煤矿重大事故预测和控制动力信息基础与矿压监测

　　文章编号：1003-5923（2005）S3-0001-02

　　宋振骐、潘立友、汤建泉

　　（山东科技大学资源与环境工程学院山东泰安271019）

　　摘要：本文全面论述了实现我国煤矿各类重大事故预测和控制的理论和方法，揭示了事故的动力信息基础，并提出通过矿压监测为煤矿安全高效开采决策及实施管理地信息化、智能化和可视化提供基础。

　　关键词：重大事故；预测控制；动力信息；矿压监测

　　中图分类号：TD325文献标识码：A

　　前言

　　近年来，虽然我国出现了神华、兖州等安全、生产居世界一流的现代化矿区和大型矿井，其总产量接近1亿t；并且5年来关闭了数万个乡镇煤矿，但我国煤矿伤亡事故严重的局面仍然没有得到有效控制。矿井因采动（采掘工作面推进）引起的顶板、透水、冲击地压等事故仍然频繁发生。死亡超过10人以上的重大瓦斯和透水事故，在地方煤矿和国有重点煤矿中多次出现，这种状态严重威胁着我国煤矿安全生产。煤矿重大事故的发生几乎都与岩层运动和支承压力分布特征有关，其与开采有关的构成图（见图1）。

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　　1瓦斯事故的预测和控制

　　1.1瓦斯事故预测和控制的理论

　　当采掘工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度超限，在生产区域有充分的氧气，并有明火引爆时，瓦斯局部点燃爆炸启动，并向引起大范围的瓦斯煤尘爆炸发展。

　　在设计和实施管理过程中，正确的的预测可能积聚瓦斯和浓度超限的地点和时间。在保证风速不超限的前题下，提供足够的风量把采掘工作面在出煤过程中释放的瓦斯稀释到要求的浓度范围。相应准则的表达式如下：

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　　1.2瓦斯事故预测和有效控制的信息基础

　　要实现瓦斯事故科学的预测和有效的控制，必须搞清采动前原始应力场应力大小和分布的规律以及采动后应力场应力大小分布变化的规律的研究，及其与煤层中瓦斯分布涌出等基础信息间的关系研究，放在重要的地位。

　　以此为基础，可靠的提供以下两个方面的信息作为瓦斯事故预测和控制决策和实施管理的基础。

　　①开采煤层不同构造部位吨煤瓦斯含量。

　　②开采煤层不同构造区段采动后随上覆岩层运动和周边煤体的的破坏而变化的应力场相关部位煤体中瓦斯含量的差异包括瓦斯已大量释放的瓦斯带（即内应力场）的宽度和掘进时可能突出瓦斯的高瓦斯带（外应力场高应力区）的宽度等。

　　2采掘工作面透水与突水事故事故的预测和控制

　　2.1顶板透水事故的预测和控制及相关信息基础

　　顶板透水事故预测控制的信息，包括水源信息、构造运动破坏情况、采动顶板运动破坏信息及采动支承压力分布信息四个方面。

　　（1）水源信息，包括：

　　①顶板含水层数目位置，厚度含水特征（包括含水性质、面积、富水区域分布、水压力及补给水源情况等）。

　　②顶板隔水层位置、厚度；

　　③顶板褶曲、断层。

　　（2）构造破坏情况，包括：

　　①褶曲破坏情况；

　　②断层破坏情况。

　　正是构造破坏沟通了各含水层及补给水源的联系，形成富水区域。

　　（3）采动顶板运动破坏信息，包括在不同工作面长度条件下，上覆岩层运动破坏情况及随采场推进的发展变化规律等。关键的信息有：

　　①在既定工作面长度下，进入破坏的上覆岩层范围，包括直接顶厚度、老顶厚度导水裂隙带高度等。包括呈进入含水岩层图2（a）及直接接触图2（b）两种情况。

　　②直接顶导水裂隙带各岩，在重力作用下的运动步距，特别是第一次裂断步距等。

　　③可能进入导水裂隙带的含水层，在重力作用下第一次裂断和周期性裂断步距。

　　（4）采动支承压力分布信息的重点是采场四周煤壁进入破坏的“内应力场”宽度。是布置预测老顶来压测示手段的可靠区间，也是预测顶板透水可能发生的时间和地点的依据。

　　2.2底板突水事故预测和控制信息基拙

　　①井田褶曲、断层相应部位及原始构造应力场特征的信息。

　　②井田富水厚层石灰岩底板位置及承压溶洞水分布的信息。

　　③承压水上煤层开采时，采场支承压力大小、分布特征及其关键影响因素（包括采深、采高、工作面长度等）的信息。

　　④矿井排水能力储水能力等突水事故预防措施等。

　　3冲击地压事故的预测和控制信息基础

　　理论和实践表明，控制冲击地压实现的应力条件，是控制煤矿冲击地庄发生的关键。必须把采掘工作面推进过程中可能诱发释放的弹性压缩能，限制在足以导致冲击性破坏发生的范围内。为此，在

　　考虑开采方案设计时，应当注意一列“防冲”的时空原则。

　　①严格杜绝在原始应力场的构造压缩应力带和采动应力场支承压力的高峰部位布置采煤巷道和推进工作面。

　　②最大限度的争取实现在己经历采动释放应力后稳定的“内应力场”（己经历采动破坏的岩层覆盖的重力场）中掘进和维护巷道。

　　保证按上述时间、空间原则进行开采方案设计的相关信息基础，包括：

　　①经历构造运动破坏的原始应力场应力大小分布的的信息。

　　②不同开采程序和开采参数条件下支承压力大小分布及发展变化规律的信息。

　　4回采工作面顶板事故控制的信息基础

　　回采工作面顶板事故控制的信息基础包括以下三个方面：

　　（1）需控岩层范围及其运动发展规律的信息。主要包括：直接顶厚度第一次垮落和周期性自由垮落的步距；老顶岩梁组成，相关岩梁厚度及第一次裂断和周期性裂断步距等。

　　（2）采场支承压力大小分布及发展规律的信息。主要包括煤壁前方压缩破坏也即“内应力场”出现的地点和时间，以及随采场推进扩展的规律等。

　　（3）断层等断造破坏的位置及破坏特征，包括断层的断裂面走向、落差、倾斜角（特别是断层面相对工作面的夹角）以及贯通工作面的重大褶曲构造结构特征等。

　　5矿山压力监测

　　进行采场矿山压力监测是实现煤矿安全生产必要的手段，其主要内容包括以下三个方面：

　　（1）采场顶板活动监测；

　　（2）支承压力监测；

　　（3）采场矿山压力及顶板效果判断。

　　利用“井下岩层动态观测研究方法”及观测手段，获得相关动力信息，在预测顶板大面积活动与支承压力分布等方面，进行了广泛的实践。这种方法的主要特点是：

　　（1）利用采场及周围巷道顶底板移进量、支架载荷等压力显现推断压力分布和岩层运动。观测工艺操作比较简单。

　　（2）在一般情况下，只要观测区范围得当，煤或岩层破坏时在弹性区的弹性震动、破坏部位压力显现的变化以及在在塑性区范围内的岩层回转等信息，都能相继接受到，因此，能够比较可靠的对支承压力高峰位置和顶板大面积运动进行推断。

　　6结语

　　在深入总结煤矿重大事故经验教训的基础上，完善事故预测和控制决策的理论。以此为基础来用信息技术手段，实现事故预测和控制决策的信息化、智能化、和可视化。已经成为煤矿安全控制的紧迫任务。我国煤矿广泛的事故经历及深入第一线控制研究的成果，发展中的现代信息技术，使我国采矿工作者有可能在短期内实现这一目标。

　　参考文献：

　　[1]宋振骐实用矿山压力与控制[M］徐州：中国矿业大学出版社，

　　1988。

　　[2]宋振骐.煤矿重大事故预测和控制的动力信息基础的研究[M]

　　北京：煤炭工业出版社，2003。