北京配资网智能化、绿色化趋势下，中煤科工如何实现颠覆性创新？

千米井下,地层已经在逐渐变得透明。井下粉尘,已经能通过智能算法实现精准防控。而那些曾经因大量零散分布而浪费掉的遗煤资源,已经在通过绿色智能开采技术体系,实现资源开发与生态保护双赢。

今年7月初的2025年度国家科学技术奖励大会上,中国煤炭科工集团有限公司(以下简称“中国煤科”)斩获五项国家科技大奖,覆盖矿井水灾透明感知、粉尘智能防控、稀缺遗煤绿色开采、露天矿地下水保护和采煤沉陷区高质利用。

每一项成果,都是借助绿色化、数智化手段完成从“0到1”的突破,也是对传统模式的颠覆。

但相比某一项成果更值得关注的,是一家企业如何能够实现科研项目全面开花的能力。如何建立一个覆盖基础理论、技术装备与工程转化的完整创新体系,如何形成一种能让科学家愿意把论文写在千米井下的文化土壤。

澎湃新闻近期走进中国煤科,对话获奖项目核心科学家,解码这家煤炭“国家队”企业的系统创新之道。

新技术,让井下隐患看得见

我国是全球矿山水文地质条件最复杂的国家之一,全国约86%的煤矿受到水灾隐患威胁,受影响资源储量超过500亿吨。更严峻的是,威胁在向深部转移。随着浅部资源枯竭,煤炭开采向深部进军已成必然,千米深井越来越多,水压越来越大,风险越来越高。

水灾为什么难防?因为看不见。

几百米深的井下,高承压水沿着看不见的薄弱带突然涌入,来势猛、水量大,留给矿工的逃生窗口期极短。传统井下常规物探超前探测距离只有百米左右,对深部、远场的隐蔽构造如同“盲人摸象”。

这一困扰行业多年的难题,终于在中国煤科一级首席科学家、西安研究院科技委主任董书宁团队手中取得突破。他们历经十余年攻关,构建起覆盖“超前探测—精准治理—智能防控”的技术体系。

具体来说,他们发明了井下“智能钻探+钻孔物探”探测技术装备,创造井下水灾隐患超前探测1152米的世界纪录;研发全球首个矿山地质AI大模型,实现水灾风险自动识别、处置方案智能推送;攻克水灾隐患自适应靶向治理技术及装备,推动水害防控向精准化、少人化升级。同时,还创新多目标约束智能协同防控技术,在消除井下水灾隐患的同时,有效保护地下水资源,实现安全开采与生态保护协同共进。

通俗理解,团队构建的“震-电”联动全空间监测感知系统,就如同地层“听诊器”一样,能够实时捕捉采矿造成的岩层微破裂、富水体动态变化等,时刻洞察煤矿井下各类水灾隐患参数状态,并实时导入到透明地质平台,支撑灾害的风险辨识与智能防控。团队研发的全球首个矿山地质AI大模型,就像永不疲倦的“数字专家”,可以根据数据提前识别潜在灾变风险,从而实现灾害防控的数智化。

传统技术条件下,除了水灾隐患看不见之外,另一个看不见的隐患是井下粉尘。

“井下粉尘隐患看不见、摸不着,人即使戴着口罩也缺乏安全底气。但现在,我们研发的设备可实时显示现场粉尘数值和个体累计接尘数据,依托分级预警算法提前预判、提示隐患。班组可根据预警等级调整轮岗排班、配齐防护用品。这彻底摆脱以往仅凭主观经验判断粉尘危害的模式,切实守护了矿工职业健康。”中国煤科重庆研究院粉尘分院仪表开发所副所长惠立锋在接受澎湃新闻记者采访时说。

据介绍,为聚焦呼吸性粉尘诱发尘肺病这一世界性职业健康难题,重庆研究院作为核心研发单位完成了“大型煤矿呼吸性粉尘治理与尘肺早期预警技术创新及工程推广”项目。突破静电感应粉尘检测、呼吸性粉尘长效分离、个体接尘量动态监测等关键技术,自主研发粉尘在线监测装备,解决了传感器井下测量失准、分离组件易堵塞的难题;依托人员定位与粉尘时空分布模型,建立个体接尘量智能算法,动态观测矿工接尘水平,分级预判尘肺病发病风险,推动矿工粉尘暴露管控由“事后追溯”向“事前预警”转变。

绿色化,把遗煤废地变成资源

我国政府对煤炭开采的要求是,要兼顾保供给和护生态。中国煤科以技术创新推动资源开发与生态保护由相互制约向协同共进转变。

让难采的遗煤“颗粒归仓”,让宝贵的地下水“滴水不漏”,让废弃的沉陷区“涅槃重生”。中国煤科的三项国家科学技术奖成果,给出了从资源开发到生态协同的样本。

先说遗煤。我国先期开采中,大量稀缺优质煤炭资源被遗留井下,仅山西省保守估计就有近百亿吨焦煤、无烟煤。它们被全球主要工业国列为关键矿产,国内储量已极其有限。受开采经济性和环境保护限制,近40%资源不适合布置长臂综采工作面,边角煤、不规则块段及“三下”压煤等长期弃采,造成极大浪费。

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司总工程师金江介绍,太原研究院作为核心研发单位,完成了“稀缺优质遗煤及煤层气绿色智能开发关键技术与应用”项目。他们首创块段遗煤综合机械化单元密实充填采煤工艺,将短壁开采、绿色充填与智能控制技术相融合。人员远程操控采掘运设备,远离作业面危险区域;矸石井下原位处置,有效控制围岩稳定,减小地表沉降,保护水资源与地表设施。

再说如何把宝贵的水资源留下来?

“露天煤矿开采长期依赖地面疏干井持续抽排地下水,大规模疏降含水层水位,改变区域天然渗流场,引发水环境退化、生态损毁等后果。”中国煤科西安研究院水文分院研发中心主任王海说。

为此,王海所在的西安研究院参与完成“露天煤矿开采地下水资源保护关键技术及应用”项目。他们自主研发自粘接柔性防渗膜材料与水下强电流磁场磁化连接技术,攻克地下深窄空间泥浆槽内防渗膜高效铺设装备与施工工艺。如今,依托该技术已经建成我国乃至世界首座露天煤矿防渗膜截水帷幕工程。以扎尼河露天煤矿为例,矿坑疏排水量减少13.4万立方米/天,动态补给量减少89%,真正实现了煤炭开采与水生态保护的双赢。

资源采出来了,水也保住了,那采煤后留下的沉陷区该怎么办?中国煤科开采研究院、科工生态参与完成的“采煤沉陷区高质建设利用关键技术与工程示范”项目,彻底解决了这一问题。

据科研人员介绍,团队创新开发了集采空区“点面体精准勘查、全要素评估、一体化监测、四类精准治理模式”为一体的防控技术体系,将采空区治理技术与“地基稳定性评价+建筑规划控制+抗变形设计+建筑物加固”相结合,形成沉陷区综合利用井上下协同治理成套技术,有效解决了采空地层科学治理与工程建设协同技术瓶颈。

如今,该技术已经得到实践应用。在山东省济南市章丘区,完成2518亩山东大学龙山校区采空区全域勘察治理,满足高校及大型公共配套开发条件。在山东省济宁市任城区,实施5000亩塌陷地综合治理,达标高密度城建用地标准。昔日的沉陷区,如今正变成承载城市未来与科创梦想的热土。

创新活力,来自制度和文化

企业如何创新?怎样通过创新结出成果?科学家们给出的答案是,这需要一套运转成熟且有实效的协同创新体系。

据金江介绍,“稀缺优质遗煤及煤层气绿色智能开发关键技术与应用”项目是太原研究院联动开采研究院协同攻关的项目,是中国煤科内部跨专业、跨区域创新矩阵协同作战的典型成果。项目团队正是依托全国重点实验室、装备制造中试基地、大型井下试验矿井矩阵,才得以同步开展大量工程模拟计算、实验室测试、装备可靠性工业试验等工作。

“采煤沉陷区高质建设利用关键技术与工程示范”项目也是中国煤科内部多研究院协同合作的结果。中国煤科开采研究院副总经理尹希文介绍,在采空区治理中,开采研究院负责一体化方案的策划和设计,提供核心技术支撑,而科工生态负责项目的工程实施和建设。各单位正是依托集团平台整合资源,充分发挥各领域专长,合力攻坚、共同破题,最终研发出获得客户认可的产品方案。

但成果仅在实验室形成理论方案是不够的,它必须要走向真实的矿井,要经得起现场实践的检验。

董书宁告诉澎湃新闻记者,当前中国煤科已经形成了覆盖基础研究、技术开发、产品研制及产业化的完整项目体系。比如,“矿井水灾隐患透明感知与智能防控关键技术及装备”项目在研发初期,中国煤科就持续立项重大科研项目支撑,保障了各项成果从0到1的重大突破和产出;同时,研究人员也能及时依托集团公司科产融合体系,产出系列的高价值专利,并将核心技术、优质工艺转化为行业标准、国家标准。

在董书宁看来,一家企业除了完善的创新及科研成果转化机制外是否有厚重的创新文化土壤也很重要。

他说,中国煤科已经确立了“追求真理、探索奥秘、勇于创新、家国情怀”的科技创新理念,以及“以人为本、客户第一、家国情怀、止于至善”的核心价值观。这种企业文化影响着每一个煤炭人。

不要小瞧这种文化的力量。年过六旬的董书宁,正是凭借这种精神,才与矿山地下“水老虎”较量了大半辈子,如今“矿井水灾隐患透明感知与智能防控关键技术及装备”项目成果已经走出国门、为国际矿山防治水工作贡献了“中国智慧”;太原研究院金江团队主攻短壁遗煤机械化开采成套装备、密实充填工艺、智能掘进和智能运输技术装备研发,最终攻克遗煤领域卡脖子难题;西安研究院组建了一支平均年龄30岁的“透明地质AI小分队”,长期深耕矿山地质数字化与智能化领域,持续开展人工智能与矿山地质技术的融合创新研究。

一代代煤科人正是在这种文化的感召下,把论文写在千米井下,把成果留在矿区大地。

未来,向更深更透明要答案

对真正有理想的科学家们来说,获奖只是科研生涯的里程碑,而不是终点。

面向未来,煤炭开采向深部进军已成必然。矿井高强度涌水、强冲击地压、高瓦斯突出等多灾害复合显现问题日益突出。让深地透明化,是当今煤炭领域最重要的科研攻坚方向之一。

董书宁认为,后续攻关有五大方向:深化两探融合,在千米深井复杂环境下突破超远精准探测瓶颈;完善智能探测监测体系,实现不停钻、不停掘、不停采条件下的连续感知;发展物理AI反演技术,使反演结果兼具物理合理性与计算高效率;突破多模态数据融合难题,打通水文、地质、物探、钻探等多专业壁垒;进一步发展生成式AI地质建模,让AI根据有限数据“推理”出合理的地下空间结构。

他认为,要实现煤矿深地空间完全透明化,要从基础理论研究开始,扎扎实实地向工程应用端一步步走:一是夯实基础理论研究,深地透明化的根基在于对采动岩体力学、渗流力学、地球物理场等基础规律的深刻认知;二是突破关键核心技术;三是研制重大仪器装备;四是构建大模型智能体赋能决策,构建全链条智能决策体系;五是持续推进重大工程示范,以用促研、以研带用。

沉陷区治理与粉尘防治,也在向智能化、绿色化迭代升级。

尹希文介绍,锚定采煤沉陷区高质利用目标持续攻关,现已形成集勘察、设计、评估、建设、监测于一体的成套核心技术体系。未来这套成套技术将围绕高精度、智能化、一体化、长效化方向持续迭代升级,助力深地空间全域透明化发展。比如勘察技术要重点突破无盲区高精度探测技术,地层再造技术朝着精准靶向施工、绿色低碳修复方向升级,研发新型环保充填材料与智能施工装备,实现地层再造全过程虚实同步、动态可控。

重庆研究院惠立锋则表示,面向深地空间全域透明化、无人智能开采长远发展要求,粉尘防治行业技术升级将聚焦三大方向:一是优化传感自适应补偿算法,研发微型化、低功耗新一代监测终端,大幅提升设备在深部高温高湿、积尘、强电磁干扰受限工况下的适配能力;二是依托长期工矿数据库训练多维度智能研判模型,同步预判粉尘爆炸安全风险与职工接尘健康风险,全面提升预警前瞻性与精准度;三是搭建一体化粉尘数字孪生管控平台,打通感知、预测、治理、健康评估完整业务链路,建成深地矿山粉尘全要素管控新模式,支撑行业深部智能开采转型升级。

谈到对未来的信心,董书宁说信心主要来自四个方面:国家战略需求的持续牵引、百余座矿山的实战检验、煤矿智能化基础设施的快速普及,以及行业认知的根本转变。

“现在行业认知发生了根本性改变。人们从原先的‘灾害发生后再治理’的理念,转变到了如今‘地质透明化让灾害无处遁形’的理念。这种理念的统一比技术本身的推动力更为深远。”他说,科技创新终究会实现深地空间完全透明。我们有理由相信,在不远的将来,深地空间不再是一团看不清的黑匣子,而是一张被实时照亮、可交互、可推演的数字地图。

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