào)研，解決急傾斜特厚煤層放頂煤存在的架前冒頂事故頻發(fā)、工作面經(jīng)常停產(chǎn)等嚴(yán)重問題。他深入井下一線，查看現(xiàn)場，走訪老技術(shù)員，發(fā)現(xiàn)合理的水平分段段高是制約綜放開采的關(guān)鍵。他馬上與礦區(qū)總工程師進(jìn)行了面談，立刻確定開展合作研究。

當(dāng)時(shí)國內(nèi)急傾斜特厚煤層水平分段放頂煤開采參數(shù)一般是采2.5m放7.5m，一次采放高度10m，但這個(gè)采放高度卻不適合新疆六道灣煤礦的放頂煤開采。黃慶享與礦區(qū)商量在殘采區(qū)40m頂煤段開展試驗(yàn)，提出了頂煤彈性深梁力學(xué)模型，以確定合理的頂煤厚度。為了建立頂煤彈性深梁力學(xué)模型，黃慶享翻遍了所有彈性力學(xué)的書籍，都未找到現(xiàn)成的案例。他通過一個(gè)月的推演，終于給出了頂煤應(yīng)力函數(shù)，破解了這一理論難題，揭示了工作面架前冒頂竄矸的機(jī)理是頂煤厚度小，架前出現(xiàn)拉破壞貫穿裂縫，合理增大頂煤厚度可將架前拉應(yīng)力場演化為向架后放煤窗口的剪切滑移場，不僅可避免架前冒頂，還有利于放煤。

為了驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，他帶領(lǐng)工人自制鉆架和導(dǎo)軌，用手電鉆接20根鉆桿，連續(xù)3天打成了12眼20m深的頂煤位移測(cè)孔，打破了該礦區(qū)手電鉆6m鉆深的紀(jì)錄，獲得了頂板活動(dòng)規(guī)律，確認(rèn)了六道灣煤礦20m高度范圍內(nèi)的頂煤可以有效放出。礦區(qū)采納了他的研究結(jié)論，將工作面一次采放高度由10m提升到20m。實(shí)踐表明，架前冒頂消除，支架因冒頂而出現(xiàn)的歪斜咬架現(xiàn)象消失，工作面安全順利推進(jìn)，產(chǎn)量提升超過200%，安全提高95%，萬噸掘進(jìn)率降低了50%，實(shí)現(xiàn)了急斜特厚煤層綜放安全高效開采。1992年，該項(xiàng)目獲得了烏魯木齊礦務(wù)局特等獎(jiǎng)，肯定了黃慶享對(duì)新疆放頂煤開采做出的貢獻(xiàn)，也肯定了他的創(chuàng)新能力。

“恰同學(xué)少年，風(fēng)華正茂”，黃慶享首試項(xiàng)目便嶄露創(chuàng)新鋒芒，多年學(xué)習(xí)，一朝嘗到知識(shí)與創(chuàng)新的力量，讓他有著頗多感慨。他說：“科學(xué)技術(shù)真的是第一生產(chǎn)力，這次成功的關(guān)鍵就是在頂煤力學(xué)模型上的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，一切工作都是圍繞著證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)展開。深入一線，發(fā)現(xiàn)問題，是科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)?！?/p>

轉(zhuǎn)戰(zhàn)陜北煤海，創(chuàng)立淺埋理論

時(shí)間退回到1982年12月8日，陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)提交了《陜北侏羅紀(jì)煤田榆神府勘探區(qū)普查找煤報(bào)告》。報(bào)告顯示，在榆林神木府谷地區(qū)7894平方公里的范圍內(nèi)，蘊(yùn)藏著877億噸優(yōu)質(zhì)環(huán)保煤，相當(dāng)于關(guān)中4個(gè)礦務(wù)局所在的“渭北黑腰帶”探明煤炭資源總量的16倍之多。1982年12月28日，《人民日?qǐng)?bào)》在頭版以“榆林地區(qū)發(fā)現(xiàn)一個(gè)大煤田”為題進(jìn)行了報(bào)道，向世界宣告中國發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大煤田——神府東勝煤田。國內(nèi)外掀起了一股“黑色旋風(fēng)”，引來了千軍萬馬投入到神府煤田的開發(fā)建設(shè)中。1993年6月，世界目前探明的最大煤田——神府東勝煤田（簡稱“神東煤田”）的開發(fā)建設(shè)全面鋪開。然而，神東煤田埋藏淺、地表為黃土層和含水沙土層，生態(tài)環(huán)境脆弱，采動(dòng)后強(qiáng)烈的地壓和潰水潰沙會(huì)對(duì)安全高效開采構(gòu)成巨大威脅。當(dāng)時(shí)，關(guān)于淺埋煤層的巖層控制理論，國內(nèi)外尚處于空白狀態(tài)。

20世紀(jì)90年代初，黃慶享開始將視角轉(zhuǎn)向了神東大煤田開發(fā)這一主戰(zhàn)場。1993年，他開展了大柳塔煤礦首采工作面的采前物理模擬論證，發(fā)現(xiàn)了淺埋煤層存在“臺(tái)階下沉”現(xiàn)象，提出了大柳塔煤礦首采面可以由原設(shè)計(jì)3m采高提升到4m的安全開采高度，大大提高了資源回收率和經(jīng)濟(jì)效益。然而，隨著大柳塔煤礦首采工作面的開采，初次來壓臺(tái)階下沉達(dá)到1m，工作面中部90m范圍內(nèi)的液壓支架壓毀，嚴(yán)重影響安全開采。

帶著這一問題，黃慶享開始了新的求師和研究歷程。1994年，他進(jìn)入中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系攻讀博士，師從我國著名采礦專家、中國工程院院士錢鳴高和西安礦業(yè)學(xué)院采礦系系主任石平五。在中國礦業(yè)大學(xué)期間，黃慶享認(rèn)真學(xué)習(xí)了“巖層控制的關(guān)鍵層理論”、“砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊理論”和“砌體梁結(jié)構(gòu)整體力學(xué)模型”等著名理論，為后來的理論創(chuàng)新提供了思維，夯實(shí)了力學(xué)基礎(chǔ)。1998年，經(jīng)過4年的潛心學(xué)習(xí)和研究，黃慶享完成了博士論文“淺埋煤層長壁開采頂板控制研究”，掌握了淺埋煤層長壁開采的礦壓規(guī)律，提出了淺埋煤層的定義，建立了初次來壓的非對(duì)稱三鉸拱結(jié)構(gòu)理論，提出了著名的“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型，揭示了淺埋煤層埋藏淺頂板壓力大的機(jī)理是結(jié)構(gòu)易滑落失穩(wěn)。相關(guān)論文1999年發(fā)表在《煤炭學(xué)報(bào)》，2014年入選《煤炭學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊50周年百篇最具影響力學(xué)術(shù)論文。

2000年，黃慶享出版了《淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)與巖層控制研究》，錢鳴高在該書的序言中評(píng)價(jià)其填補(bǔ)了國內(nèi)外該方面專著的空白，發(fā)展和完善了砌體梁理論和關(guān)鍵層理論。2001年，在國家自然科學(xué)基金資助下，黃慶享帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)動(dòng)態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了松散層在頂板結(jié)構(gòu)的載荷傳遞規(guī)律，提出了載荷傳遞因子，揭示了頂板動(dòng)載機(jī)理，得到廣泛采用。這項(xiàng)研究推動(dòng)了淺埋煤層頂板動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)理論發(fā)展，破解了淺埋煤層頂板動(dòng)壓控制難題。對(duì)此，李鴻昌教授在《煤炭學(xué)報(bào)》撰文評(píng)價(jià)該專著“開辟了巖層控制新領(lǐng)域”；錢鳴高院士將“淺埋煤層巖層控制”設(shè)新章編入2003版國家規(guī)劃教材《礦山壓力與巖層控制》中，在全國得到廣泛傳播。他參與完成的“巖層控制的關(guān)鍵層理論”也獲得2002年度中國高校自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

順應(yīng)國家需求，推進(jìn)綠色開采

進(jìn)入21世紀(jì)，在煤炭綠色開采理念的推動(dòng)下，以煤礦的保水開采和減損開采為主的綠色開采日益得到重視，我國煤炭事業(yè)逐步進(jìn)入綠色發(fā)展的新時(shí)代。早在21世紀(jì)初，黃慶享已經(jīng)將煤炭綠色開采作為自己研究工作的一個(gè)重點(diǎn)，面對(duì)西部礦區(qū)的脆弱生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)新隔水關(guān)鍵層理論，探索綠色開采新途徑。

“我博士畢業(yè)歸來時(shí)，系主任石平五教授跟我說現(xiàn)在的食品業(yè)都在發(fā)展綠色食品，那煤炭也應(yīng)該綠色開采。當(dāng)時(shí)，我們正在申報(bào)陜西省巖層控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，就增列了西部煤炭資源綠色開采方向。那時(shí)綠色開采的理念在煤炭界還沒被普遍叫響，但在西部應(yīng)該超前研究?！秉S慶享說。

2003年，在教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金資助下，黃慶享開始了“淺埋煤層開采與環(huán)境保護(hù)”研究。經(jīng)研究，他發(fā)現(xiàn)淺埋煤層頂板隔水層的穩(wěn)定性不僅取決于自工作面向上發(fā)育的“上行裂隙”，還受自上而下發(fā)育的“下行裂隙”影響；不僅基巖中存在隔水關(guān)鍵層，黏土層也可成為隔水關(guān)鍵層。對(duì)此他提出了淺埋煤層基巖層和黏土層隔水關(guān)鍵層概念，建立了隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，提出了“自然保水開采、限高保水開采和特殊保水開采”分類。這些研究，奠定了綠色（保水）開采的理論基礎(chǔ)，出版了《生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開發(fā)與生態(tài)水位保護(hù)》，相關(guān)成果榮獲2010年度陜西省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和2010年度中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。2010年，淺埋煤層巖層控制技術(shù)被編入袁亮院士主編的《煤礦總工程師技術(shù)手冊(cè)》，標(biāo)志著淺埋煤層巖層控制理論和技術(shù)的成熟，在工程技術(shù)界得到廣泛應(yīng)用。2011年，黃慶享參與完成的“鄂爾多斯盆地生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)”成果，榮獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

在這之后，黃慶享密切跟蹤生產(chǎn)實(shí)踐難題，開展了大采高開采、充填保水開采和煤層群減損開采技術(shù)研究，豐富和發(fā)展了巖層控制理論與技術(shù)，促進(jìn)了煤炭安全高效綠色開采。2011年—2014年，他主持開展了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“淺埋煤層大采高頂板結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性研究”，提出了等效直接頂概念和高位臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)理論，揭示了大采高工作面頂板來壓機(jī)理，為大采高頂板控制提供了理論和技術(shù)；2012年—2015年，他主持開展了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“淺埋煤層局部柔性充填隔水巖組穩(wěn)定性研究”，建立了柔性條帶充填隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，提出了條帶充填保水開采技術(shù)，2014年出版了《淺埋煤層條帶充填保水開采巖層控制》專著，豐富和發(fā)展了淺埋煤層保水開采巖層控制理論，2017年在《煤炭學(xué)報(bào)》發(fā)表的“淺埋煤層保水開采巖層控制”論文，被國際著名檢索機(jī)構(gòu)JST全文翻譯轉(zhuǎn)載（于Science Portal China）；2015年—2018年，面向正在進(jìn)行的煤層群減損開采難題，他主持開展了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“淺埋煤層群開采煤柱群結(jié)構(gòu)及應(yīng)力場與裂縫場耦合控制”研究，提出了淺埋近距離煤層群分類，建立了各類煤層的頂板結(jié)構(gòu)模型，為煤層群采場支護(hù)提供了理論依據(jù)，揭示了煤層群開采的覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律和應(yīng)力集中分布規(guī)律，提出了井下減壓和和地表減損的煤層群開采開采方法，發(fā)展了淺埋煤層綠色開采技術(shù)。

自1993年到2017年，黃慶享帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)24年潛心研究，開辟了淺埋煤層巖層控制新領(lǐng)域，不斷引領(lǐng)淺埋煤層巖層控制理論與技術(shù)發(fā)展，論著引用率高達(dá)2600多次，具有廣泛影響。他主持完成的“淺埋煤層巖層控制理論與技術(shù)”達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，分別獲得2016年度陜西省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2017年全國煤礦支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和2018年度中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。2017年7月7日，《科技日?qǐng)?bào)》以“創(chuàng)立淺埋煤層巖層控制理論，支撐大煤田安全綠色開采”為題對(duì)他長期的研究成果進(jìn)行了報(bào)道，這也是對(duì)他長期貢獻(xiàn)的真實(shí)寫照。2018年，科學(xué)出版社出版了黃慶享的專著《淺埋煤層長壁開采巖層控制》，被國際著名巖層控制大師，美國工程院院士、西弗吉尼亞大學(xué)教授Syd.S.Peng評(píng)價(jià)為填補(bǔ)國際該領(lǐng)域空白的代表性著作。

與團(tuán)隊(duì)弟子合影

堅(jiān)持創(chuàng)新理念，培育行業(yè)良才

黃慶享從事采礦工程與巖層控制的教學(xué)與科研20余年，勤勤懇懇，以創(chuàng)新理念培養(yǎng)了大批人才。世界第一大井工煤礦——大柳塔煤礦總工程師陳蘇社慕名拜他為師，攻讀博士學(xué)位；他培養(yǎng)畢業(yè)的學(xué)生遍及西北陜西、甘肅、新疆、寧夏、內(nèi)蒙、山西、四川、貴州等礦區(qū)，涌現(xiàn)出一批董事長、總經(jīng)理、礦長和總工等復(fù)合型人才，為西部煤炭事業(yè)發(fā)揮著重要作用。2014年，他被教育部授予全國優(yōu)秀教師榮譽(yù)稱號(hào)；2015年入選國家百千萬人才，并被國家人力資源與社會(huì)保障部授予“有突出貢獻(xiàn)的中青年專家”榮譽(yù)稱號(hào)；2016年被國務(wù)院批準(zhǔn)享受政府特殊津貼；2017年入選陜西省教育系統(tǒng)“我身邊的好老師”（共10名）。

“作為科研者也好，作為教師也好，就應(yīng)該全心全意做好自己的科學(xué)研究和教書育人工作?？吹阶约旱目蒲谐晒谏鐣?huì)上發(fā)揮了作用，看到自己的學(xué)生成為社會(huì)需要的人才，那是很開心的事情。”

說完，他頓了一下又補(bǔ)充道：“每個(gè)人的能力有大有小，追求也不一樣，但只要學(xué)生們有著正確的價(jià)值觀與世界觀，每個(gè)人都是社會(huì)需要的人才。我也很希望我的學(xué)生們?cè)诟愫檬聵I(yè)的同時(shí)也能過好自己的生活?！?/p>

“回首向來蕭瑟處，也無風(fēng)雨也無晴”，如今，黃慶享雖已過了知天命的年紀(jì)，但對(duì)他來說人生正值壯年，在余下的時(shí)光里，他希望自己能做出更好的成績來助力國家與社會(huì)。