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深入探索冲击地压 保障矿山工程安全

来源:  发布时间:2022-06-27

——记2020年度国家科技进步奖二等奖获得者潘一山教授及其团队

蔡巧玉  吕腾波

 

中国是世界上为数不多的、矿产资源种类较齐全的、矿产自给程度较高的国家之一。中华人民共和国成立以来,随着中国找矿技术和矿产开发技术的提高,以及能源需求量大幅增加,矿山开发的速度也在不断加快,随之而来的矿山安全问题也越来越多。在众多威胁矿山安全的隐患中,冲击地压便是煤矿最严重的动力灾害之一。

20世纪80年代以来,辽宁大学校长、中国煤炭工业协会煤炭工业技术委员会动力灾害预警与防治专家委员会主任潘一山教授就开始系统持续地开展冲击地压发生机理与预测防治技术研究。多年来,他领导团队不断深入矿山生产一线,解决安全事故,时刻践行着“面向国家重大需求,以科技创新服务社会”的伟大使命。

功夫不负有心人,2021113日,由潘一山领导团队完成的项目“深部煤矿冲击地压巷道防冲吸能支护关键技术与装备”成功获得2020年度国家科技进步奖二等奖。这一项目的完成,也标志着我国在煤矿工程安全防治技术方向取得了标志性突破。

 

我国煤矿冲击地压危害严重

 

在我国,冲击地压发生的地理范围很广,总体分布于华北、华东以及中部地区,冲击地压发生最多的地区为山东省,约有33个煤矿,其次依次为黑龙江、江苏、河南、河北、山西、辽宁、甘肃和北京等省市。

由于发生冲击地压的条件不同,因此造成我国冲击地压显现出复杂多样性。其具有突发性,过程短暂,伴随有强烈的震动和声响。冲击地压发生前一般没有明显的宏观前兆,相当多的冲击地压是由爆破、顶板来压等引起的,但也有很多是在没有人员活动的期间内发生的,很难确定诱发因素。冲击地压一般伴随有强烈的震动和声响,有时地面几千米范围仍有震感。

现如今,我国冲击地压以煤层冲击最常见,也有顶板冲击和底板冲击。在煤层冲击中,绝大多数表现为破碎煤从煤壁抛出,也有极个别情况表现为数十平方米的煤体整体滑移。

根据对我国有记录的2500多次破坏性冲击地压调研发现,87%的冲击地压都发生在巷道中。随着煤矿开采深度的增加,现有的防冲技术与装备无法有效解决深部高应力与强扰动带来的高能量突然释放问题,导致巷道围岩及支护瞬间破坏,造成重大人员伤亡与财产损失,潘一山团队的科研项目就是针对深部煤矿冲击地压巷道破坏这一重大难题而展开的。

 

创新应用巷道防冲吸能支护技术

 

怀揣着在祖国煤炭事业中大显身手的决心,多年来,潘一山在全国各地奔波,奋斗在自己一生热爱的煤矿科研、生产、教学一线。在“973计划”等课题的支撑下,他领导团队历时10年联合攻关,在冲击地压巷道防冲吸能支护理论、技术、装备与工程实践等方面取得了重大突破。

通过研究,潘一山团队首次提出了冲击地压巷道防冲吸能支护理论及技术体系;发明了液压冲击试验机,实现冲击载荷6500kN、冲击速度8m/s、冲击能量4×106J条件下巷道支护围岩动力作用测试;首次发现了巷道支护围岩系统冲击地压启动应力条件和停止能量条件。在不断实践与探索下,潘一山团队还成功发明了基于设防能量的巷道支护-远近场围岩协同防冲技术,最大可抵御108J能量冲击,首次完成了煤矿冲击地压巷道防冲吸能支护技术实践。

巷道冲击地压发生时,围岩向巷道空间迅速变形,巷道支护围岩系统存在远场能量动力输入。如何实现远场围岩能量可控释放和近场围岩能量有效吸收是冲击地压防治的源头。

在这一背景下,潘一山团队探索了巷道围岩远近场联合调控能量方法。创新了“设计-掘进-开采”采矿全过程巷道远场围岩应力控制降低释放能量方法,实现了降低巷道远场围岩释放能量,解决了围岩能量的可控释放和有效吸收问题。

事实上,深部冲击地压巷道动力破坏与普通巷道破坏的本质区别在于:巷道支护围岩系统存在远场能量动力输入。如何实现远场围岩能量可控释放和近场围岩能量有效吸收是冲击地压防治的源头。为此,潘一山团队发明了系列巷道防冲吸能支护装备;发明了系列巷道防冲吸能液压支架,整架支护阻力达6000kN,吸能量可达106J;发明了环向可缩吸能O型棚巷道支架,最大环向收缩量为1.2m,最大吸能量为200kJ;发明了具有径向分布吸能功能的巷道吸能锚杆索,与普通锚杆相比,吸能锚杆索吸能量提高了2倍。解决了现有支护无法适应冲击动载、瞬间破坏等难题,填补了国内外防冲吸能支护装备的空白。

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。在相关项目成果的基础上,团队获得了38项国家发明专利、2项软件著作权,制定颁布了7部国家标准,发表学术论文70篇,出版专著2部。研究成果应用于全国58处矿井,保障了冲击地压矿井1000km巷道安全,新增产值80.9亿元。核心研究成果纳入国家《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》中,为煤矿安全生产提供了坚实的技术支撑,对我国煤炭行业科技发展产生了积极推动作用。

 

成果背后的团队力量

 

实业救国、科学救国,潘一山和团队成员的人生价值在祖国的煤矿事业中闪闪发光。这些成果,是一代代像潘一山一样的煤矿知识分子接力奋斗的结果,更是由他领导的科研团队集体智慧的结晶。谈起自己的团队,潘一山总是充满无限自豪。

潘一山介绍道,目前,由他组建的冲击地压研究团队主要由两部分组成:一是辽宁工程技术大学冲击地压研究院,二是辽宁大学辽宁省煤矿动力灾害综合监管大数据工程技术研究中心。

辽宁工程技术大学冲击地压研究院是国内最早开展冲击地压、煤和瓦斯突出等矿井动力灾害发生机理、预测与防治技术研究的单位,在研究方向、研究基地、产品和研究团队等各方面均具有明显优势。20世纪80年代初,他们就与煤科总院等单位合作,围绕全国煤矿进行冲击地压矿井的鉴定工作,制定了冲击地压矿井煤炭开采的实施规程。30多年来,已经形成了一支以博士生导师为带头人的、在矿井动力灾害预测及治理研究方面具有较高科研水平和实践经验的研究队伍。研究成果已应用于淮南、开滦、铁法、抚顺、鹤壁、鹤岗等矿区,与相关煤矿企业合作开展了大量相关方面的研究工作,取得了良好效果,产生了显著的经济效益和社会效益。

而辽宁省煤矿动力灾害综合监管大数据工程技术研究中心则致力于煤矿动力灾害的监测预警,实现了微震、电荷、地音等多元异构信息的大数据一体化分析解决方案,在相关领域中作出了突出贡献。

作为负责人,潘一山长期从事煤矿冲击地压和矿震灾害机理、预测与防治技术研究,主持的“阜新矿区深部高瓦斯煤层冲击地压研究”项目,获得了2009年度中国煤炭工业科学技术奖一等奖;“煤矿冲击地压预测与防治成套技术”项目,获2010年度国家科技进步奖二等奖。此外,潘一山团队20092011年与河南省平顶山中平能化集团合作了“平顶山矿区深井动力灾害统一预测方法与防治关键技术研究”,该项目于2012年获煤炭工业协会科技进步奖一等奖,2013年获国家科技进步奖二等奖。

生命不息,奋斗不止。时至今日,潘一山仍旧奔波在全国煤矿现场一线。通过在井下一线进行调研并建立相关技术体系,潘一山对相关领域的探索热情历久弥坚,而这一切也促使他立下了为祖国的煤矿事业终生奋斗的志愿。未来,他仍将带领自己的团队成员,在煤矿冲击地压和矿震灾害机理研究领域继续开拓下去。

(责编:张闻)

 


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2022年7月

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