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2019/7/16  来源:中国煤炭市场网
 
 
 

       据不完全统计,我国有329个冲击地压矿井,其中正在开采的253个,分布于26个省(自治区)。

  层析成像(CT)预警技术的原理就像做CT检查,通过人工主动激发震源,或岩层破裂引发的震动(被动震源),来反演煤岩体内的波速分布状态,并基于波速与应力的关系,建立冲击危险的CT预警指标与准则。

  当前煤矿冲击地压防治工作存在三大主要问题,首要问题就是“部分煤矿企业对冲击地压灾害认识不清、重视不够”,在防冲理念、投入、管理、措施等方面有较大差距。

  “这就是我们团队建设的冲击地压智能远程监控平台,也是国内最早的冲击地压远程监控网络。大概10年前,窦林名教授提出建设监控平台,很多人还不太理解,现在看来确有先见之明。”近日,在中国矿业大学冲击地压研究中心,该校矿业工程学院曹安业教授向《中国煤炭报》记者介绍说。

  冲击地压是我国煤矿重大自然灾害之一,号称比地震更难预测的“隐形杀手”。以窦林名教授为首的中国矿大冲击地压研究中心团队,专注于冲击地压研究30余年,从机理、预测预报到防治,形成了一套包括理论、技术方法与装备的完整体系。

  由该团队引进的波兰SOS微震监测系统及研发的冲击地压智能综合监测预警技术与平台,自2006年首次在华亭砚北煤矿和临沂古城煤矿安装运用以来,已在国内外70多个矿井发挥“警铃”作用,让“隐形杀手”不再肆意任行。

  1 隐形杀手,比地震更难预测

  今年6月9日,吉林省龙家堡矿业公司发生冲击地压事故,9人死亡、12人受伤;去年10月20日,山东龙郓煤业有限公司发生冲击地压事故,21人死亡、1人受伤……因矿难事故,冲击地压这个词近年来不时挑动社会各界的神经。

  冲击地压,又称“冲击矿压”,非煤矿山领域称为“岩爆”,是指井巷或工作面周围岩体,由于弹性变形的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象,常伴随巨响和岩体抛出等。

  在我国,冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。近年来,随着煤矿开采深度和强度增加,冲击地压发生频率和危害程度呈逐年上升趋势,已成为深部资源开采面临的主要灾害之一。

  “这是我们统计的部分矿区1998年到2011年冲击地压的案例,2004年只有几起,2011年达几百起。”曹安业说,“我是2004年上的研究生,那时还挺闲,后来越来越忙。”

  曹安业告诉记者,相对于瓦斯事故,早期我国煤矿冲击地压事故比较少,但2007年后问题逐渐严重,主要因为开采深度、强度变化,管理手段跟不上,诱发冲击的因素更加复杂多样。

  “2012年后,我国煤矿平均开采深度已超过600米,并且以每年10米至15米的速度向下延伸,应力水平越来越高,但在管理上,传统的支护手段、巷道布置等,已不能适应强扰动的开采需求。”曹安业说。

  据不完全统计,我国有329个冲击地压矿井,其中正在开采的253个,分布于26个省(自治区)。有冲击地压危险的矿区从过去的北京、抚顺、阜新、枣庄、开滦、大同、徐州、义马、兖州等,扩大到华亭、新疆、咸阳、鄂尔多斯、宁夏等矿区。

  例如山东,冲击地压矿井和千米矿井数量均居全国之首。以兖州矿区某矿为例,该矿自1997年开始出现矿震现象,2004年山东省地震局开始对其进行矿震监测,仅2004年11月至2005年8月期间,就记录矿震1410条,最高日频次40条,其中3级以上强矿震发生了13次,最高达3.7级。

  为何被喻为“隐形杀手”?这与冲击地压本身特性有关。一是突发性。冲击地压的发生常常无征兆,过程短暂,持续时间几秒到几十秒,难以准确预报发生时间、地点和强度。二是瞬时震动性。爆炸震动强烈,波及范围可达几公里甚至几十公里,严重时地表有震感。三是破坏性。发生冲击地压时,大量煤体被抛出,巷道变形,支护被破坏,严重时造成人员伤亡事故。四是复杂性。从薄煤层到特厚煤层,从近水平到近直立,从炮采到综采,从垮落到充填,各种地质条件、不同采煤方法都发生过冲击地压。

  和这样一个“隐形杀手”斗智斗勇多年,该团队的成员对冲击地压都有切身体会。

  “有次,我和窦老师一起去山东某矿调研,井深1500米,工作面刚布置好,还没生产。在井下正走着,突然听到砰的一声,像爆炸,我心里猛颤,但看到老师没动静,我也只好故作镇静。”团队成员、中国矿大矿业工程学院博士后李许伟想起下井时的情形,记忆犹新。

  团队成员、中国矿大矿业工程学院何江副教授遇到的情况更严重:“有一次,在东北某矿下井,走在巷道中砰的一声,煤就像冰雹一样哗哗下来了。学生是无知者无畏,老师则让我们赶紧撤离。”

  冲击地压的可怕之处还在于,容易引发瓦斯爆炸等次生灾害。2003年,安徽淮北芦岭煤矿“5·13”顶板冲击震动,引发采空区瓦斯爆炸,造成86人死亡。2005年,辽宁阜新孙家湾“2·14”冲击地压—瓦斯爆炸事故,造成214人死亡。

  为什么冲击地压比地震更难预测?“因为影响因素特别多,比如,采深、地质构造、顶板岩层、采掘干扰等。”曹安业解释说。因此,在冲击地压的机理研究上,国内外学者从强度、刚度、能量等不同角度提出过一系列理论。其中,包括窦林名提出利用煤层和顶底板的刚度作为指标,揭示了冲击地压的发生应同时满足相应的刚度、强度与能量条件。

  但由于冲击地压问题的复杂性,影响因素众多,目前还无法用单一理论解释所有的冲击地压现象,所以它至今仍是岩石力学和采矿工程中最困难的研究课题之一。

  “在国外某矿防冲工程实施时,老外说,你们要把这个问题彻底搞清楚了,就能得诺贝尔奖。”团队成员、中国矿大矿业工程学院巩思园副研究员笑言。

  2 远程“把脉”,释放看不见的压力

  事实上,世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。1738年,英国在世界上首先报道煤矿中发生的冲击地压现象,此后在苏联、波兰、南非、德国、美国等几十个国家地区,都发生过冲击地压现象。

  由于冲击地压破坏后果的严重性和发生机制的复杂性,国际岩石力学学会专门成立了冲击地压研究小组。在我国,几十年来,以窦林名教授为首的中国矿大研究团队在冲击地压机理、预测预报和防治多个研究领域,深耕细作砥砺前行,取得了显著成绩,开创了众多全国乃至世界第一。

  1999年,江苏徐州三河尖煤矿的一个工作面发生了5次冲击地压显现。窦林名带领团队深入现场采集数据,利用电磁辐射技术进行研究,最终提出了煤岩动力灾害的电磁辐射机理。这也是该团队在国内外第一次提出采用电磁辐射技术监测预警冲击地压危险。

  除此以外,该团队在国内率先提出了动静载叠加诱冲理论、煤岩体冲击破坏的冲能原理、巷道围岩的强弱强结构效应、冲击地压的强度弱化减冲原理等。

  在长期实践中,他们还开发了电磁辐射技术、区域性微震监测技术及系统、层析成像(CT)预警技术、双震源一体化CT应力探测技术及系统。其中,微震监测及CT预警技术最具代表性。

  曹安业告诉记者,层析成像(CT)预警技术的原理就像做CT检查,通过人工主动激发震源,或岩层破裂引发的震动(被动震源),来反演煤岩体内的波速分布状态,并基于波速与应力的关系,建立冲击危险的CT预警指标与准则。

  微震监测系统自2006年在华亭砚北煤矿和临沂古城煤矿首次安装以来,已在国内外70多个煤矿运用。在此基础上,该团队建设了冲击地压智能综合监测预警平台,这也是全球最早最大的冲击地压远程监测网络。

  “大概10年前,窦老师提议建设平台时,包括我这个负责具体建设工作的,都不知道大量的监测数据放这里有什么用,现在明白了,没有大数据怎么搞防冲智能化?”提到平台建设初衷,巩思园感慨万千。

  加入平台后,每个煤矿在调度室都能看到矿井微震能量释放情况及冲击危险状态。一旦接到预警通知,煤矿可以及时安排撤人,并采取卸压等措施诱发能量释放,避免安全事故。目前,该技术已走出国门,在孟加拉国、波兰等国的煤矿应用。

  近年来,孟加拉国巴拉普库利亚煤矿遇到了采掘难题。该矿是孟加拉国第一座现代化煤矿,支撑当地1/3的煤电项目,但由于开采过度形成了塌陷,冲击地压灾害凸显。因此,20万吨孤岛煤柱如何开采,成了难题。

  得知这一情况后,巩思园、李许伟等团队成员前往孟加拉国现场,分析探测并提出相应的防治方案,最终20万吨资源实现安全开采,受到孟加拉国领导人的称赞。

  据悉,仅2015年至2017年,部分采用该团队技术的煤矿就实现同比新增安全煤量3962万吨,新增销售额161亿元。

  “前两天还有企业和我们联系,说经过反复考察,想上这个平台。”巩思园说,“前期的研究成果能在井下应用,解决了现场问题,得到越来越多企业的认可,大家都非常自豪,也希望做更多的事情。”

  今年6月1日,中国矿业大学与安徽理工大学签约合作,共建冲击地压防治工程研究中心,希望通过共同建设冲击地压防治科研平台,力争在冲击地压关键基础理论、监测预警、治理支护技术及装备等方面研究形成成套技术装备体系,培养产业技术创新人才,深度解决我国煤矿冲击地压灾害的难防难测问题。

  目前,该团队部分研究成果已被纳入新版《煤矿安全规程》《防治煤矿冲击地压细则》《冲击地压测定、监测与防治方法》等国家规范和标准中。

  凭着优异的研究成果,该团队曾先后获得国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步奖18项;获省部级人才称号等8人次;全国百篇优博1篇、江苏省优博5篇。此外,该团队还出版著作12部,发表学术论文300余篇,获得专利及软件著作权50余项。

  3源头防治,最难攻克的不是技术是观念

  影响煤矿冲击地压的因素多且极复杂,目前发生机理尚未研究透彻。随着矿井深度强度增加,冲击地压与其他灾害耦合叠加,防治难度进一步加大。今年5月,国家发改委等四部门发布的《关于加强煤矿冲击地压源头治理的通知》指出,全国现有冲击地压矿井产能约4亿吨/年,2/3分布在煤炭净调入省份。

  为了加强煤矿冲击地压防治,国家煤监局分别于去年5月、今年5月,印发《防治煤矿冲击地压细则》《关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》,对相关领域工作细化规定、明确要求。

  “每一条规程的改变、细化,背后几乎都有血的教训。”巩思园说。

  例如,《防治煤矿冲击地压细则》第六十七条明确要求, “采用爆破卸压时,必须编制专项安全措施,起爆点及警戒点到爆破地点的直线距离不得小于300米,躲炮时间不得小于30分钟”。“从150米改到300米,就是因为2010年有个事故是躲炮距离不够造成的。300米不能绝对保证不出事,但起码安全系数更高。”巩思园解释说。

  今年5月,国家煤监局副局长桂来保就《关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》答记者问时指出,当前煤矿冲击地压防治工作存在三大主要问题。首要问题就是“部分煤矿企业对冲击地压灾害认识不清、重视不够”,在防冲理念、投入、管理、措施等方面有较大差距。

  “有些矿真是让你恨得牙痒痒,明知有危险还继续作业。出了事后,特别听话,一听说矿大老师发预警单了,赶紧撤人。”谈到煤矿防范意识的落后,巩思园深有感触。

  防治措施不落实、安全风险管控不到位是冲击地压防治工作中存在的另外两大问题。桂来保指出,部分煤矿缺乏源头治理理念,矿井设计、采场布局、采掘部署、煤柱留设等不科学,工作面跳采和不合理的煤柱留设人为导致应力集中。

  “巷道是平行还是交叉布置,有学问在里面,采掘距离过近,应力就会叠加影响。在2016年之前,很多冲击地压就是采掘不合理造成的。所以《煤矿安全规程》对采掘工作面之间的安全距离做了明确规定。”曹安业解释说。

  通过研究挖掘机理原因,通过规章制度约束行为,在科研院所和政府部门的共同努力下,煤矿企业的冲击地压防治意识有了增强,防治水平有了提升。

  “人的思想观念很难改变,我们就锲而不舍,一个月不行,两个月,一年不行,两年,推动企业按照科学合理的方式进行设计、管理。”巩思园举例说,“甘肃华亭矿区发生过冲击地压事故,知道危害了,从设计时就注意防冲。现在,到井下一看,那巷道,漂亮!他们把变电所都搬到2000米以外的地方,巷道按标准化建设,和以前差别太大了。”

  曹安业表示,总体而言,目前冲击地压防治工作要按照“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”十六字方针进行。

  “冲击地压防治和地震不一样,冲击地压可以通过分析区域应力集中情况,事先采取卸压措施,在设计时就提前化解。”团队成员、中国矿大矿业工程学院李小林讲师介绍说,进入5G时代后,井下网络更完善,应力情况等相关数据可以快速传输,更利于提前设计布局、源头治理。

  “从技术手段看,深孔断顶爆破、定向水力致裂都是比较常用的,相对而言,水力致裂不受炸药管控限制,更适合大范围推广。”曹安业说。

  何江表示,防治冲击地压,大多数技术手段都是公开的,但怎么用好很关键,不同矿有不同的地质条件,就像老中医把脉,需要针对性分析。

  “大部分的冲击地压问题是可以解决的,但光有设备和技术不够,还要通过安全管理、个体防护等。比如,人员避让才能最大限度避免事故。”曹安业说。因此,《关于加强煤矿冲击地压源头治理的通知》强调要超前预防、源头管控,明确提出“把防治冲击地压贯穿于勘探、规划、设计、建设和生产管理各环节,全过程防范事故风险”。

  另外,国家有关部门也明确提出,要支持建设冲击地压防治国家级科技创新平台,推进冲击地压基础理论研究和关键技术攻关,提升冲击地压监测预警、煤矿智能化开采等技术装备水平,支持煤矿安全技术改造和冲击地压等重大灾害治理,保障冲击地压防治资金投入。

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  目前,冲击地压研究主要集中在冲击地压机理、冲击地压预测预报与冲击地压治理三个方面。

  冲击地压机理方面,各国学者提出了一系列理论,包括强度、刚度、能量、冲击倾向、三准则和变形系统失稳等理论。

  冲击地压预测预报方法主要分为两类:一是采矿方法,包括根据采矿地质条件确定冲击地压危险性的钻屑法、综合指数法等,二是采矿地球物理方法,包括微震法、声发射法、电磁辐射法等。

  冲击地压治理主要从战略性防御和主动解危两个方面进行。战略性防御包括开采解放层等,主动解危包括卸压爆破、煤层注水、钻孔卸压、定向裂缝法等。

 
 
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