在日前舉行的第50屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展上，中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院教授楊威帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)的“礦山全時空地應(yīng)力場同化孿生技術(shù)”，從全球40個國家和地區(qū)的1000多個參賽項目中脫穎而出，榮獲發(fā)明金獎。

這項技術(shù)有何創(chuàng)新之處，在礦山動力災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)測方面取得了哪些成效？近日，記者來到中國礦業(yè)大學(xué)，走近楊威及其團(tuán)隊，一探究竟。

科研不是“空對空”

錨定一線需求搞研究

2004年，楊威考入中國礦業(yè)大學(xué)就讀安全工程專業(yè)，開始本科階段的學(xué)習(xí)。他以優(yōu)異的成績獲得了直博資格，師從中國礦業(yè)大學(xué)教授、礦山安全專家林柏泉，開啟了瓦斯災(zāi)害防治研究之路。

“不管在生活上還是科研上，林老師對我的影響都是終生的。”楊威說。

2009年初，楊威跟隨林柏泉到陜煤集團(tuán)韓城礦業(yè)公司實地考察煤礦，并進(jìn)行項目洽談。初次下井，面對高溫高濕環(huán)境，他切身感受到煤炭行業(yè)的艱苦，也深刻認(rèn)識到林柏泉所說的“科研不是‘空對空’，而是應(yīng)當(dāng)落到實處，來自工程實際”這句話的分量。

從攻讀博士起，楊威常在礦區(qū)開展瓦斯防治研究，并在礦區(qū)推廣松軟煤層水力壓裂鉆孔失穩(wěn)分析及固化成孔方法、采煤工作面“爆注”一體化防突理論與技術(shù)。

“這些豐富的現(xiàn)場實踐經(jīng)歷，不僅令我對礦區(qū)地質(zhì)條件更加熟悉，還讓我與煤礦企業(yè)建立了信任，為后續(xù)的技術(shù)推廣奠定了基礎(chǔ)。”楊威回憶道。

2013年博士畢業(yè)后，楊威留校，專注于煤礦瓦斯防治研究。他曾擔(dān)任本科生班主任，通過與學(xué)生互動，激發(fā)了他們對煤礦安全工作的興趣，部分學(xué)生日后加入了他的團(tuán)隊。

開展瓦斯防治研究，地應(yīng)力是繞不開的話題。地應(yīng)力和瓦斯壓力、煤體強(qiáng)度一樣，是引發(fā)煤與瓦斯突出的主要因素之一。正如空氣的壓力、水的壓力一樣，巖層內(nèi)也會產(chǎn)生壓力，即地應(yīng)力。

地應(yīng)力有顯著的方向性，大范圍探測難度大且效率低，繪制全礦井大尺度應(yīng)力場分布圖更是行業(yè)難題。

我國地應(yīng)力測量技術(shù)起步于20世紀(jì)四五十年代，1970年以后得到了快速發(fā)展。但傳統(tǒng)地應(yīng)力測量技術(shù)都是針對某一個點，測試周期長、精度低，而且測試結(jié)果僅針對某一時刻某一狀態(tài)，很難跟蹤采掘空間應(yīng)力場動態(tài)變化情況，更難以用于指導(dǎo)防治煤與瓦斯突出工作。

2019年6月，楊威赴美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)訪學(xué)。他了解到，可以通過數(shù)據(jù)采集和模型模擬，推理演化出山體滑坡災(zāi)害的全過程，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確的災(zāi)害預(yù)報。

既然可以用數(shù)值模擬推斷山體運動，那么是否可以利用相似方法對礦山地下介質(zhì)地應(yīng)力分布情況進(jìn)行預(yù)測呢？在這個想法的啟發(fā)下，楊威的課題有了新的研究思路。

繪地應(yīng)力“高清肖像”

畫礦山“安全地圖”

在我國，許多煤礦面臨深部開采挑戰(zhàn)。隨著開采深度增加，地應(yīng)力隨之增大，給煤礦安全生產(chǎn)帶來更大威脅。

“在深部開采過程中，一些煤礦如果仍然按照淺部開采的思維去考慮問題，忽視高應(yīng)力、高地溫、高瓦斯壓力等復(fù)雜條件，不及時更新災(zāi)害治理技術(shù)和安全管理措施，極易引發(fā)安全事故。”楊威說。

楊威（右一）在給學(xué)生講解礦山應(yīng)力場數(shù)字孿生與災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)

2021年上半年，楊威團(tuán)隊與韓城礦業(yè)公司聯(lián)合組建礦井地應(yīng)力場分布規(guī)律科研攻堅小組，針對桑樹坪煤礦開展韓城礦區(qū)全時空采掘應(yīng)力場同化反演技術(shù)研究。

桑樹坪煤礦位于渭北煤田韓城礦區(qū)最北端，是我國典型的煤與瓦斯突出礦井。1994年至2000年，隨著煤層埋深增加，桑樹坪煤礦煤層應(yīng)力逐漸增大，透氣性逐漸降低，煤層瓦斯壓力增大，導(dǎo)致突出次數(shù)迅速增加。

“在煤與瓦斯防治工作中，單一采煤工作面地應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況可以大致推斷，但多個采煤工作面交織時，地應(yīng)力如何轉(zhuǎn)移？具體轉(zhuǎn)移距離是多少？地應(yīng)力峰值是多少？這就難以準(zhǔn)確描述了，只能靠計算機(jī)來計算。”楊威解釋道。

楊威團(tuán)隊提出，利用數(shù)字孿生技術(shù)解決礦井應(yīng)力場分布規(guī)律不明確的難題，即通過建立大尺度礦井?dāng)?shù)字計算模型，基于實測數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字模型的同化，反演獲得全礦井應(yīng)力分布規(guī)律。

要準(zhǔn)確獲得礦井等比例數(shù)字模型，先要準(zhǔn)確分析地質(zhì)資料。桑樹坪煤礦從建設(shè)初期到現(xiàn)在，有幾十年的開采歷程，涉及幾十個工作面。對此，楊威團(tuán)隊在數(shù)字孿生建模計算時需要高精度還原開采全過程。

中國礦業(yè)大學(xué)博士研究生、楊威團(tuán)隊成員王文元說：“建模需要收集大量資料，包括礦井采煤工作面布置、采掘接續(xù)、煤層底板等重要信息。這些信息大部分需要我們從煤礦提供的20多年的紙質(zhì)資料中提取，有時還需要找已經(jīng)退了休的員工了解當(dāng)年采煤工作面的情況，并對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，工作量相當(dāng)大。”

煤巖體的非均質(zhì)性和不連續(xù)性是楊威團(tuán)隊遇到的一大挑戰(zhàn)：如果直接將實驗室測得的煤巖力學(xué)參數(shù)作為數(shù)字計算模型輸入?yún)?shù)，最終結(jié)果往往與工程現(xiàn)場實際情況存在顯著偏差。

為解決上述問題，楊威提出了基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的模型參數(shù)同化方法，即結(jié)合現(xiàn)場實際測試結(jié)果，修改數(shù)字模型的各類參數(shù)，使得數(shù)字模型中的位移及應(yīng)力分布規(guī)律與現(xiàn)場實測值接近，實現(xiàn)模型同化，提高數(shù)字模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過分析礦井地質(zhì)資料、采掘接續(xù)順序以及對地應(yīng)力反復(fù)測量驗證，課題組終于建成桑樹坪煤礦全礦井等比例數(shù)字孿生模型，準(zhǔn)確還原煤層、巖層、地表、地質(zhì)構(gòu)造等的分布特征，并繪制了首張全礦井“地應(yīng)力—瓦斯”綜合等值線圖。

楊威（左一）與韓城礦業(yè)公司相關(guān)技術(shù)人員一起研討應(yīng)力場數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

中國礦業(yè)大學(xué)副教授、楊威團(tuán)隊成員劉統(tǒng)說：“當(dāng)模型報錯時，往往需要基于多源數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，必要時需深入煤礦現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對各種參數(shù)進(jìn)行反復(fù)驗證和調(diào)整，有時需要連續(xù)一兩個月待在礦上。”

助力10余處大型礦山

實現(xiàn)安全高效開采

如今，楊威團(tuán)隊研發(fā)的礦山全時空地應(yīng)力場同化孿生技術(shù)，已應(yīng)用于陜西韓城、河南平頂山等地10余處大型礦山，顯著降低了瓦斯突出等動力災(zāi)害風(fēng)險。

目前，該技術(shù)已獲得中國發(fā)明專利12件，美國、日本等國家發(fā)明專利2件。

據(jù)楊威介紹，全礦井“地應(yīng)力—瓦斯”綜合等值線圖具有重要作用。一方面，它能清晰展示礦井應(yīng)力分布，助力礦方科學(xué)布置采煤工作面，精準(zhǔn)識別高風(fēng)險區(qū)域，進(jìn)而強(qiáng)化采掘安全。另一方面，它可作為未來開采規(guī)劃的關(guān)鍵工具，提供前瞻性建議，如確定資源開采順序和方向等。合理的開采方向布局可有效降低突出風(fēng)險概率達(dá)40%。

“截至目前，桑樹坪煤礦4322工作面、3317工作面、3315工作面回采工作已順利結(jié)束。在回采期間，我們能夠根據(jù)這項技術(shù)的預(yù)測結(jié)論，提前進(jìn)行規(guī)劃，及時采取措施，未發(fā)生突出事故。接下來，我們將在3313工作面繼續(xù)沿用這一技術(shù)結(jié)論。”韓城礦業(yè)公司通風(fēng)管理部部長巨萬民表示。

楊威團(tuán)隊整合了在實驗室及計算機(jī)模擬中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并附上相應(yīng)的簡要解釋，構(gòu)建了一個詳盡的數(shù)據(jù)庫。同時，他們創(chuàng)建了智能分析模型。該模型能夠直接將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析，實現(xiàn)應(yīng)力場孿生反演和突出風(fēng)險透明預(yù)測，從而為未來采掘部署提供依據(jù)。

桑樹坪煤礦全時空應(yīng)力場分布與災(zāi)害防控示意圖

桑樹坪煤礦通風(fēng)管理部部長梁宇楓指出：“我們利用這項技術(shù)分析得出的原巖應(yīng)力場分布規(guī)律及突出危險區(qū)域預(yù)測和劃分結(jié)論，對今后3年至5年的采掘接續(xù)安排具有指導(dǎo)意義。”

韓城礦業(yè)公司黨委書記、董事長吳杰表示：“數(shù)字孿生模型不僅能夠反演過去，還能預(yù)測未來采掘應(yīng)力場變化規(guī)律。將地應(yīng)力與傳統(tǒng)的瓦斯地質(zhì)圖相結(jié)合，可以為防突工作提供更詳盡的數(shù)據(jù)資料，為韓城礦業(yè)公司煤與瓦斯突出精準(zhǔn)防治提供新的‘作戰(zhàn)圖’。”

“下一步，我們將聚焦三大方向開展研究。”楊威說，一是提升自動建模和智能解算的水平，自適應(yīng)構(gòu)建高精度和強(qiáng)魯棒性的數(shù)字孿生模型；二是致力于研發(fā)煤體力學(xué)參數(shù)和應(yīng)力分布隨鉆測試裝備，利用隨鉆測試數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行實時同化仿真，實現(xiàn)采掘過程突出風(fēng)險的實時測試和孿生反演；三是構(gòu)建突出風(fēng)險預(yù)警云平臺，實現(xiàn)煤礦動力災(zāi)害風(fēng)險的實時動態(tài)展示和超前預(yù)測預(yù)報。

作者：本報記者杜明陽 通訊員嚴(yán)改麗 姜愛文

版面編輯：杜明陽 來源：中國煤炭報

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