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煤礦煤巖動力災害監測預警技術進展

我國煤巖動力災害世界第一

      煤巖動力災害,主要包括煤與瓦斯突出和沖擊礦壓。突出是采掘工作面周圍煤巖向采掘空間高速噴出的一種動力災害過程,高地應力和高壓瓦斯是能量的主要來源。我國最大的突出災害發生在四川三匯壩一井,在幾鐘內突出煤巖12780噸,噴出瓦斯氣體140萬立方米。沖擊礦壓災害是在高應力作用下,采掘空間周圍的煤巖體失穩破壞并向采掘空間高速運動的動力災害過程,高地應力是主要能量來源。我國最大的沖擊礦壓發生在撫順老虎臺礦,震級達到里氏4.3級。
      煤巖動力災害除造成人員傷亡外,還嚴重摧毀巷道等采掘空間、破壞保障安全的通風系統。災害過程伴隨礦井瓦斯涌出異常,常誘發重特大瓦斯爆炸事故,造成群死群傷。2004年鄭州大平礦死亡148人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故;2005年遼寧阜新孫家灣礦死亡214人的沖擊—瓦斯爆炸事故;2009年黑龍江鶴崗新興煤礦死亡108人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故。這類災害嚴重威脅礦井安全,是煤礦重大工程災害。
      我國是世界上煤巖動力災害最嚴重的國家。截至2010年,我國已備案的煤巖動力災害礦井達1420多個。由于種種原因,還有超過一倍數量的這類礦井沒有備案。據不完全統計,我國已累計發生31000多次動力災害,平均每年死亡近300人。目前,除海南、廣東、福建、浙江、西藏等少數省區外,我國主要采煤省區不同程度地受動力災害的威脅,著名的平頂山、淮南礦區的主力礦井全部為突出礦井,兗州礦區主力礦井受沖擊災害威脅嚴重。
      隨著煤礦開采深度的不斷增大,災害更為嚴重,預防的難度也在不斷加大。我國煤礦國有重點礦平均采深700米,最深達1365米,煤層最大瓦斯壓力達10兆帕。來自權威部門的統計表明,“十一五”期間,我國煤礦重、特大瓦斯突出事故的起數和死亡人數分別占40%和28.5%;2010年發生的11起重特大瓦斯事故中,煤與瓦斯突出事故6起,死亡150人,分別占54.5%和68.2%。從煤礦重特大事故看,煤與瓦斯突出事故的比例逐年上升,遏制煤與瓦斯突出等煤巖動力災害事故是今后減少煤礦重特大事故的重中之重。


      煤巖動力災害預防是世界性難題
      煤礦煤巖動力災害的本質是含有高壓瓦斯的煤巖體在內部能量和損傷積累到一定條件下快速失去穩定性,坍塌并釋放巨大能量的動力災害過程,是一個極其復雜的非線性力學現象。受地質條件、采掘布局、開采技術條件和煤巖性質等多種因素的綜合影響,其預防是世界性難題。世界主要采煤大國,不論是發達國家還是發展中國家,均深受其害。由于預防難度大,無法避免災害造成人員傷亡,世界動力災害嚴重的國家如美國、加拿大、英國、法國、德國、日本和蘇聯基本關閉了具有動力災害,特別是瓦斯突出災害的礦井。
      我國主要產煤區均受動力災害威脅。煤炭是我國主要能源,2000年以來,煤炭產量以每年超過GDP的速度增加,引領國民經濟發展。為滿足經濟快速發展的需要,受動力災害威脅煤礦仍需長期開采,如平頂山、淮南等。因此,有效預防煤礦煤巖動力災害是我國煤礦必須面對的問題。

      在我國,煤系地層受多次構造運動作用,地質條件復雜多變,動力災害的預防難度極大、危險高。煤礦瓦斯突出災害預防難度大的另外一個原因是機理不清。長期以來,世界突出預防一直以蘇聯學者霍多特提出的綜合作用定性假說為指導,它表明了突出主要受應力、煤層瓦斯和煤層物理力學性質等三個主要因素影響,但并未揭示這些因素如何耦合并影響災害動態演化過程?;聿磺?,使得預測準確率低,防治措施針對性不強,導致事故經常發生,嚴重惡化煤礦安全環境。
      煤巖動力災害是突發性的動力災害,其發生具有很強的時間、空間隨機性和不確定性。現場實測突出危險參數、預測煤層突出危險性和實施放突措施不僅困難,而且非常危險。我國湖南、江西、貴州、四川、重慶、河南等嚴重突出礦區在預測預報和執行放突措施過程中經常發生突出事故。筆者在研究突出時,也常遇到這樣的情況。在焦作中馬村礦井下實驗時遇到一次突出,當時在工作面前方實施突出危險鉆孔時噴出近一噸煤粉,眼前什么也看不見,想跑都沒法跑,后來噴孔停止了,才躲過一劫。在煤礦井下開展突出和沖擊礦壓研究,須面臨十分危險的環境,但越是危險的地方,越需要去考察、實測和分析。
      傳統的檢測方式是通過向煤體打鉆測試鉆屑量、瓦斯參數的方法進行測試,測得的預測信息量少,準確率低,還時常發生低指標突出及高指標不突出的情況,更容易漏報、誤報,造成嚴重后果。而且打預測鉆孔時擾動煤體,常誘發突出事故,具有很大的危險性。
      針對我國煤巖動力災害預防存在的問題,我們在煤巖動力災害態演化過程及機理、煤巖動力災害監測預警理論與技術等關鍵科學和工程應用難題進行了長期的攻關研究,取得了一些重要進展。


      突出的流變—突變機理
      在煤與瓦斯突出現場,筆者的博士導師周世寧院士和筆者發現,突出區域的煤體存在向突出孔洞流動的現象。四川三匯壩特大瓦斯突出地點300米以外的地方有明顯的流動痕跡。受此啟發,我們用流變力學的方法對含瓦斯煤巖的流變破壞規律進行了深入研究。研究發現,含瓦斯煤巖體在高地應力作用下是強流變介質,應力、孔隙氣體壓力越高、吸附性越強,煤巖的流變性越強。根據流變力學理論和實驗研究建立的含瓦斯煤巖三維流變本構方程揭示了應力、瓦斯壓力、煤巖力學特性、時間四大要素之間的非線性演化關系,實現了對含瓦斯煤巖流變破壞過程的本構方程描述。
      基于流變本構方程和突出現象,提出了煤與瓦斯突出的流變—突變機理。該機理說明,突出現象的本質是含瓦斯煤體在應力、瓦斯、煤層物理力學性質和時間四大要素作用下的流變—突變破壞過程。含瓦斯煤體流變破壞速度和能量分布是否異常,是突出能否發生的關鍵。煤與瓦斯突出災害在時間上,具有突出的孕育準備、發動、發展和結束四個階段。
      突出的流變—突變機理告訴我們,煤與瓦斯突出是含瓦斯煤巖體流變破壞動態演化后發生突變的結果,這是有效預測和防治突出的最根本基礎。要準確預測突出,給出早期預警,必須找到監測流變破壞過程的工具?!靶隊α?、抽瓦斯、控流變、防突變”是流變—突變理論昭示的防治突出災害的基本原則,已被突出礦井防突工程普遍采用,效果顯著,并被《煤礦防治煤與瓦斯突出規定》采納。例如,沈煤集團紅菱礦12號煤層突出嚴重,按照卸應力、抽瓦斯、控流變、防突變的原則,開采與之相距16米、厚度僅40厘米的11號煤層,同時采一米厚巖石,采后消除了12號煤層的突出危險,確保了安全高效開采。
      該理論的重要理論意義在于,它解釋了以前無法解釋的延期突出、硬煤突出、突出過程瓦斯噴出量遠大于拋出煤瓦斯含量等突出現象。延期突出是含瓦斯煤流變發展到突變的結果;只要條件具備,硬煤也會發生突出;突出過程中,整個流變區域瓦斯是噴出瓦斯的重要補給源。這對于準確評價煤層突出危險性、準確預測突出危險區域具有重要意義。大量現場實際突出現象驗證了流變—突變機理。如寺河礦2008年“5·20”突出事故等,驗證了硬煤突出的結論;應用該理論查明了大平礦“10·20”特大瓦斯事故原因是延期突出。

 

      電磁輻射監測預警技術裝備與方法
      煤巖動力災害的本質是煤巖體經過流變破裂演化過程而發生的瞬間突變行為。實現含瓦斯煤巖流變破壞過程及狀態的實時監測,及時掌握采掘空間含瓦斯煤巖體發生動力災害的危險,是突出災害預防工程、技術及研究人員的夢想,但一直沒有得到很好的解決。
      筆者在含瓦斯煤巖流變突變破壞實驗過程中發現,流變破壞過程伴隨產生電磁輻射現象,并從1992年起開始專注于這一方向的研究。通過大量的實驗室實驗和煤礦井下工程實測,發現電磁輻射是煤巖流變—突變破壞過程中的一種能量輻射形式,它與應力、瓦斯壓力密切相關。應力和瓦斯壓力越高,煤巖體變形破裂越強烈,電磁輻射越強。因此,可以用電磁輻射監測煤巖體流變—突變形成災害的過程,實現動力災害的早期預警。
      研究結果表明,煤巖電磁輻射信號是頻譜范圍寬、強度弱的脈沖信號。如何在煤礦井下實測到這些非常微弱的信號,面臨著很多難題。一是缺乏專用的工程監測儀表;二是地面的監測儀表無法直接下井,需要解決儀器防水、防塵和防爆的問題;三是煤礦井下采掘空間也有很多機電設備,其工作時產生的電磁干擾信號很強。通過多年的努力,筆者與科研團隊成功發明了具有完全知識產權的、主要由高靈敏度寬頻帶定向接收天線和智能監測主機組成的系列化煤巖流變破壞電磁輻射監測裝備,為煤巖流變破壞過程監測和煤巖動力災害監測預警提供了基礎工具和應用裝備。該裝備成功解決了抗干擾、防爆、防塵、防水等難題,與軟件配套解決了復雜信號濾波、多源信息自動處理、生產工藝干擾信號和有效信號等自動監測辨識問題。該裝備通過了國家相關機構的檢測檢驗和認證。
      在進行電磁輻射監測預警煤巖動力災害工程驗證及工業性試驗的過程中發現,同傳統鉆孔檢測技術一樣,存在著預警臨界值難以確定和臨界值法預警準確率低等問題。通過與鉆孔指標、動力顯現和實際發生的動力現象進行對比和統計確定預警臨界值是非常困難的,而且周期很長。因此,需要從理論上解決監測預警的指標、方法和臨界值確定等問題。
      我們基于電磁輻射實驗規律和損傷力學理論,建立了煤巖流變破壞力—電耦合理論模型。它建立起電磁輻射與應力、破裂間的理論對應關系;基于煤巖動力災害流變—突變規律和煤巖力—電耦合模型建立了煤巖動力災害電磁輻射監測預警準則,確定了臨界值與動態趨勢相結合的預警方法,并得出煤巖動力災害危險臨界條件的無量綱值域,實現了對煤巖動力災害無危險、危險和強危險的三級預警,解決了預警臨界值難以確定的問題,改變了過去只依靠臨界值法預警而準確率低的歷史,顯著提高了預警準確率。
      電磁輻射監測裝備實現了非接觸式、定向、實時監測與預警,實現了煤巖動力災害全過程及全空間的實時監測,監測信息量和準確率顯著提高,操作非常簡便。該項技術成果被列入《國家科技成果重點推廣計劃》和國家《安全生產重點推廣技術目???》,在全國近百家礦山獲得應用,在全國7所高校用于煤巖電磁輻射實驗及應用研究。已經在50%以上的國有重點突出煤礦區進行了應用,在我國90%以上有沖擊礦壓危險煤礦進行了工程應用,成為沖擊礦壓的主要監測預警手段,有效預防了煤礦沖擊礦壓傷亡事故。如在徐州三河尖煤礦,近60%可采煤層區域受沖擊礦壓威脅,有些采區因為沖擊礦壓災害嚴重,又沒有可靠的檢測預警手段,礦工不敢下井而被迫停止開采。電磁輻射預警技術應用到該礦,實現了可靠預警,對有沖擊礦壓危險區域采用卸壓措施,消除了沖擊礦壓危險,保證了安全回采。在該礦沖擊礦壓災害最嚴重的7204工作面回采過程中,電磁輻射監測預警系統成功預警到了38次沖擊礦壓危險并被驗證。
      此外,該技術裝備還被用于隧道穩定性評估。重慶朝天門隧道頂部建有兩座36層大樓,1999年發現隧道有滲水、開裂等不穩定性征兆,采用電磁輻射等技術實測評估圍巖確實在發生動態破壞,并確定了危險位置,后期實施了加固工程。電磁輻射監測預警系統在沖擊礦壓比較嚴重的波蘭ZOFIOWKA煤礦進行了成功的應用。在巖爆嚴重的加拿大IAMGOLD金礦也進行了成功的應用。
      電磁輻射監測預警技術及裝備,為研究煤巖破壞規律提供了一種新的有效監測和辨識方法,實現了對煤巖流變破壞過程的非接觸連續監測,對實現煤礦煤巖動力災害監測預警信息化、智能化,提高預警的可靠性具有重要促進作用。在礦山和地下工程方面也有廣闊的應用前景。
      煤巖動力災害非常復雜,隨著采深加大、地質環境和采礦活動的變化,其監測預警難度更大。筆者只是在這一領域做了一些初步的開創性工作,煤巖動力災害的準確監測預警和有效防治任重道遠,還需要更艱苦的研究探索。


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