马家沟矿煤与瓦斯突出研究进展--RFPA应用实例

   煤与瓦斯突出是煤矿中的一种及其复杂的地质动力现象。它能在极短的时间内向巷道或采场抛出大量煤炭并且涌出大量瓦斯,且伴有巨大的动力效应,结果导致数百米的巷道被堵塞。涌出的瓦斯可逆风运行几千米,此时,如果遇上火源,将导致瓦斯爆炸,甚至于煤尘爆炸,给矿井的安全生产带来无法估量的灾难。 
      马家沟矿是我国煤与瓦斯动力现象最为严重的矿井之一,到目前为止,该矿有历史记录的煤与瓦斯动力现象共54 次,全部发生在掘进工作面。马家沟矿属于急倾斜煤层,上山掘进不可避免,但是,上山掘进时突出危险性非常大。因此,上山掘进突出严重威胁着该矿的安全生产。从巷道类型来看,上山掘进时突出次数最多,占总数的34. 7 %。因此,掌握它的发展过程对突出机理研究及防突工作意义重大。 
      华北科技学院安全工程学院的齐黎明和中国矿业大学能源与安全工程学院的林柏泉等学者以上山掘进突出后遗留的典型孔洞形状为基础,采用RFPA - Flow 对此进行数值模拟。通过数值模拟反演出了马家沟矿上山掘进突出发生的地质条件及发展过程,归纳出了上山掘进突出机理,并通过数据处理,得出了在突出前后掘进头前方煤体内地应力、瓦斯压力分布状况及卸压区宽度变化规律。 
      RFPA数值模拟结果显示: 
      (1)煤层开采后,在新暴露工作面附近出现许多碎裂的煤块,接着碎裂煤块被不断抛出,而临近新暴露面的煤体继续被压裂,暴露面继续往煤层深部推进,直至最终达到平衡。 
      (2)通过数值模拟反演出了马家沟矿上山掘进突出发展过程及发生前的地质条件,根据这一结果确定了马家沟矿上山掘进突出机理:地应力和煤体物理力学性质起主导作用,瓦斯压力起辅助作用,煤层倾角大,煤体自重应力不可忽视。 
      (3)发生后要大,这其中一个重要原因就是卸压区宽度增大了,由此可见当卸压区宽度达到一定长度时,就可防止突出发生。 

淮南矿业集团“矿山动力灾害数值实验室”成功搭建

      力软与淮南矿业集团达成合作,共同建立了我国煤炭行业第一个基于RFPA系统的矿山动力灾害数值试验室,按照“国内领先、国际先进、创新开放、服务企业”的总体要求,借助RFPA高性能数值试验系统,开展煤矿瓦斯突出机理与预报方法、煤与瓦斯共采、深井围岩控制、高承压水上(下)开采等基础理论研究和技术研发,对于加强高瓦斯、高地压、高渗透压等矿山灾害预报和控制研究具有重要意义。

      淮南矿业集团深部开采与环境保护国家重点实验室大量引进高层次人才,又和多家企业集团联合建立了产学研基地。大量产学研基地的建立为高层次人才进行科学研究提供了充裕的载体,为高层次人才的科研铺平了道路,为形成集团的科学研究特色奠定了基础。在这种背景条件下,引进对口与技术先进的RFPA数值试验系统,等于为高层次人才提供一把利剑。这不仅将使集团在安全工程的科研发展如虎添翼,而且由于数值分析手段上的飞跃,将在科研成果的数量、质量和水平上均会有一个更大的突破。更重要的是,在实际工程问题的解决上不断积累经验,使已有的产学研基地的深化和良性循环持续发展,久经不衰,同时借机不断拓展集团的产学研基地的数量和涉及的专业领域,为集团的快速发展添砖加瓦。 
      淮南矿区地理位置优越,交通运输便捷,铁路东接京沪线,西连京九线,水路通江达海,公路四通八达。距国际大都市上海500公里。淮南煤田是中国东南部资源条件最好、资源量最大、最具开发潜力的一块整装煤田,国家批准的总体煤炭资源量285亿吨,占安徽省的75%、华东地区的50%。整个矿区具有水、气候、电力各种资源优化配置的优势。淮南具有高应力、高瓦斯、低渗透率等储存条件等,以上这些都为矿山动力灾害数值试验室的建立提供了有利的条件。将以淮南为典型,从巷道、微岩破坏到煤与瓦斯共采、煤与瓦斯突出升华到物理模拟聚焦在淮南。淮南有许多创新的东西也将在该数值试验室进行繁衍和再现,集团会逐步把试验室建成一个高效高水准的学术工作站,力争实现无人工作面并对外开放,以期达到国内领先、国际先进水平。 
      淮南矿业集团矿山动力灾害数值试验室由RFPA真实破裂过程分析系统、联想高性能计算服务器、曼恒虚拟仿真系统和终端工作室组成。通过RFPA数值模拟系统对联想高性能服务器和曼恒虚拟仿真系统的有机结合,形成可以解决煤岩破坏及煤炭开采诱发灾害机理等问题的有效方法,实现了对数值试验结果的三维立体展示,在立体环境中观察岩石破裂扩展,沿着缝隙观察推进,又可通过剖切功能,直观分析煤岩不同部位的应力场、渗流场、温度场等状态,是一种直观的岩层运动、瓦斯突出、突水等煤岩开采动力灾害模拟仿真研究的大型数值试验平台。具有无可比拟的先进性: 
     (1)岩石力学破坏过程RFPA数值模拟系统,突破了其他软件不能够真实反应煤岩破坏过程、分析开采诱发灾害机理的瓶颈,可从更深层次上诠释岩石的破坏过程,同时也有助于对煤岩的失稳、岩爆、矿震等地质灾害的深入研究和预报工作。 
     (2)利用现代计算机技术对煤岩类材料力学性质进行数值试验,不仅具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点,而且可以通过数值试验得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息。 
     (3)通过对RFPA数值模拟系统与联想高性能计算服务器的有机结合,解决了普通PC机难以进行大规模进行数值计算问题,使计算结果更加精确、合理。 
     (4)通过对RFPA数值模拟系统与曼恒虚拟仿真系统的无缝连接,将RFPA数值试验计算结果直观的反应在人们面前,使人机交互更加容易、数值试验更具浸沉感、交互性和构想性。

虚拟现实系统外观

验收现场合影

高性能计算机

模拟仿真终端

上机操作

实验室挂画


配备MMS-view的微震监测系统在淮南矿务局新庄孜矿正式投入运行

      2009年4月6日由力软科技有限公司提供的微震监测系统,并配置力软公司开发的中文可视化MMS-View软件系统的实时监测分析预警瓦斯突出危险性系统正式在淮南矿业集团新庄孜矿正式投入运行。该系统的运行进一步推进了淮南矿业集团新庄孜矿煤与瓦斯突出机理与预报方法关键技术研究,同时这也是一项创新,这是国内首例将微震监测系统运用到高瓦斯煤矿。淮南矿业集团也成为我国第一个具有瓦斯突出危险性实时微震监测、分析和预警的矿山生产安全技术试验矿山。 
         淮南矿区开采历史悠久、煤层地质条件复杂,近年来在采煤方法、瓦斯综合治理、煤巷锚杆化支护、矿井高产高效等方面已取得了重大成就。尽管在瓦斯灾害防控方面开展了大量卓有成效的工作,但由于煤矿瓦斯灾害发生机理的复杂性,我国煤炭生产安全形势相当严峻。考虑到淮南不仅处在安徽煤炭工业的龙头地位,也是我国开展煤炭安全研究的领头企业,有必要对国务院和科技部的部署作出积极响应。因此,在发改委支持下,在淮南开展煤矿瓦斯突出机理与预报方法关键技术研究,对于加强我国瓦斯灾害预报和控制的研究具有重要的战略意义。 
        微震监测系统在新庄孜矿的应用,可以24小时不间断的对数据煤岩微破裂信息进行采集处理,可以克服传统监测方法劳动强度大、所需人员多、预测准确率较低、操作复杂等缺点。该系统使用加拿大ESG公司生产的矿山微震监测系统(30通道)及大连力软科技有限公司开发的矿山微震监测分析软件和远程无线数据传输系统。研究人员可以再世界各地任何地方通过网络登录该系统获得三维可视化数据和图像。针对新庄孜煤矿高应力区、煤与瓦斯突出危险区的围岩破裂进行监测、定位及实时分析;在此基础上,借助大规模科学计算,对监测信息进行分析、处理,建立一套适合于淮南矿区的既有理论依据,又易于操作的矿井煤与瓦斯突出预报分析系统,为实现矿山动力灾害中、长期预报奠定基础。 
         该项目有大连理工大学唐春安团队及大连力软科技有限公司负责实施。

图1 加拿大ESG专家和公司技术人员现场调试

图2 监控机房主机数据处理系统

表1 爆破现场记录与系统监测数据误差对比分析

图4 微破裂定位三维可视化



陕西煤业化工集团矿井开采诱发突水前兆微震监测预警

      矿井突水是煤矿生产中的重大灾害之一,在我国煤矿重特大事故中,突水事故在死亡人数上和发生次数上,仅次于瓦斯事故,给国家造成的直接经济损失一直位列首位。据统计,在过去的20多年里,有250多个矿井因突水而淹没,经济损失高达350多亿元人民币,同时,对矿区水资源与环境也造成巨大的破坏。而我国灰岩岩溶分布广泛,近几年来,随着矿井开采深度加深,来自煤层底板下方的奥陶纪灰岩高承压水威胁日趋加剧,据统计全国有60%的煤矿都不同程度地受到底板岩溶奥灰水的威胁。

      陕西煤业化工集团有限责任公司下属矿区正面临着渭北矿区奥灰水防治、彬黄矿区洛河组砂岩水防治及陕北矿区保水采煤的技术需求,开展矿井开采诱发突水前兆的微震监测预警技术研究,对矿井岩体稳定性进行实时分析和预警,有效遏制矿井突水事故发生,确保下属矿区煤矿安全生产与运营。 

       受陕西煤业化工集团有限责任公司委托,大连力软科技有限公司与大连理工大学共同研究开发煤矿突水的微破裂前兆信息微震监测预警技术,在工程环境调查及地质、水文、岩石力学基本参数标定的基础上,建立下属矿区微震监测系统,进行断层活化及底板破坏深度的测定,预测及反演断层活化及底板破坏情况,标定突水危险性区域,实现突水危险性评价,最终构建微震监测与数值计算相结合的突水预警预报平台。


煤矿突水微破裂前兆信息微震监测信息云图