關于召開 2024 山西省煤炭學會煤礦智能化委員會年會暨千人智庫科創(chuàng)服務站工作會的通知

一、引言

沖擊地壓是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式，具有極大的破壞性。2005年，阜新孫家灣煤礦沖擊地壓誘發(fā)的“2.14”特大瓦斯爆炸事故造成214人死亡、30人受傷，直接經(jīng)濟損失4968.9萬元；2011年，義馬千秋煤礦“11.3”重大沖擊地壓事故造成10人死亡、64人受傷，400m巷道嚴重受損，直接經(jīng)濟損失2748萬元。隨著開采深度的增加，沖擊地壓將成為21世紀煤礦開采面臨的主要頂板災害形式。

關于沖擊地壓發(fā)生機理，仁者見仁，智者見智，尚待進一步完善與發(fā)展。正如沖擊傾向性理論認為，煤巖體沖擊傾向是沖擊地壓發(fā)生的必要條件,從這個理論出發(fā)，分析軟煤巖的彈性能指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE和樣本的動態(tài)破壞時間DT，會得出沒有沖擊傾向的結論。如遼寧某礦“三軟”煤層硬度系數(shù)僅為0.3，702工作面發(fā)生沖擊地壓致使沿空順槽超前91m巷道破壞殆盡。案例從另一個側面反映出，如果改變應力的加載方式和加載時間，沒有沖擊傾向性的煤層也會發(fā)生沖擊地壓。譬如用手指捏壓泥球會成餅狀，而用錘擊打臺面上的泥球，錘下所剩無幾或者就是這個道理。

因此，作為工程實踐和預防而言，現(xiàn)場人員弄懂沖擊地壓的發(fā)生機理，相較于對什么條件下會發(fā)生沖擊地壓、什么生產(chǎn)狀況下存在發(fā)生沖擊地壓的可能（危險）需求，則顯得尤為重要、突出。

二.沖擊地壓防治模塊化設計

根據(jù)對沖擊地壓發(fā)生的力源分析與發(fā)生時狀態(tài)統(tǒng)計，結合工程實踐，新巨龍防沖團隊將最易導致沖擊地壓發(fā)生的狀態(tài)設計為“礦震型”、“結構型”、“動應力耦合型”、“煤柱型”、“卸載型”、“水平結構失穩(wěn)型”、“沖擊載荷型”和“端頭扇形板型”等八大沖擊模塊，實行分類管理、分塊治理。

1.“礦震型”沖擊模塊

原理：煤系地層結構中高位基巖有堅硬巖層（60MPa×10m），隨采場面積擴大，堅硬巖層出現(xiàn)大面積懸露、彎曲、破斷和滑移形成沖擊動載荷，沖擊動載荷以脈沖波或彈性波形式進行加載，并且發(fā)生的時間極短，以下伏巖層為載體向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，在煤層的薄弱處釋放，產(chǎn)生沖擊地壓。

（1） 高位關鍵層破斷

隨采場擴大，上覆高位巨厚礫巖層基底與下伏巖層離層，在達到極限跨距時，礫巖層破斷產(chǎn)生礦震，能量巨大。此類震動多為低頻大能量震動事件，一般中低頻監(jiān)測系統(tǒng)會有清晰記錄。這種礦震無法準確預測發(fā)生的時間、位置和強度，系統(tǒng)一旦有記錄，或?qū)е虏蓤霭l(fā)生沖擊地壓，抑或不發(fā)生沖擊地壓，取決于礦震能量傳遞過程中的衰減程度，或采場有沒有薄弱點。其中，支護強度不足，特別是護表強度不足，也是同等能量礦震誘發(fā)沖擊的重要控制環(huán)節(jié)。

低應力、低密度、強支護是防范該類沖擊的重要措施。

（2）斷層巖柱高位斷裂

斷層煤柱、大巷保安煤柱等一側采空或兩側采空后，煤柱體會形成孤立體。隨采空區(qū)覆巖冒落破壞，孤立煤體形成頂?shù)讓?、中間窄的“瘦金體”（橫截剖面）巖柱體，特別是兩側采空，或采空區(qū)處于斷層下盤中時，采空區(qū)達到足夠面積，巖柱體會在高位產(chǎn)生錯斷，產(chǎn)生礦震。

礦震發(fā)生后無外乎兩種結果，一種是，在脈沖波或彈性波向采場傳遞過程中，能量衰減迅速，到達采場時剩余能量不足以誘發(fā)沖擊地壓。另一種是，如果殘余能量足夠大并對采場煤巖進行加載，則又會出現(xiàn)兩種結果，一是現(xiàn)場有薄弱點，如高彈性沖擊災害體、高應力沖擊災害體、高密度沖擊災害體、災害體支護薄弱，則發(fā)生沖擊地壓；二是現(xiàn)場做了充分的預處理，高彈性災害體塑性化、高密度災害體疏松化、高應力災害體低應力化、淺表高應力轉(zhuǎn)移深部化，在采場圍巖中形成沖擊能吸收帶，則不會發(fā)生沖擊地壓。

可以看出，礦震何時發(fā)生、能量多少、強度多大，人力不能左右。治理此類沖擊地壓的有效途徑，只能是制造本安采場。

2.“結構型”沖擊模塊

采掘形成的圍巖結構或采掘與地質(zhì)構造共同形成的圍巖結構，在以靜應力為主的作用下，圍巖結構體發(fā)生沖擊地壓。如停采線煤柱沖擊、大巷間煤柱沖擊、孤立煤體沖擊、過聯(lián)巷沖擊、小寬度工作面沖擊、區(qū)段煤柱沖擊和斷層煤柱沖擊，其與采掘速度關系不大，主要與高位覆巖結構及支撐圍巖的狀態(tài)有關。

（1）聯(lián)絡巷形成應力孤島

山東某礦3302工作面末采推進到距前方垂直聯(lián)絡巷100m時，工作面軌道順順槽超前發(fā)生大范圍沖擊破壞，聯(lián)絡巷片口處底煤突出，超前單體支柱傾斜、彎曲、交叉、爆缸等。主要原因是工作面與前方聯(lián)絡巷形成孤島煤柱，采空區(qū)、順槽兩巷與聯(lián)絡巷形成卸壓低應力帶，煤柱中心應力集中，隨工作面推進煤柱漸小，中心應力核集中系數(shù)越來走越高，直至整體失穩(wěn)沖擊。巷道沿煤層頂板施工，底煤加劇了沖擊破壞。

該類沖擊地壓的預防措施，可以是施工深孔大直徑預卸壓鉆孔，或者是深孔高壓水預裂技術或深孔爆破技術，破壞或降低孤島核心應力集中程度。工程實踐表明，深井厚表土大采高工作面，類似應力孤島效應啟動距離為超前工作面120m。因此，各類沖擊地壓預防措施必須在此距離前完成。

（2）獨立煤體結構

山東某礦35000工作面前方320m的采區(qū)集中巷發(fā)生沖擊地壓事故，導致區(qū)域內(nèi)兩名在岔口休息的工人遇難。工作面距離前方集中巷較遠，開采擾動輕微。主要原因是集中巷間距小，聯(lián)絡巷切割形成獨立煤體，長期高靜載煤體蠕變達到極限平衡狀態(tài)，在沒有動載或受微擾動即可發(fā)生沖擊地壓，厚底煤加劇了沖擊地壓強度。

對此類重大沖擊危險源的管理，必須堅持六有管控，即“有措施、有排查、有檔案、有標識、有監(jiān)控、有主體”，除預處理以外，還要對災害體進行全頻段震動場監(jiān)測、全時域應力場監(jiān)測，確保防范實效。

（3）不等寬煤柱體

包括不等寬的區(qū)段煤柱、不等寬的孤島煤柱、不等寬的斷層煤柱等。如內(nèi)蒙古某礦1905S回風巷發(fā)生一起沖擊事故，煤體沖出掩埋一名員工達9個小時后獲救。1905S回風巷沿空掘進，為創(chuàng)造等長開采條件，區(qū)段煤柱由開門的35m逐漸變窄，區(qū)段煤柱12m時，迎頭后17m上幫發(fā)生沖擊。山東某礦一工作面為不等寬孤島煤柱，前段煤柱寬120m，隨掘進煤柱逐漸變窄，沖擊時煤柱寬度剩余80m左右，造成100余米巷道報廢，6人死亡、2人重傷。某礦1301N下平巷推進前方與FL10斷層形成小角度接近，在巷道距斷層走向法線距離小于100m時，巷道動力現(xiàn)象強烈，小于70m后，迎頭板炮頻繁、劇烈，員工不敢入內(nèi)施工。

無論是區(qū)段煤柱還是煤柱工作面，無論是由寬煤柱向窄煤柱掘進還是由小煤柱向大煤柱掘進，都存在一個應力平衡點問題，都存在應力集中系數(shù)上升的趨勢，在達到煤體失穩(wěn)的極限條件時，會發(fā)生沖擊事件。

（4）超寬區(qū)段煤柱

大區(qū)段煤柱是形成沖擊地壓的災害體。根據(jù)采空區(qū)側向支承壓力監(jiān)測結果，結合基本頂巖板結構理論，中厚煤層基本頂側向斷裂線處于采空區(qū)外5-6m范圍內(nèi)，即內(nèi)應力場；之后為外應力場，應力峰值處于20-30m左右。也就是內(nèi)應力場寬度6m、之后10m基本就進入外應力場應力增高區(qū)，直到應力峰值后下降。中厚煤層區(qū)段煤柱留設20-30m，正是違背了巷道不得布置在側向高應力區(qū)域的原則。采空區(qū)側向高應力與本工作面超前支承應力疊加耦合，大區(qū)段煤柱發(fā)生沖擊地壓在所難免。如黑龍江某礦3924工作面由實體進入3922采空區(qū)20余米，工作面區(qū)段煤柱發(fā)生沖擊地壓，導致2死1傷事故發(fā)生。

治理方案，一是采取無煤柱或小煤柱掘巷設計，有條件可采取負煤柱掘巷，規(guī)避巷道布置在采空區(qū)側向高應力區(qū)。二是采取大直徑鉆孔高強度預卸壓，破壞區(qū)段煤柱結構，弱化區(qū)段煤柱沖擊能力。

（5）底煤結構

山東某礦3301工作面停采后，超前130m至310m范圍內(nèi)發(fā)生底煤突出沖擊事故，導致兩名工人遇難。事故的主要原因，除采動超前支承應力影響外，停采線外存在的斷層和巷道群形成了高應力背景，特別是巷道沿煤層頂板、留厚底煤施工，形成了底煤沖擊結構體。事故現(xiàn)場巷道頂板、兩幫幾乎沒有破壞，強烈顯現(xiàn)就是底煤突出導致傷害事故。

防治底煤突出的措施，一是不設計留底煤工程；二是對已產(chǎn)生的底煤進行弱化處理。當?shù)酌汉穸却笥?.5m且小于2m時，在巷道兩幫高于底板0.2m、斜下扎45°施工底腳卸壓孔，間距1m、孔徑φ89-120mm，鉆孔垂直于煤層，孔深至底板巖石。當?shù)酌汉穸却笥?m時，除施工底角鉆孔外，按不大于5m長度施工斷底卸壓孔，避免在巷道走向方向形成長桿效應。同時要對幫部煤體施工大直徑鉆孔預卸壓，將應力轉(zhuǎn)移到煤體深部。
“結構型”沖擊的治理途徑，一是盡量規(guī)避沖擊結構體的形成；二是破壞弱化沖擊結構體，特別是要對結構體核部實施鉆孔預卸壓、水力致裂或爆破，塑性化核部高應力體。對于保安煤柱，特別是雙翼采區(qū)的保安煤柱，靜載蠕變沖擊危險較高，同時因為受到多次開采疊加擾動，更具沖擊危險性。
3.“應力耦合型”沖擊模塊
掘進應力、回采應力和采掘工作面相互擾動導致圍巖中應力疊加過度集中，從而誘發(fā)沖擊地壓。引起魯西南地區(qū)煤礦“采動型”沖擊地壓的3個主要原因是，在地應力接近或超過臨界沖擊應力后，由于“掘進速度”、“回采速度”過快或“采掘工作面相互擾動”，圍巖中應力積聚是發(fā)生此類沖擊地壓的根源。

某礦2103皮帶順槽延長段在掘進過程中發(fā)生沖擊地壓事故，導致周邊260m巷道損毀，并造成1死5傷。此次沖擊地壓事故屬于典型的“應力耦合型”沖擊。

4.“煤柱型”沖擊模塊

多煤層開采時，上覆煤層或下伏煤層中有遺留煤柱，都會在開采煤層中產(chǎn)生高度應力集中。開采煤層接近煤柱影響區(qū)域，極易發(fā)生沖擊地壓事故。如黑龍江某礦17層工作面發(fā)生沖擊地壓，鼓起的底煤將工作面上，下出口堵塞，電話確認工作面有16人被困，事故造成5人遇難。

高集中應力沖擊災害體受高強度約束達到極限平衡狀態(tài)，由于施工破巖或支護解除，深部高應力體應力釋放產(chǎn)生沖擊。山東某礦綜放工作面推進至距前方聯(lián)絡巷116m時，聯(lián)絡巷開始施工拆除幫部支護工程。施工初期發(fā)生一起震源位于煤層內(nèi)淺表沖擊事件，以至于聯(lián)巷片口處剛性工字鋼棚變形、一名管理人員因手扶巷幫被震倒。

治理方案，一是對待解除支護區(qū)域預卸壓施工，降低應力程度；二是控制施工時機，必須在超前200米完成拆除工程；三是拆除工程與采掘活動不得平行作業(yè)，降低相互擾動強度。
6.“水平結構失穩(wěn)型”沖擊模塊
大跨度巷道、三岔門等，由于頂板錨桿、錨索的夾持、懸吊作用失效，導致水平結構破壞，會產(chǎn)生來自頂板方向的沖擊事件。

山東某礦開拓大巷沿煤層底板施工，矩形斷面5m×4m，已成巷多年。由于頂板淋水腐蝕性嚴重，頂板支護錨索銹蝕殆盡，2016年11月，近100m巷道頂板沿走向，巷道中心整體破斷，形成較長倒V型裂縫，而兩幫煤體幾乎沒有破壞、甚至沒有出現(xiàn)輕微變形。主要原因：一是巷道頂煤本身具有沖擊傾向性；二是錨索懸吊失效，頂板煤層下沉達到極限，水平結構破壞，整體失穩(wěn)沖擊。

治理方案：一是優(yōu)化頂板支護參數(shù)，用全錨錨索防止支護材料銹蝕，提高支護系統(tǒng)剛度；二是增加可縮性架棚支護；三是控制兩幫卸壓強度，確保巷幫支護能力。
7.“沖擊載荷型”沖擊模塊

中厚及以上煤層直接頂較薄，或沒有直接頂?shù)拿簩訔l件，煤層采出后，直接頂冒落后不足以充填采空區(qū)高度，基本頂在達到極限跨距前，其自身彎曲下沉不能觸矸，以至于基本頂在達到極限跨距時，采空區(qū)冒落矸石與基本頂之間形成較大的沖擊空間，巖梁破斷時產(chǎn)生的沖擊載荷直接加載到采場支架和超前煤壁上，導致沖擊事件發(fā)生。

鄂爾多斯礦區(qū)部分煤礦大采高工作面，直接頂偏薄，冒落直接頂不足以充填采空區(qū)，堅硬巖梁懸跨距較大，基本頂初次來壓與周期來壓期間，支載系數(shù)大，動力顯現(xiàn)強烈。

8.“端頭扇形板型”沖擊模塊

端頭“弧形扇板型”沖擊事件，是薄煤層或中厚煤層，堅硬直接頂，自承能力較強，在達到其極限跨距前，頂板在采空區(qū)觸底，煤壁受到頂板下沉和底鼓應力形成楔形擠壓。如果是沿空開采，則側向采空區(qū)對超前巷道煤體同時也產(chǎn)生一個楔形擠壓，在端頭形成疊加的弧形扇板，即形成扇形沖擊危險區(qū)。

黑龍江某礦薄煤層堅硬頂板（泥灰?guī)r）工作面，沿空巷超前30m和端頭以下30m屢次發(fā)生沖擊事件。分析發(fā)現(xiàn)，該礦采空區(qū)采用緩慢下沉法管理頂板，頂板在采空區(qū)遠端觸底后，因頂板下沉和底板鼓起，會對煤壁產(chǎn)生楔形受力，超前側向與工作面煤壁應力疊加，最終在端頭處形成應力疊加區(qū)，即扇形板高應力區(qū)。治理方案，一是對扇形應力區(qū)域煤層施工大直徑卸壓鉆孔，消除淺表高應力；二是對煤壁切槽（或通過卸壓孔）降低煤壁高度，形成“縮口”效應，阻擋和吸收深部沖擊能量。三是不建議采用大工程量的斷頂措施，經(jīng)濟效益不劃算。