深入探索沖擊地壓 保障礦山工程安全

蔡巧玉 呂騰波

中國是世界上為數(shù)不多的、礦產(chǎn)資源種類較齊全的、礦產(chǎn)自給程度較高的國家之一。中華人民共和國成立以來，隨著中國找礦技術(shù)和礦產(chǎn)開發(fā)技術(shù)的提高，以及能源需求量大幅增加，礦山開發(fā)的速度也在不斷加快，隨之而來的礦山安全問題也越來越多。在眾多威脅礦山安全的隱患中，沖擊地壓便是煤礦最嚴(yán)重的動力災(zāi)害之一。

自20世紀(jì)80年代以來，遼寧大學(xué)校長、中國煤炭工業(yè)協(xié)會煤炭工業(yè)技術(shù)委員會動力災(zāi)害預(yù)警與防治專家委員會主任潘一山教授就開始系統(tǒng)持續(xù)地開展沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與預(yù)測防治技術(shù)研究。多年來，他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)不斷深入礦山生產(chǎn)一線，解決安全事故，時刻踐行著“面向國家重大需求，以科技創(chuàng)新服務(wù)社會”的偉大使命。

功夫不負(fù)有心人，2021年11月3日，由潘一山領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)完成的項(xiàng)目“深部煤礦沖擊地壓巷道防沖吸能支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”成功獲得2020年度國家科技進(jìn)步獎二等獎。這一項(xiàng)目的完成，也標(biāo)志著我國在煤礦工程安全防治技術(shù)方向取得了標(biāo)志性突破。

我國煤礦沖擊地壓危害嚴(yán)重

在我國，沖擊地壓發(fā)生的地理范圍很廣，總體分布于華北、華東以及中部地區(qū)，沖擊地壓發(fā)生最多的地區(qū)為山東省，約有33個煤礦，其次依次為黑龍江、江蘇、河南、河北、山西、遼寧、甘肅和北京等省市。

由于發(fā)生沖擊地壓的條件不同，因此造成我國沖擊地壓顯現(xiàn)出復(fù)雜多樣性。其具有突發(fā)性，過程短暫，伴隨有強(qiáng)烈的震動和聲響。沖擊地壓發(fā)生前一般沒有明顯的宏觀前兆，相當(dāng)多的沖擊地壓是由爆破、頂板來壓等引起的，但也有很多是在沒有人員活動的期間內(nèi)發(fā)生的，很難確定誘發(fā)因素。沖擊地壓一般伴隨有強(qiáng)烈的震動和聲響，有時地面幾千米范圍仍有震感。

現(xiàn)如今，我國沖擊地壓以煤層沖擊最常見，也有頂板沖擊和底板沖擊。在煤層沖擊中，絕大多數(shù)表現(xiàn)為破碎煤從煤壁拋出，也有極個別情況表現(xiàn)為數(shù)十平方米的煤體整體滑移。

根據(jù)對我國有記錄的2500多次破壞性沖擊地壓調(diào)研發(fā)現(xiàn)，87%的沖擊地壓都發(fā)生在巷道中。隨著煤礦開采深度的增加，現(xiàn)有的防沖技術(shù)與裝備無法有效解決深部高應(yīng)力與強(qiáng)擾動帶來的高能量突然釋放問題，導(dǎo)致巷道圍巖及支護(hù)瞬間破壞，造成重大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，潘一山團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目就是針對深部煤礦沖擊地壓巷道破壞這一重大難題而展開的。

創(chuàng)新應(yīng)用巷道防沖吸能支護(hù)技術(shù)

懷揣著在祖國煤炭事業(yè)中大顯身手的決心，多年來，潘一山在全國各地奔波，奮斗在自己一生熱愛的煤礦科研、生產(chǎn)、教學(xué)一線。在“973計(jì)劃”等課題的支撐下，他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)歷時10年聯(lián)合攻關(guān)，在沖擊地壓巷道防沖吸能支護(hù)理論、技術(shù)、裝備與工程實(shí)踐等方面取得了重大突破。

通過研究，潘一山團(tuán)隊(duì)首次提出了沖擊地壓巷道防沖吸能支護(hù)理論及技術(shù)體系;發(fā)明了液壓沖擊試驗(yàn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)沖擊載荷6500kN、沖擊速度8m/s、沖擊能量4×106J條件下巷道支護(hù)圍巖動力作用測試;首次發(fā)現(xiàn)了巷道支護(hù)圍巖系統(tǒng)沖擊地壓啟動應(yīng)力條件和停止能量條件。在不斷實(shí)踐與探索下，潘一山團(tuán)隊(duì)還成功發(fā)明了基于設(shè)防能量的巷道支護(hù)-遠(yuǎn)近場圍巖協(xié)同防沖技術(shù)，最大可抵御108J能量沖擊，首次完成了煤礦沖擊地壓巷道防沖吸能支護(hù)技術(shù)實(shí)踐。

巷道沖擊地壓發(fā)生時，圍巖向巷道空間迅速變形，巷道支護(hù)圍巖系統(tǒng)存在遠(yuǎn)場能量動力輸入。如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場圍巖能量可控釋放和近場圍巖能量有效吸收是沖擊地壓防治的源頭。

在這一背景下，潘一山團(tuán)隊(duì)探索了巷道圍巖遠(yuǎn)近場聯(lián)合調(diào)控能量方法。創(chuàng)新了“設(shè)計(jì)-掘進(jìn)-開采”采礦全過程巷道遠(yuǎn)場圍巖應(yīng)力控制降低釋放能量方法，實(shí)現(xiàn)了降低巷道遠(yuǎn)場圍巖釋放能量，解決了圍巖能量的可控釋放和有效吸收問題。

事實(shí)上，深部沖擊地壓巷道動力破壞與普通巷道破壞的本質(zhì)區(qū)別在于：巷道支護(hù)圍巖系統(tǒng)存在遠(yuǎn)場能量動力輸入。如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場圍巖能量可控釋放和近場圍巖能量有效吸收是沖擊地壓防治的源頭。為此，潘一山團(tuán)隊(duì)發(fā)明了系列巷道防沖吸能支護(hù)裝備;發(fā)明了系列巷道防沖吸能液壓支架，整架支護(hù)阻力達(dá)6000kN，吸能量可達(dá)106J;發(fā)明了環(huán)向可縮吸能O型棚巷道支架，最大環(huán)向收縮量為1.2m，最大吸能量為200kJ;發(fā)明了具有徑向分布吸能功能的巷道吸能錨桿索，與普通錨桿相比，吸能錨桿索吸能量提高了2倍。解決了現(xiàn)有支護(hù)無法適應(yīng)沖擊動載、瞬間破壞等難題，填補(bǔ)了國內(nèi)外防沖吸能支護(hù)裝備的空白。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。在相關(guān)項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)獲得了38項(xiàng)國家發(fā)明專利、2項(xiàng)軟件著作權(quán)，制定頒布了7部國家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文70篇，出版專著2部。研究成果應(yīng)用于全國58處礦井，保障了沖擊地壓礦井1000km巷道安全，新增產(chǎn)值80.9億元。核心研究成果納入國家《煤礦安全規(guī)程》和《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》中，為煤礦安全生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，對我國煤炭行業(yè)科技發(fā)展產(chǎn)生了積極推動作用。

成果背后的團(tuán)隊(duì)力量

實(shí)業(yè)救國、科學(xué)救國，潘一山和團(tuán)隊(duì)成員的人生價值在祖國的煤礦事業(yè)中閃閃發(fā)光。這些成果，是一代代像潘一山一樣的煤礦知識分子接力奮斗的結(jié)果，更是由他領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)集體智慧的結(jié)晶。談起自己的團(tuán)隊(duì)，潘一山總是充滿無限自豪。

潘一山介紹道，目前，由他組建的沖擊地壓研究團(tuán)隊(duì)主要由兩部分組成：一是遼寧工程技術(shù)大學(xué)沖擊地壓研究院，二是遼寧大學(xué)遼寧省煤礦動力災(zāi)害綜合監(jiān)管大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心。

遼寧工程技術(shù)大學(xué)沖擊地壓研究院是國內(nèi)最早開展沖擊地壓、煤和瓦斯突出等礦井動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理、預(yù)測與防治技術(shù)研究的單位，在研究方向、研究基地、產(chǎn)品和研究團(tuán)隊(duì)等各方面均具有明顯優(yōu)勢。20世紀(jì)80年代初，他們就與煤科總院等單位合作，圍繞全國煤礦進(jìn)行沖擊地壓礦井的鑒定工作，制定了沖擊地壓礦井煤炭開采的實(shí)施規(guī)程。30多年來，已經(jīng)形成了一支以博士生導(dǎo)師為帶頭人的、在礦井動力災(zāi)害預(yù)測及治理研究方面具有較高科研水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的研究隊(duì)伍。研究成果已應(yīng)用于淮南、開灤、鐵法、撫順、鶴壁、鶴崗等礦區(qū)，與相關(guān)煤礦企業(yè)合作開展了大量相關(guān)方面的研究工作，取得了良好效果，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

而遼寧省煤礦動力災(zāi)害綜合監(jiān)管大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心則致力于煤礦動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了微震、電荷、地音等多元異構(gòu)信息的大數(shù)據(jù)一體化分析解決方案，在相關(guān)領(lǐng)域中作出了突出貢獻(xiàn)。

作為負(fù)責(zé)人，潘一山長期從事煤礦沖擊地壓和礦震災(zāi)害機(jī)理、預(yù)測與防治技術(shù)研究，主持的“阜新礦區(qū)深部高瓦斯煤層沖擊地壓研究”項(xiàng)目，獲得了2009年度中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎;“煤礦沖擊地壓預(yù)測與防治成套技術(shù)”項(xiàng)目，獲2010年度國家科技進(jìn)步獎二等獎。此外，潘一山團(tuán)隊(duì)2009—2011年與河南省平頂山中平能化集團(tuán)合作了“平頂山礦區(qū)深井動力災(zāi)害統(tǒng)一預(yù)測方法與防治關(guān)鍵技術(shù)研究”，該項(xiàng)目于2012年獲煤炭工業(yè)協(xié)會科技進(jìn)步獎一等獎，2013年獲國家科技進(jìn)步獎二等獎。

生命不息，奮斗不止。時至今日，潘一山仍舊奔波在全國煤礦現(xiàn)場一線。通過在井下一線進(jìn)行調(diào)研并建立相關(guān)技術(shù)體系，潘一山對相關(guān)領(lǐng)域的探索熱情歷久彌堅(jiān)，而這一切也促使他立下了為祖國的煤礦事業(yè)終生奮斗的志愿。未來，他仍將帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)成員，在煤礦沖擊地壓和礦震災(zāi)害機(jī)理研究領(lǐng)域繼續(xù)開拓下去。

（責(zé)編：張聞）CD079D0D-BA75-4BE1-A69E-368CA3B19AB7