百年老礦沖擊地壓防治實踐

文/肖雪峰 曹堅正 關(guān)書方

開灤唐山礦已有140多年的開采歷史，井田總體為單斜構(gòu)造，五大斷層依次排列，七大褶曲貫穿其中，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隨著礦井開采深度的增加，構(gòu)造應(yīng)力、采動應(yīng)力、各種煤柱應(yīng)力相互疊加，水、火、瓦斯、煤塵、頂板、沖擊地壓等災(zāi)害日漸凸顯。2019年初，唐山礦升級為沖擊地壓礦井，開始按照沖擊地壓礦井進行管理，同年8月2日，風(fēng)井煤柱區(qū)發(fā)生沖擊地壓事故，之后立即停產(chǎn)開展防沖整改工作，復(fù)產(chǎn)后“沖擊地壓防治”成為礦井的第一要務(wù)。經(jīng)過近兩年的防沖實踐、探索，唐山礦防治水平有了一定提高，為礦井安全生產(chǎn)提供了有力保障。

一、采取的主要措施

1．調(diào)整生產(chǎn)布局，主動降低礦井產(chǎn)能

唐山礦將礦井由“一井四面”生產(chǎn)布局調(diào)整為“一井兩面”布局，并重新核定礦井生產(chǎn)能力，由420萬t/a核減為300萬t/a。削減產(chǎn)能，降低工作面開采強度，不僅可以有效減緩上覆巖層下沉的影響，實現(xiàn)礦山壓力和圍巖積聚能量的穩(wěn)定緩慢釋放，更為重要的是，降低開采強度為防沖措施實施騰出了時間和空間，進一步提高了礦井防沖工作的安全保障能力。

2．加強基礎(chǔ)建設(shè)，夯實防沖根基

圍繞沖擊地壓防控，從教育培訓(xùn)、組織領(lǐng)導(dǎo)、制度體系建設(shè)等方面著手開展工作，夯實防沖基礎(chǔ)。

一是加強機構(gòu)與人員配置。礦井成立了防沖工作領(lǐng)導(dǎo)小組，由礦長任組長，總工程師、各副礦長任副組長，明確細化責(zé)任分工，對礦井的沖擊地壓防治工作進行全面領(lǐng)導(dǎo)。設(shè)立防治沖擊地壓辦公室和沖擊地壓監(jiān)控室，配齊配優(yōu)專職技術(shù)人員15人，為防沖工作提供了強有力的人才和技術(shù)保障。在區(qū)科層面，建立了141人的專職鉆探隊伍，負責(zé)監(jiān)測、卸壓、驗證等具體工作，確保各項防沖措施在現(xiàn)場落實到位。

二是完善防沖制度和措施保障體系。以建設(shè)沖擊危險性預(yù)測、監(jiān)測預(yù)警、防范治理、效果檢驗、安全防護“五位一體”綜合防沖措施為目標，對照《防沖細則》，結(jié)合礦井實際，建立健全防沖《安全生產(chǎn)崗位責(zé)任制度》《沖擊危險區(qū)域限員管理制度》等28項防沖制度，對防沖職責(zé)、監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急處置、限員管理、設(shè)備管理等進行詳細規(guī)定。此外，還建立了以總工程師為核心的技術(shù)管理體系，并研究制定了《井下工程設(shè)計管理辦法》等一系列配套工作制度。

三是大力開展防沖專項教育。按照“走出去、請進來”的思路，組織骨干工程技術(shù)人員，先后到遼寧、山東、黑龍江、江蘇等地進行培訓(xùn)考察，深入學(xué)習(xí)先進技術(shù)和管理經(jīng)驗。先后邀請中國礦大、天地科技公司等機構(gòu)專家學(xué)者來礦開展講座，有效提高了工程技術(shù)人員的防沖業(yè)務(wù)水平。此外，還采取集中培訓(xùn)和自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的形式，從礦井、專業(yè)、區(qū)科三個層次開展防沖培訓(xùn)，促進了員工防沖素質(zhì)提高。

3．堅持技術(shù)先行，科學(xué)組織生產(chǎn)

牢固樹立技術(shù)保安思維，加強技術(shù)對生產(chǎn)的指導(dǎo)，為安全生產(chǎn)提供堅強的技術(shù)支撐。

一是重視區(qū)域防沖技術(shù)研究與落實。堅持“預(yù)防為主、設(shè)計先行”工作導(dǎo)向，充分考慮沖擊地壓影響因素，進一步優(yōu)化了南五采區(qū)設(shè)計，三條采區(qū)上山及硐室由煤巷設(shè)計變?yōu)閹r巷設(shè)計，采區(qū)由雙翼開采變?yōu)閱我黹_采，修改工作面停采線位置避免內(nèi)外交錯，修改后大大減少了煤體應(yīng)力集中情況。

二是認真開展沖擊危險性評價。嚴格按照防沖規(guī)定，在對礦井全面分析論證的基礎(chǔ)上，詳細編制了礦井中長期防沖規(guī)劃和年度防沖計劃；與山東科技大學(xué)合作，圍繞礦井整體、各煤層、各采區(qū)、各運輸巷和各采掘工作面，完成了《沖擊危險性評價報告與防沖設(shè)計》20余項，做到分區(qū)管理，為更好地指導(dǎo)沖擊地壓防治工作提供了科學(xué)依據(jù)。

三是加強對礦井沖擊地壓特點與規(guī)律的研究。一方面，加強與院校合作，重點圍繞唐山礦原巖應(yīng)力測試與區(qū)域應(yīng)力場分析、沖擊地壓主控因素及其耦合作用、沖擊地壓多參量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等方面進行研究。另一方面，通過長時間的數(shù)據(jù)采集與綜合分析，并與中國礦大溝通，將微震大事件分布，以及發(fā)生頻次與支架壓力數(shù)據(jù)相結(jié)合，研判工作面周期來壓與大能量事件的規(guī)律，為針對性開展沖擊地壓監(jiān)測與防治提供了可靠的理論依據(jù)。

4．加強硬件投入構(gòu)建監(jiān)測預(yù)警體系，實現(xiàn)科技治災(zāi)

持續(xù)加大防沖硬件設(shè)備設(shè)施投入，依托現(xiàn)代化手段，提高礦井防災(zāi)治災(zāi)能力。

一是組建防沖監(jiān)測預(yù)警體系。礦井防沖監(jiān)測預(yù)警體系分為區(qū)域監(jiān)測、局部監(jiān)測和監(jiān)測預(yù)警。區(qū)域監(jiān)測方面，配置了兩種微震系統(tǒng)，一種是從波蘭引進的ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)，共有16個測點，主要分布在風(fēng)井煤柱采區(qū)、岳胥區(qū)和南五采區(qū)；另一種是KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)，主要分布在岳胥區(qū)Y394、0250等采掘工作面及臨近巷道，實現(xiàn)了礦井沖擊危險區(qū)域監(jiān)測和工作面高精度監(jiān)測。局部監(jiān)測方面，配備了KJ216應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要分布在Y394、0250工作面兩巷，同時還配備煤巖動力災(zāi)害聲電監(jiān)測儀設(shè)備，通過應(yīng)力在線監(jiān)測、電磁輻射法監(jiān)測和鉆屑法監(jiān)測，構(gòu)建起唐山礦局部監(jiān)測體系。監(jiān)測預(yù)警方面，隨著防沖工作深入開展，通過加強數(shù)據(jù)的綜合分析與研判，優(yōu)化礦井沖擊危險性預(yù)警臨界指標，從而進一步提升預(yù)測、預(yù)判、預(yù)警水平。

二是加強監(jiān)測預(yù)警體系運行管理。一方面，結(jié)合工作面回采、巷道施工、監(jiān)測變化等情況綜合分析，設(shè)計制定更加合理的監(jiān)測設(shè)備布置方案及監(jiān)測措施，更好地滿足區(qū)域及局部監(jiān)測需要。另一方面，針對監(jiān)測設(shè)備在運行過程中暴露出的線路、運行、供電等問題，布置防沖監(jiān)測設(shè)備供電專線，優(yōu)化供電系統(tǒng)，減少了供電故障率。更換了KJ216監(jiān)測系統(tǒng)的主站設(shè)備，實現(xiàn)了8小時自存儲功能。完善設(shè)備管理制度，增設(shè)井下值班維護人員，提高了監(jiān)測設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

5．嚴細現(xiàn)場管理，筑牢前沿防線

堅持把現(xiàn)場作為安全管理的落腳點，嚴抓細管，主動作為，全面筑牢防沖前沿防線。

一是嚴格落實區(qū)域和局部相結(jié)合的防沖措施。先通過區(qū)域微震監(jiān)測法預(yù)判應(yīng)力集中部位，然后運用電磁輻射監(jiān)測法和鉆屑監(jiān)測法進行局部監(jiān)測，精準確定危險范圍。之后，由防沖技術(shù)人員綜合分析制定治理、卸壓、監(jiān)測方案并指導(dǎo)實施，主要采用煤層爆破卸壓和大直徑鉆孔卸壓兩種方式。

二是加強沖擊地壓隱患的排查與治理。堅持“全覆蓋、無死角、零容忍”的原則，定期組織防沖專業(yè)技術(shù)人員進行專項隱患排查及治理，2020年累計排查86次，查處隱患問題282項。

三是加強支護與個體防護。支護方面，結(jié)合各采掘工作面及巷道的實際情況，通過加密或增打拱形棚、加打圍巖破碎區(qū)域錨索、單體柱等措施，增大支護強度，提高了巷道抵抗沖擊地壓能力。個體防護方面，嚴格配備壓風(fēng)自救裝置，為一線作業(yè)人員配備了防沖帽、防護服、隔離式自救器等防護裝備。

四是嚴格執(zhí)行“三限”管理。限采深方面，目前礦井采深最深工作面Y394工作面，最大開采深度為885.5m，沒有超過千米。限產(chǎn)量方面，重新核定了生產(chǎn)能力，最終定為年產(chǎn)300萬t。2020年結(jié)合礦井防沖實際，產(chǎn)量指標由300萬t降為190萬t。限員方面，設(shè)置井下限員管理站，采取專人值班、掛牌管理、“等量置換”等方式，嚴格控制進入沖擊地壓危險區(qū)域人數(shù)。

五是加強大能量事件應(yīng)急處置。建立大能量事件應(yīng)急處置預(yù)案，嚴格落實危險緊急情況撤人制度。2020年累計發(fā)生大能量事件預(yù)警48次，均嚴格按照要求進行了處置。

二、存在的問題和不足

1．綜合分析預(yù)警能力有待進一步提高

在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方面，還比較膚淺，只注重某一點、某一工作面局部分析，或是事后分析，而統(tǒng)籌分析、超前分析能力較差，很多時候都需要依靠第三方機構(gòu)，一定程度上影響防沖工作效率、效果。

2．防沖治理手段、卸壓方式還比較單一，超前防治措施較少

在卸壓方式上，目前主要是煤層爆破卸壓和大直徑鉆孔卸壓兩種，對頂板爆破預(yù)裂、頂板水力致裂等超前治理手段研究還不夠。

3．支護方式還比較落后

目前，礦井支護主要為架棚等被動支護方式，支護強度低，抗沖擊性能差。而很多沖擊地壓礦井都已使用端頭超前支架、高強吸能支架等新型支護方式。裝備引進、工藝升級，巷道大斷面支護是今后重點要解決的問題。

三、主要體會與思考

1．堅持區(qū)域與局部相結(jié)合的防治方法，“標本兼治、重在治本”

煤礦沖擊地壓防治，既有區(qū)域防范方法，也有局部治理措施。從現(xiàn)場實踐看，局部防治只能是“治標”之策，并不能解決根本問題，而區(qū)域防治從調(diào)整礦井開拓部署、開采設(shè)計著手，從根源上降低沖擊地壓風(fēng)險，既經(jīng)濟又安全可靠。

2．注重總結(jié)提煉，探尋沖擊地壓發(fā)生機理與主控因素

要通過現(xiàn)場表現(xiàn)出的特征，挖掘內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合理論分析，確定礦井沖擊地壓的類型及其組合，分析沖擊地壓發(fā)生的機理和主控因素，從而針對沖擊地壓類型分類施策、精準施策，實現(xiàn)對沖擊地壓的有效防控。

3．注重采場周邊的礦壓分析

煤巖體應(yīng)力的變化是引起沖擊地壓的根源，而煤巖體的應(yīng)力與本工作面開采和巷道掘進直接相關(guān)，同時也受相鄰工作面、采區(qū)、煤層開采影響。因此，要加大采場周邊分析范圍，空間上認真研究上覆巖層的運動規(guī)律，特別是關(guān)鍵層的運動規(guī)律，時間上考慮周邊采掘工程的穩(wěn)定期。從時空上分析圍巖的運移、應(yīng)力的演化誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。

4．注重宏觀和微觀上相統(tǒng)一

研究唐山礦沖擊地壓，不能局限于研究小范圍的能量分布、微震事件與應(yīng)力變化，必須整體與局部統(tǒng)籌考慮。從大的方面考慮礦井、礦區(qū)、大型地質(zhì)構(gòu)造帶的影響，結(jié)合礦區(qū)地應(yīng)力測定結(jié)果，分析沖擊地壓的生成環(huán)境、表現(xiàn)形態(tài)、發(fā)生條件，從區(qū)域角度采取針對性的防治措施。同時，也要加強局部圍巖結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)分析，結(jié)合工作面覆巖破斷運移規(guī)律，落實局部監(jiān)測預(yù)警和防范治理措施，宏觀和微觀一并考慮，提高沖擊地壓防治的有效性。

5．注重“科技興安，少人則安”

一是注重產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，立足實際找課題，加強與院校合作，圍繞重點、難點開展攻關(guān)研究，解決實際困難，提高專業(yè)技術(shù)人員素質(zhì)。二是以智能化礦山為依托，推進智能化、自動化采掘工作面建設(shè)，大力實施工作面遠程集中控制，減少作業(yè)人員，提高效率，實現(xiàn)“無人則安、少人則安”。三是加強巷道支護，應(yīng)用高強支護材料，推進大斷面支護、全錨網(wǎng)支護、注漿錨桿支護，增加強度，不斷提高礦井的風(fēng)險防控能力。

6．注重超前預(yù)警，主動防治

一是構(gòu)建綜合監(jiān)測預(yù)警平臺，綜合運用微震監(jiān)測法、應(yīng)力在線監(jiān)測法、礦壓觀測法、鉆屑法、電磁輻射法等手段，做好數(shù)據(jù)綜合分析，提升監(jiān)測預(yù)警準確性和超前性。二是開展預(yù)卸壓，通過頂板深孔爆破預(yù)裂、水力致裂等超前手段，對應(yīng)力集中區(qū)超前卸壓，引進智能無人鉆車，提高打鉆卸壓效率。三是順槽應(yīng)力集中區(qū)采用單元支架、門式支架等高強吸能防沖支架，實現(xiàn)主動防護。

復(fù)合支護巷道