煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展

新一轮能源变革正在孕育,互联网+及智能化发展势头强劲,在总结我国煤矿典型动力灾害预防存在主要问题及思考煤矿监控预警如何面对新一轮科技创新的基础上,提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警新理念与关键技术。煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是在煤炭精准开采的理念指导下,基于多相多场耦合灾变孕育演化机理,利用灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术、多源海量前兆信息提取挖掘方法,能够实现煤矿典型动力灾害前兆信息深度感知、风险精准判识及监控预警的新模式新方法。该模式能够实现煤矿监控预警由传统的经验型、定性型向精准型、定量型转变,全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力。凝练了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的4个关键科学问题和8个主要研究方向,围绕基础理论研究、关键技术开发和预警平台搭建,重点阐述了12个方面的研究进展,为实现冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时精准预警提供了技术路径。     

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

冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害的风险判识和监控预警是煤矿安全生产的重点和难点。在“十三五”期间,针对该问题重点开展了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工作,建立了开采扰动和多场耦合叠加效应下煤矿动力灾害孕育演化机理和发生发展的新理论,提出了煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识理论及预警模型;开发了具有故障自诊断、高灵敏、标校周期长的前兆信息采集传感技术与装备;通过对异构数据融合、自组网、抗干扰等技术研究,提出了矿井关键区域人机环参数全面采集、多元信息共网传输新方法,为煤矿典型动力灾害监控预警系统安全无故障运行提供了技术保障;构建了自动化、信息化、智能化预警平台,平台具备故障自诊断、高灵敏、响应时间短、标校周期长、抗干扰等功能,预警准确率提升到90 % 以上。通过煤矿典型动力灾害监测预警基础研究-关键技术开发-应用示范的有机融合,实现了煤矿重大灾害灾变隐患在线监测、智能判识和实时准确预警。     

煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究进展

围绕拟解决的重大科学问题"煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术",以煤与瓦斯突出、冲击地压等典型煤矿动力灾害为研究对象,鉴于煤矿典型动力灾害诱发机理不清、风险判识不明、监控预警技术不足等现状,开展了冲击地压孕育机理与风险判识及监测预警、煤与瓦斯突出灾变机理及监测预警、煤矿典型动力灾害信号采集传输和智能化分析、煤矿典型动力灾害监控预警系统平台等研究,开发了大尺度、真三维、全封闭自动开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置,研制了包括光纤光栅微震传感、三轴应力传感、分布式多点激光甲烷检测等在内的动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输传感装置,建立了井下传感器数据的多元海量动态信息的聚合理论与方法,提出了基于漂移特征的潜在煤矿典型动力灾害预测方法与多粒度知识挖掘方法,构建了基于大数据分析和数据挖掘的煤矿动力灾害风险判识和监控预警模型。通过现场实践,表明能实现全面采集人机环参数,且采集传感器具有故障自诊断、响应时间短、标校周期长等优点。监控预警系统稳定运行无故障率达到了99%,抗干扰等级不低于3级,系统监控预警准确率大于90%,实现了煤矿典型动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时预警。     

“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警”专题编者按

随着我国煤炭开采深度的不断增加,冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害日益加剧,且难以准确监测预警。针对这一问题,多年来我国煤炭科技工作者进行了多角度探索和研究,在煤矿典型动力灾害发生机理、风险判识与监测预警方面取得了重要进展。本期第2~10篇论文基于“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”国家重点研发计划项目支持,阐述了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展,提出了冲击地压临界条件及评价方法,分析了煤与瓦斯突出致灾因素及预警指标,展示了煤矿复合动力灾害危险性实时预警平台。针对典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术如构造应力区沿空巷道窄煤柱宽度优化、冲击危险评价的相对应力集中系数叠加法、矿井低频探地雷达天线性能改进、基于激光自稳频技术的分布式多点甲烷检测系统、基于变分模态分解及能量熵的微震信号降噪方法等进行了多角度探索与论述。本期“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警”专题是对该领域科技创新成果与进展的集中展示,希望有益于促进煤矿典型动力灾害监测预警技术进步,提高矿井安全生产水平。     

深部采动响应与灾害防控研究进展

掌握深部采动响应机制与灾害防控技术对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的现实意义。针对深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压和强开采扰动的复杂环境,探讨了深部采动煤岩体响应特征。阐述了煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律和多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾机理。最后,基于上述采动响应特征和多场耦合规律及致灾机理,从透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术3个方面讨论了深部采动灾害防控方法。未来应继续加大对深部开采基础研究支持力度,大力支持自主创新重大仪器及科学装置研究,重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究,依靠科技创新突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。加强深部采动多物理化学场耦合灾变机理分析,实现深地资源地质精准勘探和三维地质可视化,建立深部采动灾害风险判识及合理性评价模型,以及开展多参量灾害预警与防控技术和装备研究,实现对灾害的有效预警和精准防控,综合形成深部煤矿灾害防控理论与技术标准体系。同时,在充分认清深部各种灾害特征、治理能力极限和技术经济可行性的基础上,科学确定开采下限。最终有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术难题,促进深部煤炭安全高效开采。     

我国煤炭工业安全科学技术创新与发展

近年来,我国煤炭工业安全科学技术进步显著,但一些主要灾害威胁依然存在并严重影响煤矿安全生产,煤炭工业安全科学技术研究还存在很多不足,需要在深部矿井多种煤岩动力耦合灾害治理、煤矿隐蔽致灾因素动态智能探测、基于大数据的煤矿重大灾害预警平台建设、矿井热动力灾害耦合致灾机制与防治、松软低透煤层增透改造、矿井突水水源快速判识与智能注浆堵水、深部矿井火灾预警与防治、气载爆炸性粉尘防控、人员定位与灾情侦测及灾难矿井应急生命通道快速构建等多个方面加大研究力度,并在体制机制、政策法规、人才培养、科学研究等方面探索创新路径,力争到"十三五"末,实现煤矿安全事故起数和死亡人数均大幅下降。     

矿井火灾智能监测预警技术近20年研究进展及展望

为加强矿井火灾智能监测预警系统建设,提出了矿井火灾智能监测预警技术研究思路,从矿井火灾智能感知技术及装备、预测技术及模型、智能预警系统及平台3方面综述了矿井火灾智能监测预警技术研究进展。首先,总结了内外因火灾信息监测技术及装备,归纳了基于图像视频识别的识别流程,阐述了多源信息融合在火灾监测过程中的应用情况。其次,介绍了矿井火灾的预测技术及模型,包括支持向量机、人工神经网络、随机森林算法等机器学习算法。然后,阐述了矿井火灾预警系统及平台：在总结矿井煤自燃和外因火灾分级预警技术的基础上,介绍了矿井火灾预警系统平台的感知层、网络层、服务融合层以及应用层方面的进展内容;归纳了预警系统各层的内涵及应用框架;搭建了矿井火灾智能监测预警系统。最后,展望了我国矿井火灾智能监测预警技术的未来发展趋势,具体包括：在矿井火灾信息智能感知技术方面,提出加强传感技术及装备研发;在矿井火灾智能预测技术方面,提出加强隐蔽火源的位置探寻方法研究,构建火灾灾害透明化模型;在矿井火灾智能预警系统建设方面,提出将大数据融入智能判识,查明矿井火灾风险源及隐蔽火源位置的预报,实现特殊条件下煤自燃的预警。在矿井火灾智能判识与防控...     

双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考

双碳战略目标下煤炭行业高质量发展迎来新的机遇与挑战,充分释放废弃矿井负碳增能潜力,创新风、光、水、热等新能源开发利用耦合新型物化储能协同发展模式,推进绿色循环低碳能源体系稳定发展。应对清洁能源稳定供给与煤炭工业净零发展挑战,提出废弃矿井绿色低碳多能互补体系,集成全息地质结构重构、多种能源融合、物化联合储能、碳固结利用、多网智慧调控、智能应急救援的产-储-固智慧新型负碳绿色能源供储体系,以地表地下联合空间为载体,多源数据融合数字孪生技术为支撑,风险智能判识预警与灾害应急救援为保障,实现废弃矿区多维度分级分类分区域联动清洁能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用。凝练了废弃矿井绿色低碳多能互补体系发展面临的数字工程地质、多场时空耦合演化、功能地层空间维稳、风险超前精准预警和智能应急抢修救援等5个关键科学问题,提出了数字孪生工程原态场景、工程扰动多场耦合灾变演化、创新多能互补技术体系、CO₂工程封存与生态碳汇、分布式智能电网建设、数字风险预警系统和应急救援技术装备等7个主要研究方向,将为实现清洁能源稳续供给、碳永久封存、能-碳平衡循环发展,保障国家能源安全与经济社会高质...     

煤矿复合动力灾害危险性实时预警平台研究与展望

为解决复合动力灾害危险性实时预警的难题,通过研究煤矿复合动力灾害发生机理和发生前兆的关联性,将复合动力灾害发生前兆分为共性和个性两类,并与监测参数类型相对应,提出了针对复合动力灾害危险性的临场预警、中期预警以及远期预警的关键监测参数。复合动力灾害危险性实时预警平台的构成主要包含监测硬件、分析软件及预警方法3个部分,硬件主要指动力灾害监测系统及平台监控室硬件;软件主要指平台采集及分析软件;预警方法指标包括复合动力灾害危险性联合预警方法和单参数与多参数联合预警方法。在河南、山东等存在复合动力灾害的矿井进行了预警试验和基础研究,预警了矿井的复合动力灾害。同时,展望了复合动力灾害危险性实时预警平台的发展趋势。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。     

我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望

我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家,在突出预防方面进行了大量深入的研究和实践,突出防治取得了较为显著的效果,但近年来突出灾害事故仍时有发生.为了进一步提高深部矿井煤与瓦斯突出防控技术,提升煤矿安全、智能化水平和煤炭安全保障能力,分析了突出发生机理研究进展及现状,阐述了我国煤与瓦斯突出预测及监测预警手段的关键技术...     

深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术

深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑,井巷工程作为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉,因此,深部矿井建设关键技术是实现深部矿产资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与装备制造先行的理念,深部矿井建设模式、优化设计与理论、矿井建设技术与智能装备、智能监控技术体系、矿井建设与生态环境互馈等方面亟待取得突破。系统分析了矿井赋存地质条件探查、数据融合反演与透明化重构技术及其亟待攻克的科学问题;梳理了深部矿井井巷优化设计方法、建设模式、建井提运装备的发展现状和面临的难题;基于深部井巷围岩"应力调控-改性-支护"理念,提出了围岩应力调控技术,地面预注浆加固、抗渗、降-隔-保温技术等围岩改性技术,以及矿井工程支护结构等围岩控制理论与及其关键技术;提出了深井智能掘进装备与智能控制系统研发体系,梳理了机械破岩掘进装备制造与发展趋势,从高效破岩与排渣、装备构成与空间优化、精确智能钻井控制3个方面分析了上排渣竖井掘进机设计与制造亟需攻克的科学问题与技术难题;围绕破岩掘进复杂工序智能监控、围岩与井壁结构稳定智能监控、井筒内运行设备智能监控,提出了深部矿井全生命周期智能监控系统与关键技术体系。基于以上深部矿井开拓模式的优化设计、建井装备及其相应关键技术工艺的深入思考和分析,有望为深部矿井安全高效绿色建设提供解决思路。     

瓦斯与煤自燃复合灾害监测预警系统研究与应用

为了解决高瓦斯易自燃煤层工作面采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治智能化程度低、缺乏灾害风险的精准分级管控等问题,构建了以瓦斯抽采与自然发火监测数据为基础、以风险分级智能化管控为核心的瓦斯与煤自燃复合灾害监测预警系统。采用API接口调用方式建立数据采集平台,构建了基于多源信息融合、K-Means聚类分析、预警规则知识库等方法的分析预警模型,设计开发了瓦斯与煤自燃复合灾害监测预警系统软件,实现了复合灾害的精准监控、风险动态评判和智能预警。在试点工作面的应用结果表明,该系统可直观展示复合灾害监测预警信息,使采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治工作透明化,有效提升了灾害防治的智能化水平。     

基于无序导线数据的井巷三维自动建模新方法及其应用

提出一种基于无序导线数据自动提取井巷结点的井巷三维自动建模方法,克服了现有井巷建模方法存在的原始导线数据提取复杂,具有复杂斜坡道、竖井、多水平井巷难以进行数据集成,无法同步建模等问题。首先提出基于Bentley-Ottmann算法的三维空间线段求交算法,获取三维井巷各类结点单元信息;然后根据所求结点单元使用广度优先遍历算法进行标准化井巷网络图构建,形成井巷结点单元的空间几何结构;最后通过中线结点单元信息及邻接矩阵数据集,采用多源画线框算法构建基本三维井巷模型,并利用布尔运算技术处理井巷交岔点、竖井、斜坡道等复杂建模情况。结果表明：该算法可以通过无序导线快速生成任意方位三维井巷模型,并结合多源画线框算法与布尔运算算法的优点提高了井巷结点建模连通性处理的速度和效果。本文的研究成果已经在甘肃某矿区采场稳定性安全监测平台得到应用,其自动化生成的井巷模型能够为安全监测数据分析提供实时的可视化信息服务。     

适应极端环境的尾矿库在线监测技术研究

尾矿库是金属矿山的重要高势能危险源,一旦发生事故,将对矿山乃至下游人民群众生命财产带来严重威胁。由于尾矿库地处偏远,自然环境恶劣,常处于暴雨、雷电、大风等极端气象条件下,尾矿库在线监测系统的安全性和可靠性受到了严重威胁。为此,本文针对极端气象条件下的尾矿库安全在线监测需求,重点研发了高可靠性泛在信息采集装置、智能分布式供电技术与装置、混合式自愈Mesh网络通信技术与装备、尾矿库应急指挥手持终端等关键技术,大幅提升了尾矿库安全在线监测系统的工业适应性。     

极端环境下尾矿库在线监测技术研究

尾矿库是金属矿山的重要高势能危险源,一旦发生事故,将对矿山乃至下游人民群众的生命财产带来严重威胁。由于尾矿库地处偏远,自然环境恶劣,常处于暴雨、雷电、大风等极端气象条件下,尾矿库在线监测系统的安全性和可靠性受到了严重威胁。为此,针对极端气象条件下的尾矿库安全在线监测需求,重点研发了高可靠性泛在信息采集装置、智能分布式供电技术与装置、混合式自愈Mesh网络通信技术与装备、尾矿库应急指挥手持终端等关键技术和设备,大幅提升了尾矿库安全在线监测系统的工业适应性。     

矿山岩体破坏失稳预警云平台的搭建与应用

为实现矿山多源地质力学信息集成及矿山工程地质灾害预警,基于Java的轻量级框架Spring Boot及地理信息系统软件SuperMap搭建了一种包含矿山地质力学观测、监测数据可视化查询、岩体破坏失稳预警及预测3个模块的矿山岩体破坏失稳预警云平台,并将其应用于大孤山铁矿。研究表明:①以倾斜摄影测量数据、地质钻孔数据为基础建立了矿山三维模型,基于该模型开发了距离测量、面积测量、坡度测量、岩体结构面识别统计等功能,并结合Hoek-Brown准则建立了矿山岩体力学参数数据库,实现了岩体力学参数空间分布的三维可视化;②针对矿山环境复杂、监测设备及监测数据类型多样的特点,建立了高效、稳定的矿山多源监测数据实时远程传输与存储方法,实现了矿山多源监测信息在统一平台下的可视化查询;③基于矿山监测数据,分别应用模糊综合评价方法及时间序列模型对岩体破坏失稳的风险等级及监测数据未来的发展趋势进行了评级和预测,实现了岩体稳定性评价,为矿山灾害防控提供了决策依据。     

可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务,少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状,分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题;针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件,确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案,并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面,研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性,提出了智能化建井建智能矿井的理念,构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式;针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性,突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术,实现了TBM姿态大幅度调整,一次掘进断面面积40 m2,形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系,单月最高掘进进尺523.8 m;首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井,提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺,形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系,包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统,攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题,实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进,单日最高钻进进尺10.8 m。     

可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务,少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状,分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题;针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件,确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案,并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面,研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性,提出了智能化建井建智能矿井的理念,构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式;针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性,突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术,实现了TBM姿态大幅度调整,一次掘进断面面积40 m2,形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系,单月最高掘进进尺523.8 m;首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井,提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺,形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系,包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统,攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题,实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进,单日最高钻进进尺10.8 m。