第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
煤炭资源在全球分布广泛，为促进全球经济平稳快速发展提供了重要的物质基础和能源支撑。受地缘政治因素和全球供求关系变化的影响，煤炭作为世界重要的能源仍将在一段时间内保持高位。煤炭是一次能源的重要组成部分，据统计全世界在2022年煤炭需求量超过80亿t，其需求依然强劲。近30年来，随着测试技术与方法的不断创新与应用，我国煤矿安全生产取得举世瞩目的成效，实现了由事故多发、频发向安全生产形势总体稳定的历史性跨越，煤炭工业更趋向于生态环保和绿色低碳的发展形势。
1.1.1 研究背景
中国是世界上*早利用和开采煤炭的国家，早在2000多年前的春秋战国时期，已经能够开凿不同的立、斜井开采矿物，当时煤炭就成为一种重要的产品，被用于炼铜和冶铁，同时也形成以人力和简陋工具为基础的原始手工采煤技术。唐、宋以来采煤业由北向南逐步发展，并发展了炼焦技术，直到近代煤矿总的生产规模不断扩大。中华人民共和国成立后，我国创建并完善了煤矿设计的实践与研究，除了扩大露天开采规模，同时还大力发展矿井建设施工技术，丰富与完善了地下开采技术。基于此，煤矿建设与生产得以迅猛发展，开采技术也得到飞跃式的进步，发展不同条件下采煤机械化装备，优化既有采煤工艺与方法，建成一批现代化矿区和高效高产矿井，同时，在煤炭工业发展过程中，围绕矿井安全生产的主题也受到越来越多的重视。
长期以来，煤炭作为我国重要的能源与化工原料，是国民经济发展的物质基础。而且，我国的煤炭资源赋存丰富，成煤时期多，分布面积广，煤田类型多样，不同矿区煤炭资源开采在技术、理论、工艺和方法上都有差异。从我国煤炭工业的发展战略和可持续开发着眼，建立适合我国国情的煤炭精准、绿色开采及地质保障技术，推动检测、监测技术的快速发展，对促进煤炭开采技术革新，匹配矿井智能化建设与发展具有极其重要的工程价值和实践意义。
近年来，我国已成为世界**煤炭生产和煤炭消费大国。在国内还初步建成了包括晋北、晋中、晋东、神东、陕北、黄陇、宁东、鲁西、两淮等在内的14个亿吨级大型煤炭基地(表1-1)。2020年12月国务院发布《新时代的中国能源发展》白皮书，提出努力建设集约、安全、高效、清洁的煤炭工业体系；加快煤矿机械化、自动化、信息化、智能化建设(图1-1)；推进大型煤炭基地绿色化开采和改造。《中国能源中长期(2030、2050)发展战略研究》中也指出煤炭作为主体能源短期内难以改变，基于我国能源分布结构及世界多变格局，其在一定时期内发挥能源支撑与压舱石的重要作用。随着“双碳”目标的提出与推进，在保障能源供应安全的同时，煤炭工业健康发展面临多重挑战和机遇。
表1-1 全国14个大型煤炭生产基地布局情况及功能划分
图1-1 目前智能化矿井建设需求与政策导向
图1-2 煤炭消费量占比及近年原煤产量统计
煤炭资源在我国能源消费结构中占比高，是非常重要的组成部分。自中华人民共和国成立以来，全国各类煤矿累计生产原煤超过1000亿t，有力地支撑了我国国民经济的增长，为社会的快速发展做出了巨大贡献。同时，随着国家经济高质量发展和矿区生态环境保护要求的提高，对于煤炭产业转型升级的需求也在不断增强。据相关数据统计，我国煤炭能源消费占比从2011年的68.4%下降到2021年的56%[图1-2(a)]，但原煤产量并未随之下降，在2021年原煤产量突破40亿t，达到41.3亿t，创历史新高[图1-2(b)]。从我国拥有和可能利用的能源资源类别与分布出发(图1-3)，结合目前国内经济发展和政策调整，原煤产量在未来一段时间内还将保持在相对较高的水平，煤矿集成化开采规模还会进一步扩大。因此，煤炭资源开发大规模化、基地化，以及由浅部向深部发展是未来煤炭工业发展的客观必然趋势。
煤炭作为国家能源安全和国民经济命脉的重要基础产业，其经济平稳运行关系到能源供应安全和经济社会持续稳定健康发展。正是因为煤炭工业的贡献，才铸就了我国经济的高速发展。为使煤矿开采健康发展，不仅要加强宏观调控，还要根据我国化石能源赋存特征及煤炭资源可持续开发利用需求，提高煤炭开采安全保障水平，形成契合我国煤矿发展的地质保障技术，这是目前矿井生产必不可少的工作。特别是随着煤炭资源开发战略性西移与东部矿区进入深部开采，煤炭资源开采面临多重未曾遇到的难题。煤层开采过程中，冲击地压、地热、煤与瓦斯突出、矿井水害等多灾源事故时有发生，因此，开展防灾、减灾测试技术创新与研发对指导矿井安全生产至关重要。
1.1.2 研究意义
煤层开采后围岩原始应力场的平衡状态被破坏，引起围岩应力重新分布，导致煤层顶底板以及巷道围岩发生明显的变形破坏。采场上覆岩体会出现变形、移动、离层、断裂、垮落等，进而在煤层顶板形成垮落带、导水裂隙带及弯*下沉带；煤层底板岩层则会向上运动产生底鼓，部分岩层还会产生离层和断裂，若底板存在灰岩承压含水层，矿井则会受到底板灰岩水的严重威胁；采场围岩应力场的重新分布同样会破坏巷道围岩内部结构，进而改变巷道内支护结构的受力情况，严重时则会破坏支护结构，造成巷道围岩变形。这种围岩变形与破坏给矿井工程及环境带来的损害层出不穷，轻则损害设备正常运行，重则危及井下工作人员的生命安全。
无论是顶底板还是围岩变形，其在时间和空间上都是一个非常复杂的过程。在时间上，围岩变形移动的程度与形式在不同时间是变化的；而在空间上，随着采动波及范围由近到远，顶板岩层破坏、巷道围岩变形以及底板破坏发育等特征各异。因此，精准认识深部煤炭资源开采所导致的围岩变形与破坏规律是进行科学采矿、岩层控制和水害防治等的基础。
目前，生产实践中采用了多种类型的围岩变形与破坏观测手段，但多是采集岩层破断后的静态数据表征，而无法捕获岩层破断发育过程中的全时段信息从而对岩层条件进行全面、实时、高分辨监控，难以满足现代化矿井的智能化发展需求。开展采场围岩变形破坏高分辨实时监测等方面的方法技术研究至关重要，对煤矿生产实践具有重要的指导价值。
采场围岩变形与破坏的采前、采中和采后全程高分辨监测及判识理论研究亟待加强。煤层工作面开采过程中围岩发生变形乃至破坏，其动态效应特征显著。受技术本身条件所限，现有手段中单一方法、单个参数信息的技术应用，未能有效揭示岩层受采动影响引起的多种地球物理场发生响应的机制及演化规律，对致灾因素判断的量化程度及前兆预报能力不足，需要进一步开展围岩变形破坏演化全程地球物理多场多参数测试的基础理论研究，准确掌握岩层破坏状态及其相关的地球物理场参数判断规则，才能有效确定其破坏的位置及状态特征。
开展采场围岩变形与破坏范围的探查工作，是进行采场稳定性评价、预防矿山灾害、保障矿井安全生产的一项重要技术措施。现有探查技术手段主要包括直接法和间接法两类，其中直接法是利用钻探手段通过施工揭露、岩心采取、井中地球物理等方式观察判断，间接手段多是采用地球物理类技术获取采场围岩变化后的静态数据进行分析判断，其结果难以把握岩层变化的过程参数，不利于对相关地质灾害的监控与防治。总的来说，围绕着岩石变形破坏所产生的灾害多由岩层破断垮落、岩层裂隙导水、岩层受力不均等引起，因此通过观测地下介质的应变场、地电场、渗流场等信息可以对岩层裂缝发育、导突水状态等进行判断。据不完全统计，2017年至2021年五年内全国煤矿伤亡事故中，仅是围岩变形破坏导致顶板及水害所造成的安全事故数量占比超过1/3(图1-4)。开展采场空间围岩体变形破坏的测试研究，对防灾、减灾、保护人民生命安全和国家财产安全尤为关键。
图1-3 我国煤炭资源分 布特征及2021年原煤产量概况
图中只列出了2021年原煤产量500万以上省份(单位:万t)
图1-4 2017～2021年煤矿安全事故统计
图中括号中的数据表示事故数量
综上，通过测试获得开采煤层工作面周边岩层变形破坏动态演化参数与特征，分析顶、底板及巷道周边岩层破坏发育情况，指导矿山安全生产、压力与岩层控制及水害防治工作，进而实现矿井资源的安全、高效、绿色、智能开采，对高效开发煤炭资源，有效防控冲击地压危害，安全开展“三下”煤炭资源利用，实现煤炭资源绿色、可持续发展有着非常重要的指导和实践意义。同时，为加快推进煤炭行业改革，破解资源环境约束突出难题，助力“双碳”工作开展，对推动区域经济发展和维护社会稳定具有重大意义。
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