研发矿山“CT”缓解陌生的压力 布下全球最大监测网

中国矿业大学研发的“冲击矿压智能综合监测预警系统”，在国内多家煤矿转化应用后，成为煤矿特殊灾害的“警铃”，已成功为一座座煤矿“排忧解难”，并走出国门，在多个国家发挥作用。

5月初，山东某市的一座煤矿，地面上人来车往一切如常，但是地下1000多米的深处却危机四伏，一股强大的能量随时可能喷涌而出，工作人员正紧盯着监测屏幕关注它的动向……

就在5天前，中国矿业大学为矿井安装的“冲击矿压智能综合监测预警系统”发出警报，震动波CT反演结果显示，一个掘进工作面的周边震动波波速明显异常，正处于较强的冲击危险状态。

工作人员收到警报后，立即停止掘进作业、疏散井下人员、采取泄压措施……5月5日，井下突然传来一声巨响，就连地表也随之晃动，一次大能量强矿震在井下爆发，所幸处置及时并未造成人员伤亡。

研发矿山“CT”，缓解陌生的压力

2018年10月20日，山东龙郓煤业有限公司发生重大事故，井下巷道被一股强大的力量挤垮，喷出的煤岩体把通道堵死……事故共造成21人死亡、1人受伤。

调查分析发现，此次事故既非瓦斯爆炸、坑内火灾、采煤透水等传统矿难，也不是顶板事故等人为原因，而是由一个相对陌生的名词“冲击地压”(也称冲击矿压)引发的。

近年来，随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，冲击矿压等岩层动力现象日益加剧，冲击矿压已成为深部资源开采领域面临的主要灾害之一。中国矿业大学教授窦林名告诉记者：“煤矿开采越深，矿山压力也就越大，一般采深超过400米即存在危险，埋深1000米危险系数比较高，而我国目前最深的煤矿已达到地下1500米。”

所幸的是，如今面对这种“陌生的压力”，已经有了“缓解”的办法。多家煤矿转化应用了中国矿业大学的科研成果后，已经可以避免上述事故的发生。

2008年5月11日，位于甘肃的华亭煤业集团有限公司(以下简称华亭煤业)一如往常，数百名矿工正在井下有序开采。突然，总工程师周澎收到监控系统报警信息，监测数据显示，250102工作面矿压异常升高。尽管此时井下一切正常，但是为了安全起见，周澎最终还是签发了预警单，矿工随即从井下撤离。

5月12日，一起剧烈的冲击矿压在250102工作面发生，巷道被严重破坏，一列长约100米、安装有数十吨设备的列车被掀翻。令人庆幸的是，井下矿工都已安全撤离。

在此之前，华亭煤业有人对这套监测预警系统还将信将疑，从那以后，全矿上下把这项技术奉若至宝，再未因冲击矿压发生过死亡事故。

如同地震一般，冲击矿压这种动力灾害现象发生时没有明显的宏观前兆，具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性的特征，事先难以确定发生的时间、地点和强度。

“原先冲击矿压基本是不能监测的，通过我们的研究监测准确率可以达到90%。目前我们可以预测冲击矿压的危险性、地点、大概的时间和强度。”窦林名说。

以窦林名教授为首席专家的“中国矿业大学冲击地压研究中心”，在国内率先提出了“动静叠加诱冲理论”“煤岩体冲击破坏的冲能原理”“巷道围岩的强弱强结构效应”以及冲击矿压的强度弱化减冲原理。

在长期的科研实践中，窦林名团队开发了电磁辐射技术、区域性微震监测技术及系统双震源一体化CT应力探测技术及系统，把看不见摸不着的地下岩层能量及其变化以量化的数值呈现在电脑上。

“冲击危险的CT预警技术的原理就像我们在医院做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)，来反演煤岩体内的应力分布状态，并基于应力异常、应力梯度、波速应力关系，建立冲击危险预警准则，可以实现区域应力场的反演与冲击危险预警。”窦林名说。

2013年和2014年，国家安全生产监督管理总局和中国煤炭工业协会，先后组织专家对中国矿业大学研发的“煤矿冲击矿压微震时空监测预警技术研究”“煤矿冲击矿压震动波CT预测原理与技术”进行了成果鉴定，均达到国际领先。

而这一国际领先的成果，也被多家煤矿看中，很快就遍地开花，在矿山作业中转化为实际应用。

成果深入转化，布下全球最大监测网

从2008年起，我国煤炭产业进入快速发展时期，一方面是各地煤矿产量迅速攀升，另一方面是矿井向着地下越挖越深。而冲击矿压的危险隐患也就愈加凸显。

2013年，陕西彬长矿业集团有限公司(以下简称彬长矿业)胡家河煤矿的管理层陷入左右为难之中，这个新开发的矿井，仅仅开采了一个工作面，就频繁发生冲击矿压事件，“当时已经到了一挖就冲的地步，根本没法开采了，这个矿井预计可以开采100年，但是才挖了不到一年，如果不解决这个问题，矿井可能就要封存废弃，太可惜了!”一位熟悉胡家河煤矿的专家告诉记者。

为此，彬长矿业慕名找到了中国矿业大学，希望科研人员能早日降服这个看不见的“杀手”。

课题组经过在线监测、调查分析，发现这里的地层褶曲、井下煤柱位置不科学是导致冲击矿压频频发生的主要原因。将专家们的科研成果进行实际转化应用，经过严格整改后，胡家河煤矿竟然再也没有发生过冲击矿压。

我国是世界上煤炭开采量最多的国家，也是冲击矿压灾害最严重的国家。据统计，目前我国已有329个冲击矿压矿井，正在开采的达253个。煤矿冲击矿压不仅自身危害大，而且会诱发瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸等重特大灾害。

中国矿业大学在冲击矿压灾害方面的科研脚步一直没有松懈，科研成果的转化应用也一直在深入推进。2006年，中国矿业大学冲击地压研究中心在华亭矿区砚北煤矿安装国内首套SOS微震监测系统，目前国内已有70多个矿井安装了这套监测系统。

“我们构建了一个冲击矿压智能综合监测预警平台，是全球最大的冲击矿压监测网络。”窦林名自豪地说。

平台建立起来后，每个煤矿在调度室都能够看到矿井的能量释放情况。接到预警通知之后，一方面可以及时撤离人员，避免伤亡;另一方面，采取卸压等措施诱发能量释放，从而减少能量的聚集。

“冲击矿压智能综合监测预警平台”还相继被国外的同行看中，目前，该成果已经走出国门，服务世界，孟加拉BARAPUKURIA煤矿、波兰KATOWICE煤矿等均已采用。

课题组研发的煤矿冲击地压动静载探测预警与防治技术，相关成果还纳入了国家部门规章《煤矿安全规程》和国家标准《冲击地压测定、监测与防治方法》。而这一科研成果的转化应用，也带来了可观的经济效益，据不完全统计，从2015年至2017年底，部分应用矿井同比新增安全煤量3962.25万吨，新增销售额达160.68亿元。

知识链接

冲击地压：也称冲击矿压或岩爆，是井巷或工作面周围煤(岩)体，由于弹性变形能在瞬间释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常常伴有煤岩体抛出、震动、巨响及气浪等，是造成人员伤亡和采掘空间严重破坏的煤矿动力灾害。

煤矿一般是由上往下开采，当一层煤炭挖空，只留下煤柱作为支撑，煤柱就如同房屋结构中的承重墙，上方沉重的岩土都压在它身上。

“煤矿开采会导致煤(岩)层应力重新分布，形成应力增高区(支承压力区)，一旦超过临界值就会瞬间压垮巷道或工作面，造成惨重的人员伤亡和巨大的财产损失。”中国矿业大学教授窦林名解释说。