有了这个，煤矿开发更安全
2018/3/26 中科院之声

     安全生产是煤矿开发的重要前提，但是近些年来，冲击地压的频繁发生对煤矿安全生产造成了严重影响。冲击地压具有突发性，造成的破坏和损失巨大，是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。

     冲击地压，又称为“岩爆”，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。

     经过长期的地质力学作用，富煤地层处于应力与位移的平衡状态。在煤矿开采过程中，煤层开采破坏了这种平衡状态，造成了煤体与上覆岩体应力状态的重分布，在重分布过程中积聚了大量弹性能。当能量积聚到一定程度后，应力将达到煤、岩体强度，弹性能就会突然释放，造成煤岩体突然破坏、垮落或抛出，并伴有巨大声响和岩体震动，经常造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤亡，对煤矿安全生产造成巨大威胁。

    

    

     图1 冲击地压示意图。(a)弹性能积聚示意图；(b)弹性能释放示意图。

     世界上几乎所有煤炭大国均不同程度地受到冲击地压灾害的威胁，如前苏联、南非、德国、美国、加拿大、印度等。在中国，冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。随着我国煤矿开采深度与强度的不断增加，冲击地压矿井分布越来越广，冲击地压问题将更加突出。

    

    

     图2 矿井冲击地压造成人员伤亡与设备废弃

     为了精准/有效预防冲击地压，保障煤矿的安全生产，国内外众多科研人员进行了不断的探索和研究，以期建立有效/可靠的监测预警机制。

     目前，解释冲击地压的理论主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论和失稳理论。而强度理论是煤矿生产过程中监控冲击地压灾害最常运用的理论。强度理论认为，当煤岩体所受荷载达到其承载极限时，煤岩体会发生失稳破坏，产生冲击地压。

     因此，准确监测岩体三维应力，认识开采过程中煤岩体中三维应力的演化规律，将有助于揭示冲击地压的机理，进而采取对应措施降低冲击地压的发生概率。

    

     图3 冲击地压机理示意图

     但目前技术还没有办法实现岩体三维应力的长期、动态监测，主要有两方面的原因。首先，硬件问题，还没有满足要求的岩体三维应力传感器。目前广泛采用的电阻应变片式传感器监测频率低(<1Hz)、易发生温度漂移、基材长期稳定性差、且受电磁干扰，无法满足岩体三维应力长期、动态监测的要求。其次，软件问题，缺少岩体三维真实应力的在线监测与预警平台。由于冲击地压灾害具有突发性，因此，岩石三维应力需实时在线监测。

     近年来，中国科学院武汉岩土力学研究所施工过程力学组研究人员进行了深入研究，自主研制出一套煤矿冲击地压动态监测预警系统。

     首先，科研人员运用光纤光栅传感原理自主研发了一种岩体三维应力传感器，该传感器具有精度高(<0.3%)、采集频率快(>5k Hz)、长期稳定性好、不受电磁干扰等特点，从而解决了岩体三维应力无法长期、准确监测的难题。

     此外，科研人员运用高速局域网实现数据长距离无损传输，采用智能优化算法与云计算平台实现数据高效分析与处理，从而建立了采场围岩三维应力场的智能化监测系统。同时，科研人员还对采集的应力状态信息进行数据挖掘和智能学习，建立了冲击地压风险预警指标和模型，为煤矿安全生产提供强有力的技术支撑。

     研究成果正在兖矿集团东滩煤矿、济三煤矿等国内多处地下工程现场验证。根据现场验证情况，该系统可以准确实时监测采动过程中顶板岩层三维应力的动态变化。该研究也丰富了矿山压力理论，对揭示冲击地压的发生机理提供了强有力支撑。今后，科研人员还将继续深入研究及改进，希望能应用到更多的煤矿中，为我国的煤矿安全生产保驾护航。

     来源：中国科学院武汉岩土力学研究所

    

    

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