给“冲击性灾害”装上警报器

　　冲击性灾害，是指矿山采空区的大规模垮落和深井岩爆现象。当矿石被采出后，遗留的空区体积达到一定规模，围岩会缓慢蠕变破坏，造成顶板和矿柱不能支持上部覆岩荷载，诱发采空区整体性大面积冒落和地表塌陷，并在巷道内形成猛烈冲击气浪，产生巨大破坏，往往造成群死群伤的重特大事故。岩爆，是当矿井向深部开采后地压力逐渐增大，岩石聚积的弹性变形势能在受到扰动后会突然释放，导致岩石爆裂并弹射出来，同时伴随有巨响、气浪等现象，具有很大的破坏力。

　　形成这种灾害的客观原因，是由于地下矿山空区规模越来越大、开采越来越深造成的。目前我国历史采空体积超过250亿m³，因采矿引起的塌陷面积达1150km²，危及30多个矿业城市;国内开采最深的矿井已达到1365m，28%的矿山采深超过600m，超过千米的深井20余个。矿山的大规模深度开采，客观上造成冲击性灾害呈上升趋势。 2005年11月6日，河北邢台石膏矿采空区突然整体塌陷，导致井下和地面37人死亡; 2008年6月5日和2011年11月3日，河南省义马千秋煤矿800m深井曾两次发生冲击地压灾害，分别造成13人、10人死亡;2010年7月30日，江苏徐州矿务集团张双楼煤矿在井下1200m深处发生冲击性灾害，造成该区域作业的18名矿工6人被埋身亡。

　　如洪水猛兽般的“冲击性灾害”， 瞬间便可吞噬矿工生命，摧毁整个矿井，但它的发展是有规律可循的，它的发生也是有征兆预示的。通过科学的方法，准确掌握它的机制，给它装上“警报器”，使得灾害发生之前能够未卜先知，及时撤离井下人员，一直是我国矿山持续开采的重大需求和研究难题。 “十一五”期间，国家科技部、国家安监总局委托中国安科院等单位开展了“冲击性灾害风险评估与监测、预警技术”的国家科技支撑计划研究，取得显著成果。

研究过程

　　“冲击性灾害风险评估与监测、预警技术研究” 以预防采空区大面积塌陷和深井岩爆为目标，以冲击性灾害的“探测—评估—监测”技术为主线，建立了大型冲击性灾害的危险性评价和预测、预警指标体系，研制了冲击性灾害监测网络系统，并开发相应的计算机软件，提出了针对采空区大规模冒顶、塌陷等冲击性灾害的定量化评估、监测、预警技术。

项目组对矿山采空区进行实地勘测

　　在探测方法上，以综合物探方法为基础，与钻孔长探、短探相结合，采用激光钻孔扫描技术对采空区形态进行三维腔内成像，实现采空区精确探测成果的三维实体建模。

　　在分类体系上，对采空区的规模、体积等进行了统一约定，分析了影响采空区稳定性的影响因素及其影响程度，开发了“采空区风险专家系统CAIS”软件，建立了采空区风险等级评价指标体系，拟订了《金属非金属矿山采空区风险分级》标准。

　　在评估方法上，抛弃了传统的采空区岩石力学稳定性单一、静态的强度指标分析思路，将矿柱失稳与采空区顶板塌陷联合起来考虑，将计算流程动态的模拟采空区塌陷时的多米诺骨牌效应，并基于非线性弹性的本构关系应力分析突变理论的板壳模型，获得判定采空区稳定性的临界值和判定法则。

　　在监测手段上，基于光纤光栅传感技术，研发了顶板离层光纤光栅传感器和光纤微震监测传感器，对围岩应力、位移量和损伤情况进行连续监测，避免了传统传感器供电、腐蚀、漂移等缺点，保证了全系统的本质安全性，提高了系统的集成度、监测精度和准确度。

成果应用

　　在研究过程中，项目组在北京密云冶金矿山公司首云铁矿、中国五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿、山东金岭铁矿等开展推广应用，并在山东莱芜矿业有限公司谷家台铁矿建立了示范工程，取得了显著效益。

　　1999年7月12日，山东省莱钢集团莱芜矿业有限公司谷家台铁矿发生透水事故，造成29人死亡。事故发生10多年来，矿井的生产恢复工作步履维艰。项目组采用光纤光栅的顶板岩移监测和光纤微震监测系统，对井下人工帷幕注浆隔水层进行稳定性监测，能够及时发布帷幕隔障冲击性破坏的预警信息。在保证了井下安全开采的基础上，顺利实现了矿山生产的全面恢复。

　　2007年11月，山东临淄金岭铁矿采空区突然塌陷，造成地表化工厂陷落，直接经济损失上亿元。课题组采用板壳突变理论分析了事故矿山“矿柱—顶板”系统的多米诺骨牌效应，评估了冲击性灾害风险等级，查明了事故原因，为科学的认定事故责任提供了有力的技术依据。

　　2008年11月，中国五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿40m水平运输大巷因下部不明采空区突然坍塌，造成停产。课题组采用激光扫描技术对塌陷采空区形态进行了扫描探测和三位精确建模，分析了采空区再次发生冲击灾害的风险性，提供了塌陷区充填治理方案，快速恢复了生产，保障了安全。

激光扫描三维建模分析图

　　2009年7月，课题组在激光扫描三维建模分析的基础上，采用微震监测技术，保证了北京首云铁矿大型采空区的强制放顶处理，消除了采空区冲击性灾害隐患。

　　“十一五”时期，“冲击性灾害风险评估与监测、预警技术研究”共申请国家发明专利5项、实用新型专利1项，研制监测系统1套，开发软件著作权1项，草拟安全生产行业标准1项，在国家核心学术期刊发表文章18篇，开展成果应用推广项目4项，建立示范工程1项。2011年，该项目被评为第五届安全生产科技成果奖三等奖。

发展前景

　　我国经济持续快速发展，矿产资源市场需求强劲。到2015年，我国原煤需求量将达33亿t以上，铁矿石11亿t以上，较目前又有大幅增长。大量深部矿床、复杂矿床、难采矿床将获得开发，对冲击性灾害的防治提出了更高要求。“冲击性灾害风险评估与监测、预警技术”特别适用于3类矿山的应用。

矿山采空区造成地面塌陷

　　一是大规模空场法开采的矿山。这类矿山是发生采空区突然塌陷的主要类型。目前我国仍有50%以上的矿山采用空场法开采。每年，全国矿山采空区总体积以10亿m³的速度不断扩大。多数矿山普遍存在采空区突然塌陷的风险，如：安徽铜陵冬瓜山铜矿采空区452.2万m³，湖南柿竹园铅锌矿采空区260万m³，河南栾川钼矿采空区1017.2万m³。

　　二是深井开采矿山。我国矿山的平均采深已经超过460m，深部资源的开采是矿业发展的必然趋势。每年，全国矿山平均采深仍以20m的速度向地下延伸。深井岩爆灾害破坏力巨大，1960年1月，南非煤矿冲击地压事故曾一次造成432人死亡。我国早在1933年就发生过冲击地压事故，目前我国存在深井岩爆灾害的矿山有100余座，威胁着上万名矿工的生命安全。冲击性灾害监测预警是保证深井矿山安全开采最关键的技术。

　　三是复杂难采矿山。一些露天转地下、水体下、建筑物下开采的矿山受开采条件的限制，必须保证保护层不受开采扰动破坏，需要进行地压力灾害的监测和预警。

项目组实地勘测

　　“冲击性灾害风险评估与监测、预警技术”的研究成果针对上述需求开展探测、评估、监测技术研究，经实际应用证明，能够对存在冲击性灾害的矿山进行科学分类和评估，通过光纤光栅监测系统实现冲击性灾害的监测和预警，给“冲击性灾害”安装上了警报器，能够在灾害发生之前及时撤离人员，保证矿工生命安全。

　　在下一步的研究中，中国安科院还将开展星载孔径干涉雷达的小区域地表沉降监测与预报技术研究，研发新型智能化监测支护结构，将地压力监测系统与物联网技术融合，实现冲击性灾害的全天候、全方位、智能化预测与预报。

　　编辑 杨 璇