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。     

“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专题编者按

随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭,地下开采深度的逐渐延伸,越来越多的矿井将面临严峻的深部开采煤岩动力灾害问题。如何有针对性地开展防控深部开采过程中遇到的冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故,是摆在科研和生产工作者面前的难题。鉴于此,国家在“十三五”期间,将“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目,重点对煤矿深部开采条件下的冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害的危险性探测、防控机理和防控技术开展研究,本期第1~11篇论文基于该项目两年来的主要研究成果,从材料失稳角度研究了冲击地压的触发判据和从结构失稳角度研究了冲击地压的孕灾机制;系统研究了采掘巷道冲击危险性的探测与支护技术;从理论和数值模拟上研究了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理和深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理等。本期“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控”专题是上述成果的集中展示,希望有益于促进我国煤矿深部开采煤岩动力灾害的防控。     

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。     

“深部井巷围岩控制及煤炭高效回收工程科技论坛”专题学术论文编者按

我国煤炭资源开发不断向深部发展,深部井巷围岩控制理论与技术对保障我国深部煤矿安全、高效建设与生产具有重要意义。煤炭高效回收是提高煤矿效益、煤炭资源回收率及延长矿井服务年限的关键技术。本期前16篇论文是从“深部井巷围岩控制及煤炭高效回收工程科技论坛”提交的论文中,优选出的有代表性论文,研究内容涉及深部与复杂困难巷道、硐室围岩变形破坏机制、围岩控制理论及控制技术;深部采场矿压显现特征,采煤工作面煤壁破坏机理与防治;深井无煤柱煤与瓦斯共采技术;冲击地压危险性评价,冲击载荷作用下煤岩体破坏特征,深部冲击地压巷道围岩控制技术等。希望本期“深部井巷围岩控制及煤炭高效回收工程科技论坛”专题学术论文能够为从事该领域研究的学者提供参考与帮助。     

基于瓦斯地质特征的多参量突出预警技术在新建煤矿的应用

针对新建煤矿地质构造复杂、煤层瓦斯赋存不均衡、煤与瓦斯突出防控难度大的问题,综合运用瓦斯地质理论、煤矿灾害预警技术,以矿井近5年瓦斯动力现象资料和防突数据为基础,建立了基于瓦斯地质特征的煤与瓦斯突出多参量预警指标体系。分析了瓦斯地质因素和煤与瓦斯突出预测指标K_1值的关系,确定了煤层厚度变化率、煤层倾角变化率、软分层厚度、断层影响范围、煤层瓦斯含量(或压力)5个预警指标及其临界值,据此建立了瓦斯地质特征突出预警模型,并提出了预警等级判识方法。同时,开发了瓦斯地质特征突出预警系统,在新建煤矿取得了良好的应用效果,可为类似条件矿井突出预警提供参考。     

基于措施缺陷分析的煤与瓦斯突出预警指标及准则建立

随着煤矿采深的增加和开采强度的加大,煤与瓦斯突出灾害日益严重,防突措施落实不到位或根本没有防突措施是我国煤与瓦斯突出事故发生的主要直接原因。根据开采保护层、预抽煤层瓦斯及超前钻孔防治煤与瓦斯突出的基本原理,分析得到了其措施缺陷类型,并依此建立基于措施缺陷分析的煤与瓦斯突出预警指标及判识准则,为防突措施设计的合理性判识及所采取措施的有效性检验提供了有效的方法,对保障矿井安全生产具有重要意义。     

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。     

深部矿井掘进工作面煤体突出危险电位反演精细判识

深部煤炭开采条件下,煤与瓦斯等动力灾害更加严峻及复杂,对突出危险潜在区域进行精细判识,是监测预警深部煤与瓦斯突出灾害的基础和前提.常规预测手段无法在空间分布上对突出危险区域进行连续、精细监测.基于此,现场测试研究煤体掘进过程电位响应特征,根据双边电位反演模型提出掘进工作面前方煤体突出危险精细判识方法,并进行应用与验证.煤体掘进过程中电位信号与采动应力的变化基本一致,符合经典应力分布规律.电位信号在工作面发生大能量煤炮时处于高值水平且波动剧烈,表明电位响应能够反映煤体采动过程的受载破坏状态.构建双边电位反演成像模型,提出掘进工作面前方煤体(10 m内)突出危险判识方法.基于模糊数学统计结果确定电位反演临界值,对反演区域内的突出危险区域及危险程度进行区域划分与定量识别.结合钻孔瓦斯参数等常规指标对电位判识结果进行验证,统计表明电位反演云图中黄色危险区域对突出危险点的判识成功率为100％,红色危险区域的判识准确率为62.5％.电位反演方法能够精细判识掘进工作面前方煤体突出危险区域及危险程度,为深部煤岩动力灾害的监测与防控提供了新的研究思路和应用手段.     

崔木煤矿冲击地压高效防控技术体系

为解决崔木煤矿面临的冲击地压灾害难题，围绕冲击地压机理、监测技术、区域和局部精准防控技术等开展系统研究，建立了冲击地压高效防控技术体系。研究表明：明确多因素叠加影响下冲击地压类型及其诱发机理，为灾害探测预警与防治奠定了基础；冲击风险源精准判识预警技术，提高了冲击危险预测预警准确性；战略性开拓开采优化设计以及工作面采前风险科学评估和防冲方案设计，从源头上降低了冲击地压发生风险；采中动态监测预警和防控技术，实现动态预警、卸压解危、效果检验、动态调控开采速度以及提升矿井防冲匹配能力等，减少了监测与治理的盲目性，保证了21309、22311、22306等工作面的安全开采。研究可为国内外矿井的冲击地压治理提供重要参考。     

声发射技术在煤与瓦斯突出预测中的应用研究

针对新义煤矿采用常规手段预测工作面突出危险不可靠的问题,分析了煤与瓦斯动力灾害特征,采用声发射连续预测技术对煤与瓦斯突出进行了现场监测,分析得出声发射信号指标与异常动力现象的对应关系,确定了合理的工作面灾害危险性判识预警特征参数,给出声发射预测敏感指标临界值。将声发射的指标结合其他指标在新义煤矿进行了综合验证应用,结果表明,利用声发射技术可以更为准确地超前预报以地应力为主导的煤岩动力灾害。     

基于瓦斯涌出特征的预警技术在王坡煤矿的应用

为了弥补传统接触式煤与瓦斯突出预测方法的局限性,利用瓦斯涌出动态特征进行煤与瓦斯突出预警,构建了王坡煤矿基于瓦斯涌出特征的灾害预警系统。经过现场应用验证:系统能够实现王坡煤矿工作面突出危险的实时、动态预警,预警准确率达86. 7%,实现了王坡煤矿工作面煤与瓦斯突出灾害实时监测、在线分析、智能预警,对于提高矿井瓦斯防治和管理水平具有重要意义。     

演马庄矿煤与瓦斯突出综合管理及预警平台的应用

演马庄煤矿是严重的煤与瓦斯突出矿井,突出灾害极大的制约了矿井经济效益的提高,为进一步加强煤与瓦斯突出防治工作,演马庄煤矿借助突出预警技术及综合管理平台,建立了一套集地质测量、生产、调度、通风、防突、监控等各职能部门日常管理信息资料于一体的突出综合管理及预警技术体系,能综合分析矿井在防突方面存在的各种隐患和预兆信息,对工作面的危险状态与发展趋势进行评价和预警,实现瓦斯灾害在线监测、超前提醒、趋势把握和灾害信息的及时发布。并通过综合管理平台的构建和实施,实现了防突日常工作的规范化、精细化和信息化管理,为煤矿瓦斯灾害治理提供了技术保障和支持。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。     

煤岩动力灾害声发射预警判识方法的研究现状及趋势

煤岩动力灾害是矿山煤岩体在地应力和瓦斯作用下发生的一种具有动力效应和灾害后果的快速失稳现象,在灾害演化过程的孕育、激发、发展等阶段煤岩体产生破裂,会释放出声发射。通过对煤岩体破坏过程释放出的声发射信息进行监测分析,可以实现煤岩动力灾害的提前预警。基于岩石声发射技术在矿山工程应用的研究成果,系统总结了煤岩动力灾害预警的声发射判识方法的研究现状,指出了当前声发射技术在矿山应用中存在的主要问题,并对该技术的发展趋势进行了展望。     

煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究,揭示了复合动力灾害发生的统一机理,据此建立了统一失稳判别准则;基于现有动力灾害分类所存在问题,将动力灾害划分为4种类型,在此基础上,针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备,形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术;同时,提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。     

神华集团公司煤矿重大灾害防治关键技术与管理

基于神华集团公司的煤矿重大灾害治理原则,分析了神华集团公司所属煤矿重大灾害现状,建立了煤矿重大灾害评估、预警、防治、评价技术及管控体系,研究了水害、火灾、瓦斯、冲击地压等煤矿重大灾害防治的关键技术,保障了矿井安全高效生产,提升了煤矿安全生产水平和事故防范及应急处置能力,有效遏制水、火、瓦斯、冲击地压较大以上事故发生。     

煤矿安全生产监控与通信技术

从煤矿安全监控、煤矿井下人员位置监测、煤炭产量远程监测、全矿井移动通信、无人值守远程监控技术及系统等几个方面介绍了煤矿监控与通信技术现状。在此基础上展望了煤矿监控与通信技术的研究方向,即矿用物联网技术与系统,煤矿一体化通信技术与系统,无人工作面遥控和煤岩分界识别技术与系统,煤矿井下人员精确定位技术与系统,基于煤矿安全监控系统的瓦斯、火灾、冲击地压等煤矿重大灾害预警技术与系统,基于3D GIS的煤矿安全生产管理信息系统,煤矿井下生命探测技术与装备,本质安全无线通信与光纤通信技术,传感器无盲区布置方法,煤矿井下救灾机器人等。     

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...