圖為沖擊礦壓智能綜合監(jiān)測預(yù)警平臺，該平臺是全球最大的沖擊礦壓監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。受訪者供圖

中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的“沖擊礦壓智能綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”，在國內(nèi)多家煤礦轉(zhuǎn)化應(yīng)用后，成為煤礦特殊災(zāi)害的“警鈴”，已成功為一座座煤礦“排憂解難”，并走出國門，在多個國家發(fā)揮作用。

5月初，山東某市的一座煤礦，地面上人來車往一切如常，但是地下1000多米的深處卻危機(jī)四伏，一股強(qiáng)大的能量隨時可能噴涌而出，工作人員正緊盯著監(jiān)測屏幕關(guān)注它的動向……

就在5天前，中國礦業(yè)大學(xué)為礦井安裝的“沖擊礦壓智能綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”發(fā)出警報，震動波CT反演結(jié)果顯示，一個掘進(jìn)工作面的周邊震動波波速明顯異常，正處于較強(qiáng)的沖擊危險狀態(tài)。

工作人員收到警報后，立即停止掘進(jìn)作業(yè)、疏散井下人員、采取泄壓措施……5月5日，井下突然傳來一聲巨響，就連地表也隨之晃動，一次大能量強(qiáng)礦震在井下爆發(fā)，所幸處置及時并未造成人員傷亡。

研發(fā)礦山“CT”，緩解陌生的壓力

2018年10月20日，山東龍鄆煤業(yè)有限公司發(fā)生重大事故，井下巷道被一股強(qiáng)大的力量擠垮，噴出的煤巖體把通道堵死……事故共造成21人死亡、1人受傷。

調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，此次事故既非瓦斯爆炸、坑內(nèi)火災(zāi)、采煤透水等傳統(tǒng)礦難，也不是頂板事故等人為原因，而是由一個相對陌生的名詞“沖擊地壓”(也稱沖擊礦壓)引發(fā)的。

近年來，隨著煤炭資源開采深度和開采強(qiáng)度的增加，沖擊礦壓等巖層動力現(xiàn)象日益加劇，沖擊礦壓已成為深部資源開采領(lǐng)域面臨的主要災(zāi)害之一。中國礦業(yè)大學(xué)教授竇林名告訴記者：“煤礦開采越深，礦山壓力也就越大，一般采深超過400米即存在危險，埋深1000米危險系數(shù)比較高，而我國目前最深的煤礦已達(dá)到地下1500米。”

所幸的是，如今面對這種“陌生的壓力”，已經(jīng)有了“緩解”的辦法。多家煤礦轉(zhuǎn)化應(yīng)用了中國礦業(yè)大學(xué)的科研成果后，已經(jīng)可以避免上述事故的發(fā)生。

2008年5月11日，位于甘肅的華亭煤業(yè)集團(tuán)有限公司(以下簡稱華亭煤業(yè))一如往常，數(shù)百名礦工正在井下有序開采。突然，總工程師周澎收到監(jiān)控系統(tǒng)報警信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，250102工作面礦壓異常升高。盡管此時井下一切正常，但是為了安全起見，周澎最終還是簽發(fā)了預(yù)警單，礦工隨即從井下撤離。

5月12日，一起劇烈的沖擊礦壓在250102工作面發(fā)生，巷道被嚴(yán)重破壞，一列長約100米、安裝有數(shù)十噸設(shè)備的列車被掀翻。令人慶幸的是，井下礦工都已安全撤離。

在此之前，華亭煤業(yè)有人對這套監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)還將信將疑，從那以后，全礦上下把這項(xiàng)技術(shù)奉若至寶，再未因沖擊礦壓發(fā)生過死亡事故。

如同地震一般，沖擊礦壓這種動力災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生時沒有明顯的宏觀前兆，具有突發(fā)性、瞬時震動性、巨大破壞性的特征，事先難以確定發(fā)生的時間、地點(diǎn)和強(qiáng)度。

“原先沖擊礦壓基本是不能監(jiān)測的，通過我們的研究監(jiān)測準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%。目前我們可以預(yù)測沖擊礦壓的危險性、地點(diǎn)、大概的時間和強(qiáng)度。”竇林名說。

以竇林名教授為首席專家的“中國礦業(yè)大學(xué)沖擊地壓研究中心”，在國內(nèi)率先提出了“動靜疊加誘沖理論”“煤巖體沖擊破壞的沖能原理”“巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)效應(yīng)”以及沖擊礦壓的強(qiáng)度弱化減沖原理。

在長期的科研實(shí)踐中，竇林名團(tuán)隊(duì)開發(fā)了電磁輻射技術(shù)、區(qū)域性微震監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)雙震源一體化CT應(yīng)力探測技術(shù)及系統(tǒng)，把看不見摸不著的地下巖層能量及其變化以量化的數(shù)值呈現(xiàn)在電腦上。

“沖擊危險的CT預(yù)警技術(shù)的原理就像我們在醫(yī)院做CT檢查，通過人工主動激發(fā)震源，或巖層破裂引發(fā)的震動(被動震源)，來反演煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)，并基于應(yīng)力異常、應(yīng)力梯度、波速應(yīng)力關(guān)系，建立沖擊危險預(yù)警準(zhǔn)則，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域應(yīng)力場的反演與沖擊危險預(yù)警。”竇林名說。

2013年和2014年，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和中國煤炭工業(yè)協(xié)會，先后組織專家對中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的“煤礦沖擊礦壓微震時空監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究”“煤礦沖擊礦壓震動波CT預(yù)測原理與技術(shù)”進(jìn)行了成果鑒定，均達(dá)到國際領(lǐng)先。

而這一國際領(lǐng)先的成果，也被多家煤礦看中，很快就遍地開花，在礦山作業(yè)中轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

成果深入轉(zhuǎn)化，布下全球最大監(jiān)測網(wǎng)

從2008年起，我國煤炭產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時期，一方面是各地煤礦產(chǎn)量迅速攀升，另一方面是礦井向著地下越挖越深。而沖擊礦壓的危險隱患也就愈加凸顯。

2013年，陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司(以下簡稱彬長礦業(yè))胡家河煤礦的管理層陷入左右為難之中，這個新開發(fā)的礦井，僅僅開采了一個工作面，就頻繁發(fā)生沖擊礦壓事件，“當(dāng)時已經(jīng)到了一挖就沖的地步，根本沒法開采了，這個礦井預(yù)計(jì)可以開采100年，但是才挖了不到一年，如果不解決這個問題，礦井可能就要封存廢棄，太可惜了!”一位熟悉胡家河煤礦的專家告訴記者。

為此，彬長礦業(yè)慕名找到了中國礦業(yè)大學(xué)，希望科研人員能早日降服這個看不見的“殺手”。

課題組經(jīng)過在線監(jiān)測、調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)這里的地層褶曲、井下煤柱位置不科學(xué)是導(dǎo)致沖擊礦壓頻頻發(fā)生的主要原因。將專家們的科研成果進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)化應(yīng)用，經(jīng)過嚴(yán)格整改后，胡家河煤礦竟然再也沒有發(fā)生過沖擊礦壓。

我國是世界上煤炭開采量最多的國家，也是沖擊礦壓災(zāi)害最嚴(yán)重的國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國已有329個沖擊礦壓礦井，正在開采的達(dá)253個。煤礦沖擊礦壓不僅自身危害大，而且會誘發(fā)瓦斯異常涌出、瓦斯爆炸等重特大災(zāi)害。

中國礦業(yè)大學(xué)在沖擊礦壓災(zāi)害方面的科研腳步一直沒有松懈，科研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用也一直在深入推進(jìn)。2006年，中國礦業(yè)大學(xué)沖擊地壓研究中心在華亭礦區(qū)硯北煤礦安裝國內(nèi)首套SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，目前國內(nèi)已有70多個礦井安裝了這套監(jiān)測系統(tǒng)。

“我們構(gòu)建了一個沖擊礦壓智能綜合監(jiān)測預(yù)警平臺，是全球最大的沖擊礦壓監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。”竇林名自豪地說。

平臺建立起來后，每個煤礦在調(diào)度室都能夠看到礦井的能量釋放情況。接到預(yù)警通知之后，一方面可以及時撤離人員，避免傷亡;另一方面，采取卸壓等措施誘發(fā)能量釋放，從而減少能量的聚集。

“沖擊礦壓智能綜合監(jiān)測預(yù)警平臺”還相繼被國外的同行看中，目前，該成果已經(jīng)走出國門，服務(wù)世界，孟加拉BARAPUKURIA煤礦、波蘭KATOWICE煤礦等均已采用。

課題組研發(fā)的煤礦沖擊地壓動靜載探測預(yù)警與防治技術(shù)，相關(guān)成果還納入了國家部門規(guī)章《煤礦安全規(guī)程》和國家標(biāo)準(zhǔn)《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》。而這一科研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從2015年至2017年底，部分應(yīng)用礦井同比新增安全煤量3962.25萬噸，新增銷售額達(dá)160.68億元。

知識鏈接

沖擊地壓：也稱沖擊礦壓或巖爆，是井巷或工作面周圍煤(巖)體，由于彈性變形能在瞬間釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常常伴有煤巖體拋出、震動、巨響及氣浪等，是造成人員傷亡和采掘空間嚴(yán)重破壞的煤礦動力災(zāi)害。

煤礦一般是由上往下開采，當(dāng)一層煤炭挖空，只留下煤柱作為支撐，煤柱就如同房屋結(jié)構(gòu)中的承重墻，上方沉重的巖土都壓在它身上。

“煤礦開采會導(dǎo)致煤(巖)層應(yīng)力重新分布，形成應(yīng)力增高區(qū)(支承壓力區(qū))，一旦超過臨界值就會瞬間壓垮巷道或工作面，造成慘重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。”中國礦業(yè)大學(xué)教授竇林名解釋說。