“金属矿山采空区地质危险源超前预报及监测预警技术研究”获2013年度“神华杯”中国职业安全健康协会科学技术奖二等奖

金属矿山采空区地质危险源超前预报及监测预警技术研究项目由中国安全生产科学研究院和中国五矿集团公司共同合作完成。该项目研究内容：（1）金属矿山采空区危险源地质超前预报技术研究。（2）矿山采空区风险分级管理技术研究。（3）采空区动力灾害监测、预警技术。（4）技术成果应用。技术特点：（1）提出了一整套基于地质超前预报技术精确探测采空区风险辨识及控制流程;（2）建立了包括基于探测技术和数值模拟技术的金属采空区风险评价体系;（3）提出了五矿集团采空区风险分级管理技术;（4）研制了采空区围岩应力锚杆在线监测预警系统;（5）提出了合成孔径雷达对地表移动监测预警技术方法。应用推广情况：（1）在五矿邯邢矿业有限公司符山铁矿应用,治理了黑铁峧尾矿库下伏采空区重大安全隐患,保证了黑铁峧尾矿库下游的村庄、厂房等的生命和财产安全。（2）通过一整套采空区精确探测流程,查明了西石门铁矿区周边不明采空区分布情况,为矿区深部开拓工程提供了基础数据,节省了钻探费用396万元／年,解放了价值2亿元的资源。（3）避免了五矿集团所属33家矿山采空灾害的发生和在复杂采空区环境下进行安全开采,产生了200多万的直接经济,同时也使得近4亿元的资源得以开发利用。     

基于IMS微震监测系统的微震事件定位精度分析

微震监测系统对岩体发生非弹性变化造成的微震事件进行实时监测,能及时做出岩体的失稳预警,保证矿山的安全开采.根据东升庙铅锌矿的采空区的实际赋存情况,提出了布置9个检波器的监测方案,通过对该方案进行室内模拟,分别对Vert1和Vert2及其整体性进行定位精度分析,分析可知该方案是合理的.矿山构建IMS微震监测系统后,采用人工爆破定位的方法来确定该监测系统定位的准确性,通过对实测坐标和微震数据处理软件分析的坐标进行对比分析,可知该监测系统的精度是12m左右,能够实现矿山采空区的稳定性监测,满足矿山安全生产的要求.     

金属矿山采空区灾害防治技术研究综述

我国是世界上金属矿生产第一大国,有一万多座地下金属矿山,每年采出20多亿吨矿石,使得采空区问题日益严重。通过系统性地开展采空区灾害基础理论研究,明确了采空区和采空区群的定义,提出了采空区的类型和等别划分依据。针对采空区引发的地压灾害、水害和内因火灾,从探测预报、风险评估、状态监测和隐患治理四个方面,梳理了当前研究进展,介绍了典型关键技术和部分成果,归纳建立了以采空区灾害防治为核心的知识体系,展望了今后的研究方向和技术重点。     

大规模采空区渐进式矿柱坍塌的简化模拟

空场法开采的矿山,往往留下大面积的采空区,易发生渐进式倒塌的整体性破坏.针对大量不规则点柱支撑顶板的复杂采空区结构,采用Voronoi图形划分方法确定顶板荷载面积,在此基础上提出了模拟矿柱破坏、荷载转移、应力重新分布过程的计算方法及其适用性.以浙江长兴白象硅灰石矿采空区结构为案例,进行了计算验证,圈定了潜在的采空塌陷区范围,并从理论上提出了控制采空区大面积塌陷的对策.该方法对于该类型矿山的采空区地压控制具有指导意义.     

国家安全监管总局矿山采空区灾害防治重点实验室

<正>中国安全生产科学研究院矿山采空区灾害防治实验室是国家安全监管总局授权的安全生产重点实验室,获得了实验室认可(CNAS)、计量认证(CMA),具有安全生产检测检验甲级资质。实验室定位于矿山采空区探测、风险评估、灾害监测等主要研究方向,综合应用地球物理、工程力学、信息通讯、微波遥感等前沿技术,开展理论研究、模拟实验、工程应用和人才培养,为我国矿山采空区灾害防治关键技术和共性技术研究提供实验和检测能力。实验室有各类大型科研仪器设备80余台/套,总价值3000余万元,并在北京密云投资4500万建成科研实验基地,拥有建筑面积3647.5m~2的地下实验室,在矿山采空区地压灾害、塌陷灾害、透水灾害防治关键技术创新研究方面具备鲜明特色。     

基于格子Boltzmann的非均质采空区瓦斯运移仿真方法

瓦斯在采空区内运移造成工作面上隅角瓦斯超限是煤矿安全的重大隐患.为揭示采宅区瓦斯运移规律,提出基于格子Boltzmann的非均质采空区瓦斯运移仿真方法.综放采场采空区是由非均质多孔介质组成的空间,大气和瓦斯混合气体在采空区的流动是非常复杂的具有层流、过度流和紊流的渗流运动.基于修正的Brinkman-Forchheimer-Darey定律,建立非均质采空区瓦斯运移的控制方程组.由于该方程组求解复杂,分别建立瓦斯渗流速度场和瓦斯浓度场的格子Boltzmann模型.通过格子Boltzmann模型的演化,实现采空区瓦斯运移的仿真.模拟实例表明,用该方法进行仿真可以得到任何时刻采空区内任意位置瓦斯和大气混合气体的流动速度和压力以及瓦斯浓度等数据,同时也可以得到采空区流线分布规律、速度变化规律、采空区压力的变化规律和采空区瓦斯运移规律.该方法能将时间、空间和系统行为结合起来,可在直观的条件下完成对地下煤矿采空区瓦斯运移态势的精确分析与模拟,可为揭示综放采场采空区上隅角瓦斯超限的原因提供一种新的方法.     

国家安全监管总局矿山采空区灾害防治重点实验室

中国安全生产科学研究院矿山采空区灾害防治实验室是国家安全监管总局授权的安全生产重点实验室,获得了实验室认可（CNAS）、计量认证（CMA）,具有安全生产检测检验甲级资质。实验室定位于矿山采空区探测、风险评估、灾害监测等主要研究方向,综合应用地球物理、工程力学、信息通讯、微波遥感等前沿技术,开展理论研究、模拟实验、工程应用和人才培养,为我国矿山采空区灾害防治关键技术和共性技术研究提供实验和检测能力。     

弓长岭露天铁矿采空区稳定性及预警研究

采空区对露天矿的安全生产具有极大的威胁。针对弓长岭露天矿众多已探明的采空区进行了稳定性分析。对露天矿日常的爆破作业进行了爆破测振,统计回归出萨道夫斯基经验公式参数,获得了爆破振动对空区产生的荷载。建立了采空区顶板三铰拱承载的力学模型,推导了空区顶板稳定性的判据。利用数值模拟方法,计算拱形空区在不同荷载作用下稳定性,对弓长岭露天铁矿已探明各空区进行了预警,为弓长岭露天矿处理空区及安全生产提供依据。     

基于地震波法的底板破坏区域探测技术及应用

针对煤矿煤层底板采空区域不明确的问题,为了确定采空区的精确范围以及内部状态,采用物探的矿井反射地震波探测技术,首先利用地质探测仪对地震波波形进行数据采集,并进行数据分析以及波形的反演计算,最终根据波形的形状和频率确定底板破坏情况;其次将底板破坏区域分为上位层破碎带和下位层破碎带;最后在现场采用底板钻探的方法对地震波探测技术进行了验证。结果表明反射地震波探测技术得到的结果接近于钻探结果,采用反射地震波探测技术可以较精确判断底板采空区破坏范围。     

特大采空区处理及监测方案设计研究

分析国内采空区的现状及其处理的一般方法,针对广西北山矿业有限责任公司4#特大采空区具有体积大、形状不规则等特征,根据采空区现场调查情况和地表允许塌陷的特点,给出了采空区顶板条形药室大爆破崩落处理方案,为保障采空区综合治理工程在施工过程中的安全,制定了地压监测和位移监测方案。采用声发射、巷道收敛位移和岩体张开裂纹位移等监测技术手段,利用声发射仪、收敛位移计和游标卡尺等监测仪器,构建了系统的地压和位移监测网络,明确了监测内容、监测频率和预警制度。工程实际表明:该监测方案可以为条形药室施工、装药及爆破施工过程提供安全保障。     

地区煤矿采空区隐患分析及治理技术研究

采空区区域的地面通常容易出现变形或塌陷等问题,给采空区上部居民和建筑带来重大的安全隐患,本文以宁乡为例提出该地区采空区存在的隐患,关对其治理技术进行探讨。     

为采空区加上“安全锁”——“金属矿山采空区安全隐患治理”项目介绍

<正>大面积采空区一旦被破坏,会形成大规模垮落,并伴随着着强大的冲击波,可能会瞬间摧毁整个矿井。为了解决这一安全问题,2013年,中国安科院与中国五矿集团公司合作,对"金属矿山采空区安全隐患治理"项目开展了研究,并取得显著成效。     

地下开采对地面设施的影响及安全保护措施

本文主要阐述了某矿区由于无序开采形成了多处采空区,这些采空区分布在矿区的不同深度;部分采空区将会危及附近的铁路,造成铁路地基塌陷,破坏铁路设施,甚至造成人员伤亡.针对这种情况,本文提出了具体的铁路保护措施,一是充填铁路附近的采空区;二是留设铁路保安矿柱.     

天池矿102综放孤岛工作面控制风量防灭火技术研究

为了防治天池煤矿15#煤层102综放孤岛工作面采空区煤炭自然发火,对工作面实际供风量40.0 m3/s时进行了现场监测,并基于采空区自燃"三带"划分标准和数值模拟的方法,采用流体力学COMSOL计算软件,研究了工作面不同进风量时采空区氧化升温带的变化规律,确定了氧化升温带的范围,并得到了工作面供风量与氧化升温带宽度的拟合曲线。研究结果表明,"U+I"型102工作面采空区自然发火主要是由采空区漏风引起的;氧化升温带宽度随着工作面供风量的增加而增加;现场监测与数值模拟的采空区"三带"变化规律吻合较好;当工作面供风量为40.0m3/s时,既能有效抽排瓦斯,又能有效预防采空区煤炭自然发火。在102综放孤岛工作面的现场实践表明,运用控制风量防灭火技术防治天池煤矿采空区遗煤自燃是可行的。     

变“采空区”为“安全区”——“金属矿山安全规划与采空区探测技术研究”介绍

我国80%的地下金属矿山存在采空塌陷灾害,每年造成的损失达4亿元以上。城市的建设用地都存在隐伏空区的危害,形成了矿业城市＂塌陷—搬迁—再塌陷—再搬迁＂的恶性循环。大量未知采空区使矿山生产环境恶化,采空区透水、垮塌灾害危害矿工生命。如何变＂采空区＂为＂安全区＂,是采空区灾害高发型金属矿山的重大难题。中国安科院进行的＂高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术＂研究是解决这一难题的核心。     

深部邻近采空区多漏风条件下自燃“三带”分布规律研究

为探究深部邻近采空区多漏风通道对煤自燃“三带”的影响,以唐山矿0291工作面为工程背景,采用FLUENT软件模拟多漏风环境采空区内氧气浓度的分布规律,并依此划分不同漏风条件下采空区自燃危险区域;在工程现场设置束管监测装置监测采空区内氧气浓度,依据监测数据对模拟结果进行现场验证。模拟结果表明：随工作面推进,采空区上下隅角相邻区域形成多漏风通道且漏风量增加,漏风导致采空区散热带和氧化带向深部运移,其进、回风巷氧气浓度大于8%的范围由64、40m增至101、80.2m。现场验证表明：束管监测工作面采空区氧化带宽度与数值模拟结果误差小于5%,模拟结果得以验证。     

采空区埋地油气管道变形数值模拟分析

评价和预测穿过采空区的油气管道变形是油气储运工程制定管道安全预防对策的主要依据之一。结合工程实例,将现场变形监测与基于FLAC 3D的数值模拟结果相比较,采用针对采空区和管道变形特点的三维数值模型、适合采空区岩土和管道性质的本构模型计算单元和计算参数。结果表明,模拟结果与实际监测数据较吻合,管道沉降最大误差小于3.98%,管道上方地表下沉最大值误差小于7.52%。     

工作面通风方式对采空区风流流场和瓦斯运移的影响

工作面采用的通风方式对采空区流场和瓦斯运移有很大的影响.对工作面采用上、下行通风方式的采空区风流流场和瓦斯分布进行了数值模拟.结果表明:在煤层倾角不同时,工作面采用不同的通风方式下,采空区的漏风量、风流流场和瓦斯运移情况有很大差别.上行通风时漏风量随煤层倾角增大而增高.当下行通风工作面通风压力小于采空区自然风压时会发生采空区气体倒流现象,漏风量随煤层倾角增大而增高.上行通风采空区漏风量比下行通风大;下行通风工作面采空区瓦斯总量大于上行通风.随着煤层倾角增加,上行通风和下 行通风采空区瓦斯总最都减小.     

小小光纤引发煤矿安全监测的技术革命

山东省科学院激光研究所利用自己多年从事光纤传感研究所取得的科研成果,结合光纤光栅测温技术和压力传感技术,采用自主研发的高可靠性全光纤瓦斯、一氧化碳气体传感器,首次将瓦斯、一氧化碳、分布式温度等综合参数集成,研制了“全光纤煤矿采空区火灾监测预警系统”,实现了全光纤的煤矿采空区火灾的多参数预测预报。     

监测预警从“事后”到“事前”的重大转变

过去研究几乎是空白 本刊记者：为什么提出要在“十一五”期间将“社会治安监测、预警体系建设”列入国家重点科技攻关项目？ 刘存信：这是由于社会的发展和需求以及国内外形势所决定的。在社会发展过程中，往往会出现各种应急突发和人为破坏事件，对人类的生存、环境和社会安全造成灾难性后果和危害。而具备健全的社会预警体系，则是进入现代社会的一个重要标志。