我國煤礦沖擊地壓防治的幾個關(guān)鍵問題

齊慶新，趙善坤，李海濤，秦 凱

（1.煤炭科學(xué)研究總院 深部開采與沖擊地壓研究院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013）

2020 年2 月22 日，山東能源集團(tuán)龍堌煤礦發(fā)生沖擊地壓事故，造成4 人死亡，使煤礦沖擊地壓問題又一次處在風(fēng)口浪尖上。這是因?yàn)?018 年10 月20 日發(fā)生在山東能源集團(tuán)龍鄆煤礦的沖擊地壓事故，造成21 人死亡，已引起全國人民的關(guān)注，震驚了黨中央，而時(shí)隔不到2 年，在2019 年6 月9 日吉林煤業(yè)集團(tuán)龍家堡煤礦死亡9 人的沖擊地壓事故、2019 年8 月2 日開灤集團(tuán)唐山煤礦死亡7 的沖擊地壓事故之后，又發(fā)生今年龍堌煤礦的沖擊地壓事故，并且這次事故正處在全國人民共同抗擊新型冠狀病毒肺炎的關(guān)鍵時(shí)刻。因此，沖擊地壓已成為影響我國煤礦安全生產(chǎn)最為主要的災(zāi)害形式。事實(shí)上，在全國煤礦安全生產(chǎn)狀況得到根本性好轉(zhuǎn)的今天，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量卻仍在不斷增加，由其引起的煤礦安全問題比以往任何時(shí)候都要嚴(yán)重，沖擊地壓已成為社會公眾關(guān)注的問題！正因?yàn)槿绱耍?020年8 月10 日國務(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”，要求嚴(yán)格落實(shí)地方政府屬地管理責(zé)任、嚴(yán)格落實(shí)煤礦企業(yè)主體責(zé)任、嚴(yán)格落實(shí)監(jiān)管監(jiān)察部門責(zé)任和嚴(yán)格落實(shí)國務(wù)院安委會有關(guān)成員單位責(zé)任，深刻汲取沖擊地壓事故教訓(xùn)，堅(jiān)決防范遏制煤礦沖擊地壓事故[1]。

為防范和遏制煤礦沖擊地壓事故的發(fā)生，提高我國防治煤礦沖擊地壓的有效性，為此系統(tǒng)地論述我國在沖擊地壓防治過程中存在的認(rèn)識片面、簡單執(zhí)法、重監(jiān)測輕防治、防治缺乏針對性等幾個關(guān)鍵問題，并進(jìn)一步給出了針對性的解決途徑與對策。

1 我國煤礦沖擊地壓現(xiàn)狀

眾所周知，我國是煤炭生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量約占世界總量的50%左右。但同時(shí)，我國也是世界上煤礦沖擊地壓最為嚴(yán)重的國家，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量達(dá)到130 余座，年產(chǎn)量達(dá)到約4 億t。我國煤礦安全逐年變化情況如圖1，我國沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量變化情況如圖2。

圖1 我國煤礦安全逐年變化情況Fig.1 Changes of coal mine safety year by year in China

圖2 我國沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量變化情況Fig.2 Variation of the number of coal bump mines in China

由圖1、圖2 可以看出，我國沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量的激增是在2000 年以后煤炭開采強(qiáng)度不斷增加、開采深度不斷增加、產(chǎn)量不斷增加、煤礦安全總體上不斷好轉(zhuǎn)的大背景條件下發(fā)生的，這一方面充分體現(xiàn)了沖擊地壓災(zāi)害的特殊性，同時(shí)也表明過去對沖擊地壓災(zāi)害的重視不夠。當(dāng)然，這也可以理解為我國煤礦深部開采的一種必然結(jié)果。

我國對沖擊地壓的研究起步于20 世紀(jì)70 年后期，盡管相繼提出了“三準(zhǔn)則”機(jī)理、變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論、“三因素”機(jī)理、強(qiáng)度弱化減沖機(jī)理、應(yīng)力控制理論、沖擊啟動理論和沖擊響應(yīng)失穩(wěn)理論等沖擊地壓理論[2]，也開展了微震、地音、采動應(yīng)力及鉆屑法等沖擊地壓監(jiān)測和保護(hù)層開采、煤層卸載爆破、煤層大直徑卸壓鉆孔、煤層預(yù)注水、頂板深孔爆破及水壓致裂等防沖技術(shù)，但總體上對沖擊地壓的認(rèn)識不夠，人力物力投入不足，重視程度不夠，使得沖擊地壓災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

2 沖擊地壓防治的幾個關(guān)鍵問題

沖擊地壓問題是巖石力學(xué)與工程中世界性難題，如何促進(jìn)沖擊地壓問題的解決，是包括我國煤礦在內(nèi)的世界各國采礦與巖石力學(xué)工作者不斷研究和探討的問題。僅就我國煤礦沖擊地壓而言，雖然我國與沖擊地壓災(zāi)害作斗爭的歷史已有近90 年，尤其是近10 年，無論是在理論上還是的實(shí)踐上，都開展了一些有益的探索，也取得了一定的成果，但沖擊地壓事故在煤礦安全中更顯突出，表明在沖擊地壓防治中還存在一些關(guān)鍵問題需要解決。綜合分析認(rèn)為，這主要包括以下幾個方面。

2.1 認(rèn)識片面問題

沖擊地壓作為煤礦開采過程中發(fā)生的一種特殊動力災(zāi)害，因其發(fā)生突然、沒有先兆、影響因素眾多、破壞嚴(yán)重等而成為采礦與巖石力學(xué)疑難問題。也正因?yàn)槿绱耍跊_擊地壓防治過程中，仍存在一定的認(rèn)識問題，從而影響了對沖擊地壓的防治及相關(guān)問題的解決。從全國范圍看，存在2 種認(rèn)識誤區(qū)，即一種觀點(diǎn)認(rèn)為沖擊地壓是理論問題，而其理論無外乎是滑移和失穩(wěn)破壞，與地震發(fā)生理論沒有本質(zhì)的區(qū)別，從而認(rèn)為沖擊地壓不可預(yù)測、不可控制、不可治理；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，沖擊地壓就是強(qiáng)烈礦壓的具體體現(xiàn)，控制了常規(guī)的礦壓，就控制了沖擊地壓的發(fā)生，因而認(rèn)為沖擊地壓沒有那么可怕，是完全可以預(yù)知、可控可防的。事實(shí)上，這2 種觀點(diǎn)都是片面的，均沒有弄清沖擊地壓的本質(zhì)。

對于煤礦沖擊地壓而言，正確認(rèn)識沖擊地壓，尤其是沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理、類型和主控因素尤為重要，因?yàn)檫@些是沖擊地壓監(jiān)測、預(yù)警、防治與防護(hù)的基礎(chǔ)。與地震、礦震及巖爆不同[3]，煤礦沖擊地壓是特定煤巖結(jié)構(gòu)材料在原巖應(yīng)力和采動應(yīng)力共同作用下導(dǎo)致的以煤體突然破壞為典型特征的動力現(xiàn)象、事件或事故[1]。

通過系統(tǒng)分析沖擊地壓發(fā)生機(jī)理認(rèn)為，無論是傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論和變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論，還是其它沖擊地壓理論，均是對沖擊地壓發(fā)生必要條件的一種描述，截止目前還沒有一個沖擊地壓理論構(gòu)成發(fā)生的充分必要條件，在沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警和防治過程中的指導(dǎo)性較弱。同時(shí)，進(jìn)一步分析影響煤礦沖擊地壓發(fā)生的眾多因素認(rèn)為，包含煤巖沖擊傾向性、外部應(yīng)力環(huán)境以及煤巖層結(jié)構(gòu)在內(nèi)的“三因素”理論，能夠?yàn)闆_擊地壓防治工作提供更為直觀、更具可操作性的指導(dǎo)。其中，由于應(yīng)力對于沖擊地壓發(fā)生與否起到?jīng)Q定性的作用，因此，對于應(yīng)力環(huán)境的有效控制，是衡量各種沖擊地壓防治措施有效性的共同標(biāo)準(zhǔn)，也是沖擊地壓防治工程實(shí)踐中對煤層、堅(jiān)硬頂板和底板開展相應(yīng)處理的最終目的。

對于沖擊地壓，其內(nèi)涵的明確將是十分重要的本質(zhì)性問題。通常將沖擊地壓定義為一種動力現(xiàn)象，而實(shí)際工程中卻往往單純地認(rèn)定沖擊地壓與事故等價(jià)，這顯然缺乏科學(xué)性。從工程實(shí)踐角度看，沖擊地壓不僅僅包括沖擊地壓現(xiàn)象、沖擊地壓事故，還應(yīng)包括沖擊地壓事件。對于沖擊地壓現(xiàn)象，顯然是指煤巖體突然破壞所導(dǎo)致的彈射、聲響、氣浪、震動等系列行為，通常不造成人員傷亡、巷道不發(fā)生較大破壞、設(shè)備設(shè)施無損壞、財(cái)產(chǎn)無損失等；而沖擊地壓事故更為顯而易見，主要以造成人員傷亡、巷道破壞、設(shè)備設(shè)施損壞、財(cái)產(chǎn)損失等為主要特征；對于沖擊地壓事件則有必要單獨(dú)說明，其主要指介于沖擊地壓現(xiàn)象和沖擊地壓事故之間的一種沖擊地壓表征形式，通常破壞范圍大于沖擊地壓現(xiàn)象而小于沖擊地壓事故，但破壞范圍不大、設(shè)備設(shè)施不損壞、財(cái)產(chǎn)損傷較小。而在沖擊地壓礦井中，即便只發(fā)生了沖擊地壓現(xiàn)象，也應(yīng)當(dāng)引起高度重視，避免進(jìn)一步發(fā)展成沖擊地壓事件甚至是沖擊地壓事故。

在沖擊地壓防治中，對于具體礦井條件而言，應(yīng)在基本弄清沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，確定本礦井的沖擊地壓類型和沖擊地壓礦井類型。這是因?yàn)?，沖擊地壓類型以及沖擊地壓礦井類型的不同，其對應(yīng)的防治方法也將不同，防治的難度也存在差異。針對我國煤礦沖擊地壓特點(diǎn)和沖擊地壓礦井條件，將沖擊地壓類型劃分為煤層材料失穩(wěn)型、煤層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型、頂板斷裂型和斷層滑移錯動型等4 種類型[4]，沖擊地壓4 種典型類型如圖3。將沖擊地壓礦井類型劃分為淺部沖擊地壓礦井、深部沖擊地壓礦井、堅(jiān)硬頂板沖擊地壓礦井、構(gòu)造沖擊地壓礦井和煤柱沖擊地壓礦井等5 種類型[5]。

圖3 沖擊地壓4 種典型類型Fig.3 Four typical types of coal bump

對于煤礦沖擊地壓而言，形成科學(xué)的認(rèn)識至關(guān)重要，只要正確看待沖擊地壓問題，弄清沖擊地壓機(jī)理、類型和沖擊地壓礦井類型，實(shí)現(xiàn)思想認(rèn)知對頭、監(jiān)測防治對路、安全防護(hù)到位、現(xiàn)場管理對癥，具體礦井的沖擊地壓問題基本上都可以得到解決，能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊地壓的可測、可防、可治，達(dá)到少傷人、不傷人的目的！

2.2 法規(guī)執(zhí)行問題

鑒于沖擊地壓災(zāi)害防控形勢日趨嚴(yán)峻以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原煤炭工業(yè)部1987 年發(fā)布的《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》已無法適應(yīng)新形勢下的沖擊地壓監(jiān)察工作。在2016 年發(fā)布的新版《煤礦安全規(guī)程》中對沖擊地壓防治進(jìn)行了全面修改，并單獨(dú)成為1 個章節(jié)，共25 條。2018 年5 月國家煤礦安全監(jiān)察局又發(fā)布了《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》，對《煤礦安全規(guī)程》中的25 條內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)說明。針對沖擊地壓監(jiān)察方面，2020 年3 月國家煤礦安全監(jiān)察局進(jìn)一步發(fā)布了《煤礦沖擊地壓防治監(jiān)管監(jiān)察指導(dǎo)手冊（試行）》，對煤礦沖擊地壓防治監(jiān)察進(jìn)行了專項(xiàng)說明。規(guī)程、細(xì)則、手冊等系列文件的發(fā)布使沖擊地壓防治監(jiān)察有據(jù)可依。應(yīng)該說，我國經(jīng)過改革開放40 多年的建設(shè)，煤礦安全監(jiān)察體制日趨完善，針對沖擊地壓方面的法律法規(guī)體系日趨健全，但在安全監(jiān)察執(zhí)法過程中仍存在以下問題：

1）對沖擊地壓的認(rèn)識不足。由于沖擊地壓的復(fù)雜性、多樣性，監(jiān)察人員目前對于沖擊地壓尚未形成較為系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)知，只有更好地認(rèn)識沖擊地壓，才能在工作中做到有的放矢、靈活適應(yīng)，更好地履行監(jiān)管、監(jiān)察職能。

2）監(jiān)管、監(jiān)察手段單一，過于強(qiáng)調(diào)處罰。煤礦安全監(jiān)管、監(jiān)察工作，不僅是為了貫徹、執(zhí)行國家安全法律法規(guī)，還應(yīng)在督促企業(yè)落實(shí)主體責(zé)任的同時(shí)，幫助指導(dǎo)企業(yè)利用先進(jìn)技術(shù)解決切身的安全問題。而在實(shí)際工作中，對于沖擊地壓礦井的監(jiān)管、監(jiān)察，更多以罰款等處罰措施為主要形式。應(yīng)該說，罰款只是手段，而不是最終目的，如何通過監(jiān)管、監(jiān)察工作，幫助企業(yè)解決沖擊地壓問題，提升企業(yè)沖擊地壓防治水平，才是沖擊地壓安全監(jiān)管監(jiān)察工作的核心要務(wù)。

2.3 重監(jiān)測輕防治問題

《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》第46 條規(guī)定：沖擊地壓礦井必須建立區(qū)域與局部相結(jié)合的沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測制度，區(qū)域監(jiān)測應(yīng)當(dāng)覆蓋礦井采掘區(qū)域，局部監(jiān)測應(yīng)當(dāng)覆蓋沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)，區(qū)域監(jiān)測可采用微震監(jiān)測法等，局部監(jiān)測可采用鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測法、電磁輻射法。

目前，我國絕大多數(shù)的沖擊地壓礦井都安裝了成系列的沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地音/微震、電磁輻射、鉆孔應(yīng)力、支架阻力、錨桿索支護(hù)力和鉆屑等參量相對全面的采集，部分專家、學(xué)者也嘗試使用應(yīng)力、微震、鉆屑量等指標(biāo)，完成對于沖擊危險(xiǎn)性的監(jiān)測和預(yù)警，并取得了一些有益的成果，但同時(shí)也使得礦井技術(shù)人員形成了僅依靠監(jiān)測手段就能實(shí)現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害有效預(yù)防的錯覺，在現(xiàn)場沖擊地壓防治中表現(xiàn)出了“重監(jiān)測輕防治”的特征。但沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理復(fù)雜、影響因素眾多，僅依靠有限的監(jiān)測手段，顯然無法有效完成災(zāi)害的預(yù)防。

通過研究了我國幾十座典型沖擊地壓礦井，發(fā)現(xiàn)很多礦井的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員認(rèn)為，購買了先進(jìn)的監(jiān)測裝備、落實(shí)了要求的監(jiān)測流程就是重視沖擊地壓了，沖擊地壓的相關(guān)問題就解決得差不多了。而事實(shí)是，即便以上述方式“重視”了沖擊地壓，也只是停留在形式上，在深度上卻并未達(dá)到真正監(jiān)測、預(yù)警的目的，更無法為沖擊地壓防治提供針對性指導(dǎo)。具體而言，體現(xiàn)在以下3 個方面：

1）監(jiān)測、防治沒有實(shí)現(xiàn)有效配合。大部分沖擊地壓礦井現(xiàn)有的監(jiān)測手段可以計(jì)算出整個工作面/監(jiān)測區(qū)的危險(xiǎn)系數(shù)，從而概括地表征其沖擊危險(xiǎn)性，但由于不能將危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步細(xì)化至具體區(qū)域，進(jìn)而無法劃定更為準(zhǔn)確的治理范圍，監(jiān)測與防治即出現(xiàn)了“脫節(jié)”的問題。

2）災(zāi)害防治管理信息化水平低。沖擊地壓礦井在開展煤層爆破與大直徑鉆孔卸壓、頂板爆與水力壓裂等防治工作時(shí)，其管理方式大多仍停留在紙質(zhì)臺賬階段，即防治工作未能實(shí)現(xiàn)有效信息化、數(shù)據(jù)化，由此導(dǎo)致在防治工作和監(jiān)測信息聯(lián)合分析過程中，缺乏關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐，監(jiān)測手段也難以自動檢驗(yàn)卸壓解危效果，二者無法實(shí)現(xiàn)有效互饋、相互支撐。

3）數(shù)據(jù)未得到充分挖掘和利用。由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)日益多元化、復(fù)雜化，開始呈現(xiàn)出顯著的“大數(shù)據(jù)”特征。煤礦相對落后的多元信息挖掘分析能力與煤礦數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出的新特點(diǎn)形成了鮮明的反差，存在相當(dāng)程度的數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)。煤礦企業(yè)沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警缺少針對性模型的問題凸顯。

2.4 防治缺乏針對性問題

我國煤礦沖擊地壓防治以往主要采用合理開采布置、保護(hù)層開采、煤層注水、煤層卸載爆破、寬巷掘進(jìn)等方法，而隨著技術(shù)裝備的發(fā)展，斷底爆破、頂板深孔爆破、頂板水壓致裂和頂板定向水壓致裂等技術(shù)方法也日臻成熟[6]。為沖擊地壓防治帶來更多可能性的同時(shí)，也使企業(yè)在選擇針對性技術(shù)措施組合時(shí)面臨了更高的難度。造成這一現(xiàn)象的原因主要有以下幾個方面：

1）理論研究與現(xiàn)場實(shí)際脫節(jié)。我國經(jīng)過40 多年的努力，逐步建立了以“三準(zhǔn)則”理論、變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論、“三因素”理論、“弱化減沖”理論、應(yīng)力控制理論、沖擊啟動理論和沖擊地壓擾動響應(yīng)失穩(wěn)理論等為主導(dǎo)的沖擊地壓理論體系。以上成果顯著提升了行業(yè)對于沖擊地壓的科學(xué)認(rèn)知，但在指導(dǎo)沖擊地壓防治具體工作時(shí)卻均存在不同程度的制約，仍無法針對具體礦井特征給出差異化的支撐，從而使得治理效果大打折扣。

2）多方指導(dǎo)協(xié)調(diào)施工困難。在國家政策、地方監(jiān)管部門及上級公司的共同要求下，沖擊地壓礦井在科研立項(xiàng)、初步設(shè)計(jì)、危險(xiǎn)評價(jià)、防沖設(shè)計(jì)等階段都增加了沖擊地壓治理的相關(guān)內(nèi)容，而礦方一般尋找多家科研院所分別編制相應(yīng)報(bào)告，但由于各機(jī)構(gòu)在防治理念等方面天然存在的差異性，以及沖擊地壓防治方法與技術(shù)自身的選擇難度，直接導(dǎo)致了方案設(shè)計(jì)與施工的不統(tǒng)一性，造成工程擱置或工程延期等不良后果。又或者為了應(yīng)對各方要求，不加甄別地使用各種手段，以至于無法篩選出適用于本礦井的針對性技術(shù)方案，達(dá)不到有效防沖的目的。

3）卸壓任務(wù)流于形式。部分礦井管理人員對沖擊地壓治理重視程度欠缺，缺乏必要的危機(jī)意識，所采購的監(jiān)測設(shè)備無法形成有效預(yù)報(bào)，所采取的防治措施也多為了應(yīng)付檢查，從切眼到兩巷、從兩巷到回撤、從1 個面到下1 個面，基本1 個方案照抄照搬，形成了“搬運(yùn)工式”卸壓模式，趕工程、催進(jìn)度則成為當(dāng)下卸壓主題，與“一面一策”的防沖原則背道而馳，一旦區(qū)域地質(zhì)環(huán)境差異較大，防沖效果將會大打折扣。

4）缺乏長期連續(xù)的技術(shù)指導(dǎo)。有些礦井雖已意識到?jīng)_擊地壓治理工作的重要性，也開展了相關(guān)研究及工程實(shí)踐，但由于研究項(xiàng)目一般周期較短，且無法確保專業(yè)技術(shù)人員長期性連續(xù)跟蹤工程作業(yè)，在現(xiàn)場地質(zhì)條件變化或出現(xiàn)臨時(shí)狀況時(shí)，缺乏第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，更無法根據(jù)現(xiàn)場條件變化動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致措施針對性弱、效果區(qū)域差別大。

2.5 建井前防沖設(shè)計(jì)問題

采掘活動是形成沖擊地壓等動力災(zāi)害的根本原因，與天然賦存的地質(zhì)條件形成良性互動是避免災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵所在?；跊_擊地壓“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的基本理念，在采掘活動形成前期進(jìn)行充分的針對性設(shè)計(jì)，將能夠?yàn)楹罄m(xù)形成有利的低應(yīng)力開采環(huán)境打下良好基礎(chǔ)。但由于早年煤礦的開采深度和強(qiáng)度并未造成沖擊地壓的頻繁發(fā)生，導(dǎo)致在現(xiàn)有礦井設(shè)計(jì)體系中，并未將沖擊地壓作為主要災(zāi)害予以系統(tǒng)考慮。但隨著開采深度和強(qiáng)度的逐步提升，類似認(rèn)知如不加以修正，將極易造成以下問題：

1）造成區(qū)域性高應(yīng)力環(huán)境的出現(xiàn)。對于具體礦井，煤層埋深及地質(zhì)構(gòu)造等均為無法更改的既定條件，在其影響下將形成差異性極大的原巖應(yīng)力狀態(tài)，如果在建井前期，忽略上述差異性要素帶來的影響，將直接導(dǎo)致無法與既有應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生有針對性的良性互動，以避開天然形成的高應(yīng)力區(qū)域。若在此基礎(chǔ)上開展采掘活動，重新分布的應(yīng)力將極易達(dá)到更高的集中水平，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊地壓等動力失穩(wěn)甚至災(zāi)害在輕微擾動甚至無擾動情況下發(fā)生。

2）局部處理措施防治解危效能弱化。局部措施雖然能夠緩解一定程度的應(yīng)力集中，但由于相關(guān)措施的作用范圍極為有限，因此，局部卸壓解危措施無法形成對于應(yīng)力環(huán)境的本質(zhì)性干預(yù)。而一旦形成區(qū)域性高應(yīng)力環(huán)境，局部措施雖能夠完成小范圍卸壓解危，但由于根本性的力源并未得到有效消除，已卸壓區(qū)域?qū)⒋蟾怕蕰捎趹?yīng)力轉(zhuǎn)移再次形成集中，進(jìn)而導(dǎo)致局部措施的時(shí)效性和實(shí)際效果大打折扣。

3）調(diào)整開拓布置帶來的額外成本。礦井作為有機(jī)整體，各個環(huán)節(jié)具有密切關(guān)聯(lián)，而開拓部署作為根本性的影響因素，方案一旦落地執(zhí)行后再行更改，將會產(chǎn)生系統(tǒng)性的影響，由此帶來的成本浪費(fèi)自然是不言而喻的。

2.6 沖擊地壓巷道支護(hù)問題

我國傳統(tǒng)沖擊地壓防治通常不單獨(dú)考慮巷道支護(hù)問題，僅開展常規(guī)支護(hù)設(shè)計(jì)，且一定程度上認(rèn)為支護(hù)無法抵抗沖擊地壓帶來的破壞。當(dāng)然，這種理念是建立在原來對沖擊地壓認(rèn)識和安全認(rèn)知的基礎(chǔ)上的。但隨著我國科技裝備的進(jìn)步和安全理念的提升，沖擊地壓巷道的支護(hù)問題也被放到了重要的位置，沖擊地壓礦井開始逐漸注重沖擊地壓巷道的支護(hù)。但目前沖擊地壓巷道支護(hù)形式通常基于靜力學(xué)理念設(shè)計(jì)，如單一錨桿支護(hù)、錨桿+U 型鋼或者錨桿+U 型鋼+常規(guī)液壓支架聯(lián)合支護(hù)等，難以適應(yīng)沖擊地壓的動力學(xué)破壞特征，進(jìn)而極易出現(xiàn)以下問題：

1）對于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)。由于動載荷對巷道圍巖的作用，一方面將導(dǎo)致錨桿與圍巖錨固力急劇降低造成脫錨，錨桿支護(hù)系統(tǒng)失效；另一方面錨桿所受沖擊載荷超過其強(qiáng)度極限，將出現(xiàn)桿體破斷、螺紋脫扣托盤脫落等現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿支護(hù)系統(tǒng)失效。

2）對于普通U 型鋼支護(hù)?；陟o力學(xué)的設(shè)計(jì)理念將使其在沖擊地壓瞬時(shí)載荷作用下，極易發(fā)生折斷、彎折、屈曲或卡攬失效等現(xiàn)象，導(dǎo)致支護(hù)阻力降低，達(dá)不到預(yù)期的支護(hù)阻力和保護(hù)作用，U 鋼型鋼支護(hù)失效圖如圖4。

圖4 U 鋼型鋼支護(hù)失效圖Fig. 4 Failure diagram of U-steel section support

3）對于常規(guī)液壓支架。一般能夠抵抗小能量沖擊，但對于瞬間釋放巨大能量的沖擊地壓事件，常規(guī)液壓支架往往不能做到及時(shí)、快速讓壓，進(jìn)而導(dǎo)致支架傾倒或在結(jié)構(gòu)薄弱部分發(fā)生彎曲折斷、爆缸、支架頂梁折斷等，液壓支架支護(hù)失效圖如圖5。

圖5 液壓支架支護(hù)失效圖Fig. 5 Support failure diagram of hydraulic support

3 沖擊地壓問題解決途徑與對策

3.1 深化對沖擊地壓的認(rèn)識

深化認(rèn)識，對于沖擊地壓問題的解決至關(guān)重要。具體而言，應(yīng)在以下幾個方面做好工作：

1）明確沖擊地壓本質(zhì)內(nèi)涵。這是個根本性問題，需要弄清沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，確定具體礦井條件下沖擊地壓類型和沖擊地壓礦井類型，找到影響沖擊地壓的主控因素，要從沖擊地壓現(xiàn)象就開始重視沖擊地壓問題，充分利用沖擊地壓現(xiàn)象、事件對于沖擊地壓事故的前兆警示作用。

2）增強(qiáng)防治沖擊地壓信心。沖擊地壓是世界范圍內(nèi)難題，我國災(zāi)害嚴(yán)重，這也是事實(shí)，但是，我國90%以上的沖擊地壓是可防可控可治的！

3）加大沖擊地壓管理力度。沖擊地壓防治的關(guān)鍵在于管理到位：確保各項(xiàng)技術(shù)措施有效實(shí)施，嚴(yán)格現(xiàn)場沖擊地壓安全管理，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格實(shí)施沖擊地壓嚴(yán)重區(qū)域限員管理，嚴(yán)格沖擊地壓區(qū)域人員與設(shè)備防護(hù)制度的執(zhí)行。

3.2 提升監(jiān)管及監(jiān)察專業(yè)水平

針對沖擊地壓防治監(jiān)管監(jiān)察存在的一些問題，提出以下對策：

1）明確監(jiān)管、監(jiān)察定位。安全監(jiān)管、監(jiān)察部門應(yīng)當(dāng)按照各自權(quán)限，依照法律、法規(guī)、規(guī)章和國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全生產(chǎn)條件和程序，開展沖擊地壓監(jiān)管監(jiān)察，保證經(jīng)濟(jì)正常平穩(wěn)運(yùn)行，促進(jìn)安全生產(chǎn)。

2）不斷學(xué)習(xí)沖擊地壓專業(yè)知識。加強(qiáng)監(jiān)管、監(jiān)察人員對沖擊地壓的學(xué)習(xí)意識，開展針對沖擊地壓的專項(xiàng)培訓(xùn)，提高對沖擊地壓災(zāi)害的認(rèn)知，提高監(jiān)管、監(jiān)察人員的專業(yè)技術(shù)能力。

3）掌握目標(biāo)工作區(qū)域沖擊地壓特征。監(jiān)管、監(jiān)察人員應(yīng)深入開展針對具體礦井沖擊地壓問題的分析及思考，掌握具體條件下沖擊地壓發(fā)生的特點(diǎn)、類型及主控因素，不斷提升安全監(jiān)管、監(jiān)察的專業(yè)水平和保駕護(hù)航能力，與煤礦企業(yè)有機(jī)配合，共同解決沖擊地壓問題。

3.3 加強(qiáng)對沖擊地壓監(jiān)測結(jié)果的分析

充分利用沖擊地壓礦井多系統(tǒng)、多參量、多信息的實(shí)際情況，做好以下工作：

1）確定多參量融合的沖擊預(yù)警指標(biāo)和判據(jù)。主流監(jiān)測手段的預(yù)警指標(biāo)及方法在GB/T 25217—2019《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》標(biāo)準(zhǔn)中都已列出，但針對具體礦井、具體煤層、具體采區(qū)和具體工作面，其預(yù)警指標(biāo)與判據(jù)的確定仍是一個不斷探索和驗(yàn)證的過程，需要通過長期實(shí)踐積累，不斷對預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行增加或刪減，對判據(jù)進(jìn)行修正與優(yōu)化。

2）建立沖擊地壓災(zāi)害多參量綜合預(yù)警平臺。分析、挖掘、融合監(jiān)測、防治過程中產(chǎn)生的多源異構(gòu)信息，形成數(shù)據(jù)導(dǎo)向型的沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警體系。根據(jù)沖擊地壓災(zāi)害的類型和主控因素，自動實(shí)現(xiàn)沖擊“危險(xiǎn)區(qū)域+等級”劃分，實(shí)現(xiàn)分區(qū)分類預(yù)警，降低各類數(shù)據(jù)預(yù)警指標(biāo)和權(quán)重設(shè)置的人工干擾，提高系統(tǒng)綜合預(yù)警的準(zhǔn)確性。

3）開辟“井- 地”信息融合的沖擊地壓監(jiān)測、防治新思路。將地音/微震、電磁輻射、鉆孔應(yīng)力、支架阻力、錨桿索支護(hù)力和鉆屑量等監(jiān)測信息與大直徑鉆孔卸壓、水力壓裂、頂板爆破、煤層爆破等卸壓解危措施信息聯(lián)合分析，解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)的歸一化處理和疊加展示，在考慮具體參量絕對值的基礎(chǔ)上，關(guān)注其變化趨勢，挖掘致災(zāi)前兆信息；同時(shí)對井下卸壓解危措施信息等非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空信息標(biāo)記，對比分析井下信息前后監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，自動提取、更新預(yù)警指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)井上- 井下信息的深度融合。

4）建立以監(jiān)測為驅(qū)動、以防治為核心的完整防沖體系。實(shí)現(xiàn)“監(jiān)測預(yù)警- 解危治理- 效果檢驗(yàn)”的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化，即實(shí)現(xiàn)在線發(fā)布預(yù)警通知、智能推薦解危方法、輔助填報(bào)解危措施、自動檢驗(yàn)解危效果。建立沖擊地壓監(jiān)測、防治“一張圖”，以監(jiān)測預(yù)警手段明確卸壓治理工作重點(diǎn)、以解危效果手段驗(yàn)證監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與防治的相互反饋。

3.4 沖擊地壓研究與防治一體化

沖擊地壓防治工作是復(fù)雜的，應(yīng)在充分弄清礦井沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、類型和主控因素的基礎(chǔ)上開展沖擊地壓防治工作，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓研究與防治一體化：

1）重視礦井沖擊地壓基礎(chǔ)研究。積極開展煤層沖擊傾向性鑒定、煤巖物理力學(xué)參數(shù)測定、地應(yīng)力測試、圍巖松動圈探測、采動應(yīng)力監(jiān)測等系列科研項(xiàng)目，掌握礦井基礎(chǔ)參數(shù)，明確沖擊地壓源頭及主控影響因素，以應(yīng)力控制為基點(diǎn)，研究保護(hù)層開采、煤層注水、頂板深孔爆破、頂板水壓致裂等措施在具體礦井條件下的設(shè)計(jì)原理和依據(jù)，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓分源、分類的差異化治理，沖擊地壓分源分類治理示意圖如圖6。

2）重視礦井沖擊地壓防治工作的系統(tǒng)性。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建立一套包含理論分析、危險(xiǎn)性分區(qū)分級、監(jiān)測預(yù)警、防治技術(shù)、方案設(shè)計(jì)、工程施工與效果檢驗(yàn)等多項(xiàng)內(nèi)容在內(nèi)的成套沖擊地壓治理工程技術(shù)體系[7]，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓防治方法、技術(shù)與工程一體化管理，沖擊地壓防治工程技術(shù)一體化示意圖如圖7。

圖6 沖擊地壓分源分類治理示意圖Fig.6 Schematic diagram of pressure source classification control for coal bump

3）重視各監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，配置專業(yè)技術(shù)人員長期連續(xù)跟蹤，實(shí)時(shí)檢驗(yàn)治理效果，及時(shí)優(yōu)化、動態(tài)調(diào)整，確保施工方案可行性與有效性，針對性解決礦井沖擊地壓問題。

3.5 在礦井設(shè)計(jì)階段強(qiáng)化防沖設(shè)計(jì)

在礦井設(shè)計(jì)階段考慮沖擊地壓問題，其根本目的是在滿足生產(chǎn)能力要求的前提下，最大程度形成有利于沖擊地壓防控的區(qū)域性低應(yīng)力環(huán)境，而形成低應(yīng)力開采環(huán)境的關(guān)鍵，在于采煤巷道布置系統(tǒng)與天然地質(zhì)賦存條件的良性配合。包括以下內(nèi)容：

1）避免與異常地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生不利互動。明確礦井地質(zhì)賦存特征的前提下，巷道及工作面布置應(yīng)當(dāng)避免與已知的大型地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生相交等不利行為。

2）巷道走向避免與水平主應(yīng)力方向相交。當(dāng)巷道走向與水平主應(yīng)力方向形成相交時(shí)，在采掘過程中將會使得臨空煤體受到顯著的“卸荷加載”作用影響，進(jìn)而極易導(dǎo)致變形量顯著增加，形成應(yīng)力集中。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意巷道盡可能布置在巖層之中，保證其穩(wěn)定的服務(wù)能力。

3）大煤柱大、小煤柱小。對于礦井大巷、采區(qū)煤柱及保護(hù)性煤柱，應(yīng)在滿足采區(qū)和回采工作面布置合理的條件下，盡可能加大其尺寸，確保煤柱不破壞，即大煤柱盡可能大；對于區(qū)段煤柱，應(yīng)在進(jìn)行充分論證的前提下盡可能縮小煤柱尺寸，從而在既定的條件下使得煤柱進(jìn)入充分的塑性狀態(tài)，避免過多彈性能的積聚，即小煤柱盡可能小，或無煤柱。

圖7 沖擊地壓防治工程技術(shù)一體化示意圖Fig.7 Schematic diagram of engineering technology integration of coal bump prevention and control

4）合理設(shè)計(jì)采區(qū)、水平、工作面接續(xù)順序。在多煤層開采時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先開采上部煤層以形成保護(hù)層，同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意下部煤層停采線的內(nèi)錯布置，弱化上部采空區(qū)遺留煤柱的影響，在同煤層開采時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意工作面接續(xù)順序，避免孤島工作面和異形工作面的形成。

5）吸能支護(hù)設(shè)計(jì)。沖擊地壓受到采掘空間多種因素的共同影響，完全杜絕發(fā)生仍具有較高難度，應(yīng)當(dāng)在支護(hù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)強(qiáng)化支護(hù)體系對于彈性能的瞬間吸收和抵抗能力，形成有效的最后保護(hù)環(huán)節(jié)。

6）充分利用數(shù)值模擬完成推演評估。結(jié)合地應(yīng)力測試及反演技術(shù)，構(gòu)建具有真實(shí)地質(zhì)要素的數(shù)值模型，通過模擬對比不同方案的應(yīng)力分布特征完成優(yōu)選，擴(kuò)充設(shè)計(jì)依據(jù)。

7）未來隨著非接觸式大范圍探測技術(shù)裝備的發(fā)展和成熟，在建井前獲得具有更高精度的地質(zhì)信息將成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)一步配合能夠準(zhǔn)確還原地質(zhì)信息的動力學(xué)仿真軟件，將能夠完成采前應(yīng)力環(huán)境演化特征的準(zhǔn)確推演，以此形成的建井前防沖設(shè)計(jì)將具有更高的可靠性和更強(qiáng)的指導(dǎo)作用，也必將是未來的發(fā)展方向。

3.6 對沖擊地壓進(jìn)行分級分類及采用“三級”吸能支護(hù)

基于沖擊地壓巷道常規(guī)支護(hù)存在的問題，在最大程度降低彈性能積聚和提高圍巖耗能的前提下，應(yīng)用基于動力學(xué)設(shè)計(jì)的巷道三級吸能支護(hù)技術(shù)，即“一級錨桿索+二級O 型棚+三級吸能液壓支架”聯(lián)合支護(hù)[8]。借助阻尼吸能構(gòu)件，改善巷道內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，提高支護(hù)可靠性。

1）一級支護(hù)。采用吸能錨索或高強(qiáng)錨桿支護(hù)，吸能錨桿索的吸能構(gòu)件軸向可伸縮變形大，可以提供大的有效讓壓長度，能夠消耗較多沖擊能，錨桿索不易被拉斷，能夠更好保持對圍巖的支護(hù)作用，采用全長錨固，提高錨固強(qiáng)度，增強(qiáng)阻尼，提高圍巖的吸能能力[9]，保證巷道圍巖- 支護(hù)體系的穩(wěn)定。

2）二級支護(hù)。采用吸能O 型棚，吸能O 型棚在巷道發(fā)生沖擊地壓時(shí)搭接處可發(fā)生大恒阻滑動收縮，O 型棚對圍巖的支護(hù)阻力保持在較高值，O 型棚通過搭接處的摩擦力做功消耗沖擊能，有效控制巷道環(huán)向變形，O 型棚與吸能錨桿索聯(lián)合作用,保障巷道圍巖與支護(hù)體的穩(wěn)定。

3）三級支護(hù)。采用吸能液壓支架，針對大能量沖擊地壓，利用液壓支架具有強(qiáng)力支撐作用，能夠提供大的支護(hù)應(yīng)力和在巷道軸向間隔布置后形成強(qiáng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并與錨桿索、O 型棚聯(lián)合支護(hù)，形成三維立體支護(hù)，保障巷道圍巖與支護(hù)體的整體穩(wěn)定性，有效防治巷道絕大部分沖擊地壓。

河南耿村煤礦受F16逆沖斷層與巨厚堅(jiān)硬頂板影響，沖擊地壓災(zāi)害十分嚴(yán)重。在運(yùn)輸巷采用常規(guī)錨桿（網(wǎng)）、U 型鋼、普通液壓支架等聯(lián)合支護(hù)的條件下，2015 年12 月22 日巨厚礫巖頂板斷裂釋放能量誘發(fā)沖擊地壓事故，造成錨桿端頭破斷、液壓支架失穩(wěn)、彎折嚴(yán)重，巷道破壞，人員傷亡，耿村礦“12.22”沖擊破壞現(xiàn)象如圖8。

圖8 耿村礦“12.22”沖擊破壞現(xiàn)象Fig.8 Impact failure phenomenon of“12.22”in Gengcun Mine

2016 年8 月開始，在相似的回采巷道采用三級吸能支護(hù)技術(shù)（一級：高沖擊韌性錨桿（索）錨網(wǎng)，二級：36U 吸能O 型棚，三級：液壓抬棚和防沖吸能液壓支架）后，在2017 年6 月10 日頂板再次斷裂釋放大能量沖擊事件的條件下，巷道支護(hù)狀態(tài)保持良好，未造成人員傷亡與設(shè)備損壞，耿村煤礦應(yīng)用效果圖如圖9。應(yīng)用效果良好，達(dá)到預(yù)期效果[10]。

圖9 耿村煤礦應(yīng)用效果圖Fig.9 Application effect diagram of Gengcun Coal Mine

4 結(jié) 論

1）沖擊地壓已成為影響我國煤礦安全生產(chǎn)最為突出的災(zāi)害類型。

2）弄清沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、沖擊地壓類型和沖擊地壓礦井類型，是防治沖擊地壓的基礎(chǔ)。

3）對于尚未施工的沖擊地壓礦井，在礦井設(shè)計(jì)前考慮沖擊地壓問題，優(yōu)先考慮開拓準(zhǔn)備巷道布置在巖層中、保護(hù)層開采和無煤柱開采，是實(shí)現(xiàn)沖擊地壓防控最為有效的方法，同時(shí)在礦井建設(shè)過程中，要不斷分析和總結(jié)沖擊地壓現(xiàn)象、事件和事故，為生產(chǎn)過程中的沖擊地壓防治提供基礎(chǔ)。

4）對于正在生產(chǎn)的沖擊地壓礦井，應(yīng)該優(yōu)化開拓開采，合理選擇采煤方法和開采強(qiáng)度，最大限度地增加各類大巷煤柱寬度和縮小區(qū)段煤柱寬度，回采時(shí)應(yīng)避免采動應(yīng)力疊加影響，最大限度地降低應(yīng)力集中。

5）煤礦在防治沖擊地壓過程中，一方面要配備先進(jìn)的沖擊地壓監(jiān)測裝備，確定具有礦井針對性的預(yù)警指標(biāo)和判據(jù)，另一方面要在回采前對煤層和頂板采用卸壓和斷裂措施，降低煤層和頂板積聚彈性能的能力。

6）有效的管理在沖擊地壓防控中是不可或缺的，應(yīng)給予高度重視，特別針對嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，在加強(qiáng)巷道支護(hù)的基礎(chǔ)上，要嚴(yán)格限制人員數(shù)量，充分做好人員與設(shè)施的安全防護(hù)。

7）對于沖擊地壓的防治，只要思想對頭、技術(shù)對路、管理對癥，沖擊地壓基本上可以實(shí)現(xiàn)可防可治、能防能治，少傷人、不傷人。