高原矿山地质灾害监控与恢复治理技术研究及应用

一、立项背景

青藏高原矿产资源丰富，但矿井地形复杂、环境恶劣，生产过程隐患多，易发生安全生产事故。鉴于此，国家启动了柴达木循环经济区多金属矿资源循环利用项目，“高原矿山地质灾害监控与恢复治理技术研究及应用”是该项目的重要研究课题之一，旨在以西部高原矿山为工程依托单位，对高原矿山地质灾害实时监控进行研究，给出相应灾害预警信息和矿山恢复治理具体措施等。

高原矿山采动地质灾害监控技术研究2009年获批国家科技支撑计划。2015年在青海煤炭地质局、青海华辰矿业有限公司、青海威斯特铜业有限公司、冀中能源等企业所属矿山进行了工程应用。

青海雪霍立煤矿边坡恢复效果

二、研究内容及创新点

1.研究内容

（1）高原煤矿恢复治理和控制技术

实施对象：青海雪霍立煤矿

研究内容：矿区隐患源监测

成效：灾害事件时空信息，环境恢复治理技术方案

煤矿存在露天采坑、排土场边坡滑坡、崩塌等地质灾害隐患。在进行环境治理恢复的同时，采取了相应的监测措施，有效防止了地质灾害的发生和发展。2015年以来，雪霍立煤矿应用本系统实时对露天采坑、排土场边坡滑坡和崩塌等地质灾害进行监测，根据监测数据给出符合实际情况的治理措施，应用效果明显，取得了矿山恢复治理成果。

（2）高原非煤矿山恢复治理和控制技术

实施对象：青海威斯特铜矿

研究内容：微地震、地压等灾害事件动态监测

成效：灾害事件预警信息，环境恢复治理技术方案

矿区地处海拔4200米的青海果洛，矿山存在巷道围岩变形、微地震及地压等地质灾害隐患。在矿山开采过程中，必须对相应地质灾害进行全过程动态监测、实时预警，为矿山安全生产和环境保护提供技术支撑。根据矿区实际特点，设备安装以来对历次大的地压、巷道围岩变形、微地震活动预报及时，矿区没有出现过安全问题。2015年以来，青海威斯特铜矿应用本系统实时对巷道围岩变形、微地震及地压等地质灾害进行24小时全方位监测，根据监测数据给出符合实际情况的治理措施，取得了明显的效果。

（3）岩体稳定性评价与演化规律研究

根据岩样声发射试验结果，优化掘进和开采过程。

在威斯特铜矿不同位置处的岩体选取试验岩样，每个位置分别沿三个正交方向各取一个岩样。每条岩芯的直径大约为30毫米，长度为110至130毫米。而后通过岩样试验现场应力解除实验，得到相应试验结果。可以发现，不同岩样所发生的应力事件数具有一定的演化规律。该演化规律可以为现场数据采集及分析提供技术支撑。

（4）高原矿山微震定位算法

利用优化P波到时拾取，实现微震准确定位。

（5）矿山安全管理平台

该平台通过实时分析数据得到灾害预警时空信息。移动终端将该信息发送给生产、安全部门。

关键功能——传感器数据实时监控，数据定时刷新，数据超过临界值即发出红色报警信息；人员定位及轨迹查询。

2.创新点

（1）提出了高原矿山岩体稳定性的多尺度评价模型，得到了危险演化规律和环境治理技术方案。

（2）提出了一种适合高原矿山区域卸荷、局域卸荷相结合的应力重分布采矿方法和优化P波传播的微震定位算法，可优化采场空间布局与微震准确定位。

（3）提出了一种适合高原矿山特性的不确定事件生产调度优化模型，可提升复杂矿山条件下生产调度效率。

（4）提出了一种适合高原矿山巷道围岩实时预测方法和灾害事件超前时空预测模型，预测精度97%，超前预报时间达8小时以上。

三、主要技术指标及国内外同行对比

1. 提出的不确定事件生产调度优化模型，生产效率较国内的1.15%、国外的1.1%提升到1.2%。以800万吨矿山企业为例，一年可增加产值1300余万元。

2. 提出的巷道围岩变形预测方法，预测精度较国内的95%、国外的96%提升到97%以上。

3. 提出的灾害事件超前预报模型预报时间较国内的7.5小时、国外的7小时提前至8小时。

4. 提出的优化P波传播微震定位算法，定位精度较波兰的8米、南非的6米、国内的3.5米提升到3米。

四、取得的相关知识产权及评价

项目申请发明专利10件，申请软件著作权4件。微地震定位、巷道围岩变形预测方法等核心技术在《Mechanical Systems and Signal Processing》及 IEEE 等期刊发表高水平论文34篇；微地震定位优化论文得到业内权威——南非ISS国际公司的高度评价。

教育部科技查新工作站对本课题查新结果显示：在国内外已公开发表的文献和专利中，除本团队成果外，未见有符合本查新课题的资料。

五、应用推广和经济社会效益

应用该技术的5家企业累计新增产值4.07亿元，新增利润2.2亿元，新增税收1.62亿元。

项目成员参加中国矿业大会、数字矿山等学术交流，提升了项目的行业影响力。

六、推动行业科技进步

高原矿山恢复治理和控制技术，实现矿区环境恢复治理；一种微震定位算法及围岩变形预测模型，精度可达3米以内、97%以上；一种灾害事件超前时空预测模型，超前预报时间8小时以上；一套具有自主知识产权的高原矿山地质灾害监控与恢复治理技术平台，推动青藏高原及西部矿山行业安全与生态水平提高。

该成果获得2019年度青海省科技进步二等奖。青海威斯特铜业有限公司自2015年起应用该成果，于2017年被授予“青海省绿色矿山”称号。该成果已通过青海省科技厅鉴定，整体技术达到国际先进水平。