讓烏金“極盡其能”的“碳”索者

煤炭資源整體回收率僅50%多，這個數(shù)據(jù)著實令人感到震驚，因為它意味著煤炭資源浪費的總量接近產(chǎn)出的總量。當前，儲量不多的焦煤、無煙煤等優(yōu)質(zhì)戰(zhàn)略性煤炭資源的可持續(xù)保供成為亟待解決的世界性難題。如何科學開發(fā)與高效利用這些戰(zhàn)略性煤炭資源？如何提升煤炭資源的回收率？作為山西能源學院黨委副書記、院長，礦山巖層控制及災害防控山西省重點實驗室主任，山西省煤基資源綠色高效開發(fā)工程研究中心主任，馮國瑞深感責任重大，他憑借一腔凌云志，直面難題，勇攀科技高峰，為遺留煤炭資源（下簡稱“遺煤”）開采打造出一片璀璨星空。

將需求作追求 深耕科研領域

持續(xù)學習、深耕科研，將所學知識貢獻到能源重化工基地，更好地回報自己的家鄉(xiāng)和祖國。這顆學業(yè)有成、報效祖國的種子早在求學時便已深埋馮國瑞的心底。

在太原理工大學礦業(yè)工程學院就讀期間，馮國瑞逐漸認識到：煤炭作為工業(yè)的食糧，為我國的現(xiàn)代化建設作出了巨大的貢獻，但長期粗放掠奪式的開采導致我國煤炭資源的回收率并不高，有很多做法嚴重超出了生態(tài)環(huán)境的容量。出于歷史、地質(zhì)、技術、市場等各方面的原因，很多礦區(qū)采優(yōu)棄劣、采厚棄薄、采易棄難、采肥棄瘦，導致存在大量的遺煤及廢棄空間，資源浪費巨大，生態(tài)環(huán)境破壞明顯。焦煤、無煙煤等世界性稀缺優(yōu)質(zhì)煤炭資源更是如此，一方面是極其有限、即將殆盡的資源儲量，一方面是沒有科學規(guī)劃的無序浪費?！斑@個現(xiàn)狀難道不能改變？長此以往，煤炭工業(yè)的可持續(xù)繁榮興旺與現(xiàn)代化堅強保障如何兜底？”馮國瑞心想。

在家國情懷與使命擔當?shù)尿?qū)動下，馮國瑞1999年本科畢業(yè)后，毅然選擇了在本校讀研深造，師從康立勛教授，攻讀采礦工程碩士學位。

自馮國瑞讀研以來，康立勛教授立足山西遺煤這一難題，確定了“遺煤開采覆巖面接觸塊體結(jié)構(gòu)研究”的方向，正式引領馮國瑞走上了煤炭科研的道路。

2005年，馮國瑞在康立勛教授的帶領下攻關西山煤電集團白家莊煤礦殘采區(qū)上覆蹬空6號煤層開采技術。他在攻關初期就遇到了煤層開采可行性難以判別的問題。原來的判別方法不夠科學，致使處于裂隙帶的很多可采煤炭資源被判別成不可開采。

經(jīng)過冥思苦想與反復研討，馮國瑞認為不應該僅從層間巖層厚度這個角度出發(fā)，而應該從巖層結(jié)構(gòu)這個可以支撐開采作業(yè)的本質(zhì)出發(fā)，研究基于巖體結(jié)構(gòu)的殘采區(qū)上行開采可行性定量判定的理論與方法，徹底解決難題，為后續(xù)相關蹬空遺煤的安全高效回收提供切實可行的理論基礎。

做“不安分”的人 讓烏金“極盡其能”

征途已至新起點，不負韶華再出發(fā)。國家優(yōu)秀青年科學基金項目獲批后，馮國瑞繼續(xù)秉持“主動、投入、嚴肅、創(chuàng)新、卓越”的科研初心，帶領團隊立足山西，面向全國，聚焦各類遺煤開發(fā)與利用難題，系統(tǒng)梳理了我國遺煤開采礦井的時空分布特征，總結(jié)了我國遺煤開采的特點和現(xiàn)狀，進一步針對復雜賦存條件的遺煤開采進行了集中攻關和成果轉(zhuǎn)化應用推廣，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

針對不同種類遺煤，馮國瑞創(chuàng)新發(fā)明了上行復采、充填復采、綜放復采和露天復采等遺煤開采方法。經(jīng)過大量的開采實踐，發(fā)現(xiàn)很多遺煤開采表現(xiàn)出明顯的多元致災效應，面臨礦壓異常顯現(xiàn)、地表塌陷嚴重、瓦斯局部涌出、積水災害頻發(fā)等復雜技術難題。他說：“遺煤資源是非常寶貴的地下資源，有著極高的開采價值，我們必須解決這些難題，想辦法把這些資源盡可能多地開采出來，實在不能開采的也要想辦法進行高效利用甚至是資源化利用?！?/p>

基于此，馮國瑞帶領團隊反復斟酌、頻頻研討、超前規(guī)劃，提出從遺煤開采多元災害發(fā)生的源頭出發(fā)探索致災機理，并在此基礎上開展一些原創(chuàng)性的技術攻關，突破該領域的“卡脖子”難題。

馮國瑞還針對性地布局了遺煤開采圍巖失穩(wěn)分源聯(lián)動控制、遺煤結(jié)構(gòu)充填開采沉陷控制、遺煤采前瓦斯高效協(xié)同抽采、遺煤開采水害孕育機理及其防控等研究方向，開展了集中的理論、技術和應用研究攻關，取得了一系列成果。

圍繞遺煤開采巖層控制，馮國瑞針對不同種類遺煤揭示了擾動載荷作用下圍巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)機理，提出了復合殘采區(qū)煤柱群鏈式失穩(wěn)的關鍵柱理論，形成了復合殘采區(qū)遺煤開采關鍵域充填巖層控制技術體系。

除此之外，馮國瑞還聚焦遺煤結(jié)構(gòu)充填開采，發(fā)明了結(jié)構(gòu)充填開采的技術方法，開發(fā)了以廢棄混凝土、生物質(zhì)灰渣、煤矸石、粉煤灰和分選垃圾等為原料的多種新型結(jié)構(gòu)充填材料，揭示了結(jié)構(gòu)充填巖移控制的核心機制；發(fā)明了結(jié)構(gòu)充填材料性能優(yōu)化測試的新裝置與新工藝，構(gòu)建了基于電阻率法的結(jié)構(gòu)充填效果監(jiān)測與評價的綜合技術體系，實現(xiàn)了三下壓煤的高效回收。

牢記科技創(chuàng)新初心 爭當能源革命排頭兵

西山煤電西曲礦于1984年投產(chǎn)，受周邊小窯破壞影響及其他歷史原因影響，目前資源匱乏，面臨著工作面無法正常接續(xù)等問題。這與山西省的很多礦井如出一轍，面臨稀缺遺煤開采的諸多技術難題。為此，馮國瑞在提高煤炭資源回收率、降低萬噸掘進率及緩解生產(chǎn)銜接上謀篇布局，成立了“遺留難采煤炭資源安全綠色高回收率開采關鍵技術研究與示范”項目團隊。

西曲礦上組煤僅剩余南三港立村盤區(qū)的14306和14307兩個工作面。為最大限度地提高回收率，西曲礦請來了馮國瑞團隊，經(jīng)過調(diào)研，馮國瑞選定14307工作面作為試驗工作面。他了解到，當初設計14307工作面的時候，工作面順槽長度最初僅能布置將近350米，部分地區(qū)由于歷史原因8#煤已經(jīng)回采結(jié)束，造成4#煤區(qū)域蹬空，不少遺煤資源極其難采。

面對如此困境，馮國瑞創(chuàng)新性地提出在14307工作面前半部分實施蹬空開采，后半部分采用沿空留巷技術。這一想法提出后，多方都產(chǎn)生了質(zhì)疑。這兩種技術都對采礦技術和圍巖穩(wěn)定性有著極高的要求，更不用說將兩種方法結(jié)合在一起使用了。如果蹬空開采過程中沒有處理好下伏采空區(qū)穩(wěn)定性的問題，極易導致遺留煤柱的鏈式失穩(wěn)，使得整個14307工作面覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形。為此，馮國瑞帶領團隊精化方案，采用多種手段反復測算，提出了科學方案并編制了稀缺遺煤開采的可行性技術報告。經(jīng)過多方論證，方案通過專家評審并獲得高度評價，14307工作面順利開展采掘作業(yè)。

固本拓新，奮力開創(chuàng)。在不斷地解決一個又一個難采遺煤安全開采問題的同時，馮國瑞意識到可以有效利用殘采區(qū)浪費的空間和不可采遺煤，助力雙碳目標的實現(xiàn)。他開始聚焦煤礦殘采區(qū)空間資源開發(fā)和CO2儲集面臨的重大技術難題，以錢鳴高院士綠色開采和科學開采的學術思想為指導，帶領團隊首次提出殘采區(qū)關鍵域充填儲碳空間重構(gòu)的技術構(gòu)想。殘采區(qū)關鍵域充填儲碳空間重構(gòu)技術構(gòu)想獲得2023年度國家自然科學基金重點項目資助。

馮國瑞憑借孜孜求索的精神，收獲“國家杰出青年科學基金獲得者”“國家‘萬人計劃’科技創(chuàng)新領軍人才”“科學探索獎獲得者”“科技部中青年科技創(chuàng)新領軍人才”等多項榮譽。這些榮譽是對他不斷勇攀科學高峰的鼓勵。在榮譽面前，他繼續(xù)開拓創(chuàng)新，書寫科技創(chuàng)新的新篇章。