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为了让冲击地压灾害远离煤矿而奋斗

——关于中国矿业大学冲击地压研究中心科研成果的报道

2019-5-16 18:51:18 来源:中国矿业报 本报记者:刘盼盼 通讯员 李秀

俗话说:“安全是生命之本,安全是幸福之源。”党的十八大以来,党和国家高度重视安全生产,把安全生产作为民生大事,纳入到全面建成小康社会的重要内容之中。煤炭作为我国社会主义现代化经济建设的主要能源之一,在经济建设、社会发展和人民日常生活中都占据着十分重要的地位和作用。可以说,煤炭的贡献不可估量,但在煤炭开采的过程中也蕴藏着巨大的危险,比如,煤矿安全事故以及灾难时有发生,其中,冲击地压便是煤矿重大自然灾害之一。

中国矿业大学作为国内最早从事冲击地压研究的科研单位之一,主要从事冲击矿压机理、预测预报、监测预警、防治解危的理论研究与技术研究及装备研发。以窦林名教授为首的中国矿业大学冲击地压研究中心专注于煤矿冲击地压研究30余年,攻克了该领域一个又一个理论与技术难题,取得了一系列原创性高价值的研究成果,形成了一套包括理论、技术方法与装备的完整体系,为我国冲击地压动力灾害的有效防控做出了巨大贡献,取得了丰硕的科研成果,使中国矿业大学的冲击地压研究水平长期处于国际领先水平,在国内外具有重大学术影响力。

团队成员和孟加拉国工作人员共同研讨技术方案

据《中国矿业报》记者了解,该团队曾获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(其中SCI论文120余篇,EI论文200余篇),专利及软件著作权50余项。

研究煤矿冲击地压迫在眉睫

煤矿开采过程中容易出现的自然灾害较多,冲击地压作为一种强烈的动压迸发现象,一直是威胁煤矿安全生产开采的重要灾害之一。

“冲击地压”又称“冲击矿压”,非煤矿山、隧洞等称为“岩爆”,是指井巷或工作面周围岩体,由于弹性变形瞬时释放而产生突然剧烈的破坏现象,常伴随着巨大的响声和岩体抛出等。据不完全统计,目前我国已有329个冲击地压矿井,正在开采的253个,分布于26个省、市及自治区。

冲击地压为什么是煤矿安全生产的重要灾害?国家重点学科“采矿工程”学科带头人、中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室主任窦林名教授介绍,这和它的显现特征有关。“‘冲击’这个词,我们能感受到它的突发性和瞬间的震动。”窦林名介绍,冲击地压一是具有突发性。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。二是具有瞬时震动性。爆炸震动强烈,震动时重型设备将被移动,人员将被弹起或摔倒,震动波及范围可达几公里甚至几十公里。“在巷道里,冲击地压的破坏是非常巨大的。”窦林名介绍,当发生冲击地压时,大量煤体突然抛出,堵塞巷道,支架破坏,正常的开采工作无法进行,还会造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。除此以外,冲击地压产生的原因复杂,情况多样,各种煤矿地质情况和采煤方法均出现过。

想要研究如何防治冲击地压,必须找到它产生的条件。团队成员何江副教授介绍,首先是随着我国煤矿采矿深度的延伸,煤层承受上部岩层的压力越来越大,煤层及其围岩的应力越来越高,冲击地压的发生频率逐渐增加。“就开采技术条件而论,任何一个发生冲击地压的矿井都存在临界深度的问题,不同地质与开采条件的冲击地压其临界深度不同。”“顶板岩层结构、煤层厚度、煤岩冲击倾向性及开采技术条件等,都是影响冲击地压的主要因素”。何江介绍,这些都需要进行综合的研究。除此以外,地质构造和开采技术也是影响因素。“根据我们团队在全国多地煤矿多年的研究发现,地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等容易导致冲击地压的发生。”

“总之,由于冲击地压巨大的灾害性,研究的复杂性,许多发达国家都选择关闭冲击地压的矿井,而我国以煤炭为主的能源结构特点,要求我们必须对冲击地压进行研究。”采访时,窦林名说,研究冲击地压成为中国矿业大学科研团队必须主动承担的责任。

多项研究成果处于领先水平

世上无难事,只怕有心人。面对冲击地压这个大难题,中国矿业大学冲击地压研究中心自成立以来,团队成员就不断努力,大胆创新,经过30多年的研究,取得了显著的成绩,开创了众多全国乃至全世界的第一,填补了冲击地压领域的许多空白区。

上世纪90年代,我国冲击地压只有钻屑法一种监测检测方法,这种方法难以解决不断出现的新的难题。1999年,徐州三河尖煤矿的一个工作面发生了5次冲击地压事故。窦林名教授团队赶赴现场,带着现场采集的材料和数据带回实验室,使用电磁辐射技术进行研究,又和现场进行反复研究,终于,发现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危险,揭示了煤岩动力灾害的电磁辐射机理,建立了预警方法、临界指标与预警准则,在徐州三河尖煤矿、山东新汶华丰煤矿、波兰卡托维兹矿等国内外冲击地压矿井应用,获得了巨大成功,得到业界人士的好评。该成果成为我国冲击地压监测领域的首个具备完全自主知识产权的原创性技术成果。

团队成员在工作现场

团队在实践中创新的脚步一直没有停歇。随着时代的发展与科学技术的进步,尤其是在综采工作面电磁干扰与信号屏蔽加大的情况下,关于冲击地压的研究面临更多的挑战,同时也有了更先进的研究方法和理念。该研究团队紧跟世界技术前沿,在国内率先引进了微震监测技术,并结合我国煤矿特点,开发完善了适合我国煤矿条件的数据分析与预警方法。安装国内首套SOS微震监测系统,实现了对全矿井范围的微震事件实时在线监测和对冲击地压危险的动态预警。团队成员曹安业教授介绍,2008年,甘肃华亭煤矿通过微震监测发现, 该矿250102工作面矿震活动出现异常,立即下达了警示单。矿井立即停止工作面作业并撤出人员。不久该工作面就发生了冲击地压显现,所幸没有人员受伤。这次监测预警也奠定了团队的研究信心。

除了研究现场技术问题外,该团队还不断完善理论体系。基于冲击地压孕育发展与致灾力学全过程的思考,同时对全国70余座冲击地压矿井近10年的数据统计,窦林名教授率先提出了冲击地压动静叠加诱冲理论,并建立了力学判据,从根本上解释了冲击地压致灾的机理。该理论密切联系工程实践,指出了冲击地压科学有效的监测应该包含参数,并指导防治工作的重点与参数设计,在冲击地压机理、监测预警与防治领域正发挥越来越重要的作用。

借助信息化与智能化的发展的步伐,在“十三五”国家重点研发计划项目的支持下,窦林名教授带领团队探索和研发了冲击地压风险智能判识与监测预警理论,构建了冲击地压远程在线智能监测预警平台,该平台与国内50余座矿井进行了联网,远程监测各个矿井的实时动态,及早发现问题,解决问题,减少人员的伤亡,提高防控工作的信息化。该技术在国内多个冲击地压矿井陆续推广应用,研究成果处于国内外领先水平。

在国际上享有很高的评价

实践是检验真理的唯一标准。科研成果是否有价值,还要看它是否在实践中产生重要的作用,当然,检验一项科技成果的价值,不仅看它是否对人类有用,还要看它是否产生了社会和经济价值。

中国矿业大学冲击地压中心的研究成果,在全国很多煤矿已经做到了很好的预警和防治等作用,有效降低了煤矿开采安全风险。但它是否可以直接转化成经济效益?采访时,团队成员巩思园副研究员讲述了一个记忆犹新的事。

2018年3月,孟加拉国巴拉普库利亚煤矿在采掘中遇到了难题——20万吨左右的孤岛煤柱如何继续开采,难倒了大家。据了解,该矿在开采过程中,由于开采过度形成了塌陷,还曾发生过煤体自燃,冲击地压灾害也比较凸显,如果继续开采孤岛煤柱,将面临很大的危险。。

据了解,孟加拉国巴拉普库利亚煤矿是该国第一座现代化煤矿和燃煤电站,在孟加拉国经济创收上具有举足轻重的作用,支撑当地1/3的煤发电项目。因此,如何继续从事煤炭开采将直接影响到该国人民的生活情况。

在得知这一情况后,中国矿业大学冲击地压中心团队巩思园副研究员、李许伟博士后等一行4人携带设备,前往孟加拉国现场,用冲击危险弹性波透视(CT)技术和冲击危险动态预测的震动波层析成像(CT)技术进行冲击危险的现场监测,分析探测规律,制订出相应防治方案。随后,在外方监理公司监理下,该区域终于得以进行安全开采,20多万吨的煤炭资源,经市场交易,直接转化成经济价值。对于这一重大问题的突破,他们多次受到孟加拉国领导人的称赞。

这一简称为CT技术的成果是如何研发成功的?窦林名教授介绍,由于冲击地压的发生与应力场密切相关,国内外地应力的获取主要以钻孔实测为主,成本高,成功率低,且只能得到单个测试点的应力值,无法获得区域应力场的分布规律。对此,窦林名教授团队提出了煤矿冲击危险弹性波透视(CT)技术和冲击危险动态预测的震动波层析成像(CT)技术,打破了国内外地应力的获取主要以钻孔实测为主的局面,开创了国内首次实施主被动弹性波CT反演区域应力场的研究工作,建立了冲击危险的主被动弹性波CT反演预警准则。目前,该方法已经成为冲击地压矿井区域应力场反演的最有效方法之一。

当问到对于未来的发展规划,窦林名教授介绍,虽然团队30多年来,取得不少成果,但是未来道路仍任重道远。随着煤炭开采强度和深度的逐步增加,地质条件的复杂性增加,冲击地压的表现形式也越来越多样性。因此,研究团队要更加深入对不同类型冲击地压机理开展定量研究,进一步提高监测预警的准确率、智能化、信息化、数字化,大幅降低煤矿开采的冲击地压灾害威胁。

随风潜入夜,润物细无声。该团队30多年如一日,犹如细雨在夜里悄悄落下,无声地滋润着春天万物。他们甘为孺子牛,只为在煤炭开采中贡献自己的一份力量。在未来的道路上,我们坚信,他们一定会再创辉煌,为防控冲击地压做出更多的贡献。□

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