将科研成果应用于实践

杨 璇

张兴凯,全国人大常委,全国人大环资委委员,民革中央教科文卫体委员会副主任,民革中央委员,政协北京市委委员,中国安全生产科学研究院总工程师。1994年获得博士学位,1995年完成博士后研究。享受政府特殊津贴专家,北京市高等学校(青年)学科带头人,北京市科技骨干,北京市跨世纪人才,研究生导师,首都经济贸易大学兼职特级教授。

张兴凯多年从事安全管理与工程的教学和科研工作,先后主持或参加完成国家和省部级科研项目24项,发表学术论文41篇,出版专著1部,获得省部级科技进步二等奖2项、三等奖4项。对安全评价理论和技术、安全管理方法和模式等有一定的科研工作积累。

被评为2009年度中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖的“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术”,是矿山事故预防控制的重要技术内容,对于金属矿山的灾后重建工作和矿山企业重大安全事故隐患的清查与治理具有重要意义。

20世纪末,我国金属非金属矿山、煤矿安全生产事故多发,给人民生命财产带来极大损失。事故发生后,事故矿井即被停产关闭,复采时间无法预知,经济效益受到极大影响,大量人员待岗也给社会带来不稳定因素。

为了解决这些问题,国家安监总局向中国安全生产科学研究院提出了课题任务——“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术研究”。这项课题的研究成果,被评为2009年度中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖。该项目主要针对金属矿山安全、高效的恢复生产所遇到的关键技术问题,研究金属矿山危险源辨识技术、金属矿山恢复生产的风险评价技术、金属矿山安全规划及生产恢复程序、金属矿山的安全开采技术,以达到经济效益和社会效益共存的目的。

为深入了解该项目的背景、技术特点、应用效果等,记者采访了“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术研究”项目的主要完成人之一——中国安全生产科学研究院总工程师张兴凯。

“研究源于事故”

“这个项目研究源于本世纪初的一场事故。”张兴凯提到的这场事故发生于2001年7月17日,发生在广西南丹县龙泉矿冶总厂所属拉甲坡矿的特大透水事故,事故造成81人死亡,直接经济损失达8000余万元,广西南丹县境内的49个矿井全部停产。

“那时发生事故就停产,一旦停产就没人敢进行复采工作。”张兴凯介绍,这些矿区有的开采自然条件恶劣,存在大量不明采空区、废弃井巷,同时还可能存在大量不确定水体、火区等,一旦盲目开采,必将发生重大事故。矿山的停采不仅造成巨大的经济损失和国家资源的浪费,同时也引发了社会就业问题。“当时拉甲坡一个矿就有3000多人待岗,49个矿,有多少人?”是否复采、如何安全开采成为这些停产金属矿山的一大难题。

于是,企业将这些情况反映到当时的国家安全生产监督管理局等政府部门,希望能得到帮助。当时的国家安全生产监督管理局根据我国高风险金属矿山情况,结合广西南丹“7·17”事故案例,提出了“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术研究”的课题任务,交给了中国安全生产科学研究院(以下简称“安科院”)。

“上这个项目的时候,全国有20多个矿区停产,大家都在关注着我们,课题组面临的压力很大。”张兴凯坦言,他和安科院矿山安全技术研究所(以下简称“矿山所”)的同事临危受命,前往广西进行调研。“当时井下是40多度的高温,连续两个多月,我们都在井下进行调查,把情况一点点的都摸清楚了。”许多年后,回忆起那段日子,张兴凯仍然感慨万千。

“用了半年时间,课题组就把广西南丹矿区的安全复产规划做完了。复采后发现效果很好,这就是这个项目的起步。”张兴凯介绍,后来安科院又与广西高峰矿业有限责任公司合作,试点进行安全规划研究。“高峰矿是个国有大型矿,停产的话一天就会损失30万元,于是他们主动与项目组一起进行安全规划,进行采空区探测。停产后第二个月就恢复生产了,这个矿当年净利润达到了1个亿。”

通过一段时间的实践,安全规划程序日趋完善,“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术研究”项目于2003年3月正式立项。

研究内容

张兴凯介绍说,该项研究的对象为存在重大事故隐患、不能继续组织正常生产、处于整顿、停产整顿或停产关闭状态的金属矿山。主要研究内容包括:金属矿山危险源辨识技术、开采风险评价技术、安全规划及生产恢复程序、安全开采技术和技术成果应用。

“金属矿山恢复生产,是一个专业技术过程,需要解决一些关键技术。”张兴凯表示,矿山复采,首先需要解决3项技术问题。一是矿山安全规划技术。待恢复生产的金属矿山如果不从安全生产的角度重新对矿山进行安全规划,盲目恢复生产将留下大量事故隐患。二是风险评价技术。在恢复生产之前,必须评价判断金属矿山的现状调查过程是否合理、矿山安全生产系统是否具备了基本的安全生产条件、矿山安全管理是否适应,以及发生地压灾害及地表沉降等重大灾害的可能性和严重程度。三是安全开采技术。既要确保矿山恢复生产后的生产安全,又要保护国家资源尽量少受损失,必须研究适应金属矿山生产安全、又能够高效回收资源的采矿方法。

针对金属矿山安全、高效地恢复生产所遇到的技术问题,课题组针对井下不明采空区及水体的勘测提出了相应的技术方法。针对不同地质区域和采空区的赋存条件,综合利用高密度电法、瞬变电磁法、微重力法和三维激光扫描系统,查明矿山内的采空区及水体分布及其参数,为合理确定采空区及水体对井下安全生产和地表及地面建筑物的影响程度、制定采空区灾害控制技术措施和矿山安全规划方案提供了基础数据支持。针对高风险金属矿山的现状调查过程合理性、生产系统的可靠性及管理系统的适应性,提出了相应的安全评价指标,采用了层次分析法对评价指标的权重进行了科学的分配,设计了相应的评价表。提出了基于数值模拟技术的矿山地压灾害定量风险评价方法,对现用采矿方法的结构参数进行验证,预测了采场及采空区地压灾害可能发生的主要部位,为地压控制或采取措施提供指导。采用“三带理论”和概率积分计算方法对采空区对地表的影响进行了定性和定量评价分析。

“我们是摸着石头过河”

“做这项研究,我们是在摸着石头过河。”张兴凯告诉记者,如今安全规划工作发展的相对成熟稳定,已经走上正轨。但是在项目研究之初,课题组并没有太多可以借鉴的经验。

据张兴凯介绍,国外安全规划领域研究主要集中在城市公共安全规划、城市工业灾害安全控制规划、网络系统及电力系统等领域的安全规划技术,这些技术是在人、物、环境和管理问题的基础上发展起来的,与生活紧密联系,很难用于矿山这种特定的环境条件。

而采矿方法研究领域对于残矿回采方案的研究,都是从安全生产的角度出发,是在特定的开采条件下提出的,对现场具有一定的指导意义。但从广泛意义上来说,很难适应其他矿山特定条件,对于高风险金属矿山必须因地制宜,重新提出相应的开采和监测方案,在保证安全的前提下提高资源利用率,提升企业经济效益。

“没有现成的经验可供借鉴,我们只能自己研究。项目组形成了好几套方案,每一套都要亲自测试、验证。”张兴凯告诉记者,为了对规划方案进行验证,安科院矿山所的胡家国、马海涛、李全明等科研人员冒着生命危险,带着检测装备,下到废弃的采空区里进行检测,“这样的采空区随时面临着危险,但是大家为了验证这项技术,每个人都下井十多次甚至二十几次,这就是科研的精神。”

“实践证明是成功的”

“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术研究”经过反复的验证、推敲,终于形成一套成熟完善的方案,针对金属矿山企业具有普遍的应用价值。目前已经在广西高峰矿业有限责任公司、邯邢冶金矿山管理局和河北省武安铁矿区及杨沟矿区等试点矿山应用,取得了良好的实施效果。“实践证明,这项研究是成功的。”张兴凯很欣慰。

通过对金属矿山灾害辨识技术的研究,广西高峰矿业有限责任公司对100号主矿体开采区域采空区、地表塌陷区隐患和突水事故隐患进行了有效治理,对100号主矿体采空区处理后实施封闭,保持了充填体结构的稳定性,基本消除了重大事故隐患。通过对无空区分条完全充填采矿法的研究,公司在生产过程中残矿回收基本没有矿山损失,并且保障了矿山生产的安全可靠。恢复生产后,解决了1077名职工和近700人的外包施工人员的就业问题,给当地政府减少了就业压力,避免了因此造成的社会不稳定因素。

在河北武安下团城村村北铁矿区,课题组通过定性、定量评价确定了矿区内采空区最终崩落区和地表移动区的范围。明确了断层、地下爆破的长期震动、地下水过量开采等因素加剧了采空区地表的变形和破坏。根据地表变形对建构筑物破坏影响的不同程度,确定了建构筑物保护方案,并采取地表移动的安全监测措施,搬迁了影响范围内的居民,避免了伤亡事故的发生。

“科研最终要应用于实践”

“高风险金属矿山安全规划和灾害控制”项目的研究工作一直由安科院矿山所承担。矿山所作为安科院的科研部门,主要从事矿山安全生产技术标准、矿山安全规划、矿山灾害监测预警与控制、矿山重大危险源辨识、矿山应急救援技术、矿山事故调查分析鉴定等安全领域的基础理论和工程应用技术研究。目前,矿山所11名科研人员平均年龄40岁左右,全部为硕士以上学历,其中博士以上学历7人,高级研究人员4人。

谈到矿山所这支科研队伍,曾分管该所工作的张兴凯语气里透出掩不住的自豪。“搞科研要有献身精神,要踏踏实实做一些事情,少说一些空话。能将科研成果充分应用于实践,这是最令我们科研人员高兴的。”

将科研应用于实践,矿山所用实际行动诠释了这一理念。在邯邢冶金矿山管理局西石门铁矿,矿山所通过采用高密度电法、瞬变电磁法和三维激光扫描系统等勘查手段,查明了邯邢冶金矿山管理局西石门铁矿区内采空区和不明水体分布,为矿区隐患和灾害治理提供了依据与方法,为防止发生井下重特大事故提供了技术支持,不仅使矿山安全生产得到保障,还使得积水采空区附近近2亿元的资源得以开发利用,延长了矿山开发寿命。

编辑 杨 璇