深部矿床开采致灾环境监控技术研究.pdf

S e ri e s No ． 3 7 5 S e p t e mb e r 2 0 0 7 金 砖 ME T AL MI N E 总 第3 7 5 期 2 0 0 7 年第 9期 深部矿床开采致灾环境监控技术研究 王李管 宋明军 贾明涛 尚晓明 龚元翔 中南大学 摘要随着经济的发展， 浅部资源消耗殆尽， 深部开采成为获取资源的必然选择。但在深部开采环境中， 由 于高应力、 高温、 高水压影响， 常常产生岩爆、 火灾、 突水等灾难。尤其近年来我国安全生产形势恶化， 重大的事故 频发， 生产效率低下， 且资源短缺已经成为制约我国经济发展的障碍。针对现状， 从系统集成角度 ， 对矿床开采时 灾害的形成机理， 发生规律、 监控网络、 数据可视化分析模型、 预警与控制技术、 紧急撤退等方面进行研究。详细介 绍了深部开采致灾环境及我国深部矿床开采致灾环境监控技术的研究方向。 关键词深部开采岩爆致灾环境监测网络 S t u d y o n Mo n i t o r i n g Te c h n o l o g y o f Di s a s t e r - i n d u c i n g En v i r o n me n t i n De p t h M i n i n g Wa n g L i g u a n S o n g Mi n g j u n J i a Mi n g t a o S h a n g X i a o m i n g G o n g Y u a n x i a n g C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y Ab s t r a c t Wi t h t h e d e v e l o p me n t o f e c o n o my a n d t h e d e p l e t i o n o f s h a l l o w r e s o u r c e， d e p t h mi n i n g h a s b e c o me a n i n e v i t a b l e s e l e c t i o n f o r a c q u i rin g r e s o u r c e s Ho w e v e r ，r o c k b u r s t ，fi r e ，wa t e r i n r u s h，e t c ．o fte n o c c u r d u e t o h i g h s t r e s s ，h i g h t e mp e r a t u r e and h i g h wa t e r p r e s s u r e i n d e p t h mi n i n g e n v i r o n me n t ．Es p e c i a l l y i n r e c e n t y e a r s ，C h i n a s a f e t y p r o d u c t i o n s i t u a t i o n h a s d e t e ri o r a t e d an d t h e r e h a v e b e e n f r e qu e n t f a t al a c c i d e n t s L o w p r o d u c t i o n e ffic i e n c y an d r e s o u r c e s h o r t a g e h a v e b e c o me the o b s t a c l e s res t r i c t i n g C h i n a e c o n o mi c d e v e l o p me n t I n l i g h t o f t h i s ，s t u d y i s ma d e f r o m an i n t e g r al v i e w p o i n t o n t h e d i s a s t e r f o r ma t i o n me c h a n i s m，o c c u r r e n c e l a w，mo n i t o ri n g n e t wo r k ，mo d e l o f d a t a v i s u a l an a l y s i s ，ala r m a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y and e me r g e n c y e v a c u a t i o n i n d e p t h mi n i n g Th e d i s a s t e r i n d u c i n g e n v i r o n me n t i n d e p t h mi n i n g and t h e o rie n t a - t i o n o f t h e r e s e a r c h o n i t s mo n i t o ri n g t e c h n o l o g y i n C h i n a a l e d e s c ri b e d i n d e t a i l Ke y wo r d s De p th mi n i n g ，Ro e k b u r s t ，Di s ast e r i n d u c i n g e n v i ron me n t ，Mo n i t o ri n g n e t wo r k 我国随着浅部资源 的逐渐消耗和枯竭 ， 已开始 向地下深部获取资源 ， 预计在今后 l 0 2 0 a内， 我 国矿山将进入 1 0 0 0 2 0 0 0 11 1 深度开采。如何保证 在深部开采时的安全性和高效性成为我国经济可持 续发展的重要因素。 一 些有深井开采的国家都在集 中人力和财力紧 密结合深井开采相关技术开展基础问题的研究。南 非政府、 大学与工业 部门密切配合 ， 1 9 9 8年启 动了 一 个“ D e e p M i n e ” 的研究计划； 加拿大联邦和省政府 及采矿工业部门合作开展了为期 1 0 a 的 2个深井 开采研究计划。在我国， 国家将 千米深井矿山3 0 0 万 t 级强化开采综合技术研 究 列为“ 九五” 攻关课 题 ， 针对深部开采所面临的问题 ， 本研究从系统集成 角度 ， 对矿床开采时灾害的形成 机理 、 发生规律 、 监 控 网络、 数据可视化分析模 型、 预警与控制技术 、 紧 急撤退等方面进行研究 引。 1 深部开采致灾环境 在深部矿床开采环境中， 由于岩体受到高地应 力 、 高温、 高水压的影响 ， 各类事故时有发生。 地应力状态是深部开采环境中影响岩石开挖工 程稳定性的一个重要影响因素， 只有掌握地应力的 状态 ， 才能确定巷道和采场 的断面形状 、 断面尺寸 ； 研究地应力状态对地震预报 、 区域地壳稳定性评价、 岩爆、 瓦斯等也有重要的意义 。 高温对深部矿井的通风问题提出了一个新的挑 战。尤其是在我国深部矿井， 多中段、 多工作面同时 作业的现象越来越普遍 ， 现有 的通风技术和设备 已 不能满足安全生产的要求 ， 急需研 究深井通风系统 技术及开发经济高效的配套设备。 当岩体中遇到岩溶水时 ， 深部高水压对开采工 王李管 1 9 6 5 一 ， 男， 中南大学资源与安全工程学院， 教授， 博士生 导师 ， 4 1 0 0 8 3湖南省长沙市岳麓 山。 l 3 维普资讯 总第 3 7 5期 金 属 矿 山 2 0 0 7年第 9期 程的安全性也是一个很大的威胁 。岩溶水通过岩石 裂隙渗入到井下 ， 严重时可造成重大突水事故。因 此 ， 在深井开采时， 必须作好 突水 的超前监测和防 治， 研究新型注浆堵水材料、 工艺及设备， 同时应研 究建立一套 由水灾的监控 、 预警及灾后应急救援决 策组成 的完整系统 。 2 深部矿床开采致灾环境监控关键技术研究 在深部开采时 ， 一个灾害的发生往往是一个或 是多个复合因素影响的结果 ， 因此需要从系统集成 的角度对灾害形成机理 、 发生规律 、 监测网络 、 数据 可视化分析模型 、 预警与控制技术 、 紧急撤退等方面 开展研究并进行相关产品开发， 解决灾害监控关键 技术难题。图 1 为深部矿床开采致灾关键技术研究 实施路线图。 试 验 研 究 致害机理研究 灾害控制研究 可视化分析 与预警研究 岩爆地压特征 监测信号辨识与重构 岩爆防治理论与技术 矿石 自然燃 及瓦斯爆炸 防治 炸药 自爆防治 3 D 数字模型与开采环境重构 岩攥事件分析与预警模型 壅 皂 鉴 堕 笪 皇 塑 望 万 覆甄面 _ 开采环境、力学仿真数据 库与分析管理软件系统 系统集成 囹 丝 堡 墨 丝 塑 丽 ■ 系统试运行 图 1 深部矿床开 采致 灾关键技术研究实施路线 2 ． 1 深部矿床开采致灾机理研究 1 岩爆诱发机理。通过室内非均质岩石三维 声发射试验， 并根据地质构造的空间分布， 研究断 层、 不同岩层接触带、 夹层等地质构造对岩爆地压的 诱发机理； 研究开挖工程 的布置形态 、 结构参数、 开 采顺序等开采活动及爆破规模 、 爆破方式等 因素对 岩爆形成 的影响； 通过对现场岩爆事件的空问分布、 震级 、 事件频率等数据的分析 ， 研究现场开采条件下 岩爆事件的发生规律 。 2 多相场震源 监测信号辨识 与分离重 构技 术。根据矿 山生产过程 中震源具有 的分布广 、 类型 多 、 时空重叠等特点 ， 通过对不同震源类型振动频谱 分析和地震学参数量化分析， 研究不同类型震源的 震动频谱特征 ， 建立震波特征数据库及震源类型模 糊识别模型， 实现对震波及震源类型的自动辨识 ； 通 过对岩爆地压活动动态响应及 响应持续性分析 ， 研 究时空重叠条件下震波信号的过滤 、 分离与重构模 型与实现技术 。 2 ． 2 深部矿床致灾监测传感器网络集成技术研究 1 致灾监测网络体系结构研 究。矿 山综合通 讯系统的建设是矿山生产实现现代化、 自动化、 智能 化的重要手段， 致灾监测传感器网络是深部矿山综 合通讯系统建设的重要内容。网络体系结构的设 计、 开发主要包括 ①致灾环境参数， 如岩爆地压灾 害 、 火灾 、 空气质量 等安 全信息 的基础数据采集标 准； ②数据包安全传输及数据通讯协议标准； ③数 据交换标准； ④数据库结构及指标体系编码； ⑤监 测 、 预警 、 安全警示、 灾害控制、 紧急撤退等应用系统 设计规范及应急反应体系标准； ⑥系统实施及相关 管理、 运营规范等。 2 网络传感器系统开发。在 引进国外先进微 震传感器的基础上， 开发相应传感器的接口装置， 实 现微震信号的自动采集 与实时传输 ； 采用无线射频 技术 ， 开发适合深部矿床复杂环境条件下的高性能、 低成本 、 远距离 、 低能耗 、 便携式的人员和设备跟踪 定位装置； 通过对远距离移动 目标的非接触式信息 采集， 实现对人员与设备的自动识别与定位； 引进或 研制开发基于超低频信息传输的安全警示 自动发布 与接收装置， 确保灾害发生时， 正常通讯系统无法工 作的情况下 ， 井下工作人员能够按照正确的指令进 行安全撤退。 3 灾害监测网络集成技术开发。在矿山综合 通讯系统的总体结构框架下 ， 开发集安全监测信息 采集 、 传输 、 控制 、 预警与撤退于一体的传感 器网络 技术和信 息系统综合集 成技术 ， 研究基 于 I n t e r n e t 的企业内网由地面到井下的延伸模式及技术 ， 形成 数据、 语音与视频 同网传输 的矿 山安全信息高速传 输通道。 2 ． 3 深部矿床开采灾害可视化分析模型与预警技 术研究 1 基于 V R的 3 D数字模型与环境重构技术。 开发基于线框和实体模型的致灾环境可视化快速建 深部开采致灾监 控系统平 台 一 一 一一 一一一一一一一一一一 维普资讯 王李管等 深部矿床开采致灾环境监控技术研 究 2 0 0 7年第 9期 模平台， 建立深部矿床开采环境 中地层 、 矿体 、 地质 构造和监测 网络等地质 体与结 构体 的 3 D数字模 型， 并依此为基础构建虚拟开采环境下的数字模型 ； 采用 V R技术实现开采环境 的数字重构， 为人员 、 设 备 的跟踪 、 定位和监测信息的精确 、 快速、 可视化表 达提供数字化平 台， 实现深部开采致灾环境的可视 、 可控 、 可调 。 2 致灾环境监测信息分析模 型。开发基于监 测点信息的数据处理模型， 研究各种监测信息的图 形化表达方法和特征参数 的 自动提取技术 ， 实现监 测信息的 3 D空间可视化分析 ； 采用时 间序列分析 技术， 对深井矿山微震参数进行分析， 并建立参数分 析预测模型。 3 大规模开采实时数值仿真技术研究。研究 基于地质体与开挖工程实体模型的力学模型网格 自 动划分及单元块属性 自动赋值新技术； 通过对复杂 多介质 、 大区域 、 复杂生产工艺条件下有限单元法中 大型线性代数方程组求解的多重网格算法理论与微 机存储技术的研究 ， 建立开采过程力学仿真系统 ， 实 现对开采过程所引发的力学响应 的实时分析 ， 并对 数值仿真结果与微震监测结果进行对比分析研究 。 2 ． 4 深部矿床开采灾害控制技术研究 1 岩爆预防控制技术研究。采用数值仿真系 统对采矿方法、 开采工艺参数及开采顺序等进行优 化 ， 寻求最优的采矿方法、 结构参数和开采顺序 ， 降 低大规模岩爆地压 发生 的可能性 ； 从工程角度对高 应力和具有岩爆倾 向巷道和采场 的支护方式 、 支护 参数进行研究 ， 并对 区域性岩爆的控制方法进行研 究。 2 炸药 自爆控制技术研究。基于炸药化学热 力学、 爆炸力学 、 传热学等原理查清炸药和矿石在特 定的环境中的作用机制 ， 推导出相关 的数学模型； 应 用新型化学材料和阻化、 膜 隔离 、 添加剂等原理 ， 针 对装药工艺流程和特殊条件 ， 从实用 出发 ， 研发适用 于深部矿床开采的新型防 自爆炸药配方。 3 矿石 自燃及瓦斯矿井防治制技术研究。通 过 自燃矿石和瓦斯性质 的研究 ， 对其导致 灾害发生 的过程进行模拟 ， 分析模拟结果 ， 逐渐建立一套完备 的通风管理方案 ， 并研发具有高度敏感的设备对井 下实施监控 。 2 ． 5 深部矿床开采移动 目标跟踪、 定位与紧急撤退 系统研究 1 目标跟踪 、 定位与安全警示系统 。采用 V R 技术 ， 研发井下移动设备与人员的跟踪 、 定位与安全 警示管理系统 ， 实现跟踪 目标 的 3 D可视化表达； 对 于井下不宜进入的区域 ， 研究 向接近这些 区域的设 备和人员发布警示信息的信息发布技术。 2 井下灾害评价与紧急撤退模型研究 。研究 基于监测信息分析的井下灾害分级评价模型 ； 根据 不 同灾害类型和灾害等级 ， 制定灾害发生时井下人 员和设备的紧急撤退方案； 开发突发灾害信息发布 系统， 确保灾害发生 时人员与设备能够按照预定 的 方案撤退到安全区域。 2 ． 6 研究 中的技术难点 1 多相场震源监测信号辨识与震波分离重构 技术和岩爆地压分级预警模型 ； 2 深部矿床开采环境 3 D数字模 型与环境重 构技术 ； 3 多介质复杂结构条件下力学分析 网格单元 自动划分技术 、 有限单元法模拟求解 的多重网格算 法理论 、 实现技术与相应数值仿真系统的开发 ； 4 基于 VR技术的移动 目标三维跟踪 、 定位 、 管理系统 的开发 ， 集致灾环境监测 、 数据分析 、 灾害 评价、 安全警示、 紧急撤退功能于一体的高度集成的 矿床开采传感器网络与应用技术 的开发。 3 结论 目前， 资源短缺已经成为制约我国经济发展的 一 个障碍， 为确保经济的正常发展 ， 必须向地下深部 获取资源。通过研究深部矿床开采致灾环境监控技 术 ， 掌握一定的灾害监控防制实用技术 ， 并研发相关 的监测设备 ， 不仅可以实现资源的安全高效开采 、 改 善 目前严峻的安全生产形势和我 国在安全生产领域 的国际形象 ， 还可以为我 国经济 的可持续发展提供 能源保证 。 参考文献 [ 1 ] 古德生 ， 李夕兵． 有色金属 深井采矿研 究现状 与科学 前沿． 矿 业研究与开发[ J ] ． 2 0 0 3 s 1 1 _ 5 [ 2 ] 何满潮 ， 谢和平 ， 彭苏萍 ， 等． 深部开 采岩体力 学研究． 岩石力 学与工程学报[ J ] ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 3 - 2 8 1 3 ． [ 3 ] 吴爱祥 ， 郭立 ， 张卫锋． 深 井开采岩 体破坏机 理及工程 控制 方法综述． 矿业 研究与开发 [ J ] ， 2 0 0 1 ， 2 1 2 4 _ 7 ． [ 4 ] 胡国斌， 袁世伦， 杨承祥． 冬瓜山铜矿床 1 0 0 0 m深井开采技术 问题的思考． 采矿技术 [ J ] ， 2 0 0 4， 4 3 4 -5 ． [ 5 ] 杨承祥， 胡国斌， 许新启． 复杂难采深部铜矿床安全高效开采 关键技术研究． 有色金属 [ J ] ， 2 0 0 5 ， 5 7 3 5 ． 7 ． [ 6 ] 蔡美峰 ．岩石 力学与工程 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 收稿 日期2 0 o 7 ． I 7 ． 1 8 】 5 维普资讯