《中国煤炭报》2018年4月21日第3版以“充填开采 筑梦圆梦——记国家杰出青年科学基金获得者张吉雄教授”为题报道了张吉雄教授先进事迹，原文如下：
●本报记者 王世雅
煤炭在国家能源战略格局中占据无可撼动的主导地位，但多种原因导致其长期给国人以“黑”的印象与错觉，许多卓越的煤炭科技工作者不断以高超技艺和出色业绩向世人展现煤炭“金”的真容与魅力，张吉雄教授便是其中一位杰出代表。
日前，中国矿业大学教授张吉雄入选2017年度国家杰出青年科学基金资助项目名单，获得了5年400万元的科研资助。张吉雄是煤炭行业唯一一名获得者，他的研究领域为充填开采与岩层控制。随后，记者采访了这位“土生土长”的矿大人，一同感受他的充填开采梦之旅。
调研起意 锁定充填
张吉雄向很多专家坦露了矸石井下充填的想法，却被认为是不切实际的胡思乱想。当时，大家都认为矸石就该堆积在地面。
张吉雄来自宁夏中卫，是村里的第一个大学生。填报高考志愿时，他对采矿工程专业的了解很少，用他的话说，“当时感觉可能就是学挖各种矿石的”。
来到矿大后，他逐渐对专业有了真切的体会。无论是大师们的精心授课，还是校园里浓厚的学习氛围，亦或是学校遍布全国的实习基地，都一次次震撼着这位来自西北的“未来采煤人”。
张吉雄（右）在井下调研
毕业之后，因缘际会，他选择留在矿大任教，在徐州这座古城扎根。在助教的岗位上工作4年后，他选择继续深造，就读了采矿工程专业的硕士研究生。刚拿到硕士学位，他就马不停蹄地开始攻读博士学位，不过选择的专业却是工程力学，“因为采矿科学的关键节点和根本内在就是力学”。在名师们的悉心指导下，他逐渐对采矿岩层移动的精准控制产生了浓厚的兴趣，对未来的研究方向也有了更细致的思索，这些都为他今后与充填开采的不解之缘打下了坚实的专业基础。
“一次，在兖矿集团济三矿调研，我偶然发现该矿矸石产量非常大，但运输方式很传统，矸石也是堆积到地面。这不仅增加了矿井辅助运输的压力，而且容易污染大气、水和土壤。我当时就在想，能否把矸石充填到井下。”谈到矸石充填采煤法的萌发，他如是告诉记者。
此后，张吉雄向很多专家坦露了矸石井下充填的想法，却被认为是不切实际的胡思乱想。回忆当时的情形，他感慨地说：“当时，大家都认为矸石就该堆积在地面。但深入调研结果显示：随着东部煤炭资源可采储量的快速下降，不得不进行建（构）筑物下、铁路下、水体下压煤的开采，已有的限厚开采、条带开采等方式都存在采出率过低的先天缺陷，如果不研发新型采煤技术，很多矿井就不得不面对过早关停的命运，这对很多依靠煤矿发展的地区将造成难以估计的冲击！”
之后很长一段时间内，张吉雄和研究团队一起埋头于漫长而艰苦的基础试验和理论分析之中，从矸石充填物料物理力学特性测试，到充填体变形与围岩作用分析模型，再到充填采煤与矿区生态环境、经济架构的交互影响关系，他们全面、系统地进行了大量前瞻性研究，从理论上论证了矸石充填开采技术的可行性与必要性。2000年，他们来到邢东矿，开始尝试如何将矸石用于井下充填，在实践层面上开始了全新的探索历程。
“我记得很清楚，当时是在邢东矿办公楼对应井下区域进行试验，采用小步快跑的思路，结合巷道掘进的技术特点，在充分掌握巷道掘进围岩层移动及应力分布特征的基础上，提出了巷采巷充的理念：先掘出煤巷，再向巷道内抛投矸石充填。第一条试验巷道长560米。完成掘进和充填后，我们惊讶地发现：新技术装备完全满足生产需要，而且围岩变形控制效果出人意料的好。之后，我们就大胆拓展，最后实现了矸石供料量有多大，巷道就能掘多远；巷道能掘进多宽，矸石就能充填多宽！当然，这些都是在满足安全规定的前提下进行的。”谈到这些，他的兴奋之情溢于言表。
进中求新 新中求进
让人头疼的问题不是已经来了，就是在来的路上。
初次成功的喜悦并未让张吉雄和研究团队停下探索的脚步，他们将目光和注意力转移到了更现代化、更具发展潜力的综合机械化充填采煤上来，用他的话说，“充填开采技术要发展必须要走提升高效产能比重、增加科技含量之路”。2004年前后，他转战到山东能源新汶矿业公司翟镇矿，继续钻研如何系统、高效地将矸石大规模充填进采空区，正是这一次探索让他们不经意间将充填开采技术推向了一个前所未有的崭新高度。
“从巷采巷充的小范围模式一下子过渡到综采面的大范围充填，可以说跨度相当大。”张吉雄讲述了那段纠结和喜悦相伴的研发过程，“在综采面用矸石充填采空区，能不能实现？开始的时候，所有人都在心中打了个问号。通过反复研讨和测试，我们重点在空间、装备、工艺三个方面进行了创新。”
他告诉记者，在空间上，主要是通过将支架的尾梁打直用于支护一定距离内的采空区顶板，为充填作业提供了掩护空间，避免由于采空区顶板冒落导致充填空间的消失。空间有了，矸石如何运进去？在装备上，他们的第一个想法是用刮板输送机，但直接放在地面上又无法使用，后来就想着用皮带替换下，但操作上又行不通。困顿之际，他们萌生一个大胆的念头——干脆把刮板输送机用链条悬挂到支架的后尾梁上。实测发现，运行竟然相当平稳可靠。
随后，工艺上的新问题又接踵而来。刮板输送机上的矸石如何卸入采空区？试了很多办法都不行。大家集思广益，最后在刮板输送机的溜槽下面设计了开孔，依靠重力把矸石放下去。但是开孔后，矸石总是往下溜。他们就又设计了一个插板，就像抽屉，需要的时候打开，不需要的时候关上。
就这样，在没有国内外经验可借鉴的情况下，他们率先在翟镇矿探索构建起了系统化的综采矸石充填装备和工艺体系，确立了综合机械化矸石充填工作面的基本格局。自此，该技术步入了工业化实用阶段。
充填开采技术原理图
与此同时，他们对充填开采围岩稳定性及地表沉陷控制机理的认识与探索也步入了快车道，在大量的试验数据和现场实测的基础上，他们相继系统解答了采空区充填体与覆岩关键层耦合作用关系、充填采场水汽资源运移通道时空演化、充填采煤地表形态变化特征及其精准预测等一系列关键科学问题，使得充填开采理论框架与脉络日渐清晰，为充填开采技术的深入研究与跨越式发展提供了坚实的理论基础。
谈到之后的改进，张吉雄笑着说：“让人头疼的问题不是已经来了，就是在来的路上。”他举了一个例子，如果忘记关插板，按原设想必然是矸石不断堆高最后堵塞卸料口，卸料过程自然终止，但实际却是矸石堆积到卸料口高度后，仍会继续堆高最后反推刮板输送机，导致刮板输送机与支架尾梁卡紧而难以运行。面对这个情况，除了加强管理外，就是进一步构想能不能在刮板输送机下面安装某种设备，把落下的矸石及时推入采空区。
2007年，邢台矿再次找到课题组，提出想在现有技术基础上改进出具有主动推料功能的新型综采矸石充填采煤支架。在团队导师的指导下，张吉雄和现场技术人员共同攻关，最后在支架的底座后部加装了具备推料功能的夯实机，用于将矸石物料推向采空区深处并压实，解决了刮板输送机卸料后的堆料和压实难题。
自此，兼备支护、充填、卸料、压实四项功能的具有完全自主知识产权的充填采煤液压支架从概念变为了现实（目前已经发展到第六代），且与之配套的充填追机操作规程、采充同步作业方法以及以矸定产的先进管理制度等也趋于完善，彻底解决了长期困扰采煤与充填一体化的硬件和软件瓶颈性难题，打通了综合机械化充填采煤装备与工艺的“最后一公里”。
“装备和工艺体系完善了，如何确保充填作业质量？”他说，“矸石充填要想有效控制井下围岩变形和地表沉陷，就必须达到一定的充采比（充填进采空区的矸石质量与采出煤炭的质量比），这就需要相当数量的矸石物料，而井下可直接使用的矸石量相对综采产能十分少。这就又出现一个新难题——矸石供应量达不到怎么办？而地面堆积量巨大的矸石山，必须得想办法才能用得上。”
风来帆速 水到渠成
我们需要把自己变成一个知识“杂家”，采矿、地质、力学、机械等都要懂一些。
对于技术研发的进程，张吉雄深切体会到：“学校可以将知识划分成学科，便于传授和理解，但生产实际不会理会这些。不管这个问题涉及哪个专业领域，都要你一并解决。这就要求必须灵活应用各种专业知识。”
面对层出不穷的难题，张吉雄说：“我们需要把自己变成一个知识‘杂家’，采矿、地质、力学、机械等都要懂一些，而且很多重要的地方还要心领神会、融会贯通，并和现场紧密联系，不断从厂矿一线寻找灵感。”他告诉记者，充填物料运输的咽喉性控制技术——垂直投料系统的诞生，就是个意想不到的巧合。
偶然的机会，他去枣庄某矿调研时看到一个凸起地面大约一人高的管子。出于好奇，他去询问施工工人。工人回答是往井下扔材料用的，并且告诉他材料扔下去后，就直接到了运输巷道里。他有点怀疑这种方法的稳妥性，饭也顾不上吃，就急忙下井一探究竟。在亲眼目睹管路中物料顺畅地落入井下运输设备上时，他脑海中灵光一现——充填用的矸石是否也可以通过这种方式输送至井下？
参考这个思路，他们在山西霍州煤电集团曹村矿设计和建造了全国首个矸石物料垂直投料系统——一种内部安装高性能耐磨管、外部铺设加固混凝土层的圆形垂直管路，这样便形成了矸石快速下落的连续输送通道。但是，矸石投放到井下时具有很快的下落速度，如何避免其冲击破坏又成了一时难以克服的巨大障碍。经过反复试验和改进，新型锥形缓冲器等系列装备应运而生，同时配套设计了井下矸石储料仓，终于实现了投料系统的安全接料和便捷储存。
装备齐了、工艺有了、物料足了，但整套技术的应用效果又如何，是否满足建（构）筑物下等特殊条件的安全开采要求？
为了有效评估技术效能，他们选择在邢台矿区进行整套技术的测试。他们将首采工作面上方约38米位置的轨道大巷定为观测对象。
在整个工作面的推进过程中，张吉雄和研究团队一直紧盯在现场，回采结束后发现：整个巷道仅是表面发生了轻微破损、运输始终通畅，且地表变形量也相当小。在项目成果鉴定会上，当专家组正式宣布鉴定意见为国际领先时，整个团队都为之沸腾了许久！
之后，随着基础理论和主要功能技术的不断突破、日臻完善，他们研发的充填开采技术在全国范围内迅速铺开，在东部沿海平原到西部高原山区的各大矿区扩枝散叶、开花结果，如今已是硕果累累，无论是业已建立、遍布各地的充填示范工程与基地，还是与诸多国外大型煤企、知名院校的技术出口洽谈与合作交流，都彰显着该技术的巨大活力与社会的高度认可。得益于技术和理论的高速发展，国内过去被称为呆滞煤量的150亿吨压煤资源被重新定位，相当于为国家增加了可开采4年的煤炭储量，许多濒临资源枯竭的矿井和地区因此赢得了宝贵的缓冲和转型时间。
“现在想起来，矸石充填系统中任何一个技术点，都是不断试验、花费了大量的精力和时间研究出来的，鲜有可借鉴的资料。参加国家杰出青年科学基金申请答辩时，有专家问我‘你的技术跟国外相关技术相比有何先进性’，我想了想回答‘当前国外还没有做这方面的研究’。”张吉雄认为，不断创新是充填采煤技术研发历程最好的注脚。
珍惜信任 寄望未来
充填开采就像一首歌，有人作词，有人谱曲，最后有人站在舞台上歌唱。
采访时，张吉雄反复强调，充填开采技术体系的形成与发展，离不开国家政策的倾斜、学校的支持、矿区的信任以及团队的努力，是各方面合力的结果，特别是学校对矿业学科的全方位支持为团队搭建了可以“长袖起舞”的平台。
“没有企业的支持，难有工程技术的创新，创新的过程往往潜藏着诸多变数和意想不到的风险，但煤炭企业依然高度信任、不遗余力地支持我们，企业领导和技术人员常陪同我们一起在井下测试与分析，有时候一呆就是十几个小时。”张吉雄深有感触地说，“那时候，感觉责任很大、压力很大，所以我们倾注了全部的精力和热情，为了技术的成功，更为了对得起那份信任。”
当谈及“现在很多人将他誉为充填开采技术的领军人物”时，他只是笑了笑打了个比方，“充填开采就像一首歌，有人作词，有人谱曲，最后有人站在舞台上歌唱。大家往往都只听到了曼妙歌声，却忽视了作词和谱曲的人，而我是有幸在舞台上为充填发声的那个人，其实最大的功劳属于那些在幕后默默付出的人，这不单单是哪一个人的荣誉，而是国家和社会对为充填技术发展而不懈努力的所有人的一次肯定！”对取得的成绩，张吉雄将其归功于他的导师、团队和所有为之付出过的人。
在国家杰出青年科学基金的资助下，张吉雄教授将面向国家“深地”资源开发重大战略需求，针对煤炭开采深度和强度加大带来的高地应力、大变形条件下的岩层稳定控制难题，围绕“深部充填开采岩层控制”研究主题，开展深部充填开采采场矿压显现特征及其控制方法、深部充填体与围岩交互作用机理及充填物料与地下水环境相互影响等方面的研究，构建起深部充填开采岩层控制理论。
谈到未来，他说：“从前处理矸石和地表沉陷治理，采取的都是先开采后治理的模式，相当于先打伤自己再疗伤。无论效果多好，从某种意义上讲依然是在偿还对资源、对生态的欠账。充填采煤技术今后要从源头上设计，在资源开发伊始就做好生态保护这篇文章，真正实现煤炭资源开发的低或零生态损害。今后，我们团队将积极配合国家能源发展新战略和区域调整，聚焦深部和西部煤炭资源开采与生态环境保护，更好地为煤炭资源的安全、高效、绿色开发服务！”
个人简历和主要成就：
张吉雄教授1993年进入中国矿业大学学习，1997年毕业后留校工作，2004年获得采矿工程专业硕士学位，2008年获得工程力学专业博士学位。现任中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室副主任。
张吉雄教授长期从事煤炭资源充填开采与岩层控制领域的研究，提出了控制采场矿压及关键岩层移动的理论与方法，发明了充填与采煤一体化技术。
近5年来，张吉雄教授获国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖3项；获国内外授权发明专利36件，发表SCI/EI收录学术论文70余篇、出版学术专著2部；参与制定国家行业标准8项。入选国家重大人才工程项目、科技部中青年科技创新领军人才、江苏省重大人才工程项目、江苏省高校科技创新团队带头人以及江苏省有突出贡献的中青年专家等荣誉称号。
主要成果：
1. 深入研究了采动岩体空间覆岩移动及破断裂隙演化特征，建立了控制结构关键层及隔水关键层稳定的新理论与方法，揭示了充填采煤控制关键岩层稳定机理。
2. 建立了充填体与液压支架协同控顶力学模型，构建了充填采煤采场矿压控制理论；提出了建（构）筑物下、含水层等条件下的充填采煤控制关键岩层稳定的设计方法。
3. 研发了充填采煤液压支架及多孔底卸式输送机等核心装备，创新设计采煤与充填工艺、系统，实现了对关键岩层的精准控制，为矿区资源开采与生态环境保护协调发展提供了有力的技术支撑。研究成果已在我国10余个矿区建立了示范工程或基地。
