《中國煤炭報》報道張吉雄教授先進事跡

《中國煤炭報》2018年4月21日第3版以“充填開采 築夢圓夢——記國家傑出青年科學基金獲得者張吉雄教授”為題報道了張吉雄教授先進事跡，原文如下：

●本報記者 王世雅

煤炭在國家能源戰略格局中占據無可撼動的主導地位，但多種原因導致其長期給國人以“黑”的印象與錯覺，許多卓越的煤炭科技工作者不斷以高超技藝和出色業績向世人展現煤炭“金”的真容與魅力，張吉雄教授便是其中一位傑出代表。

日前，中國礦業大學教授張吉雄入選2017年度國家傑出青年科學基金資助項目名單，獲得了5年400萬元的科研資助。張吉雄是煤炭行業唯一一名獲得者，他的研究領域為充填開采與岩層控製。隨後，記者采訪了這位“土生土長”的礦大人，一同感受他的充填開采夢之旅。

調研起意 鎖定充填

張吉雄向很多專家坦露了矸石井下充填的想法，卻被認為是不切實際的胡思亂想。當時，大家都認為矸石就該堆積在地麵。

張吉雄來自寧夏中衛，是村裏的第一個大學生。填報高考誌願時，他對采礦工程專業的了解很少，用他的話說，“當時感覺可能就是學挖各種礦石的”。

來到礦大後，他逐漸對專業有了真切的體會。無論是大師們的精心授課，還是校園裏濃厚的學習氛圍，亦或是學校遍布全國的實習基地，都一次次震撼著這位來自西北的“未來采煤人”。

張吉雄(右)在井下調研

畢業之後，因緣際會，他選擇留在礦大任教，在徐州這座古城紮根。在助教的崗位上工作4年後，他選擇繼續深造，就讀了采礦工程專業的碩士研究生。剛拿到碩士學位，他就馬不停蹄地開始攻讀博士學位，不過選擇的專業卻是工程力學，“因為采礦科學的關鍵節點和根本內在就是力學”。在名師們的悉心指導下，他逐漸對采礦岩層移動的精準控製產生了濃厚的興趣，對未來的研究方向也有了更細致的思索，這些都為他今後與充填開采的不解之緣打下了堅實的專業基礎。

“一次，在兗礦集團濟三礦調研，我偶然發現該礦矸石產量非常大，但運輸方式很傳統，矸石也是堆積到地麵。這不僅增加了礦井輔助運輸的壓力，而且容易汙染大氣、水和土壤。我當時就在想，能否把矸石充填到井下。”談到矸石充填采煤法的萌發，他如是告訴記者。

此後，張吉雄向很多專家坦露了矸石井下充填的想法，卻被認為是不切實際的胡思亂想。回憶當時的情形，他感慨地說：“當時，大家都認為矸石就該堆積在地麵。但深入調研結果顯示：隨著東部煤炭資源可采儲量的快速下降，不得不進行建(構)築物下、鐵路下、水體下壓煤的開采，已有的限厚開采、條帶開采等方式都存在采出率過低的先天缺陷，如果不研發新型采煤技術，很多礦井就不得不麵對過早關停的命運，這對很多依靠煤礦發展的地區將造成難以估計的衝擊！”

之後很長一段時間內，張吉雄和研究團隊一起埋頭於漫長而艱苦的基礎試驗和理論03manbetx 之中，從矸石充填物料物理力學特性測試，到充填體變形與圍岩作用03manbetx 模型，再到充填采煤與礦區生態環境、經濟架構的交互影響關係，他們全麵、係統地進行了大量前瞻性研究，從理論上論證了矸石充填開采技術的可行性與必要性。2000年，他們來到邢東礦，開始嚐試如何將矸石用於井下充填，在實踐層麵上開始了全新的探索曆程。

“我記得很清楚，當時是在邢東礦辦公樓對應井下區域進行試驗，采用小步快跑的思路，結合巷道掘進的技術特點，在充分掌握巷道掘進圍岩層移動及應力分布特征的基礎上，提出了巷采巷充的理念：先掘出煤巷，再向巷道內拋投矸石充填。第一條試驗巷道長560米。完成掘進和充填後，我們驚訝地發現：新技術裝備完全滿足生產需要，而且圍岩變形控製效果出人意料的好。之後，我們就大膽拓展，最後實現了矸石供料量有多大，巷道就能掘多遠；巷道能掘進多寬，矸石就能充填多寬！當然，這些都是在滿足安全規定的前提下進行的。”談到這些，他的興奮之情溢於言表。

進中求新 新中求進

讓人頭疼的問題不是已經來了，就是在來的路上。

初次成功的喜悅並未讓張吉雄和研究團隊停下探索的腳步，他們將目光和注意力轉移到了更現代化、更具發展潛力的綜合機械化充填采煤上來，用他的話說，“充填開采技術要發展必須要走提升高效產能比重、增加科技含量之路”。2004年前後，他轉戰到山東能源新汶礦業公司翟鎮礦，繼續鑽研如何係統、高效地將矸石大規模充填進采空區，正是這一次探索讓他們不經意間將充填開采技術推向了一個前所未有的嶄新高度。

“從巷采巷充的小範圍模式一下子過渡到綜采麵的大範圍充填，可以說跨度相當大。”張吉雄講述了那段糾結和喜悅相伴的研發過程，“在綜采麵用矸石充填采空區，能不能實現？開始的時候，所有人都在心中打了個問號。通過反複研討和測試，我們重點在空間、裝備、工藝三個方麵進行了創新。”

他告訴記者，在空間上，主要是通過將支架的尾梁打直用於支護一定距離內的采空區頂板，為充填作業提供了掩護空間，避免由於采空區頂板冒落導致充填空間的消失。空間有了，矸石如何運進去？在裝備上，他們的第一個想法是用刮板輸送機，但直接放在地麵上又無法使用，後來就想著用皮帶替換下，但操作上又行不通。困頓之際，他們萌生一個大膽的念頭——幹脆把刮板輸送機用鏈條懸掛到支架的後尾梁上。實測發現，運行竟然相當平穩可靠。

隨後，工藝上的新問題又接踵而來。刮板輸送機上的矸石如何卸入采空區？試了很多辦法都不行。大家集思廣益，最後在刮板輸送機的溜槽下麵設計了開孔，依靠重力把矸石放下去。但是開孔後，矸石總是往下溜。他們就又設計了一個插板，就像抽屜，需要的時候打開，不需要的時候關上。

就這樣，在沒有國內外經驗可借鑒的情況下，他們率先在翟鎮礦探索構建起了係統化的綜采矸石充填裝備和工藝體係，確立了綜合機械化矸石充填工作麵的基本格局。自此，該技術步入了工業化實用階段。

充填開采技術原理圖

與此同時，他們對充填開采圍岩穩定性及地表沉陷控製機理的認識與探索也步入了快車道，在大量的試驗數據和現場實測的基礎上，他們相繼係統解答了采空區充填體與覆岩關鍵層耦合作用關係、充填采場水汽資源運移通道時空演化、充填采煤地表形態變化特征及其精準預測等一係列關鍵科學問題，使得充填開采理論框架與脈絡日漸清晰，為充填開采技術的深入研究與跨越式發展提供了堅實的理論基礎。

談到之後的改進，張吉雄笑著說：“讓人頭疼的問題不是已經來了，就是在來的路上。”他舉了一個例子，如果忘記關插板，按原設想必然是矸石不斷堆高最後堵塞卸料口，卸料過程自然終止，但實際卻是矸石堆積到卸料口高度後，仍會繼續堆高最後反推刮板輸送機，導致刮板輸送機與支架尾梁卡緊而難以運行。麵對這個情況，除了加強管理外，就是進一步構想能不能在刮板輸送機下麵安裝某種設備，把落下的矸石及時推入采空區。

2007年，邢台礦再次找到課題組，提出想在現有技術基礎上改進出具有主動推料功能的新型綜采矸石充填采煤支架。在團隊導師的指導下，張吉雄和現場技術人員共同攻關，最後在支架的底座後部加裝了具備推料功能的夯實機，用於將矸石物料推向采空區深處並壓實，解決了刮板輸送機卸料後的堆料和壓實難題。

自此，兼備支護、充填、卸料、壓實四項功能的具有完全自主知識產權的充填采煤液壓支架從概念變為了現實(目前已經發展到第六代)，且與之配套的充填追機01manbetx 01manbetx 、采充同步作業方法以及以矸定產的先進管理製度等也趨於完善，徹底解決了長期困擾采煤與充填一體化的硬件和軟件瓶頸性難題，打通了綜合機械化充填采煤裝備與工藝的“最後一公裏”。

“裝備和工藝體係完善了，如何確保充填作業質量？”他說，“矸石充填要想有效控製井下圍岩變形和地表沉陷，就必須達到一定的充采比(充填進采空區的矸石質量與采出煤炭的質量比)，這就需要相當數量的矸石物料，而井下可直接使用的矸石量相對綜采產能十分少。這就又出現一個新難題——矸石供應量達不到怎麼辦？而地麵堆積量巨大的矸石山，必須得想辦法才能用得上。”

風來帆速 水到渠成

我們需要把自己變成一個知識“雜家”，采礦、地質、力學、機械等都要懂一些。

對於技術研發的進程，張吉雄深切體會到：“學校可以將知識劃分成學科，便於傳授和理解，但生產實際不會理會這些。不管這個問題涉及哪個專業領域，都要你一並解決。這就要求必須靈活應用各種專業知識。”

麵對層出不窮的難題，張吉雄說：“我們需要把自己變成一個知識‘雜家’，采礦、地質、力學、機械等都要懂一些，而且很多重要的地方還要心領神會、融會貫通，並和現場緊密聯係，不斷從廠礦一線尋找靈感。”他告訴記者，充填物料運輸的咽喉性控製技術——垂直投料係統的誕生，就是個意想不到的巧合。

偶然的機會，他去棗莊某礦調研時看到一個凸起地麵大約一人高的管子。出於好奇，他去詢問施工工人。工人回答是往井下扔材料用的，並且告訴他材料扔下去後，就直接到了運輸巷道裏。他有點懷疑這種方法的穩妥性，飯也顧不上吃，就急忙下井一探究竟。在親眼目睹管路中物料順暢地落入井下運輸設備上時，他腦海中靈光一現——充填用的矸石是否也可以通過這種方式輸送至井下？

參考這個思路，他們在山西霍州煤電集團曹村礦設計和建造了全國首個矸石物料垂直投料係統——一種內部安裝高性能耐磨管、外部鋪設加固混凝土層的圓形垂直管路，這樣便形成了矸石快速下落的連續輸送通道。但是，矸石投放到井下時具有很快的下落速度，如何避免其衝擊破壞又成了一時難以克服的巨大障礙。經過反複試驗和改進，新型錐形緩衝器等係列裝備應運而生，同時配套設計了井下矸石儲料倉，終於實現了投料係統的安全接料和便捷儲存。

裝備齊了、工藝有了、物料足了，但整套技術的應用效果又如何，是否滿足建(構)築物下等特殊條件的安全開采要求？

為了有效評估技術效能，他們選擇在邢台礦區進行整套技術的測試。他們將首采工作麵上方約38米位置的軌道大巷定為觀測對象。

在整個工作麵的推進過程中，張吉雄和研究團隊一直緊盯在現場，回采結束後發現：整個巷道僅是表麵發生了輕微破損、運輸始終通暢，且地表變形量也相當小。在項目成果鑒定會上，當專家組正式宣布鑒定意見為國際領先時，整個團隊都為之沸騰了許久！

之後，隨著基礎理論和主要功能技術的不斷突破、日臻完善，他們研發的充填開采技術在全國範圍內迅速鋪開，在東部沿海平原到西部高原山區的各大礦區擴枝散葉、開花結果，如今已是碩果累累，無論是業已建立、遍布各地的充填示範工程與基地，還是與諸多國外大型煤企、知名院校的技術出口洽談與合作交流，都彰顯著該技術的巨大活力與社會的高度認可。得益於技術和理論的高速發展，國內過去被稱為呆滯煤量的150億噸壓煤資源被重新定位，相當於為國家增加了可開采4年的煤炭儲量，許多瀕臨資源枯竭的礦井和地區因此贏得了寶貴的緩衝和轉型時間。

“現在想起來，矸石充填係統中任何一個技術點，都是不斷試驗、花費了大量的精力和時間研究出來的，鮮有可借鑒的資料。參加國家傑出青年科學基金申請答辯時，有專家問我‘你的技術跟國外相關技術相比有何先進性’，我想了想回答‘當前國外還沒有做這方麵的研究’。”張吉雄認為，不斷創新是充填采煤技術研發曆程最好的注腳。

珍惜信任 寄望未來

充填開采就像一首歌，有人作詞，有人譜曲，最後有人站在舞台上歌唱。

采訪時，張吉雄反複強調，充填開采技術體係的形成與發展，離不開國家政策的傾斜、學校的支持、礦區的信任以及團隊的努力，是各方麵合力的結果，特別是學校對礦業學科的全方位支持為團隊搭建了可以“長袖起舞”的平台。

“沒有企業的支持，難有工程技術的創新，創新的過程往往潛藏著諸多變數和意想不到的風險，但煤炭企業依然高度信任、不遺餘力地支持我們，企業領導和技術人員常陪同我們一起在井下測試與03manbetx ，有時候一呆就是十幾個小時。”張吉雄深有感觸地說，“那時候，感覺責任很大、壓力很大，所以我們傾注了全部的精力和熱情，為了技術的成功，更為了對得起那份信任。”

當談及“現在很多人將他譽為充填開采技術的領軍人物”時，他隻是笑了笑打了個比方，“充填開采就像一首歌，有人作詞，有人譜曲，最後有人站在舞台上歌唱。大家往往都隻聽到了曼妙歌聲，卻忽視了作詞和譜曲的人，而我是有幸在舞台上為充填發聲的那個人，其實最大的功勞屬於那些在幕後默默付出的人，這不單單是哪一個人的榮譽，而是國家和社會對為充填技術發展而不懈努力的所有人的一次肯定！”對取得的成績，張吉雄將其歸功於他的導師、團隊和所有為之付出過的人。

在國家傑出青年科學基金的資助下，張吉雄教授將麵向國家“深地”資源開發重大戰略需求，針對煤炭開采深度和強度加大帶來的高地應力、大變形條件下的岩層穩定控製難題，圍繞“深部充填開采岩層控製”研究主題，開展深部充填開采采場礦壓顯現特征及其控製方法、深部充填體與圍岩交互作用機理及充填物料與地下水環境相互影響等方麵的研究，構建起深部充填開采岩層控製理論。

談到未來，他說：“從前處理矸石和地表沉陷治理，采取的都是先開采後治理的模式，相當於先打傷自己再療傷。無論效果多好，從某種意義上講依然是在償還對資源、對生態的欠賬。充填采煤技術今後要從源頭上設計，在資源開發伊始就做好生態保護這篇文章，真正實現煤炭資源開發的低或零生態損害。今後，我們團隊將積極配合國家能源發展新戰略和區域調整，聚焦深部和西部煤炭資源開采與生態環境保護，更好地為煤炭資源的安全、高效、綠色開發服務！”

個人簡曆和主要成就：

張吉雄教授1993年進入中國礦業大學學習，1997年畢業後留校工作，2004年獲得采礦工程專業碩士學位，2008年獲得工程力學專業博士學位。現任中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室副主任。

張吉雄教授長期從事煤炭資源充填開采與岩層控製領域的研究，提出了控製采場礦壓及關鍵岩層移動的理論與方法，發明了充填與采煤一體化技術。

近5年來，張吉雄教授獲國家技術發明二等獎1項、省部級一等獎3項；獲國內外授權發明專利36件，發表SCI/EI收錄學術論文70餘篇、出版學術專著2部；參與製定國家行業標準8項。獲國家萬人計劃領軍人才、科技部中青年科技創新領軍人才、江蘇特聘教授、江蘇省高校科技創新團隊帶頭人以及江蘇省有突出貢獻的中青年專家等榮譽稱號。

主要成果：

1. 深入研究了采動岩體空間覆岩移動及破斷裂隙演化特征，建立了控製結構關鍵層及隔水關鍵層穩定的新理論與方法，揭示了充填采煤控製關鍵岩層穩定機理。

2. 建立了充填體與液壓支架協同控頂力學模型，構建了充填采煤采場礦壓控製理論；提出了建(構)築物下、含水層等條件下的充填采煤控製關鍵岩層穩定的設計方法。

3. 研發了充填采煤液壓支架及多孔底卸式輸送機等核心裝備，創新設計采煤與充填工藝、係統，實現了對關鍵岩層的精準控製，為礦區資源開采與生態環境保護協調發展提供了有力的技術支撐。研究成果已在我國10餘個礦區建立了示範工程或基地。