大咖驾到！一位扎根现场的煤矿防治水专家

扎根现场的煤矿防治水专家

——记中国煤炭科工集团一级首席科学家董书宁

个人简介

董书宁，1961年生，现任中国煤炭科工集团有限公司科技委副主任、一级首席科学家，陕西省有突出贡献专家，煤炭工业技术委员会有突出贡献专家；中国煤炭工业安全科学技术委员会水害防治专业委员会主任委员，煤炭工业技术委员会煤矿防治水专家委员会主任委员，第五届国家安全生产专家组煤矿地质灾害组组长，国际矿井水协会中国国家委员会副主席，吉林大学、西北大学、西安科技大学兼职教授，国际期刊《Mine Water and the Environment》（SCI收录）编辑委员会副主编。

董书宁长期从事矿山水害防治理论研究、技术开发和应用实践工作，创新了煤层底板、顶板水害防治理论，构建了“采前主动预防—采中监测预警—灾后快速治理”全过程水害防控体系，解决了水害超前预防、水资源协同保护、水灾快速治理等难题；主持或参与完成联合国开发计划署（UNDP）资助、国家工业性试验、国家“六五”科技攻关、国家“七五”科技攻关、国家“十一五”科技支撑计划、国家“十三五”重点研发计划、国家“973”计划、国家重点科技创新等科研项目30余项，获得国家科技进步奖3项、省部级科技奖28项，第四届中华国际科学交流基金会杰出工程师奖（2020年）、第二十八届孙越崎能源大奖（2019年）、西安市首届“市长特别奖提名奖”（2020年），荣获“西安高新区年度十大创新人物”（2011年）。

记者第一次见到中国煤矿防治水专家、中国煤炭科工集团有限公司一级首席科学家董书宁是在2019年10月的第二十八届孙越崎能源科学技术奖颁奖大会上。在那次颁奖大会上，董书宁获得孙越崎能源大奖。当时，记者与他初步约定采访，却一直未能成行。7月10日，周六下午，记者在西安终于采访到了刚出差回来的董书宁。

01

一年少则六七个月，多则八九个月在现场

董书宁从小学习成绩优异，在当地小有名气。1980年，他参加高考，填报了当时兰州大学最好的化学专业。虽然总分达到了要求，但单科成绩没有上线，他被调剂到了水文地质与工程地质专业。

既来之，则安之。他上午上课，中午吃完饭休息，下午有课就上课，没课就完成作业、锻炼身体。晚上的时间他也不浪费，要好好利用。没有固定的教室，董书宁就随便找个教室或者在图书馆找个位置学习。有时候实在找不到，他就在宿舍学习。大学时光在充实的学习中快速度过。

1984年，董书宁大学毕业。当时，大学毕业生很少，全国哪儿都缺人才。董书宁又是班长，学校希望他留校工作。除了兰州大学，北京一家不错的设计规划单位也伸出了橄榄枝。经过一番思考，董书宁选择了原煤炭工业部煤炭科学研究院地质勘探分院（该单位即中国煤科西安研究院前身，以下简称西安研究院）。

“以前，村里的生产大队队长工作干得好，就被推荐到铜川的煤矿去工作。”这给董书宁留下了很深的印象，蓝田靠秦岭比较近，“过去都烧柴火，谁家能烧煤的话，会让人很羡慕。”当时，全国煤炭生产紧张，西安研究院是煤炭科研单位，研究的又是地质勘探、煤炭开采地质条件相关内容，能够接触到现场生产实际，董书宁觉得很实用。

来到西安研究院，董书宁被分到了西安研究院水文地质研究所，从事科研工作。

做科研，实验、数值模拟、现场试验观察，各类研究手段齐上阵。学校里学过的知识和技能他都能灵活运用，没学过的也能即学即用。

一般情况下，西安研究院给每位新员工安排一名师傅。有一次，他的师傅让他把用于地下水模拟计算的计算机程序语言ALGOL60转换成FORTRAN。这两种语言董书宁都没学过。师傅有些犯难，担心董书宁不会这两种语言，难以按时完成工作。

董书宁让师傅给他3个月时间。在这段时间里，他自学了ALGOL60和FORTRAN，最终，在2个月内完成了转换（重新编译）工作。

当时，水文地质研究所只有几台电脑，平均约10人用1台电脑。西安研究院有1个计算站，功能比普通电脑强大，运算速度更快，大家有一些大型计算都到那里去算。但是白天人多，计算站的运算速度就会变慢。

于是，董书宁就等计算站晚上没人后再去工作。那时候年轻，精力充沛，他在计算站经常一干就是一个通宵，累了再回去休息一会儿。到下午、晚上，别人下班走了，他又开始继续工作了。

除了在单位上班，董书宁大多数时间在各煤矿现场工作。井下放水、地面抽水试验，打钻、取芯，水位、顶板底板岩层破坏观测……一项项具体工作既是科研日常，又让他对煤矿生产实际有了更多了解。

一些矿区比较偏僻，通信不便，董书宁和单位、家人联系都靠写信。现场工作完成了，他准备回西安，就给领导写信请示。领导收到信后再回复。一来一去，从定下来要回，到真正离开，一般需要10天左右。

在水文地质研究所里做项目时，董书宁一年少则六七个月，多则八九个月都在现场工作。即便是在担任西安研究院副院长之后，他一年在外出差的时间也有四个月甚至七八个月。工作以来，他连续在外出差超过半年的有4次。

刚进入西安研究院，董书宁就参与到国家“六五”科技攻关项目“华北典型煤矿奥陶系灰岩水上开采（防治水）技术”的研究中。之后，他又参加了2期国家工业性试验项目，承担了联合国开发计划署资助项目。项目资金来源各异，研究内容却都围绕着煤矿防治水展开。

一工作就参与到各类大型科研项目中，董书宁认为自己很幸运。大型科研项目，规模大、涉及的研究内容多、比较综合，对一个人各方面的知识储备要求高，同时参与的人多，有更多机会向别人学习。

在机遇与努力双重作用下，董书宁快速成长为煤矿防治水领域专家。1999年，董书宁担任西安研究院副院长，2006年担任西安研究院院长。

2013年7月，董书宁（右二）陪同陕西省委科技工委、省科技厅领导参观西安研究院钻探装备生产车间。

02

改变底板加固方式，解放超3亿吨煤炭资源

过去几十年里，我国煤炭主产区都在中东部地区，包括河南、河北、山东、山西以及陕西关中地区、淮南、淮北等地。这些区域开采的煤在地质上多属于石炭—二叠系煤。在这一开采煤层下方，普遍发育有极为富水的奥陶系灰岩含水层。开采煤层与奥陶系灰岩含水层之间有一层隔水层。

隔水层有薄有厚，如果太薄的话，一则容易被水压冲破，二则可能有构造或原生裂隙，三则可能受到采煤活动影响，底板被破坏，进而发生水害事故。

奥陶系灰岩含水层薄则数百米、厚则数千米，含水量丰富、水压大，难以通过疏水降压等方式保障开采安全。其更可行的保护措施是加固或增厚隔水层。

20世纪90年代前后，国内一些学者和煤矿技术人员开始探索通过注浆、加固隔水层或将含水层顶部改造成隔水层等方法，避免水害事故发生。

传统的隔水层加固方式是施工穿层孔，也就是与煤层底板垂直或以一定角度往目标治理区域打穿层钻孔，然后往孔里注水泥浆等材料，加固隔水层。但是穿层施工有效孔段短，盲区范围大，改造效率和可靠性较低。

如何让底板水治理更安全、高效、经济，是董书宁一直在研究思考的问题。

2009年，河南焦作煤业公司一位总工程师向董书宁咨询瓦斯抽采钻孔成孔问题。焦作矿区的煤层比较软，钻机在软煤里容易抱钻、卡钻，影响钻孔施工深度和瓦斯抽采效率。

董书宁召集西安研究院钻探方面的专家，和这位总工程师及随行人员一起讨论解决方法。在讨论过程中，董书宁突然想到，底板加固、含水层改造钻孔成孔也可以采用抽采瓦斯所用的定向钻进技术和装备。因此，他提出变穿层钻孔为顺层钻孔，利用顺层定向长钻孔超前区域治理煤层底板水害。

顺层钻孔就是顺着目标治理区域沿岩（煤）层走向打孔。治理同样大的区域，穿层钻孔需要打几十个甚至更多，而顺层钻孔只需要打几个。

不过打顺层钻孔也面临着新的挑战。穿层钻孔一般只需要打几十米，而顺层钻孔则需要打上千米，偏斜率控制难度大，再加上灰岩硬度大、成孔难，对钻头等钻具提出了更高要求。

董书宁带领团队利用西安研究院自主研发的煤矿井下千米定向钻机解决了这些问题。现场实践显示，钻孔轨迹水平偏差小于千分之五，垂直偏差小于千分之一，钻进效率提高3倍以上。定向长钻孔有效孔段率由常规钻孔的15%提高到85%，消除了注浆盲区，平均注浆量比常规钻孔提高5倍以上，改造效率和可靠性显著提高。

该技术方法应用10多年来，累计解放受底板水害威胁的煤炭资源超3亿吨。

2018年12月，董书宁（右）在神东保德煤矿井下超长定向钻进试验现场调研。

03

借鉴大江截流，快速封堵过水通道

煤矿防治水工作重点一方面是预防，尽量避免灾害；另一方面是万一灾害发生了，如何快速治理。

据了解，水害发生以后，抢险人员一般先在动水环境下快速封堵过水通道，之后要找到出水源，进行根治。快速堵住过水通道、找到出水源、堵住出水源，都不是简单的事情。随着我国煤炭资源整合、采深加大，煤矿水害隐蔽致灾探测难度进一步增大。针对这些问题，董书宁带领团队逐一攻克。

针对过水通道封堵，抢险人员以往主要在巷道上方打孔，然后在动水状态下往巷道里灌注骨料、水泥浆，才能把巷道堵住。事故救援时，紧急情况下打孔的直径不会太大，顺着钻孔往巷道里灌注的骨料粒径不能太大。在水的冲击下，有时候，骨料在巷道里最远能被冲出2千米，不仅浪费材料，而且难以在短时间内堵住过水通道。

为此，董书宁带领团队借鉴大江截流，发明了动水条件下过水通道封堵可控注浆工艺及组合钻具、大断面过水通道“一步法”淤积层置换技术。

“钻杆内挂个袋子，钻孔打通后，通过特殊工艺把袋子从孔底抛出，进入巷道就张开了，然后再往里注浆。骨料和浆液灌到袋子里，就不会被冲走。”董书宁介绍，袋子很大（最大可达28立方米），通过这种方法，可能两三个袋子就把巷道堵住了。

不少突水事故是由隐伏陷落柱导致的。陷落柱就是灰岩在被反复侵蚀中形成的垂直柱状溶洞，陷落柱突水是因其导通了开采煤层和含水层，要找到陷落柱的具体位置和大小并不容易。针对此问题，董书宁带领团队研发了地面、井下综合物探精细探测等技术与装备。

针对突水水源封堵，董书宁带领团队研发了水泥—骨料反过滤快速封堵技术。“以陷落柱突水为例，我们先从顶部往陷落柱体内打孔，往孔里灌注沙石、炭砟等粗颗粒骨料。”董书宁介绍，“然后再在旁边打一个定向孔，往孔里注水泥浆液。”通过这种方法，骨料和水泥浆液在柱体内混合凝固，灌注效果显著。

2010年，内蒙古西部某基建矿发生透水灾害。接到通知后，董书宁和西安研究院的技术人员迅速赶赴现场。经过分析，董书宁等人推测出可能是巷道隐伏陷落柱导致的突水。

探查到陷落柱位置后，董书宁等人针对现场情况，提出了突水通道水泥—骨料反过滤快速封堵技术。利用该技术，抢险人员用了31天就完成了突水通道的封堵任务，创造了世界采矿史同等条件下注浆堵水用时最短纪录。

2015年，由董书宁牵头研发的“煤矿重大水害防治与快速抢险关键技术及装备”获得国家科技进步奖二等奖。该技术在全国100余处煤矿推广应用，有效减少了煤矿重大水害事故，提高了我国矿山水害抢险救援水平。

虽然很早就走上了科技经营与科研管理岗位，但董书宁从来没有离开过科研一线，还因工作需要担任与自己专业相关的大型科研项目和技术咨询与服务项目的负责人。围绕煤矿水害防治，他还在煤矿开采智能地质保障技术、矿井水灾害防控与远程诊断平台建设、顶板水控制疏放、侧向帷幕截流等方面提出相关理论、技术，并进行实践应用。

2020年8月，董书宁不再担任西安研究院院长，专职开展科研工作。目前，他负责的“十三五”重点研发计划项目“矿井突水水源快速判识与水灾防控关键技术研究”即将结题。该项目包括动态突水预测预报等8个课题。

“现在，好多技术虽然已经很不错了，但还需要继续攻坚，封堵能不能更快速一些，探查更准确一些，底板水、顶板水预防更可靠一些。”董书宁说，比如过水通道封堵，以前钻杆只能带1个袋子，现在我们尝试研究带2个袋子，通过模拟计算等方式，把袋子的强度、材料、扩张方式等从理论上研究清楚。

记者手记

做好科研工作的四种品质

采访的最后，记者问董书宁，做好科研工作需要哪些品质。董书宁回答道：一要有兴趣，必须干一行爱一行，不喜欢就难出成果；二要舍得投入，干任何事就应该钻进去；三要思维发散，不钻牛角尖，同时忌讳做事蜻蜓点水、打一枪换一个地方；四要不断学习。

在短短的采访中，记者感受到，这四种品质在董书宁的经历中体现得比较明显。

董书宁是被调剂到水文地质与工程地质专业的。他虽然调侃自己当初是被“下放”到所学专业，但上学期间依然认真学习，毕业后把全部精力投入到煤矿水文地质事业中，取得了丰硕成果。当不能按照兴趣选择职业时，也许我们可以学会“因选择而热爱”。

从稿件中的一些小故事，我们可以看到舍得投入和不断学习在董书宁的经历中的体现。这样的品质，无需多说，应该是干好任何事情都需要的。

科研的辛苦体现在不断试错中，科研的成果也产生于不断试错中。思维发散，就是一条路不通了，再想另一条路；就是自己的领域没有好的办法，就从别的领域引入。发散思维也成为董书宁及其带领的团队取得一些代表性科研成果的契机。在与人讨论瓦斯钻孔问题时，他能想到底板隔水层加固新方法，借鉴大江截流，提出动水条件下过水通道封堵可控注浆工艺。

科研工作要探索人类未知的边界，意义和价值不言而喻。但科研并不是大众想象中的天才专属的工作，普通人通过学习、坚持，也能取得不错的成就。董书宁提到的四种品质也许不是取得好的科研成果的充分必要条件，但一定会让工作更上一层楼。扩展来讲，培育这四种品质也可以让我们每个人受益良多。