吴拥政 用科技撑起煤矿巷道围岩安全

华南

掘进机在地下几百米深处强力开凿前行，所过之处，留下一条狭长、黢黑、通往煤层的矿井巷道，用以运矿、通风、排水、行人。开掘后的巷道，需要及时采用巷道支护来保持巷道畅通和围岩稳定，保证煤矿建设与生产安全，保障井下人员生命安全。

为巷道做支护，正是中国煤炭科工集团首席科学家、矿山岩层控制煤炭行业研究中心主任、中煤科工开采研究院有限公司副总经理吴拥政20年来始终专注、不断探求、持续深耕煤矿巷道矿压理论与支护技术的研究、开发推广的领域。

中国是世界排名第一的煤炭消费大国、世界最大的煤炭生产国。截至2020年底，全国煤矿数量近4700处，广袤国土所造就的迥异的煤矿地质条件，让巷道围岩控制面临的问题错综复杂，几乎没有完全相同的案例。吴拥政不断面临新的挑战，但他没有想过退缩或放弃，“巷道安全关乎采煤工人生命安全，背后连结着家庭的幸福和国家煤炭生产安全。用科技为生命护航，是我义不容辞的责任。”

“科研就要努力实现从0到1的突破”

2021年11月，2020年度国家技术发明奖揭晓。由中国煤科天地科技股份有限公司作为第一完成单位，中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家康红普，以及吴拥政、林健、高富强、姜鹏飞等作为主要完成人的项目“煤矿巷道抗冲击预应力支护关键技术”，获国家技术发明奖二等奖。吴拥政代表团队到人民大会堂领奖。

在我国，煤矿主要是井工开采，每年新掘进巷道总长度高达1.2万千米以上，其中回采巷道占比达到80%，规模为世界第一。随着开采深度与强度增大，出现了大量冲击地压、深部高应力及强采动巷道。开采深度越深，地应力越高，井下地质条件相应地也就越复杂，矿井安全风险也随之提升。与此对应，传统支护技术已不适应这些复杂困难巷道，金属支架损坏、锚杆与锚索破断、顶板垮落现象时有发生。而顶板事故多年来一直是煤矿第一大事故，给煤矿安全造成极大威胁。同时，巷道维护成本大幅增加，加重了煤矿的经济负担……作为巷道围岩控制研究者，这些都是吴拥政和同事需要解决的问题。“对于复杂困难地质条件矿井，我们需要创新支护方式、提高支护效率、优化支护效果。”吴拥政记得，导师、中国工程院院士康红普曾不止一次这样讲。

解决冲击地压、深部高应力及强采动巷道等复杂困难巷道支护难题，保证矿工生命安全、降低煤矿生产成本、提高煤矿经济效益，也成为团队下决心开展“煤矿巷道抗冲击预应力支护关键技术”攻关的初衷。吴拥政从项目团队创建初期加入，不想一研究就是十余年。

这个项目中，锚杆力学性能是一个关键环节。位于地下几百米深的巷道，受到来自各方面的地层压力冲击。这些来自四面八方的力，强度、方向、能量各不相同。有些力，是爆发性的；有些力，则缓慢释放。在运用传统支护方式的矿井巷道中，吴拥政和同事们不知多少次看到支护结构已被压得变形扭曲，时刻威胁着井下人员生命安全。

锚杆支护，可以解决这些问题，但怎样使锚杆与来自地层内部的能量相互平衡、有效地分散能量、更好地支护巷道，是一项公认难题。

“2013年，我们开始对锚杆进行精细化研究。看上去只是一根细钢筋的锚杆，项目组动用了十几名博士、硕士围绕展开研究。”吴拥政希望能在实验室里模拟真实的力，对锚杆材质、粗细、长度、结构、承重等一系列问题进行测试，探究井下锚杆实际受力工况。但那时，世界上尚未有一台设备能进行这样的测试。或许没有人能说清楚地壳内部会释放出怎样的能量。

吴拥政和同事们下决心试一试。沿着“巷道到底会受到怎样的地压冲击”这个思路，他们着手设计、研发锚杆力学测试实验台。“完全没有经验可借鉴，我们把矿井锚杆支护测试时的数据全部调出来，从锚杆受力、围岩受力、锚杆与围岩关系等问题入手，倒推设计测试实验台，很长时间进展缓慢。”吴拥政坦言那是一段焦虑的时光，手头还有其他科研、测试、推广项目，但这个难解的问题始终盘桓心头。每隔一小段时间，大家就坐下来研讨一番，稍有成型的想法，就马上请工人师傅画图纸、加工模型、进行测试。

三年时间，吴拥政早已记不清多少次失败。很想把一件事突破，却迟迟无法取得进展；实验的过程反反复复，却总是不稳定，他因此备受煎熬，感到焦虑。“但这就是科研的规律，也是魅力所在，科研就要努力實现从0到1的突破，而不是从1到99的模仿与完善。”

最终，吴拥政和团队设计完成国际上唯一能够同时测试锚杆复杂受力状态及动静载组合加载力学性能的实验台，能够用实验进行模拟测试，揭示了锚杆在井下的受力状态及破断机理。

这项发明获得了10余项发明专利。以此为突破，项目团队陆续发明了高冲击韧性、超高强度预应力锚杆材料及制造工艺，发明了新型钻锚注一体化锚杆、锚固与注浆材料及配套施工设备，提出冲击地压巷道锚杆支护原则及材料选择原则，建立了以预应力全长锚固、高冲击韧性锚杆与锚索形成的高抗支护体为主，辅以金属支架与卸压的巷道围岩综合控制技术体系，最终形成煤矿巷道抗冲击预应力支护关键技术成果，解决了冲击地压、深部高应力及强采动巷道支护难题。

如今，这些成果已在河南义马、山东新汶、山西潞安等全国十多个矿区推广应用，为开采深部与复杂条件煤炭资源提供了技术保障，提升了我国煤矿巷道围岩控制理论与技术水平，引领了巷道围岩控制科技进步，经济和社会效益显著。

如今，动静载组合加载力学性能测试台已经更新至第三代，从手动测试升级为数控操作。第一代至第三代的三台设备同时安置在煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室里，面向国内外研究者开放，继续对来自世界各地、不同地质条件、不同材质的煤矿巷道所用锚杆进行性能测试。

在人民大会堂参加2020年度国家技术发明奖颁奖典礼前，习近平总书记接见全体与会人员并合影留念。如今，这张大合影，被吴拥政精心装裱在长长的相框里，特意摆放在办公室高高的书柜顶上。如不介绍，外人并不容易看见。吴拥政自己却一抬眼就能看到，“时时激励自己更勤勉努力，多出成果”。

“希望为改变煤矿安全状况做点什么”

河南焦作，是吴拥政的家乡。在这座因煤而建、因煤而兴的城市成长，他从小对煤矿并不陌生。但因为家里没人在煤矿工作，吴拥政对矿井到底什么样、矿工到底如何工作，又没有具体认知。

然而，1998年高考时，或许因为冥冥之中的吸引，吴拥政报考了中国矿业大学，进入采矿工程专业。当年，这所学校是煤炭行业唯一一所211大学，吴拥政是那年村里唯一考上大学的孩子。只不过亲朋好友听说他考了所矿业大学，原本的羡慕少了许多，而是转化为不解和调侃：“咱们县上就有煤矿，还用去大学学下井？”现在回忆起来，吴拥政觉得，“这代表很多人对煤炭行业的误解，认为采矿技术含量不高。”

直到大学三年级开设专业课，真实的煤矿样貌和科技赋予煤炭开采的力量，才在吴拥政面前徐徐展开。2001年，在徐州矿务局的旗山煤矿，吴拥政实习了一周，他第一次下矿，看到井下的世界。在井下，师傅们看到说话文气十足的大学生，都关心地劝吴拥政“以后可不要搞煤矿，又苦又脏”。“苦”和“脏”，的确是煤矿给吴拥政的第一印象，“旗山煤矿当时很老旧，我们下的巷道高度符合规定，通风做得也到位，就是工作面高度特别矮，我只能爬着进去，再爬着出来，加上地层的热量，感觉很闷，工作环境非常恶劣。”

2002年，吴拥政毕业时，正逢国内煤炭行业经历三年低迷后，开始复苏，亟需青年科技人才。而当时，全国相关专业毕业生每年不过千余人，就业形势一片大好。“记得一个大型煤炭集团校招时，招聘人员说‘保证你上班三年能开上一辆桑塔纳，我们一下子都心动了。那时，哪敢想自己买车呢。”

平静下来，吴拥政思考未来的路。“大学期间，我懵懵懂懂中去过几家煤矿实习，既有条件不好的老旧矿，也有现代化的大矿区，对煤矿结构有了一定了解，也看到了矿工们对煤矿又爱又恨的状态，希望为改变煤矿安全状况做点什么。”他决定去科研院所，“桑塔纳的梦”被忘在了脑后。

凭借优异的专业成绩，加上机缘巧合，吴拥政最终进入中煤科工开采研究院（当时为开采所）巷道室。按照规定，新员工9月1日入职。康红普说：“你可以早点过来熟悉工作。”于是，毕业离校才10天，吴拥政就扛着包裹北上，直奔开采所报到，成为巷道室第13名员工。

初到巷道所，吴拥政在项目办任项目经理，主要任务就是去煤矿现场对巷道支护技术进行测试。入职不到一个月，他就跟着两位同事出差了，去山西晋城长平煤矿。当时，那里还是小赵庄煤矿长平矿基建矿井，是在建项目，周围没有配套设施，招待所也没有，他和同事住在一家农户开的小饭馆里。“我不怕苦，我是采矿专业出身，工作所需数据都要下井采集。井都不能下，怎么行！”吴拥政苦恼的是，每天收工后不但没条件洗澡，连洗脸水都得省着用。那时，基建矿井采用锚喷支护，掘进工作面暴土扬长。他们防护意识不足，甚至没戴口罩就下井，每天上来，鼻孔里都堵满了混凝土块儿。

第一次出差就历时一个多月，吴拥政还记得，项目接近结束时，山区已经飘雪，放在院子里的大水缸早已结了冰。每天早上，他们先把冰敲碎，才能盛水洗脸刷牙。此后至今20多年，这样艰苦的工作环境、长期出差的状态，始终伴随着他和同事们。“我最长一次出差75天，跨过了一个季节。”

对于艰辛付出，吴拥政并不多谈。在开采所20年，他认为吃苦和勤奋是必备技能。他更专注于科技对矿山安全的防护。2006年，吴拥政参与研发的地质力学原位快速测试方法及装备，被授权国家发明专利。目前，他主持开发的大扭矩玻璃钢锚杆，和750兆帕级超高强度热处理锚杆系列材料、1100兆帕级矿用预应力钢棒等，极大丰富了我国煤矿支护材料品种；开发的煤矿井下定向水力压裂顶板控制技术与装备，揭示煤矿留巷巷道定向水力压裂卸压机理，显著提升了矿山压力与岩层控制技术水平；提出煤矿巷道高预应力一次支护理论，成为指导煤矿巷道支护工程的有效理论；开发出煤矿巷道高预应力锚杆支护成套技术，解决了大量复杂困难巷道支护难题。这些研究成果，在大同、潞安、晋城等30余个矿区成功应用。

一根锚杆，不及成年人手腕粗细，却在地下几百米深处，合力支撑起煤矿巷道，宛若打开人与地殼能量对话的通道，成为采掘者生命所系。这已足够令吴拥政感受到职业成就感、自豪感。

吴拥政现已入选国家重大人才工程项目、国家百千万人才工程“有突出贡献中青年专家”、科技部“中青年科技创新领军人才”、享受国务院政府特殊津贴专家，主持和参与国家自然科学基金、国家“863”计划、国家科技支撑计划等科研项目40余项。但在他心中，始终有一根标杆，那就是他的硕士生、博士生导师康红普院士，“几乎所有的周末、节假日，都在加班。他对待科研、工作、业务的专注，对行业的前瞻性、对科学精神的理解，我一直在学习，但始终无法企及。”

只为让客户用上性能更强的锚杆

锚杆支护是指在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。支护时，用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成锚杆杆柱，打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板，或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的。

在煤炭开采进程上，锚杆支护已有超过百年历史。1911年，美国阿伯施莱辛的弗里登斯煤矿首先应用了岩石锚杆支护巷道顶板，因其成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点，迅速推广开来。上世纪50年代后期，我国锚杆支护技术开始应用，并逐渐从矿山巷道扩展到铁道隧道、边坡工程、水库大坝、地下工程等领域。

在开采研究院，业务版块分为三部分，吴拥政所在的运维版块，既负责技术攻关，也负责把成熟的技术推向市场，是实验室和市场的桥梁，很考验人。

工作最初三年，吴拥政主要跟着有经验的同事跑市场、盯项目，由此了解了整个行业的状态。2002年至2005年，恰逢国内煤矿行业锚杆支护技术处于快速推广期，中国煤炭工业协会连续在安徽六安和山西晋城召开了两场煤炭行业锚杆支护技术现场推进会，“原煤炭部副部长都到了现场”。年轻的吴拥政不停地在各地煤矿间奔忙，将锚杆支护技术带到井下。

那也是吴拥政面对挑战最多的三年。

不过拇指粗的钢筋，就能顶住地下深处的巷道？这是很多人初见锚杆的第一反应。此前，传统巷道支护一般用气旋式石头垒起来，或者用U型钢制成支架，但还是事故频发。“他们说，你就打了两个小孔，打了两根细钢筋，就说止住事故……”吴拥政至今记得煤矿技术人员难以置信的表情，“大家根本不相信”。

面对质疑，吴拥政他们往往不多说话，介绍完锚杆支护原理，取得矿上领导和技术人员的理解和认同后，立即到井下开始打锚杆，测数据。

“当时面临最大的难题是啥？是我们打完锚杆的巷道，工人都不进，他们害怕冒顶了。”每当面对这种情况，吴拥政就带头往里走。“我们不是纯粹的基础科研院所，作为中央科技型企业，我们的主要任务之一就是让科研成果迅速产业化、造福企业。”他说，要用数据和实践检验，让大家相信科学的力量。

创得出口碑，还要守得住客户。2008年，吴拥政负责对接的潞安集团某重点矿井发生冒顶事故。赶到事故现场，他有些不解：“设计图纸、制定的标准都没问题，为什么会出事故？”经过与煤矿相关人员沟通，吴拥政意识到，一项新技术引入矿井后，只靠最初的技术服务远远不够，还需要长期监督和管理。

为此，吴拥政在原有技术开发、技术转让、技术咨询、技術服务“四技服务”的基础上，提出“技术+管理”的“潞安模式”，即以技术人员驻矿和巡矿的方式服务矿井。以前只靠技术服务，巷道所在潞安集团每年签约的项目资金不到300万元。按照“潞安模式”，巷道所与潞安集团每年签约的项目资金达950万元。

翻了两番的项目资金，在于加强监管，帮助煤矿消除重大隐患，以及通过培训和授课，为煤矿培养技术人才。“我们专门指定15名技术人员，为潞安集团提供服务。”吴拥政说。

遇到重大问题或隐患，派驻人员向上级汇报；遇到传统的“三违”问题，派驻人员就地解决。近年来，吴拥政团队在服务矿井过程中，发现安全隐患数万条，防范重大隐患数百次。

“潞安模式”也已逐步推广至晋煤集团、西山煤电集团、霍州煤电集团、阳煤集团、晋能集团等煤矿企业，每年技术合同额累计2亿元。

除了一对一进行指导，巷道所每年会组织现场技术人员、管理人员进行培训。“就是要主动去交流，告诉大家每年有什么新的技术进展。”吴拥政说。但他仍不满足，“我国煤矿地质条件太复杂，没有两个开采环境相同的矿区，一项理论从实验室到应用于一个矿井，再推广至更多矿井，有很长的路要走。我们永远面临新的问题，科研永无止境。”

康红普说，吴拥政是在他所带的50多名学生中，非常优秀的学生。“做得了科研、跑得了市场，是难得的两方面能力都很强的人才。”

平日，打给吴拥政的电话很多，其中很大一部分是向他咨询煤矿巷道支护、快速掘进等技术的最新研发进展。每次他到矿井，领导、技术员，甚至矿工见到他，都会追着问“有没有新技术给我们”？

“大家对新技术的渴求度非常高，这是我们不断研发、创新的动力。但是我们必须把经过充分验证的、成熟的技术应用到煤矿。我们的技术，要对下矿人员的生命安全负责。”

2021年，吴拥政担任中煤科工开采研究院有限公司副总经理，繁重的工作之余，他依然利用晚上、周末时间忙于课题研究，依然奔走于煤矿一线，问需于基层，以新技术服务一线、引领行业进步。

作为中央企业科研单位，吴拥政看重以实际需求为导向开展课题研究，并保持行业领先地位。他提出，巷道所每年必须有一个重点创新项目，这个项目不考虑盈亏。作为重大的、引领性的项目，其目的在于提升技术水平、提高影响力。每年巷道所比较大的创新，他都要从研发基地开始试验。“尽管不成熟，也要试一试。科研不害怕失败，发现问题是好事，根据问题再深度研发，合作关系会愈发紧密。如果一个合作项目做完就撤了，那就真完了。”他说。

在吴拥政看来，科研与实践是双向奔赴的旅程。“企业更多聚焦怎样维护矿井安全，怎样获得更大利润，但未必关注到行业前瞻性的信息、技术；我们作为科研企业，更多关注技术前沿课题，但同时需要企业根据开采时的实际情况，提出诉求，为技术攻关带一带路。”

责任编辑 王碧清