煤礦典型動力災害風險判識及監(jiān)控預警技術“十三五”研究進展

袁亮

1.安徽理工大學，安徽淮南 232000；2.中國礦業(yè)大學(北京)共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083

煤與瓦斯突出、沖擊地壓是典型的煤礦動力災害，會造成井巷嚴重破壞和人員重大傷亡。近年來，隨著煤炭資源開采深度和開采強度的增加，動力災害已成為國內外煤炭開采領域面臨的主要災害之一[1]。國際上，2007年美國Utah州Crandall Canyon礦發(fā)生嚴重沖擊動力災害，造成9人死亡；2014年澳大利亞首個使用長壁綜放采煤方法的Austar礦發(fā)生沖擊動力災害，15 m長的煤壁突然沖出，造成2人死亡[2]。在國內，煤與瓦斯突出、沖擊地壓的發(fā)生次數(shù)和破壞程度也呈增大趨勢。據不完全統(tǒng)計，1985年我國發(fā)生沖擊地壓的煤礦有32個，2015年底該類礦井達到177個。在2004—2015年期間，平頂山、新汶、華亭、義馬等多個礦區(qū)先后發(fā)生沖擊地壓重大災害多達35次，造成300余人死亡，上千人受傷。2001—2015年，我國共發(fā)生煤與瓦斯突出死亡事故472起，造成3 303人死亡[3]。

與美國、澳大利亞、波蘭等產煤國相比，我國煤田地質條件更為復雜，因此我國煤礦動力災害問題尤為突出。行業(yè)管理部門和學術界對煤礦動力災害的機理和防治問題一直非常重視。21世紀初，我國相繼啟動了一些相關研究項目，如科技部973項目“煤炭深部開采中的動力災害機理與防治基礎研究”“預防煤礦瓦斯動力災害的基礎研究”“深部煤炭開發(fā)中煤與瓦斯共采理論”等，推動了我國煤礦動力災害機理和防治的基礎理論研究。但總體而言，現(xiàn)有煤礦典型動力災害理論對于高應力場、復雜裂隙場、高滲流場等多相多物理場耦合條件下的災害形成過程及演化機制的研究，仍有待深入[4-10]；同時，災害前兆信息采集傳感、傳輸技術、挖掘辨識技術的落后，亦導致了動力災害預警的盲目性和不確定性[11-16]。

美國、澳大利亞等發(fā)達國家均已建立了礦山災害預測、評價、管理系統(tǒng)，對提高礦井安全管理技術水平起到了積極作用，但其功能很少涉及煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害預警領域的應用。因此，應針對我國煤礦典型動力災害的發(fā)生特點，研發(fā)具有自主知識產權的災害前兆信息采集傳感與多網融合傳輸技術及方法[17-20]；研制安全、靈敏、可靠的新型采集傳感裝備，形成基于大數(shù)據的多元信息提取與挖掘方法[21-22]；研發(fā)更為科學的風險辨識與預警模型，進行煤礦動力災害全方位預警[23]，最終實現(xiàn)煤礦重大災害災變隱患在線監(jiān)測、智能判識、實時準確預警。

2016年科技部專門設立了國家重點研發(fā)專項“公共安全風險防控與技術裝備”，并將“煤礦典型動力災害風險判識及監(jiān)控預警技術研究”作為該專項指南方向之一，重點開展煤礦典型動力災害風險判識及監(jiān)控預警關鍵技術研究及裝備研發(fā)，從而降低我國煤炭資源開采中的動力災害風險，全面提升我國煤礦動力災害風險判識及監(jiān)控預警能力。

1 “十三五”期間重大研究進展

1.1 動力災害災變機理

針對沖擊地壓災變機理，建立了以觸探法為基礎的煤巖沖擊傾向性鑒定方法，用X射線成像技術分析煤巖微觀孔隙結構與煤巖動力失穩(wěn)特征相關性，模擬獲得了煤樣失穩(wěn)破壞過程中的宏細觀轉化機制。通過不同尺度煤巖試驗，得到了煤巖沖擊失穩(wěn)宏觀破壞的微結構演化前兆與機理，得出了加載速度和節(jié)理角度對沖擊傾向性煤動態(tài)斷裂韌度的影響因素，獲得了煤裂紋擴展形態(tài)、沖擊荷載速率及層理間的相關規(guī)律，為沖擊地壓前兆特征提取和災變點識別提供了基礎。針對煤巖沖擊力學試驗，分析了不同沖擊傾向性、不同層理傾角、不同動靜載組合作用下煤巖能量入射能、吸收能、斷裂能和殘余動能演化特性，建立了構造應力場與采動應力場耦合時孤島工作面采場動力失穩(wěn)的能量激增非線性動力學模型。

通過研究沖擊地壓孕育和發(fā)生過程中的應力場-能量場-震動場耦合誘沖機理(圖1)，構建了“能量釋放率-應力梯度”耦合模型，建立了沖擊地壓臨界判據，為建立沖擊地壓預警準則提供了支撐。研究發(fā)現(xiàn)煤巖變形破壞的應變、能量與微震、聲發(fā)射、電磁輻射的特征值成正比，通過引入動態(tài)權重法和多參量歸一化無量綱準則，建立了沖擊地壓多參量時空強預警模型。

圖1 沖擊地壓發(fā)生機理Fig.1 Mechanism of rock burst

針對目前煤與瓦斯突出物理模擬定性不定量的問題，采用煤與瓦斯突出能量模型結合經典煤與瓦斯突出氣固耦合方程推導出了相似準則，研發(fā)了大尺度、真三軸突出物理模擬試驗裝置(圖2)，進行了煤與瓦斯突出動力效應模擬驗證試驗，為突出機理研究提供了實驗支撐。原位實測與數(shù)值模擬分析了構造區(qū)域地應力與采動應力分布特征，建立了“應力場-擴散場-滲流場”多場耦合模型，揭示了煤與瓦斯突出多場耦合孕育機制，并提出了煤與瓦斯突出的臨界判據。

圖2 煤與瓦斯突出物理模擬模型Fig.2 Physical simulation model of coal and gas outburst

同時開展了煤與瓦斯突出煤粉-瓦斯氣固兩相流動力衰減試驗，模擬與實測了突出煤粉-瓦斯兩相流沖擊超壓及傳播速度分布特征，揭示了煤與瓦斯突出發(fā)展演化與衰減規(guī)律(圖3)。通過采動煤巖體力學與滲流實驗，得到了構造軟煤、堅硬頂板及煤巖組合體的力學與滲流行為特征，揭示了采動煤巖體失穩(wěn)破壞與滲流演化規(guī)律以及厚硬巖組對下伏煤體應力-裂隙演化和卸壓特征的影響規(guī)律；提出了煤巖瓦斯復合動力災害分類方法及判別準則，探索了沖擊誘導煤與瓦斯突出復合動力災害的發(fā)生機理。

圖3 煤與突出動力現(xiàn)象與過程Fig.3 Dynamic phenomenon and process of coal and gas outburst

1.2 關鍵信息采集傳感技術

基于礦山開采圍巖震動以及人工激發(fā)震源機理，開發(fā)了雙震源一體化在線式彈性波CT反演系統(tǒng)(圖4)，可實現(xiàn)礦山震動智能識別、人工震源在線激發(fā)、彈性波CT反演在線智能分析，實現(xiàn)區(qū)域應力場高精度快速、在線、智能反演。

圖4 CT信息采集器Fig.4 CT information collector

針對微震檢測頻率范圍窄、精度低等問題，開展了光纖光柵傳感技術研究，結合對稱微結構加速度傳感技術和PGC高靈敏度解調方法，研發(fā)了光纖微震監(jiān)測裝置，進行了性能自測和第三方的校準測試，測量范圍為0～300 Hz，靈敏度達到0.1mg @ 30 Hz，實現(xiàn)了微震信號的高質量高靈敏度監(jiān)測。光纖微震監(jiān)測樣機如圖5所示。

圖5 光纖微震監(jiān)測樣機Fig.5 Optical fiber micro seismic monitoring prototype

針對應力檢測維度單一、真實性較差等問題，在現(xiàn)有單軸應力檢測技術的基礎上，開展三軸應力檢測技術研究，研發(fā)了光纖光柵式三軸應力傳感器，量程0～35 MPa，實現(xiàn)了多維度應力信息的高精度檢測。

針對瓦斯?jié)舛葯z測存在精度低、調校周期短等問題，開展了激光吸收光譜技術研究，研發(fā)了分布式多點激光甲烷監(jiān)測裝置(圖6)，可滿足8路氣室同步測量，測量誤差在±3%左右，實現(xiàn)了關鍵區(qū)域瓦斯動態(tài)涌出濃度分布的高精度、可靠檢測。

圖6 分布式多點激光甲烷監(jiān)測裝置Fig.6 Distributed multi-point laser methane monitoring device

“十三五”期間，還研發(fā)了分布式聲電瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤體聲電瓦斯信息多點、區(qū)域化、協(xié)同監(jiān)測及傳輸。設計了基于瓦斯涌出特征的突出預警儀硬件結構，編制了瓦斯涌出特征指標自動計算程序，并取得了安全標志證書。研發(fā)了功耗低、體積小的無線鉆屑瓦斯解吸指標和無線鉆孔瓦斯涌出初速度測量裝置，解決了人工檢定參數(shù)采用地面人工錄入方式、信息獲得滯后、時效性較差的問題，實現(xiàn)了瓦斯突出預警相關指標數(shù)據及時交互共享。

在人機環(huán)參數(shù)全面采集及共網傳輸方面，已成功研制非接觸式供電、取電調制裝置、區(qū)域協(xié)同控制器、透明傳輸網關、無線節(jié)點及基站等新產品樣機；研制了無線自組網基站、動力電與信號電混合成纜、通信芯片協(xié)議棧、高精度無線定位技術等關鍵區(qū)域無線自組網及分布式總線傳輸技術與裝備(圖7)。同時，完成了煤礦井下有限空間多系統(tǒng)近址共建的電磁兼容評價、典型設備近址共建的優(yōu)化距離及布置、煤礦設備專用的抗電磁干擾、煤礦井下電磁干擾源及耦合途徑建模等方法和技術的研究。

圖7 無線自組網基站實驗室樣機Fig.7 Laboratory prototype and test of wireless Ad hoc network base station

1.3 動力災害多元信息挖掘及預警技術

提出了礦山動力災害的全息模態(tài)化預警方法及系統(tǒng)架構，實現(xiàn)了煤礦動力災害危險區(qū)域快速辨識、動態(tài)圈定及智能評價。針對沖擊地壓災變實時預警困難等問題，開展了沖擊災變過程中的特征漂移研究，結合微震監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)展了沖擊地壓災變特征挖掘方法，為沖擊災變預警提供了技術基礎。針對海量微震數(shù)據難于存儲的問題，開展了基于字典學習的微震數(shù)據壓縮方法研究，結合微震數(shù)據的稀疏特征，設計了采樣矩陣及稀疏表示方法，實現(xiàn)了數(shù)據的壓縮存儲，為沖擊災變特征數(shù)據挖掘提供了基礎。針對海量、多源、異構的煤礦典型動力災害數(shù)據的融合問題，開展了災害數(shù)據融合與管理的研究，提出了煤礦典型動力災害知識庫自動構建方法，為煤礦典型動力災害的區(qū)域遠程監(jiān)控預警提供了基礎。針對災害風險判識主觀性較強的問題，構建了煤礦典型動力災害數(shù)據庫，提取了災害特征指標，提出了區(qū)域性煤礦典型動力災害風險判識技術。

“十三五”期間，還研究分析了加卸荷條件下不同組合煤巖試樣沖擊傾向性與聲電、微震的演化規(guī)律和動載作用下煤巖力學與聲發(fā)射特性，研制了用以監(jiān)測煤巖破壞前兆信息的電荷感應儀。對全礦井沖擊危險性進行分區(qū)分級，確定重點區(qū)域；對重點區(qū)域進行重點監(jiān)測預警和檢驗，確定局部危險范圍；對局部危險范圍，進行實時監(jiān)測預警和檢驗。從工作面風險、采掘區(qū)域風險和生產系統(tǒng)風險三個方面分析煤與瓦斯突出風險因素，提出了數(shù)據監(jiān)測與采集-數(shù)據挖掘分析-預警等級確定-預警結果發(fā)布一體化的煤與瓦斯突出預警方法，預警方法模型如圖8所示，初步建立了關聯(lián)規(guī)則和證據理論兩種算法相結合的多源信息融合預警模型，實現(xiàn)了多指標自動融合分析與決策、預警模型的自修正，預警原因可追溯，預警的智能化水平得到了顯著提高。

圖8 煤與瓦斯突出預警模型Fig.8 Schematic diagram of seismic wave CT detection

針對預警系統(tǒng)自動化水平及跨平臺能力不足的問題，初步開發(fā)了基于B/S結構和支持跨平臺的礦井突出智能預警系統(tǒng)(圖9)，實現(xiàn)了通過不同操作系統(tǒng)電腦、手機進行預警信息的發(fā)布與訪問。針對煤礦典型動力災害數(shù)據存儲和管理的問題，提出了實時動態(tài)海量數(shù)據存儲優(yōu)化策略，設計了全國煤礦典型動力災害風險預警云平臺架構和存儲模式。研發(fā)了區(qū)域性動力災害遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了煤礦沖擊地壓、煤與瓦斯突出典型動力災害預警信息遠程發(fā)布、監(jiān)管與運維。結合全國安全生產信息化頂層設計、煤礦風險預警和防控系統(tǒng)，構建了區(qū)域監(jiān)控預警云平臺；基于煤礦典型動力災害知識庫，構建了區(qū)域性煤礦典型動力災害風險判識模型。

圖9 煤礦典型動力災害監(jiān)測預警架構體系Fig.9 Coal mine dynamic disaster monitoring and early warning framework system

2 示范工程應用

煤礦典型動力災害遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)綜合平臺是“煤礦典型動力災害風險判識及監(jiān)控預警技術研究”項目研究成果的集成，“十三五”期間完成遠程集成監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺應用示范多項，實現(xiàn)了煤與瓦斯突出、沖擊地壓等典型動力災害隱患遠程在線監(jiān)測、智能判識、實時準確預警。

針對山東能源集團高采深、高地壓引起的沖擊地壓難題，開展了主控因素與風險判識研究，建立了沖擊地壓多源集成監(jiān)測系統(tǒng)，形成了沖擊地壓集成監(jiān)測預警平臺。通過運用新研發(fā)的沖擊地壓多參量監(jiān)測預警方法與技術指標體系，成功對現(xiàn)場沖擊地壓災害進行了預警和解危。

針對我國西南地區(qū)地質條件復雜造成的煤與瓦斯突出問題，在貴州盤江礦區(qū)金佳礦開展了煤與瓦斯突出主控因素與風險判識研究(圖10)，安裝了項目新研發(fā)的采掘工作面分布式聲電瓦斯突出預警系統(tǒng)，形成了突出危險多參量集成監(jiān)測預警平臺，實現(xiàn)了煤與瓦斯突出動態(tài)、實時、連續(xù)監(jiān)測預警，提高了煤與瓦斯突出預警的準確性與實時性，成功對多次突出動力事件進行了提前預警。

圖10 金佳礦聲電瓦斯多參量集成在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.10 Multi-parameter integrated online monitoring system of Jinjia mine acoustic and electric gas

針對陽泉礦區(qū)新景礦煤與瓦斯突出嚴重的問題，開展了礦井突出主控因素判識研究，安裝了項目新開發(fā)的地質動態(tài)分析系統(tǒng)、防突動態(tài)管理系統(tǒng)、突出監(jiān)測預警平臺等預警軟件系統(tǒng)與硬件裝備，形成了礦井突出多參量集成預警系統(tǒng)平臺(圖11)，實現(xiàn)了突出危險的智能分析與評估。

圖11 新景礦煤與瓦斯突出預警平臺Fig.11 Xinjing coal and gas outburst early warning platform

針對大同礦區(qū)忻州窯礦受頂、底板及煤層“三硬條件”造成的強礦壓顯現(xiàn)問題，開展了強礦壓顯現(xiàn)風險判識與主控因素研究，運用項目新開發(fā)的沖擊地壓前兆多參量監(jiān)測預警技術，構建了強礦壓動力災害多參量集成監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了多源海量動態(tài)信息在線傳輸、存儲與實時預警功能。

彬長礦區(qū)是陜西省最早發(fā)生沖擊地壓災害的礦區(qū)，其中胡家河礦被確定為綜合平臺應用示范單位。該礦安裝了新研發(fā)的沖擊地壓應力雙震源CT反演系統(tǒng)及配套裝備(圖12)，裝備了礦井尺度的微震監(jiān)測、區(qū)域地音監(jiān)測和支架阻力礦壓監(jiān)測等在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，形成了沖擊地壓監(jiān)控預警系統(tǒng)與平臺，實現(xiàn)了沖擊地壓“災源”遠程定位與識別。

圖12 沖擊地壓雙震源反演裝備及實施效果Fig.12 Equipment and implementation effect of dual seismic source inversion for rock burst

3 創(chuàng)新成果總結

“十三五”期間，通過開展煤礦典型動力災害風險判識及監(jiān)控預警關鍵技術研究及裝備研發(fā)，取得了如下重要創(chuàng)新成果：

(1) 提出了沖擊地壓孕育和發(fā)生過程中的應力場-能量場-震動場耦合誘沖機理，構建了“能量釋放率-應力梯度”耦合模型，揭示了應力場-能量場-震動場耦合條件下沖擊地壓孕災機理。

(2) 構建了“應力場-擴散場-滲流場”多場耦合模型，揭示了煤與瓦斯突出多場耦合孕育機制；開展了煤與瓦斯突出煤粉-瓦斯固氣兩相流動力學實驗，揭示了煤與瓦斯突出發(fā)展演化與衰減規(guī)律。

(3) 自主研發(fā)了煤礦典型動力災害預警裝置/裝備8套(包含樣機)、雙震源一體化探測預警裝備、光纖微震監(jiān)測裝備和三軸應力傳感裝備、分布式多點激光甲烷監(jiān)測裝置、非接觸式供電-取電調制裝備和具有數(shù)據融合與智能管理功能的區(qū)域協(xié)同控制器，改進了無線鉆屑瓦斯解吸指標測量裝置和無線鉆孔瓦斯涌出初速度測量裝置。

(4) 設計了全國煤礦典型動力災害風險預警云平臺架構和存儲模式，建立了沖擊地壓臨界判據和沖擊危險的多參量歸一化無量綱監(jiān)測預警模型及準則；引入動態(tài)權重法，建立了動力災害多參量時空強預警模型及指標體系；研發(fā)了沖擊地壓監(jiān)控預警系統(tǒng)與平臺，實現(xiàn)了沖擊地壓“災源”遠程定位與識別。

(5) 構建了煤與瓦斯突出遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)云平臺，設計了跨平臺遠程預警系統(tǒng)總體結構、系統(tǒng)數(shù)據庫、礦端預警信息采集接口、預警分析服務、遠程展示及運維平臺，實現(xiàn)了煤與瓦斯突出災害的遠程監(jiān)測預警。

(6) 通過研究成果的集成，在山東能源集團有限公司、貴州盤江精煤股份有限公司、陽泉煤業(yè)集團、山西大同煤礦集團有限責任公司、陜西煤業(yè)化工集團有限責任公司等企業(yè)建立了遠程集成監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺并成功進行了示范應用。