我國煤礦沖擊地壓防治現(xiàn)狀與難題

竇林名,田鑫元,曹安業(yè),鞏思園,賀 虎,何 江1,,蔡 武1,,李許偉1,

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省礦山地震監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

沖擊地壓(又稱“沖擊礦壓”)是采掘工作面煤巖體積聚的彈性變形能突然釋放，產(chǎn)生強(qiáng)烈震動，造成煤巖體劇烈破壞的動力災(zāi)害。據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局調(diào)查，我國第1起沖擊地壓事故發(fā)生在遼寧省勝利煤礦，隨后全國各地礦區(qū)(井)陸續(xù)發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。據(jù)相關(guān)研究記載，1985年我國僅有32個礦井發(fā)生沖擊地壓，2019年，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量達(dá)到了200余處。隨著政府化解煤炭過剩產(chǎn)能工作的推進(jìn)，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量降至138處。近些年來，我國多次發(fā)生沖擊地壓重特大事故，嚴(yán)重威脅煤礦安全高效生產(chǎn)，并造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，如2018-10-20，山東龍鄆煤礦發(fā)生重大沖擊地壓事故，造成21人死亡；2019-06-09，吉林省龍家堡煤礦發(fā)生較大沖擊地壓事故，造成9人死亡；2019-08-02，河北唐山煤礦發(fā)生較大沖擊地壓事故，造成7人死亡；2020-02-22，山東新巨龍煤礦發(fā)生沖擊地壓事故，造成4人死亡；2021-10-11，陜西胡家河煤礦發(fā)生較大沖擊事故，造成4人死亡。重大沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)引起了國家領(lǐng)導(dǎo)人高度重視，多次批示要深入研究并切實(shí)解決沖擊地壓的源頭治理問題；國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記重要指示精神堅(jiān)決防范遏制煤礦沖擊地壓事故的通知》，指出要強(qiáng)化煤(巖)“零沖擊”(無人員傷亡、無巷道破壞、無設(shè)備損壞)目標(biāo)管理，嚴(yán)格管控沖擊地壓現(xiàn)象和事件，堅(jiān)決遏制事故發(fā)生。沖擊地壓災(zāi)害防控成為社會關(guān)注焦點(diǎn)，也成為煤礦保障安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性工作。

經(jīng)過長期的研究，我國在沖擊地壓研究領(lǐng)域形成了沖擊發(fā)生機(jī)理、沖擊危險監(jiān)測預(yù)警與防治的成套技術(shù)體系，為煤礦沖擊地壓防治提供了有力的技術(shù)支撐，大大降低沖擊危險性，沖擊地壓事故單次傷亡人數(shù)呈下降趨勢。筆者將總結(jié)我國沖擊地壓防治研究歷程，詳細(xì)闡述被廣泛認(rèn)同或推廣的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)、防治方法、沖擊危險巷道支護(hù)技術(shù)等理論與技術(shù)，并根據(jù)當(dāng)前沖擊地壓防治的需求，指明了礦震與沖擊地壓關(guān)系不清、沖擊危險預(yù)測方法不定量、監(jiān)測方法精度低等亟待解決的難題。

1 沖擊地壓法律法規(guī)建設(shè)

1.1 法律法規(guī)初始構(gòu)建階段

隨著我國采煤設(shè)備不斷升級，開采強(qiáng)度逐漸增大，開采深度逐步向深部發(fā)展，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)和災(zāi)害數(shù)上升。為了保證沖擊地壓礦井安全開采，原煤炭工業(yè)部于1987年發(fā)布了我國第1部與沖擊地壓相關(guān)的法規(guī)《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》和《沖擊地壓預(yù)測和防治試行規(guī)范》，填補(bǔ)了沖擊地壓防治法規(guī)的空白。2000年，原國家煤炭工業(yè)局組織制定《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》(MT/T 174—2000)和《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》(MT/T 866—2000)，使我國在沖擊地壓傾向性的認(rèn)定、鑒定方面有了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但關(guān)于沖擊地壓的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系還不健全。隨著我國煤礦安全監(jiān)察監(jiān)管體制的改變和對煤礦沖擊地壓的重視，在國家安全監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局的主持下，2004年新修訂的《煤礦安全規(guī)程》中第1章增設(shè)“沖擊地壓煤層開采”專節(jié)(第6節(jié))，對沖擊地壓煤層開采過程中的沖擊傾向性鑒定、沖擊危險性預(yù)測和防治作了規(guī)定，對指導(dǎo)煤礦沖擊地壓的防治起到了積極的作用。

1.2 法律法規(guī)逐漸健全階段

2013年10月，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局對《煤礦安全規(guī)程》進(jìn)行了全面修訂，將沖擊地壓防治列為專章(第3編第5章)，具體包括一般規(guī)定、沖擊危險性預(yù)測、區(qū)域與局部防沖措施、沖擊地壓安全防護(hù)等部分，全面系統(tǒng)地對沖擊地壓防治中相關(guān)技術(shù)管理作了明確說明，并于2016-10-01正式頒布實(shí)施。

2017年2月，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局組織有關(guān)單位和相關(guān)專家開展《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》的起草工作，并于2018-08-01正式實(shí)施，同時廢止《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》和《沖擊地壓預(yù)測和防治試行規(guī)范》。細(xì)則對《煤礦安全規(guī)程》第3篇第5章中的全部條款作了進(jìn)一步的細(xì)化，從而形成了包括總則，一般規(guī)定，沖擊危險性預(yù)測、監(jiān)測、效果檢驗(yàn)，區(qū)域與局部防沖措施，沖擊地壓安全防護(hù)措施和附則在內(nèi)共87條系統(tǒng)的沖擊地壓防治規(guī)范。

2018年龍鄆煤礦“10·20”沖擊地壓事故后，國家陸續(xù)下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓源頭治理的通知》(發(fā)改能源〔2019〕764號)和《關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》(煤安監(jiān)技裝〔2019〕21號)文件，進(jìn)一步加強(qiáng)了煤礦沖擊地壓防治的要求。

2020年3月國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布了《煤礦沖擊地壓防治監(jiān)管監(jiān)察指導(dǎo)手冊(試行)》，對沖擊地壓防治監(jiān)察工作進(jìn)行了詳細(xì)說明。

2019年7月，山東省政府發(fā)布了全國首部煤礦沖擊地壓防治省級規(guī)章《山東省煤礦沖擊地壓防治辦法》(省人民政府令第325號)，并于9月1日起施行。2021年4月，陜西省應(yīng)急管理廳發(fā)布了《陜西省煤礦沖擊地壓防治規(guī)定(試行)》(陜應(yīng)急〔2021〕171號)。2部地方性規(guī)章依據(jù)本省的沖擊地壓現(xiàn)狀，進(jìn)一步細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、制度化了沖擊地壓防治的要求。

2010—2021年，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會陸續(xù)發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》，共14部分，包括頂板巖層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法、煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法、煤巖組合試件沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法、微震監(jiān)測方法、地音監(jiān)測方法、鉆屑監(jiān)測方法、采動應(yīng)力監(jiān)測方法、電磁輻射監(jiān)測方法、煤層注水防治方法、煤層鉆孔卸壓防治方法、煤層卸壓爆破防治方法、開采保護(hù)層防治方法、頂板深孔爆破防治方法、頂板定向水壓致裂防治方法等，建立了一整套完善的沖擊地壓防治標(biāo)準(zhǔn)。

我國沖壓地壓防治的法律法規(guī)建設(shè)起步較晚，但經(jīng)過近10余年快速發(fā)展和完善，沖擊地壓防治法律法規(guī)框架體系已基本形成，沖擊地壓防治的監(jiān)察機(jī)制和法律法規(guī)日趨完善。

2 沖擊地壓機(jī)理研究現(xiàn)狀

圖1 沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警與防治技術(shù)Fig.1 Rock burst mechanism，monitoring，early warning and prevention technology

沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，是沖擊地壓發(fā)生的原因、條件、機(jī)制和物理過程，是通過對沖擊地壓的不斷深入研究和認(rèn)識，簡明深刻的概括和闡述其發(fā)生的內(nèi)、外在原因。自從沖擊地壓現(xiàn)象出現(xiàn)，就開始了對沖擊地壓機(jī)理的探索和研究。目前在沖擊發(fā)生機(jī)理方面存在能量理論、強(qiáng)度理論、剛度理論、“三因素”理論、動靜載疊加誘沖理論等誘沖機(jī)制(圖1)，但由于沖擊地壓的復(fù)雜性、影響因素和現(xiàn)象多樣性、產(chǎn)生突發(fā)性、過程短暫性、對孕育條件的破壞性，雖然諸多學(xué)者和科技工作者做出了艱辛努力，但至今學(xué)術(shù)界和工程界對沖擊地壓機(jī)理仍存在較大爭議，未形成統(tǒng)一而普遍認(rèn)可的理論和觀點(diǎn)。

2.1 早期沖擊地壓理論

早期的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理包括強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、“三準(zhǔn)則”理論、變形失穩(wěn)理論等，其中最經(jīng)典的強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論和沖擊傾向性理論，是早期德國、波蘭、蘇聯(lián)等國學(xué)者提出的。20世紀(jì)80年代，李玉生提出我國最早的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理：“三準(zhǔn)則”理論，認(rèn)為強(qiáng)度準(zhǔn)則是煤體的破壞準(zhǔn)則，能量準(zhǔn)則和沖擊傾向性是突然破壞準(zhǔn)則，且3個準(zhǔn)則同時滿足，是發(fā)生沖擊地壓的充分必要條件。變形失穩(wěn)理論認(rèn)為沖擊地壓是煤巖體內(nèi)高應(yīng)力區(qū)的介質(zhì)局部形成應(yīng)變軟化與尚未形成應(yīng)變軟化的介質(zhì)處于非穩(wěn)定狀態(tài)時,在外界擾動下的動力失穩(wěn)過程。

早期的機(jī)理研究從煤巖體能量、應(yīng)力、系統(tǒng)穩(wěn)定性等角度闡述了沖擊地壓發(fā)生的過程，一定程度指導(dǎo)了沖擊地壓防治工作，但仍存在各自的局限性，難以解釋一些實(shí)際現(xiàn)象。如煤炭開采過程中應(yīng)力集中區(qū)域是常見的，都滿足了強(qiáng)度條件，但未都發(fā)生沖擊地壓；同一層煤沖擊傾向性都相同的，只有少數(shù)區(qū)域發(fā)生沖擊地壓。

2.2 當(dāng)今沖擊地壓理論

沖擊地壓機(jī)理經(jīng)過20余年的研究，當(dāng)前國內(nèi)能夠較好地解釋沖擊地壓孕育致災(zāi)全過程的理論主要包含“三因素”理論、擾動失穩(wěn)理論、動靜載疊加誘沖理論、沖擊啟動理論、蠕變失穩(wěn)理論等。

沖擊地壓“三因素”理論認(rèn)為煤巖地層受力的瞬間黏滑過程釋放大量動能導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生，其主要因素分為內(nèi)在(沖擊傾向性)、力源(高靜載與強(qiáng)擾動)、結(jié)構(gòu)因素(突變滑移結(jié)構(gòu)面)。

沖擊啟動理論從能量角度分析認(rèn)為沖擊地壓歷經(jīng)沖擊啟動、沖擊能量傳遞、沖擊地壓顯現(xiàn)3個階段，且啟動準(zhǔn)則為+->0，其中，，，分別為集中靜載荷、集中動載荷、巖體動力破壞所需要的最小載荷。

沖擊擾動響應(yīng)失穩(wěn)理論認(rèn)為沖擊地壓是煤巖體變形系統(tǒng)的控制量、擾動量和響應(yīng)量共同作用的結(jié)果，即沖擊地壓是變形系統(tǒng)在擾動下響應(yīng)趨于無限大而發(fā)生的失穩(wěn)，當(dāng)非穩(wěn)定的煤巖體系統(tǒng)受擾動后必然失穩(wěn)。

蠕變失穩(wěn)理論認(rèn)為強(qiáng)度腐蝕和應(yīng)力解除導(dǎo)致煤巖發(fā)生不穩(wěn)定蠕變，從而產(chǎn)生沖擊破壞。

動靜載疊加誘沖理論認(rèn)為煤巖體中靜載荷與礦震形成動載疊加之和大于誘發(fā)煤巖體沖擊破壞的最小載荷時，誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。沖擊的發(fā)生要滿足應(yīng)力條件和能量條件(圖2)。同時依據(jù)應(yīng)變率對煤礦載荷狀態(tài)進(jìn)行了界定，將沖擊地壓劃分為高靜載型與強(qiáng)動載型2種類型，隨后結(jié)合煤礦實(shí)際條件進(jìn)一步將沖擊地壓災(zāi)害分為4種基本類型：頂板型、斷層型、褶皺型和煤柱型，并針對4種類型的沖擊地壓開展了一系列基礎(chǔ)研究。

圖2 動靜載疊加誘沖機(jī)理Fig.2 Mechanism of dynamic and static combined load inducing rock burst

除上述發(fā)生機(jī)理外，其他學(xué)者運(yùn)用分形、損傷和突變等理論進(jìn)行了相關(guān)研究，提出一些解釋沖擊發(fā)生的新理論。如煤巖體擴(kuò)容突變理論認(rèn)為沖擊地壓孕育過程可分為3個階段：彈性變形階段、非線性變形階段、擴(kuò)容突變階段。姜耀東等闡述沖擊地壓孕育過程中“煤體-圍巖”系統(tǒng)內(nèi)能量集聚及耗散特征，根據(jù)非平衡態(tài)熱力學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)理論，認(rèn)為沖擊地壓是煤巖體系統(tǒng)在變形過程中的一個穩(wěn)定態(tài)積蓄能量向非穩(wěn)定態(tài)釋放能量轉(zhuǎn)化的非線性動力學(xué)過程。

綜上所述，可以看出這些沖擊地壓發(fā)生機(jī)理是相互關(guān)聯(lián)的，都是對能量理論、強(qiáng)度理論、剛度理論、沖擊傾向性理論的深度融合與發(fā)展?！叭蛩亍崩碚撌菦_擊傾向理論和能量理論的綜合，從3個主要因素解釋沖擊發(fā)生機(jī)理；沖擊啟動理論是能量理論的細(xì)化，解釋沖擊地壓發(fā)生過程和能量條件，擾動失穩(wěn)理論是剛度理論和能量理論的發(fā)展，確立了擾動響應(yīng)能量準(zhǔn)則和極值點(diǎn)準(zhǔn)則，解釋了壓縮失穩(wěn)、拉伸失穩(wěn)、剪切失穩(wěn)現(xiàn)象。動靜載疊加誘沖機(jī)理是能量理論、剛度理論、強(qiáng)度理論、沖擊傾向性的融合和發(fā)展，細(xì)化了沖擊地壓的類型。隨著沖擊地壓研究的不斷深入，沖擊地壓發(fā)生過程逐漸清晰，發(fā)生條件或準(zhǔn)則不斷細(xì)化與明確。

3 沖擊地壓預(yù)測預(yù)警研究現(xiàn)狀

沖擊地壓的預(yù)測預(yù)警是沖擊地壓防治的基礎(chǔ)，是指導(dǎo)各類防治措施的實(shí)施準(zhǔn)則。經(jīng)過國內(nèi)諸多學(xué)者的共同努力，初步建立了區(qū)域與局部相結(jié)合的沖擊地壓預(yù)測、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了沖擊危險分區(qū)分級預(yù)測預(yù)警(圖3)。

圖3 沖擊危險分區(qū)分級預(yù)測預(yù)警Fig.3 Classified prediction and warning of rock burst hazard zones

3.1 沖擊危險靜態(tài)預(yù)測方法

在沖擊地壓煤層開采前，利用地質(zhì)、開采、巷道設(shè)計、煤巖體性質(zhì)等靜態(tài)的預(yù)測方法辨識沖擊危險區(qū)域。其中具有代表性的方法包括基于采礦與地質(zhì)因素的綜合指數(shù)法、以采動應(yīng)力和煤層沖擊傾向性為主要指標(biāo)的可能性指數(shù)診斷法、以斷裂構(gòu)造形式與煤巖特性等為主要判據(jù)的地質(zhì)動力區(qū)劃法、基于數(shù)量化理論的評價方法、多種影響因素區(qū)域疊加的多因素耦合法(圖1)。其中綜合指數(shù)法是《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》中明確優(yōu)先采用的預(yù)測方法。

沖擊危險預(yù)測方法廣泛應(yīng)用于礦井設(shè)計和開拓準(zhǔn)備階段的沖擊危險早期評估，對沖擊地壓危險區(qū)域的預(yù)卸壓和安全采掘起到了積極指導(dǎo)作用，但均是非定量化沖擊危險評價方法，評價結(jié)果受人為因素影響大，而且未考慮時間效應(yīng)，不適用于生產(chǎn)階段的沖擊危險實(shí)時動態(tài)預(yù)警。

3.2 沖擊危險動態(tài)預(yù)警方法

隨著沖擊地壓防治問題突顯，受到國家和煤炭企業(yè)的關(guān)注，沖擊危險監(jiān)測方法從最初的礦壓監(jiān)測和鉆屑監(jiān)測，進(jìn)一步發(fā)展到采動應(yīng)力監(jiān)測、微震監(jiān)測、地音監(jiān)測、電磁輻射監(jiān)測等應(yīng)力場、震動場監(jiān)測(圖1)，實(shí)現(xiàn)了沖擊危險多維空間、多源信息的系統(tǒng)化綜合監(jiān)測。

井下煤炭開采采場內(nèi)沖擊危險監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)如圖4所示，沖擊地壓動態(tài)監(jiān)測預(yù)警方法按空間范圍可分為點(diǎn)監(jiān)測、局部監(jiān)測和區(qū)域監(jiān)測3個層級。

圖4 采場區(qū)域沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.4 Layout of rock burst monitoring system in stope area

點(diǎn)監(jiān)測中代表性的方法有鉆屑法和應(yīng)力監(jiān)測法，2種方法能夠直觀反映煤巖體的應(yīng)力水平，區(qū)域靜載應(yīng)力集中區(qū)，但其只能在巷道附近進(jìn)行監(jiān)測，空間預(yù)警范圍有限，且在監(jiān)測位置選擇上依賴于對沖擊危險區(qū)域的理論和經(jīng)驗(yàn)預(yù)判。

局部監(jiān)測中代表性的方法有電磁輻射法、地音監(jiān)測法和電荷感應(yīng)法等。這些方法可持續(xù)監(jiān)測煤巖體內(nèi)微小破裂產(chǎn)生的聲-電信息，探測范圍為工作面尺度，且只能繪制局部區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計參量的變化趨勢，也存在監(jiān)測范圍小，無法整體上、高分辨率預(yù)警區(qū)域內(nèi)沖擊危險分布的弊端。在實(shí)際應(yīng)用的過程中易受到采掘活動或電氣設(shè)備干擾，預(yù)警臨界值難以確定且不能動態(tài)更新，預(yù)警效果不佳。

區(qū)域監(jiān)測主要采用覆蓋整個礦井采掘區(qū)域的微震監(jiān)測法。微震監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在巷道的檢波器連續(xù)分區(qū)域記錄震動信號。微震監(jiān)測系統(tǒng)的檢波器可有效監(jiān)測500 m范圍內(nèi)頻率小于100 Hz、能量大于10J的震動信號，監(jiān)測范圍廣，可實(shí)時給出礦震的多種信息，而且其安裝工藝簡單，具有不損傷煤巖體、勞動強(qiáng)度小等特點(diǎn)。因此，微震法是用于大范圍判識沖擊危險分布的最可靠方法，廣泛應(yīng)用于礦井沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警。

在微震時序預(yù)警方面，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多沖擊地壓前兆指標(biāo)，如礦震頻次、礦震能量、值、缺震、斷層總面積、震源集中度等，并開展了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了一定的預(yù)警效果。但沖擊地壓具有非線性、模糊性以及不確定性，單一指標(biāo)難以準(zhǔn)確識別沖擊破壞前兆信息，因此提出了多前兆指標(biāo)聯(lián)合辨識方法，如支持向量機(jī)(SVM)、模糊綜合評價法等，此類方法綜合考慮了多種前兆信息，增強(qiáng)了沖擊危險的識別能力。

在微震空間預(yù)警方面，通過深度挖掘微震信息研發(fā)了基于應(yīng)力-波速冪函數(shù)關(guān)系的震動波CT反演預(yù)警技術(shù)和基于應(yīng)力-能量-物理量耦合關(guān)系的沖擊變形能預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大范圍高分辨率的探測沖擊危險；通過融合自然震源(被動源)與人工震源(主動源)反演技術(shù)的優(yōu)勢，研發(fā)了雙源震動波一體化CT技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域應(yīng)力場高精度快速反演。研究成果在華能集團(tuán)、山東能源集團(tuán)、陜西煤業(yè)化工集團(tuán)等大型煤炭企業(yè)成功應(yīng)用，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，提升了所屬礦井沖擊地壓防控能力。

圖5為河南某礦工作面不同階段開采時區(qū)域內(nèi)震動波波速反演結(jié)果，并將上月波速反演結(jié)果與未來一個月內(nèi)發(fā)生的礦震進(jìn)行對照疊加?？梢钥闯?，隨工作面回采，區(qū)域內(nèi)高波速區(qū)與礦震均隨之不斷轉(zhuǎn)移，且后期礦震尤其大能量礦震發(fā)生位置與反演確定的高波速區(qū)或梯度變化區(qū)較吻合，現(xiàn)場結(jié)果進(jìn)一步說明了沖擊危險震動波CT反演結(jié)果的可靠性。

圖5 河南某礦工作面震動波CT連續(xù)反演結(jié)果[80]Fig.5 Successive tomography results for velocity distribution in a longwall face in Henan Province[80]

圖6和圖7分別為沖擊變形能時序預(yù)警曲線和空間預(yù)警云圖，可以看出，沖擊事件及大部分強(qiáng)礦震發(fā)生前，均提前顯示出了強(qiáng)危險預(yù)警等級，同時空間預(yù)警指標(biāo)值明顯指示出了沖擊區(qū)域的低損傷高應(yīng)力異常。

3.3 沖擊危險信息融合動態(tài)評價方法

礦井地質(zhì)與開采技術(shù)條件復(fù)雜、采掘空間不斷移動、動靜態(tài)應(yīng)力場交織疊加，從而準(zhǔn)確把握沖擊地壓災(zāi)害的復(fù)雜過程是對其進(jìn)行可靠預(yù)警與防治的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的單指標(biāo)或相互獨(dú)立的多項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測，只能反映災(zāi)害演化過程的單一特征或離散特征，不能準(zhǔn)確反映災(zāi)害孕育的整體動態(tài)特征。因此，多參量綜合監(jiān)測預(yù)警是沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警的必然趨勢。

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“煤礦典型動力災(zāi)害風(fēng)險判識及監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究”根據(jù)動靜載疊加誘沖機(jī)理和長期跟蹤監(jiān)測預(yù)警沖擊危險情況，總結(jié)了分別適用于煤柱型、褶曲型、頂板型、斷層型沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系(圖8)，進(jìn)一步認(rèn)為沖擊地壓的發(fā)生是應(yīng)力場、震動場、能量場共同作用的結(jié)果(圖9)，監(jiān)測預(yù)警也應(yīng)從3個方面同時進(jìn)行。基于此認(rèn)識提出了“應(yīng)力-震動-能量”三場耦合監(jiān)測體系(圖10)和“應(yīng)力-震動-能量”三場融合的多參量綜合預(yù)警技術(shù)。

圖6 沖擊變形能時序預(yù)警[79]Fig.6 Time series warning of bursting strain energy[79]

圖7 沖擊變形能空間預(yù)警[79]Fig.7 Spatial warning of bursting strain energy[79]

圖8 沖擊地壓類型監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系[81]Fig.8 Monitoring and warning index system of rock burst type[81]

為了進(jìn)一步提高沖擊地壓礦井沖擊危險預(yù)警效能，助力煤礦自動化和智能化建設(shè)，利用大數(shù)據(jù)和云平臺技術(shù)，開發(fā)了沖擊地壓風(fēng)險判識與多參量監(jiān)測預(yù)警云平臺(圖12)。實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)、局部、單參量監(jiān)測至區(qū)域多場多參量綜合預(yù)警的轉(zhuǎn)變；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化與防治措施信息化的融合，將現(xiàn)場監(jiān)測、防治信息通過“一張圖”的形式實(shí)時預(yù)警,在預(yù)警沖擊危險性的同時指導(dǎo)現(xiàn)場對高危區(qū)域加強(qiáng)卸壓解危，同時根據(jù)解危效果反饋預(yù)警信息準(zhǔn)確性,做到了監(jiān)防互饋。該平臺在江蘇張雙樓煤礦、山東古城煤礦、內(nèi)蒙古門克慶煤礦等20余座礦井成功運(yùn)用。

圖9 “應(yīng)力-震動-能量”三場耦合沖擊顯現(xiàn)過程Fig.9 “Stress-vibration-energy”three-field coupling impact process

圖10 沖擊危險“應(yīng)力-震動-能量”三場耦合監(jiān)測體系[81]Fig.10 “Stress-vibration-energy”three-field coupling monitoring for shock hazard system[81]

圖11 “應(yīng)力場-震動場-能量場”多參量預(yù)警流程Fig.11 “Stress-vibration-energy field”multi-parameter early warning process

圖12 沖擊地壓多參量監(jiān)測預(yù)警云臺Fig.12 Multi-parameter monitoring and early warning platform of rock burst

4 沖擊地壓防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國沖擊地壓防治理論與技術(shù)起步較晚且發(fā)展緩慢。2005年，竇林名首先提出強(qiáng)度弱化減沖防治理論，認(rèn)為松散煤巖體可降低煤巖體的強(qiáng)度和沖擊傾向性，從而降低沖擊危險，其次煤巖體強(qiáng)度弱化后，應(yīng)力峰值區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，且應(yīng)力集中程度降低；采取減沖措施后，煤巖體內(nèi)能量聚集程度降低、礦震動載釋放的能量減小，從而降低沖擊危險性和發(fā)生沖擊的強(qiáng)度。2011年齊慶新等基于深孔斷頂爆破技術(shù)提出了應(yīng)力控制理論，認(rèn)為采動應(yīng)力的控制是防治沖擊地壓的重要手段。2011年7月，于正興等基于歐拉小撓度頂?shù)装鍓簵U穩(wěn)定模型提出了應(yīng)力三向化理論，認(rèn)為煤層鉆孔卸壓促使煤層支承壓力的峰值位置沿水平方向向煤體深部轉(zhuǎn)移；煤層支承壓力峰值位置的深部轉(zhuǎn)移造成頂?shù)装鍘r層水平應(yīng)力的提高;斷頂、斷底卸壓后，頂?shù)装逅綉?yīng)力的峰值位置沿豎直方向頂?shù)装迳畈哭D(zhuǎn)移。

隨著改革開放和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，沖擊地壓防治技術(shù)和裝備均得到進(jìn)一步發(fā)展。防治技術(shù)方面，已經(jīng)初步建立了區(qū)域防范、局部解危相結(jié)合的沖擊地壓防治技術(shù)體系和“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)、分區(qū)管理、分類防治”的防治原則。區(qū)域防范方法是通過保護(hù)層開采、厚煤層錯層布置、優(yōu)化采掘布置及開采順序等技術(shù)方案，預(yù)先在礦井規(guī)劃設(shè)計階段進(jìn)行區(qū)域大范圍降(卸)壓或避免形成應(yīng)力疊加區(qū)域。局部卸壓解危技術(shù)主要通過鉆孔、壓裂、注水、爆破等手段向深部驅(qū)趕應(yīng)力峰值或降低動載擾動，是直接改變承壓介質(zhì)屬性的方法，防治效果局限在巷幫或采場周邊。沖擊地壓防治裝備上，研發(fā)了超大轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)程控制自動化鉆機(jī)、液體炸藥等，提升了防治效率。目前國內(nèi)沖擊地壓礦井均已根據(jù)自身沖擊地壓防治工作的要點(diǎn)，選擇了相應(yīng)的沖擊地壓防治措施，并將其列入礦井沖擊地壓防治體系(圖13)。

圖13 沖擊地壓防治理論與技術(shù)體系Fig.13 Theory and technical system of rock burst prevention

4.1 區(qū)域防范方法

區(qū)域防范方法是在礦井設(shè)計和生產(chǎn)規(guī)劃階段提出的沖擊地壓防治方法，是根本上解決沖擊地壓難題的關(guān)鍵手段。做好區(qū)域防范工作可提升礦井沖擊地壓防控能力，大大降低沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生概率，減小企業(yè)局部卸壓解危安全成本投入。

..煤層合理開拓或開采布置

合理的開拓布置和開采方式通過調(diào)整煤層或工作面開采順序、巷道及硐室設(shè)計和煤柱留設(shè)等方式降低未來采掘區(qū)域應(yīng)力集中和疊加，破壞沖擊的孕育環(huán)境，有效降低實(shí)施局部解危措施成本，是防治沖擊地壓的根本性措施。

如圖14所示，陜西某強(qiáng)沖擊地壓礦井，埋深超過600 m，具有“斷層-褶皺”復(fù)合構(gòu)造發(fā)育和地應(yīng)力水平高特征。其中央大巷布置在主采煤層，且穿過“斷層-褶皺”復(fù)合構(gòu)造區(qū)，地應(yīng)力達(dá)43.8 MPa。在巷道掘進(jìn)和使用期間，曾發(fā)生過3次沖擊顯現(xiàn)。分析認(rèn)為顯現(xiàn)原因?yàn)椋孩?開拓巷道布置在具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層；② 穿過“斷層-褶皺”復(fù)合構(gòu)造區(qū)，應(yīng)力集中程度高；③ 大巷距首采工作面200 m，回采期間產(chǎn)生動載擾動。

圖14 陜西某礦采掘工程平面Fig.14 Mining engineering plan of a mine in Shaanxi

該煤礦對中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)先后采取了頂板定向深孔水力壓裂、頂板及煤層爆破、大直徑卸壓鉆孔等局部卸壓措施，但卸壓效果不佳，最終將復(fù)合構(gòu)造區(qū)的大巷從煤層逐步調(diào)整至頂板巖層中，從根本上解決了中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓問題。

..保護(hù)層開采

保護(hù)層開采通過開采較弱的沖擊危險煤層，形成具有“降壓、減震、吸能”作用的垮落覆巖結(jié)構(gòu)，從而消除或降低鄰近煤層的沖擊危險。保護(hù)層開采是一種有效的、帶有根本性的降低沖擊危險性的區(qū)域卸壓方案，也是最有效的防治沖擊地壓戰(zhàn)略性措施。

如圖15所示，內(nèi)蒙古某礦開采2-2煤保護(hù)層后，下伏3-1煤層應(yīng)力明顯降低，且上覆巖層破壞范圍擴(kuò)大，高位堅(jiān)硬巖層破斷產(chǎn)生的強(qiáng)礦震被有效吸收。因此開采2-2煤保護(hù)層具有明顯降壓、減震、吸能作用。

圖15 開采保護(hù)層應(yīng)力分布Fig.15 Stress distribution law of protective layer in mining

..厚煤層臨空巷道錯層布置(負(fù)煤柱)

厚煤層采用分層開采時，受上分層的覆巖彎曲破壞影響承載位置向臨空側(cè)移動，下分層臨空回采巷道承受的靜載增加，同時上分層覆巖運(yùn)動未完全穩(wěn)定，下分層臨空回采巷道動載擾動最為強(qiáng)烈。因此，下分層臨空回采巷道沖擊破壞可能性增加。將下分層工作面的臨空巷道布置在上分層開采形成的采空區(qū)下方，可同時降低臨空回采巷道靜載荷和動載擾動，從而降低下分層臨空巷道的沖擊危險和卸壓解危措施工程量。

圖16 厚煤層臨空巷道錯層布置示意Fig.16 Thick coal seam roadway cross layer layout schematic diagram

如圖17所示，河南某礦主采煤層為2-1煤層，煤厚7.4～13.5 m，平均厚11.6 m，采用分層綜放采煤工藝，采高2.6 m，采放比為1∶3。該礦25采區(qū)回采過程中，工作面臨空巷道曾發(fā)生多次沖擊顯現(xiàn)，因此25110工作面探索采用臨空巷道錯層布置，即將回風(fēng)巷布置在25090采空區(qū)下方。錯層布置后臨空巷道礦震分布明顯較實(shí)體煤巷道稀疏，且最大能量也遠(yuǎn)低于實(shí)體煤巷道。

圖17 河南某礦25110工作面布置及礦震分布Fig.17 25110 working face layout and mine tremors distribution of one mine in Henan Province

..控制回采速度

堅(jiān)硬頂板破斷釋放的彈性能是沖擊地壓的主要能量源之一，隨著工作面回采速度加快，礦震數(shù)量及釋放的能量增高，沖擊危險性增加?；夭伤俣葘Ω矌r結(jié)構(gòu)影響機(jī)制如圖18所示，隨著回采速度加快，懸臂端載荷減小、懸臂端長度增加、應(yīng)力峰值增量增大、應(yīng)力峰值位置距煤壁的距離減小、增壓載荷影響范圍減小。如圖19所示，陜西某礦402103工作面隨著回采速度的增加，頂板覆巖破斷產(chǎn)生的大能量礦震頻次和總能量先平緩后陡然增加，工作面回采速度應(yīng)控制在臨界值4 m/d以下。

4.2 局部卸壓解危方法

沖擊地壓具有不同區(qū)域不同沖擊類型、沖擊動靜載力源、能量釋放主體等方面的差異，局部防沖技術(shù)措施可分為控制儲能條件的煤層卸壓減沖措施、控制頂板能量突然釋放與加載的降動載減沖技術(shù)和改善底板應(yīng)力環(huán)境與支承能力的底板疏導(dǎo)方法。如圖20所示，各類卸壓解危措施作用范圍有限，主要目的是降低巷道周邊煤巖體應(yīng)力水平、營造“破裂圈”和消弱強(qiáng)動載，破壞沖擊發(fā)生孕災(zāi)及災(zāi)變條件。

圖18 開采速度對砌體梁結(jié)構(gòu)及支承壓力的影響Fig.18 Influence of mining speed on masonry beam structure and bearing pressure

圖19 陜西某礦402103工作面礦震能量與回采速度統(tǒng)計Fig.19 Statistical curve of mine tremors’ energy and mining speed in 402103 working face of a mine in Shaanxi Province

圖20 局部解危措施示意Fig.20 Schematic diagram of local hazard relief measures

(1)煤層卸壓減沖技術(shù)。煤層卸壓減沖措施一般包括鉆孔卸壓、煤體爆破、煤體注水軟化等。其中大直徑鉆孔卸壓技術(shù)具有操作簡單、施工成本低、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于全國沖擊地壓礦井。煤體爆破技術(shù)可充分消除或大幅降低局部區(qū)域的沖擊危險性，但不適用于煤體孔隙率低、瓦斯含量高等不宜爆破的情況，同時可能損壞支護(hù)系統(tǒng)和誘發(fā)沖擊地壓，因此不適宜大規(guī)模使用。注水軟化技術(shù)和高壓水射流技術(shù)分別從改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)和人工制造卸壓空間途徑破壞沖擊地壓的能量條件和強(qiáng)度條件煤體沖擊危險性，實(shí)現(xiàn)煤體大面積卸壓。

(2)頂板卸壓解危技術(shù)。堅(jiān)硬頂板破斷和滑移是誘發(fā)沖擊的重要因素，根據(jù)上覆堅(jiān)硬巖層距采場距離由近及遠(yuǎn)依次可采用爆破、水力致裂和地面壓裂技術(shù)，將具有強(qiáng)儲能的巖層提前破斷，降低整體性，釋放聚集的能量，減少對煤層和支架的沖擊震動。其中水力致裂和地面壓裂技術(shù)在中高位巖層鉆孔(井)中預(yù)制定向裂縫，在較短的時間內(nèi)采用高壓水將頂板巖體沿預(yù)先切割的定向裂縫破裂分解巖體。水力致裂技術(shù)致裂半徑可達(dá)6～10 m，甚至30 m。水力致裂方法相比爆破法簡單有效，可大面積改變距煤層較遠(yuǎn)的堅(jiān)硬關(guān)鍵層的巖體固有物理屬性，同時使堅(jiān)硬巖層分層或切斷，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移釋放，控制了沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件和能量條件。

(3)底板卸壓解危技術(shù)。為了防止底板型沖擊地壓，采用斷底爆破、底板開槽等方法破壞底板結(jié)構(gòu)，切斷底板與煤體、頂板應(yīng)力傳遞的通道，進(jìn)一步控制底板變形，并及時釋放存儲的彈性能，降低沖擊危險性。

綜上，局部卸壓解危方法分別通過制造變形空間、釋放彈性能和改變煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)降低煤巖體應(yīng)力集中程度，但其卸壓范圍有限，無法從根本上消除應(yīng)力集中。因此，卸壓解危區(qū)域經(jīng)常因應(yīng)力轉(zhuǎn)移，短時間內(nèi)再次形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致卸壓時效性和效果降低。

如圖21所示，某礦3108工作面回采過程中回撤通道局部應(yīng)力集中，巷道變形量增大。礦方采用震動波CT探測圈定強(qiáng)沖擊危險區(qū)，并實(shí)施頂板爆破卸壓。卸壓解危后應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，沖擊危險性降低。此例說明頂板解危卸壓誘發(fā)了頂板能量釋放，降低其應(yīng)力水平和沖擊危險性，但不能完全消除頂板積聚的能量和沖擊危險性。

圖21 某礦回撤通道震動波CT探測結(jié)果Fig.21 CT detection results of vibration wave of retracement in a mine

5 沖擊地壓支護(hù)與防護(hù)現(xiàn)狀

5.1 沖擊地壓巷道支護(hù)技術(shù)

巷道支護(hù)是沖擊地壓防治的重點(diǎn)內(nèi)容，也是保障安全生產(chǎn)的重要屏障?！斗乐蚊旱V沖擊地壓細(xì)則》第八十條、《關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》(煤安監(jiān)技裝〔2019〕21號)中明確指出，沖擊危險區(qū)域的巷道必須采取加強(qiáng)支護(hù)措施，采煤工作面安全出口和巷道連接處超前支護(hù)范圍不得小于70 m，綜放工作面或具有中等及以上沖擊危險的工作面超前支護(hù)范圍不得小于120 m，超前支護(hù)優(yōu)先采用液壓支架。

我國沖擊地壓巷道支護(hù)技術(shù)從提升錨桿力學(xué)屬性及結(jié)構(gòu)、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、聯(lián)合或復(fù)合支護(hù)等方面提升支護(hù)強(qiáng)度和剛度來保證巷道圍巖穩(wěn)定階段，逐步發(fā)展到具備抵抗強(qiáng)動載擾動的主動和被動支護(hù)相結(jié)合、剛?cè)狁詈系奈軓?qiáng)力支護(hù)階段。

國內(nèi)學(xué)者經(jīng)過長期研究，形成了巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)效應(yīng)與具備主動讓壓功能的高強(qiáng)支護(hù)理論、剛?cè)狁詈峡焖傥茏屛环罌_支護(hù)理論、“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控理論、等強(qiáng)支護(hù)控制理論、三級吸能沖擊支護(hù)理論。如圖22所示，三級支護(hù)理論體系具體指：① 一級支護(hù)。錨桿索支護(hù)，可抵抗10J動載；② 二級支護(hù)。“錨桿+O型棚”聯(lián)合支護(hù)，可緩沖10J動載；③ 三級支護(hù)?！板^桿+O型棚支護(hù)+液壓支架”，可消耗10J能量。三級支護(hù)理論在老虎臺煤礦、耿村煤礦成功應(yīng)用，在強(qiáng)沖擊條件下巷道未發(fā)生明顯破壞。

圖22 三級支護(hù)原理Fig.22 Principle of three-level support diagram

在完善沖擊地壓巷道支護(hù)理論的同時也研制了強(qiáng)吸能支護(hù)裝備。如恒阻大變形錨桿(NPR錨桿)、大變形錨桿、超高強(qiáng)度、高沖擊韌性錨桿(CRMG700錨桿)等吸能錨桿和具備吸能構(gòu)件或吸能緩沖裝置的系列防沖吸能支架(柱)。部分吸能支架及設(shè)備如圖23所示。

圖23 超前支護(hù)防沖支架Fig.23 Anti-scour support of advanced supporting

5.2 智能限員技術(shù)

沖擊地壓災(zāi)害具有難預(yù)知性、瞬時性和強(qiáng)破壞性，因此在落實(shí)各項(xiàng)沖擊地壓監(jiān)測、預(yù)警、防治措施外，還應(yīng)加強(qiáng)井下人員沖擊地壓防治意識、健全沖擊地壓防護(hù)體系。《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》等文件中明確指出，礦井要嚴(yán)格落實(shí)沖擊危險區(qū)域人員準(zhǔn)入制度，嚴(yán)格控制進(jìn)入時間、區(qū)域和人數(shù)，對不同沖擊危險區(qū)域?qū)嵭胁煌娜藛T安全管理措施。同時規(guī)定人員進(jìn)入強(qiáng)沖擊危險區(qū)域必須穿戴防沖服等特殊個體防護(hù)裝備。

以往沖擊地壓礦井針對限員管理的解決辦法有3種：① 在沖擊危險區(qū)域的安全范圍之外設(shè)置限員牌板，人員進(jìn)入時領(lǐng)取號牌并登記，離開時交回并登記；② 在出入口設(shè)置刷卡機(jī)，進(jìn)入和離開時及時刷卡；③ 利用紅外監(jiān)測技術(shù)，自動計算沖擊危險區(qū)域內(nèi)人員數(shù)量。以上方法依靠現(xiàn)場作業(yè)人員自覺執(zhí)行，難以監(jiān)管。隨著我國計算機(jī)與信息技術(shù)的快速發(fā)展和煤礦智能化建設(shè)需要，沖擊地壓礦井應(yīng)用智能識別技術(shù)逐步建立了智能化人員監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)支持危險區(qū)域電子圍欄和危險區(qū)域智能人員監(jiān)管等功能，實(shí)現(xiàn)了智能識別進(jìn)入人員、實(shí)時人數(shù)統(tǒng)計、人員超限自動報警。

圖24 智能限員監(jiān)控技術(shù)Fig.24 Intelligent personnel limit monitoring technology

6 沖擊災(zāi)害防治主要難題

6.1 礦震與沖擊地壓辨識

沖擊地壓的發(fā)生往往伴有礦震產(chǎn)生，容易被誤解為兩者相等，使得礦震成為敏感話題甚至引起社會恐慌。實(shí)則并不是所有礦震都具有危險致災(zāi)性，如2021年內(nèi)蒙古石拉烏素煤礦和紅慶河煤礦、山東滕東煤礦、陜西神木礦區(qū)等區(qū)域都曾發(fā)生過強(qiáng)礦震(最大震級3.0級)，井下巷道無明顯破壞、無人員傷亡和設(shè)備損壞。

圖25 礦震與沖擊地壓Fig.25 Mine tremors and rock burst

礦震是煤炭開采必然現(xiàn)象，一般不具備致災(zāi)性，僅有極少數(shù)礦震會引發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等礦震災(zāi)害。但客觀、合理評價礦震與礦震災(zāi)害的相關(guān)性(圖25)仍存在諸多問題需要深入研究：① 礦震的科學(xué)分類與致災(zāi)分類；② 礦震能量釋放傳遞規(guī)律及對井上下空間的破壞作用機(jī)制；③ 礦震孕育—觸發(fā)—致災(zāi)的前兆信息產(chǎn)生機(jī)理及演化模式；④ 礦震井上下聯(lián)合高精度定位與震源信息全方位成像；⑤ 遠(yuǎn)場礦震源的井上下遠(yuǎn)距離、長時效干預(yù)減災(zāi)治理。

6.2 沖擊地壓地質(zhì)透明化保障

礦井透明地質(zhì)條件是沖擊地壓防治的重要基礎(chǔ)，明晰的地質(zhì)環(huán)境有助于掌握煤炭開采過程中采掘區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變場、地質(zhì)地球物理場等變化特征，有力推動沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的精細(xì)化研究，大幅提升褶曲、斷層等大型地質(zhì)構(gòu)造體沖擊危險源綜合治理效果。目前大多數(shù)礦井所構(gòu)建的三維地質(zhì)模型，僅是不同精度和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的鉆探及地震勘探資料的人工疊加，精度和分辨率上并未有明顯提高。因此采場應(yīng)力高精度探查和地質(zhì)透明化技術(shù)還有待研究，其中涉及到諸多關(guān)鍵技術(shù)，可以概括為：① 大范圍、高精度智能鉆探與物探技術(shù)與裝備；② 地質(zhì)數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、災(zāi)變監(jiān)測數(shù)據(jù)等多源信息融合感知與地質(zhì)模型動態(tài)重構(gòu)技術(shù)；③ 智能識別地質(zhì)異常體及應(yīng)力特征區(qū)劃技術(shù)；④ 地質(zhì)空間的全方位動態(tài)可視化技術(shù)。

6.3 沖擊危險定量智能預(yù)測預(yù)警

廣泛使用的綜合指數(shù)法、多因素耦合分析法等沖擊危險性預(yù)測方法，未能全面考慮沖擊地壓災(zāi)害的影響因素、多因素耦合和演化過程等，是地質(zhì)、開采技術(shù)等因素融合的定性或半定量化評價方法，難以實(shí)現(xiàn)定量精準(zhǔn)預(yù)測。同時沖擊危險動態(tài)預(yù)警的基礎(chǔ)是煤炭開采過程中采場應(yīng)力場、能量場、震動場的響應(yīng)特征，沖擊危險前兆信息的辨識規(guī)則和閾值是對歷史沖擊現(xiàn)象的定性或數(shù)量化總結(jié)，缺乏可靠的理論支撐。因此亟待研究基于理論與動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動的沖擊地壓風(fēng)險全時空辨識及定量化評價模型與沖擊危險智能精準(zhǔn)識別方法(圖26)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力定量分析與監(jiān)測數(shù)據(jù)、采掘設(shè)計、防治措施等多因素耦合疊加，實(shí)時動態(tài)預(yù)測沖擊危險區(qū)域及其危險等級。

圖26 基于多因素耦合的沖擊危險定量化預(yù)測Fig.26 Quantitative prediction of rock burst risk based on multi-factor coupling method

6.4 沖擊地壓礦井產(chǎn)能核定安全系數(shù)確定

2015年，《國家安全監(jiān)管總局國家煤礦安監(jiān)局國家發(fā)展改革委國家能源局關(guān)于開展災(zāi)害嚴(yán)重煤礦生產(chǎn)能力核定工作的通知》中規(guī)定具有強(qiáng)、中、弱沖擊危險的沖擊地壓礦井核定產(chǎn)能時安全系數(shù)應(yīng)分別取0.70，0.75，0.80，沖擊地壓與高瓦斯等災(zāi)害疊加要取0.70?！睹旱V安全規(guī)程》和《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》頒布后，提出按照沖擊地壓危險等級及災(zāi)害防治需要布置采掘工作面，并合理確定工作面的推進(jìn)速度。如何根據(jù)礦井年度開采計劃及沖擊危險等級評定分析等因素，合理確定沖擊地壓礦井安全系數(shù)的計算方法迫在眉睫。

6.5 沖擊地壓監(jiān)測精度提升

我國沖擊危險監(jiān)測已實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)-局部-區(qū)域”全方位覆蓋的布局，但在探測精度和可靠性方面存在一些問題，監(jiān)測數(shù)據(jù)一致性差，在數(shù)據(jù)分析過程中經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)論相互矛盾的情況。因此，監(jiān)測精度低制約了沖擊地壓防治研究的精細(xì)化發(fā)展。

沖擊地壓礦井常用的沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警裝備包括應(yīng)力實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)2類。2種裝備對沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)報發(fā)揮了重要作用，同時現(xiàn)場應(yīng)用表明目前監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也存在諸多問題和不足。微震監(jiān)測雖可實(shí)現(xiàn)平面大范圍區(qū)域監(jiān)測，但受井下巷道布置限制，無法形成空間包圍布置，導(dǎo)致垂直定位誤差常大于50 m，難以準(zhǔn)確判斷覆巖(關(guān)鍵層)運(yùn)動與礦震的相關(guān)性，存在“震源找不準(zhǔn)、災(zāi)害控不住”難題。同樣應(yīng)力監(jiān)測受孔徑、安裝技術(shù)等因素影響，導(dǎo)致應(yīng)力在線探頭敏感性及沖擊地壓預(yù)警效能不高。因此如何提高微震和應(yīng)力監(jiān)測的精度，是進(jìn)一步提高沖擊地壓危險監(jiān)測預(yù)警水平的關(guān)鍵。華亭、鄂爾多斯等礦區(qū)積極開展井地聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)研究，擬通過井上下聯(lián)合監(jiān)測提高垂向微震定位精度，但井下拾震器和地面臺站布置設(shè)計原理、礦井速度模型確立和動態(tài)調(diào)整方法、高精度井地聯(lián)合定位算法等有待深入研究。

6.6 沖擊地壓安全精準(zhǔn)防控

隨著我國煤炭資源開采深度和開采強(qiáng)度的增加，地質(zhì)條件、煤巖體性質(zhì)、開采布局等也愈加復(fù)雜，隨之而來的局部高應(yīng)力集中和強(qiáng)礦震現(xiàn)象也愈加普遍。

圖27 井地聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)示意Fig.27 Schematic diagram of well-ground joint monitoring technology

煤巖高應(yīng)力狀態(tài)是沖擊地壓發(fā)生的必要條件，當(dāng)前主要實(shí)施以鉆孔為基礎(chǔ)的大直徑鉆孔、爆破等措施，釋放存儲的彈性能，降低區(qū)域沖擊危險性。但在鉆進(jìn)過程中可能誘發(fā)沖擊地壓，且需要防沖人員直接暴露在高危環(huán)境中操作鉆機(jī)，威脅人員生命安全。研制防沖鉆孔機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)卸壓解危作業(yè)無人化是根本解決防沖施工安全問題的方法。亟待結(jié)合智能機(jī)器人技術(shù)研究鉆機(jī)平臺自主移動與遠(yuǎn)程交互控制、鉆孔自動定位、鉆進(jìn)方位自動糾正、應(yīng)力智能感知等關(guān)鍵科學(xué)問題。

強(qiáng)礦震(動載)是沖擊地壓發(fā)生的誘發(fā)條件，強(qiáng)礦震的顯現(xiàn)引起了當(dāng)?shù)卣途用竦膿?dān)憂和恐慌，不利于高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)和發(fā)展。礦震的機(jī)理以及控制因素尚未明確，尤其對深部開采的巨厚堅(jiān)硬頂板條件下、高位礦震孕育與演化機(jī)理缺乏了解，且沖擊地壓解危治理以井下近場危險源防控為主，防控范圍小，存在高位遠(yuǎn)場沖擊危險源精準(zhǔn)防控的裝備短板和技術(shù)空白(圖28)。陜西孟村煤礦、山東東灘煤礦等少數(shù)煤礦開展地面水力壓裂工業(yè)性試驗(yàn)，擬通過增加地層非均質(zhì)性調(diào)整局部應(yīng)力變化，減小堅(jiān)硬巖層破斷釋放的能量，降低破斷誘沖致災(zāi)的可能，但缺乏防控原理與參數(shù)設(shè)計理論依據(jù)，防治效果難以保障。高位厚硬頂板破斷誘沖機(jī)理、水力壓裂縫擴(kuò)展形態(tài)與地層應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律、地層壓裂位置和范圍的確定方法，壓裂工藝的選擇原則、壓裂監(jiān)測與防治效果評價方法等亟待研究。

圖28 高位厚硬頂板水力壓裂示意Fig.28 Hydraulic fracturing diagram of high thick-hard roof

6.7 區(qū)域應(yīng)力場精準(zhǔn)調(diào)控

煤系地層普遍存在斷層、褶曲等地質(zhì)異常體，形成高應(yīng)力集中分布的區(qū)域應(yīng)力場，為沖擊地壓等動力災(zāi)害提供良好的孕育環(huán)境，附近采掘工程活動均具有較高沖擊風(fēng)險。為了降低區(qū)域應(yīng)力場誘發(fā)沖擊地壓的可能性，一般采用加強(qiáng)卸壓工程實(shí)施范圍和強(qiáng)度等方法降低沖擊危險狀態(tài)。此類防治方法缺乏相應(yīng)的理論支撐，卸壓效果和時效性差。

在區(qū)域地質(zhì)形態(tài)與應(yīng)力分布關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析沖擊地壓與區(qū)域應(yīng)力分布特征參數(shù)的相關(guān)性及其應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律，根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)分類研究區(qū)域應(yīng)力場分布與采動應(yīng)力耦合致災(zāi)機(jī)制，進(jìn)而建立不同類型區(qū)域應(yīng)力場調(diào)控理論，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域應(yīng)力場高效防控亟待解決的重要問題。

6.8 沖擊地壓巷道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化

沖擊地壓能否發(fā)生與巷道支護(hù)形式及能力密切相關(guān)，合理的防沖支護(hù)可提升巷道抗沖能力，降低礦震動載誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的風(fēng)險，減少沖擊破壞，保障井下人員安全。由于沖擊地壓發(fā)生的復(fù)雜性及巷道圍巖結(jié)構(gòu)的多樣性，暫未建立沖擊危險巷道的防沖支護(hù)方法與參數(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)，煤礦沖擊地壓巷道支護(hù)形式各不相同，巷道抵抗沖擊危險的能力差異性強(qiáng)。根據(jù)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，進(jìn)一步分析巷道圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及破壞模式和沖擊應(yīng)力波作用機(jī)制，確定沖擊動載特征參數(shù)、支護(hù)參數(shù)與支護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)及巷道圍巖損傷破壞的關(guān)系，建立圍巖支護(hù)系統(tǒng)動力學(xué)模型，確定支護(hù)失效機(jī)理、支護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖能力校核方法、支護(hù)方式及其參數(shù)設(shè)計評判準(zhǔn)則和匹配原則，是完善沖擊地壓巷道支護(hù)理論與技術(shù)體系亟待解決的重要問題。

7 結(jié) 論

經(jīng)過最近30余年的研究，我國沖擊地壓防治工作取得了豐碩的成果，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓法律法規(guī)、發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報、防治等多個領(lǐng)域從無到有的突破，理論技術(shù)與裝備不斷革新，逐步形成了具有我國特色的沖擊地壓防治理論與技術(shù)體系。沖擊地壓防治研究主要取得以下重大進(jìn)展：

(1)在沖擊地壓防治法規(guī)建設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)方面，自1987年發(fā)布沖擊地壓行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以來，逐步形成了《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》和《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》系列標(biāo)準(zhǔn)為核心的沖擊地壓防治法律法規(guī)體系，實(shí)現(xiàn)了法規(guī)從無到有再到完善。

(2)在沖擊地壓發(fā)生機(jī)理研究方面，在借鑒國外經(jīng)典沖擊理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建了“三因素”理論、擾動失穩(wěn)理論、動靜載疊加誘沖理論等為主的理論體系，深化了沖擊地壓機(jī)理研究。

(3)在沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警方面，從初始的單監(jiān)測系統(tǒng)單一指標(biāo)演化規(guī)律研究，逐步演化到多種監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警信息融合的“應(yīng)力場、震動場、能量場”三場綜合預(yù)警，預(yù)警效能和準(zhǔn)確率不斷提升。

(4)在沖擊地壓防治方面，從以往重點(diǎn)關(guān)注鉆孔卸壓、頂板爆破等局部卸壓解危措施上，逐漸意識到合理開拓開采優(yōu)化設(shè)計的重要性，初步建立了區(qū)域防范、局部解危相結(jié)合的沖擊地壓防治技術(shù)體系，防治有效性不斷提升。

(5)在深部巷道圍巖控制方面，從單純提升支護(hù)強(qiáng)度的剛性支護(hù)過渡到剛-柔復(fù)合支護(hù)、吸能支護(hù)等，最終形成了多級巷道支護(hù)方法，巷道抗沖能力不斷增強(qiáng)。

(6)在人員管理方面，從人工登記號牌計數(shù)過渡到刷卡和自動紅外計數(shù)，最后引入智能識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多場景人員智能管理。

在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的時代背景下，我國沖擊地壓防治工作已取得良好成績，同時隨著陜蒙晉等大型煤炭基地逐步進(jìn)入深部開采，沖擊地壓問題成為制約礦區(qū)高產(chǎn)高效綠色發(fā)展的障礙，且部分區(qū)域存在沖擊地壓、礦震、煤與瓦斯突出等多災(zāi)害交織影響，沖擊地壓防治面臨新的挑戰(zhàn)。沖擊地壓防治研究應(yīng)借助人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)，提升沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警防治的智能化和精準(zhǔn)化水平，實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全綠色生產(chǎn)，助力“雙碳”重大戰(zhàn)略。

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