煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术“十三五”研究进展

袁亮

1.安徽理工大学，安徽淮南 232000；2.中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083

煤与瓦斯突出、冲击地压是典型的煤矿动力灾害，会造成井巷严重破坏和人员重大伤亡。近年来，随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，动力灾害已成为国内外煤炭开采领域面临的主要灾害之一[1]。国际上，2007年美国Utah州Crandall Canyon矿发生严重冲击动力灾害，造成9人死亡；2014年澳大利亚首个使用长壁综放采煤方法的Austar矿发生冲击动力灾害，15 m长的煤壁突然冲出，造成2人死亡[2]。在国内，煤与瓦斯突出、冲击地压的发生次数和破坏程度也呈增大趋势。据不完全统计，1985年我国发生冲击地压的煤矿有32个，2015年底该类矿井达到177个。在2004—2015年期间，平顶山、新汶、华亭、义马等多个矿区先后发生冲击地压重大灾害多达35次，造成300余人死亡，上千人受伤。2001—2015年，我国共发生煤与瓦斯突出死亡事故472起，造成3 303人死亡[3]。

与美国、澳大利亚、波兰等产煤国相比，我国煤田地质条件更为复杂，因此我国煤矿动力灾害问题尤为突出。行业管理部门和学术界对煤矿动力灾害的机理和防治问题一直非常重视。21世纪初，我国相继启动了一些相关研究项目，如科技部973项目“煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究”“预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究”“深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论”等，推动了我国煤矿动力灾害机理和防治的基础理论研究。但总体而言，现有煤矿典型动力灾害理论对于高应力场、复杂裂隙场、高渗流场等多相多物理场耦合条件下的灾害形成过程及演化机制的研究，仍有待深入[4-10]；同时，灾害前兆信息采集传感、传输技术、挖掘辨识技术的落后，亦导致了动力灾害预警的盲目性和不确定性[11-16]。

美国、澳大利亚等发达国家均已建立了矿山灾害预测、评价、管理系统，对提高矿井安全管理技术水平起到了积极作用，但其功能很少涉及煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害预警领域的应用。因此，应针对我国煤矿典型动力灾害的发生特点，研发具有自主知识产权的灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术及方法[17-20]；研制安全、灵敏、可靠的新型采集传感装备，形成基于大数据的多元信息提取与挖掘方法[21-22]；研发更为科学的风险辨识与预警模型，进行煤矿动力灾害全方位预警[23]，最终实现煤矿重大灾害灾变隐患在线监测、智能判识、实时准确预警。

2016年科技部专门设立了国家重点研发专项“公共安全风险防控与技术装备”，并将“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”作为该专项指南方向之一，重点开展煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警关键技术研究及装备研发，从而降低我国煤炭资源开采中的动力灾害风险，全面提升我国煤矿动力灾害风险判识及监控预警能力。

1 “十三五”期间重大研究进展

1.1 动力灾害灾变机理

针对冲击地压灾变机理，建立了以触探法为基础的煤岩冲击倾向性鉴定方法，用X射线成像技术分析煤岩微观孔隙结构与煤岩动力失稳特征相关性，模拟获得了煤样失稳破坏过程中的宏细观转化机制。通过不同尺度煤岩试验，得到了煤岩冲击失稳宏观破坏的微结构演化前兆与机理，得出了加载速度和节理角度对冲击倾向性煤动态断裂韧度的影响因素，获得了煤裂纹扩展形态、冲击荷载速率及层理间的相关规律，为冲击地压前兆特征提取和灾变点识别提供了基础。针对煤岩冲击力学试验，分析了不同冲击倾向性、不同层理倾角、不同动静载组合作用下煤岩能量入射能、吸收能、断裂能和残余动能演化特性，建立了构造应力场与采动应力场耦合时孤岛工作面采场动力失稳的能量激增非线性动力学模型。

通过研究冲击地压孕育和发生过程中的应力场-能量场-震动场耦合诱冲机理(图1)，构建了“能量释放率-应力梯度”耦合模型，建立了冲击地压临界判据，为建立冲击地压预警准则提供了支撑。研究发现煤岩变形破坏的应变、能量与微震、声发射、电磁辐射的特征值成正比，通过引入动态权重法和多参量归一化无量纲准则，建立了冲击地压多参量时空强预警模型。

图1 冲击地压发生机理Fig.1 Mechanism of rock burst

针对目前煤与瓦斯突出物理模拟定性不定量的问题，采用煤与瓦斯突出能量模型结合经典煤与瓦斯突出气固耦合方程推导出了相似准则，研发了大尺度、真三轴突出物理模拟试验装置(图2)，进行了煤与瓦斯突出动力效应模拟验证试验，为突出机理研究提供了实验支撑。原位实测与数值模拟分析了构造区域地应力与采动应力分布特征，建立了“应力场-扩散场-渗流场”多场耦合模型，揭示了煤与瓦斯突出多场耦合孕育机制，并提出了煤与瓦斯突出的临界判据。

图2 煤与瓦斯突出物理模拟模型Fig.2 Physical simulation model of coal and gas outburst

同时开展了煤与瓦斯突出煤粉-瓦斯气固两相流动力衰减试验，模拟与实测了突出煤粉-瓦斯两相流冲击超压及传播速度分布特征，揭示了煤与瓦斯突出发展演化与衰减规律(图3)。通过采动煤岩体力学与渗流实验，得到了构造软煤、坚硬顶板及煤岩组合体的力学与渗流行为特征，揭示了采动煤岩体失稳破坏与渗流演化规律以及厚硬岩组对下伏煤体应力-裂隙演化和卸压特征的影响规律；提出了煤岩瓦斯复合动力灾害分类方法及判别准则，探索了冲击诱导煤与瓦斯突出复合动力灾害的发生机理。

图3 煤与突出动力现象与过程Fig.3 Dynamic phenomenon and process of coal and gas outburst

1.2 关键信息采集传感技术

基于矿山开采围岩震动以及人工激发震源机理，开发了双震源一体化在线式弹性波CT反演系统(图4)，可实现矿山震动智能识别、人工震源在线激发、弹性波CT反演在线智能分析，实现区域应力场高精度快速、在线、智能反演。

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

针对微震检测频率范围窄、精度低等问题，开展了光纤光栅传感技术研究，结合对称微结构加速度传感技术和PGC高灵敏度解调方法，研发了光纤微震监测装置，进行了性能自测和第三方的校准测试，测量范围为0～300 Hz，灵敏度达到0.1mg @ 30 Hz，实现了微震信号的高质量高灵敏度监测。光纤微震监测样机如图5所示。

图5 光纤微震监测样机Fig.5 Optical fiber micro seismic monitoring prototype

针对应力检测维度单一、真实性较差等问题，在现有单轴应力检测技术的基础上，开展三轴应力检测技术研究，研发了光纤光栅式三轴应力传感器，量程0～35 MPa，实现了多维度应力信息的高精度检测。

针对瓦斯浓度检测存在精度低、调校周期短等问题，开展了激光吸收光谱技术研究，研发了分布式多点激光甲烷监测装置(图6)，可满足8路气室同步测量，测量误差在±3%左右，实现了关键区域瓦斯动态涌出浓度分布的高精度、可靠检测。

图6 分布式多点激光甲烷监测装置Fig.6 Distributed multi-point laser methane monitoring device

“十三五”期间，还研发了分布式声电瓦斯监测系统，实现对煤体声电瓦斯信息多点、区域化、协同监测及传输。设计了基于瓦斯涌出特征的突出预警仪硬件结构，编制了瓦斯涌出特征指标自动计算程序，并取得了安全标志证书。研发了功耗低、体积小的无线钻屑瓦斯解吸指标和无线钻孔瓦斯涌出初速度测量装置，解决了人工检定参数采用地面人工录入方式、信息获得滞后、时效性较差的问题，实现了瓦斯突出预警相关指标数据及时交互共享。

在人机环参数全面采集及共网传输方面，已成功研制非接触式供电、取电调制装置、区域协同控制器、透明传输网关、无线节点及基站等新产品样机；研制了无线自组网基站、动力电与信号电混合成缆、通信芯片协议栈、高精度无线定位技术等关键区域无线自组网及分布式总线传输技术与装备(图7)。同时，完成了煤矿井下有限空间多系统近址共建的电磁兼容评价、典型设备近址共建的优化距离及布置、煤矿设备专用的抗电磁干扰、煤矿井下电磁干扰源及耦合途径建模等方法和技术的研究。

图7 无线自组网基站实验室样机Fig.7 Laboratory prototype and test of wireless Ad hoc network base station

1.3 动力灾害多元信息挖掘及预警技术

提出了矿山动力灾害的全息模态化预警方法及系统架构，实现了煤矿动力灾害危险区域快速辨识、动态圈定及智能评价。针对冲击地压灾变实时预警困难等问题，开展了冲击灾变过程中的特征漂移研究，结合微震监测系统，发展了冲击地压灾变特征挖掘方法，为冲击灾变预警提供了技术基础。针对海量微震数据难于存储的问题，开展了基于字典学习的微震数据压缩方法研究，结合微震数据的稀疏特征，设计了采样矩阵及稀疏表示方法，实现了数据的压缩存储，为冲击灾变特征数据挖掘提供了基础。针对海量、多源、异构的煤矿典型动力灾害数据的融合问题，开展了灾害数据融合与管理的研究，提出了煤矿典型动力灾害知识库自动构建方法，为煤矿典型动力灾害的区域远程监控预警提供了基础。针对灾害风险判识主观性较强的问题，构建了煤矿典型动力灾害数据库，提取了灾害特征指标，提出了区域性煤矿典型动力灾害风险判识技术。

“十三五”期间，还研究分析了加卸荷条件下不同组合煤岩试样冲击倾向性与声电、微震的演化规律和动载作用下煤岩力学与声发射特性，研制了用以监测煤岩破坏前兆信息的电荷感应仪。对全矿井冲击危险性进行分区分级，确定重点区域；对重点区域进行重点监测预警和检验，确定局部危险范围；对局部危险范围，进行实时监测预警和检验。从工作面风险、采掘区域风险和生产系统风险三个方面分析煤与瓦斯突出风险因素，提出了数据监测与采集-数据挖掘分析-预警等级确定-预警结果发布一体化的煤与瓦斯突出预警方法，预警方法模型如图8所示，初步建立了关联规则和证据理论两种算法相结合的多源信息融合预警模型，实现了多指标自动融合分析与决策、预警模型的自修正，预警原因可追溯，预警的智能化水平得到了显著提高。

图8 煤与瓦斯突出预警模型Fig.8 Schematic diagram of seismic wave CT detection

针对预警系统自动化水平及跨平台能力不足的问题，初步开发了基于B/S结构和支持跨平台的矿井突出智能预警系统(图9)，实现了通过不同操作系统电脑、手机进行预警信息的发布与访问。针对煤矿典型动力灾害数据存储和管理的问题，提出了实时动态海量数据存储优化策略，设计了全国煤矿典型动力灾害风险预警云平台架构和存储模式。研发了区域性动力灾害远程监控预警系统，实现了煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出典型动力灾害预警信息远程发布、监管与运维。结合全国安全生产信息化顶层设计、煤矿风险预警和防控系统，构建了区域监控预警云平台；基于煤矿典型动力灾害知识库，构建了区域性煤矿典型动力灾害风险判识模型。

图9 煤矿典型动力灾害监测预警架构体系Fig.9 Coal mine dynamic disaster monitoring and early warning framework system

2 示范工程应用

煤矿典型动力灾害远程监控预警系统综合平台是“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”项目研究成果的集成，“十三五”期间完成远程集成监测预警系统平台应用示范多项，实现了煤与瓦斯突出、冲击地压等典型动力灾害隐患远程在线监测、智能判识、实时准确预警。

针对山东能源集团高采深、高地压引起的冲击地压难题，开展了主控因素与风险判识研究，建立了冲击地压多源集成监测系统，形成了冲击地压集成监测预警平台。通过运用新研发的冲击地压多参量监测预警方法与技术指标体系，成功对现场冲击地压灾害进行了预警和解危。

针对我国西南地区地质条件复杂造成的煤与瓦斯突出问题，在贵州盘江矿区金佳矿开展了煤与瓦斯突出主控因素与风险判识研究(图10)，安装了项目新研发的采掘工作面分布式声电瓦斯突出预警系统，形成了突出危险多参量集成监测预警平台，实现了煤与瓦斯突出动态、实时、连续监测预警，提高了煤与瓦斯突出预警的准确性与实时性，成功对多次突出动力事件进行了提前预警。

图10 金佳矿声电瓦斯多参量集成在线监测系统Fig.10 Multi-parameter integrated online monitoring system of Jinjia mine acoustic and electric gas

针对阳泉矿区新景矿煤与瓦斯突出严重的问题，开展了矿井突出主控因素判识研究，安装了项目新开发的地质动态分析系统、防突动态管理系统、突出监测预警平台等预警软件系统与硬件装备，形成了矿井突出多参量集成预警系统平台(图11)，实现了突出危险的智能分析与评估。

图11 新景矿煤与瓦斯突出预警平台Fig.11 Xinjing coal and gas outburst early warning platform

针对大同矿区忻州窑矿受顶、底板及煤层“三硬条件”造成的强矿压显现问题，开展了强矿压显现风险判识与主控因素研究，运用项目新开发的冲击地压前兆多参量监测预警技术，构建了强矿压动力灾害多参量集成监测预警系统平台，实现了多源海量动态信息在线传输、存储与实时预警功能。

彬长矿区是陕西省最早发生冲击地压灾害的矿区，其中胡家河矿被确定为综合平台应用示范单位。该矿安装了新研发的冲击地压应力双震源CT反演系统及配套装备(图12)，装备了矿井尺度的微震监测、区域地音监测和支架阻力矿压监测等在线实时监测系统，形成了冲击地压监控预警系统与平台，实现了冲击地压“灾源”远程定位与识别。

图12 冲击地压双震源反演装备及实施效果Fig.12 Equipment and implementation effect of dual seismic source inversion for rock burst

3 创新成果总结

“十三五”期间，通过开展煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警关键技术研究及装备研发，取得了如下重要创新成果：

(1) 提出了冲击地压孕育和发生过程中的应力场-能量场-震动场耦合诱冲机理，构建了“能量释放率-应力梯度”耦合模型，揭示了应力场-能量场-震动场耦合条件下冲击地压孕灾机理。

(2) 构建了“应力场-扩散场-渗流场”多场耦合模型，揭示了煤与瓦斯突出多场耦合孕育机制；开展了煤与瓦斯突出煤粉-瓦斯固气两相流动力学实验，揭示了煤与瓦斯突出发展演化与衰减规律。

(3) 自主研发了煤矿典型动力灾害预警装置/装备8套(包含样机)、双震源一体化探测预警装备、光纤微震监测装备和三轴应力传感装备、分布式多点激光甲烷监测装置、非接触式供电-取电调制装备和具有数据融合与智能管理功能的区域协同控制器，改进了无线钻屑瓦斯解吸指标测量装置和无线钻孔瓦斯涌出初速度测量装置。

(4) 设计了全国煤矿典型动力灾害风险预警云平台架构和存储模式，建立了冲击地压临界判据和冲击危险的多参量归一化无量纲监测预警模型及准则；引入动态权重法，建立了动力灾害多参量时空强预警模型及指标体系；研发了冲击地压监控预警系统与平台，实现了冲击地压“灾源”远程定位与识别。

(5) 构建了煤与瓦斯突出远程监控预警系统云平台，设计了跨平台远程预警系统总体结构、系统数据库、矿端预警信息采集接口、预警分析服务、远程展示及运维平台，实现了煤与瓦斯突出灾害的远程监测预警。

(6) 通过研究成果的集成，在山东能源集团有限公司、贵州盘江精煤股份有限公司、阳泉煤业集团、山西大同煤矿集团有限责任公司、陕西煤业化工集团有限责任公司等企业建立了远程集成监测预警系统平台并成功进行了示范应用。