撫順礦區沖擊地壓綜合防治技術

李國君

（撫順礦業集團有限責任公司，遼寧 撫順113008）

沖擊地壓[1]是威脅煤礦安全生產的主要重大災害之一，隨著礦井開采深度增大，危害程度也不斷加大。往往造成巷道頂板下沉、兩幫收斂、底板開裂鼓起甚至接頂，強烈沖擊對作業人員身體造成顛簸、碰撞、擠壓等直接傷害，甚至因巷道、設備及通風設施的損壞，引發瓦斯、煤塵燃爆等重大次生災害[2]。撫順礦業集團有限責任公司和老虎臺礦在沖擊地壓災害治理斗爭中，總結積累了豐富的經驗教訓，并在全國多個礦區推廣應用。

1 沖擊地壓在撫順礦區的顯現

撫順礦區1933 年就發生過沖擊地壓[3]，老虎臺礦在20 世紀70 年代開采深度400 m 時開始有沖擊地壓顯現，隨著礦井開采降深，沖擊地壓顯現日趨顯著，特別是21 世紀初，多次發生沖擊地壓事故，造成大量巷道破壞和人員傷亡，對礦安全生產造成嚴重影響。2002 年1 月26 日，78002 綜放工作面回風巷發生ML3.7 級沖擊地壓，是老虎臺礦開采以來最大震級的沖擊地壓。2000—2019 年礦井發生的破壞性沖擊地壓統計表見表1。

表1 2000—2019 年礦井發生的破壞性沖擊地壓統計表Table 1 Statistical occurrence of destructive coal bump from 2000 to 2019

1997 年，老虎臺礦成立專門機構兩防辦，負責礦井防治沖擊地壓和煤與瓦斯突出管理工作，使防沖工作逐步走向規范化。陸續引進電磁輻射等先進預測預報技術和高壓注水等解危卸壓方法，并與相關科研院所開展防沖方面的合作研究和技術攻關。

1998 年，在特厚煤層巷道支護中廣泛采用錨網和“U”型鋼可縮棚復合支護，“U”型支架由U 型棚發展為O 型棚鋪雙網全封閉支護，并逐步向重型化發展，現普遍采用U36 型棚，提高了巷道支護強度。2005 年，開始將液壓支護引入到巷道支護領域，先后設計使用了垛式巷道液壓支架、超前巷道（邁步）液壓支架和防沖巷道（門式）液壓支架，在受沖擊地壓威脅較大的地點安裝使用，進一步提升了巷道支護強度和支護的整體性、穩定性。

在撫順上百年的開采歷史進程中采煤方法經歷了5 次變革，1996 年綜放開采試驗成功，炮采傾斜長壁水砂充填開采轉變為綜合機械化放頂煤采煤法。采煤方法的改革，不僅極大地增強了工作面的支護強度，提高了勞動生產效率和礦井的綜合經濟效益。更主要的是由于采掘布局合理，簡化了生產系統，精簡了井下作業人員，從而為礦井通風、瓦斯治理、等現場安全管理創造了有利條件，尤其是在沖擊地壓的防治上起到了關鍵作用，杜絕了工作面沖擊地壓事故，提升了礦井抵御災害的綜合能力。

2006 年，老虎臺礦完成了礦井深部所有采區的保護層開采，在上部分層采后，下部分層沖擊地壓危險程度顯著降低。沖擊地壓的發生次數減少。

2 撫順礦區開采過程中沖擊地壓顯現特點

老虎臺礦處于撫順煤田中部，主采煤層本層煤為結構復雜的特厚煤層，最大煤層厚度110.5 m，平均煤層厚度58 m。煤層頂板為極易垮落的油頁巖，平均厚度為194.08 m。底板為凝灰巖，平均厚度為42.7 m。煤層鑒定為弱沖擊傾向性，頂底板巖層鑒定為無沖擊傾向。礦井采用斜豎井階段水平大巷開拓方式，綜合機械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理采空區。礦井設計生產能力300 萬t/a，核定生產能力240 萬t/a。井田中央布置7 條井入風（6 斜1 豎），兩翼分別布置2 條斜井回風。現有2 個生產水平，劃分淺部復采區（-430 m 水平）和深部東部、中部（-730 m 水平）等3 個采區。

根據以往的防治沖擊地壓工作經驗總結[4]，斷層和向斜軸等地質構造附近沖擊地壓多發，采深增大沖擊地壓危險也增大，開采孤島煤柱區域沖擊地壓嚴重，上部分層開采時沖擊顯現強烈，下部分層開采時受上部分層保護區域發生沖擊地壓較少，綜放面初采、“見方”和終采時沖擊地壓頻繁。

3 撫順礦區沖擊地壓綜合防治技術

撫順礦業集團公司及老虎臺礦不斷加大“人、財、物”投入，積極開展技術研究，嚴格落實“預測預報、監測預警、防范治理、效果檢驗、安全防護、教育培訓、技資保障、應急救援”“八位一體”綜合防治沖擊地壓措施，切實加強礦井防沖管控，提升礦井安全管理水平和全員安全意識。

3.1 沖擊危險預測預報

沖擊危險預測預報堅持區域先行、局部跟進原則，先初步將礦井各生產區域劃分為強、中、弱和無沖擊危險區域，再綜合運用微震監測法、鉆屑法、礦壓觀測法、電磁輻射法等技術方法，綜合分析測試數據預測預報局部沖擊危險。

1）微震監測法。老虎臺礦2008 年8 月引進自波蘭EMAG 公司ARAMIS M/E 微震監測系統。該系統可實時監測煤巖層微震事件，精確計算出發生礦震和沖擊地壓的震源位置和震動能量。通過統計監測數據，分析規律，預測沖擊地壓趨勢。利用微震監測系統預測預報沖擊危險，重點要對微震信息統計對比。通過統計記錄發生微震活動的時間和空間以及強度分布的變化，分析頻譜、波速的變化，查找煤巖層微震活動規律和趨勢，預測下一步微震事件發生的可能性。微震系統示意圖如圖1。

圖1 微震系統示意圖Fig.1 Micro-seismic system diagram

2）鉆屑法。鉆屑法[5]是在煤層中打鉆孔，通過測定排出煤粉量的變化和相關動力效應，判斷沖擊危險。鉆屑法具有施工方便、設備簡單、投入少、預測較準確等優點，但鉆屑法不能做到實時監測，而且現場施工人員測試過程存在人身危險。 鉆屑量的臨界值4 kg，即鉆屑量S≥4 kg 有沖擊地壓危險，S＜4 kg 則無沖擊地壓危險；如打鉆過程中有明顯動力現象，也認定為有沖擊危險。

3）礦壓觀測法。通過對工作面支架阻力[6]、兩巷超前支護阻力、巷道頂底板移近和頂板離層等情況的觀測，了解采場來壓程度、來壓步距、來壓征兆、沖擊地壓與采動的關系，并對沖擊地壓及采場大面積來壓進行預測預報。礦壓觀測法采用的設備相對簡單，便于人員操作，設備成本相對較低，但相對來說監測精度較低，受監測區域其他因素影響較大，且預測時效性相對較差。

4）電磁輻射法。電磁輻射法[7]是基于煤巖體受載變形破裂會產生電磁輻射和聲發射信號的規律，當煤巖體受載應力越大時，電磁輻射/聲發射強度就越大；加載速率越大，變形破裂過程越強烈，電磁輻射/聲發射信號越強。電磁輻射和聲發射幅值能夠反映煤巖體所處的應力狀態和所積聚的彈性應變能。YDD16 便攜式聲電監測儀（圖4）融合了聲發射及超低頻電磁感應技術，是一種便攜式、多通道、多信號、非接觸定向監測儀器。

圖2 YDD16 便攜式聲電監測儀Fig.2 YDD16 type portable electro-acoustic monitor

3.2 沖擊地壓監測預警和防范治理及效果檢驗

礦井建立了ARAMIS 微震監測系統開展區域監測，建立應力在線監測系統及綜合監測預警平臺進行局部監測。

沖擊地壓防治優先采取區域防治措施，通過開采保護層、降低開采強度、合理采區布局等區域措施降低煤巖應力集中程度；通過卸壓鉆孔、高壓注水等局部措施，改變巷道周邊煤巖體物理力學性質，減弱其積聚和釋放彈性能的能力。

1）開采保護層[8]。老虎臺礦主采煤層為平均厚度達58 m 的特厚煤層，在分層放頂煤開采過程中，選擇上部分層作為保護層開采，降低下部分層開采過程中的沖擊危險。

2）優化采掘布局。老虎臺礦按煤層賦存條件，采取分區布置方式，綜合放開采。深部有沖擊危險的采區保持“一個回采，另一個準備”，每個采區不同時進行采掘，避免采掘工作面相互之間形成擾動。

3）降低開采強度。降低礦井和回采工作面生產能力是防治沖擊地壓1 項極其有效的措施。老虎臺礦回采工作面推進速度控制在40 m/月，通過采取降低回采工作面開采強度的措施，工作面上覆巖層活動變緩，礦壓緩慢釋放，應力集中程度明顯緩解。

4）高壓注水。充分利用巷道掘進至工作面回采的各個時期，實施高壓注水和靜壓注水。先進行高壓注水，取得煤體致裂效果后，再利用礦井供水系統自然水壓進行靜壓注水。保證注水壓力和注水時間，使煤體注水后含水率達到4%以上或含水率增值達到2%以上。根據煤體硬度等參數合理確定注水孔布置密度，使用鉆孔探測等方法驗證注水孔有效濕潤范圍，一般注水孔間距不大于有效濕潤范圍直徑，以確保注水覆蓋范圍，老虎臺礦實施注水孔間距一般不大于15 m。注水孔角度和深度根據注水位置和煤層厚度來確定，高壓注水壓力不低于8 MPa，靜壓注水壓力不低于1.5 MPa。巷道掘進時實施邊掘邊注，在掘進工作面向掘進前方施工注水孔，孔深10～30 m，采用橡膠封孔器封孔，進行高壓注水。在已掘巷道內滯后掘進頭15 m 處，向兩幫和頂板施工注水孔，每隔15 m 打1 組，幫孔深度15 m，頂孔深度根據頂板煤厚確定。工作面巷道準備完成后實施采前注水，在兩巷道向回采煤體施工注水孔，鉆孔深度根據工作面長度確定，確保兩巷道的鉆孔相互搭接，覆蓋全部回采煤體。工作面開采過程中實施邊采邊注，對工作面架前煤壁向頂板施工鉆孔進行高壓注水，每天放煤班打鉆，并立即封孔注水，放煤班和檢修班連續注水2 個小班。

5）卸壓鉆孔。卸壓鉆孔是向煤巖體施工鉆孔消除沖擊地壓危險的措施。卸壓鉆孔可以釋放煤巖體中積聚的彈性能，消除高應力區，進而消除或降低沖擊危險。老虎臺礦在掘進工作面沖擊地壓危險的區域，超前實施卸壓鉆孔，按照“兩掘一鉆”作業方式，每天3 個班次循環作業中固定安排1 個小班時間進行卸壓鉆孔施工，另外2 個班正常掘進。每次打1 排或2 排卸壓鉆孔，總計7～14 個鉆孔，孔深一般為10～15 m，孔徑108～153 mm，用卸壓鉆孔掩護巷道掘進。卸壓鉆孔布置示意圖如圖3。

對已經采取區域防治措施和局部防治措施的沖擊危險區域，進行防沖效果有效性檢驗。檢驗的方法和采用的指標與沖擊地壓危險預測預報時相同，如沖擊危險未消除或綜合防沖措施落實不到位，則必須重新編制設計，繼續采取防治措施。直到檢驗確認消除沖擊危險后，方可在落實安全防護措施的基礎上組織采掘生產。

圖3 卸壓鉆孔布置示意圖Fig.3 The schematic diagram of pressure-released borehole layout

3.3 沖擊地壓安全防護措施

安全防護措施[9]是防治沖擊地壓災害事故的最后1 道防線，是發生沖擊地壓事故時作業人員的生命保障，因此即便采取了區域、局部治理措施，也不能放松安全防護措施。

3.3.1 加強巷道支護

支護形式的成功改革，充分體現了“較大的初承力、良好的可縮性和較強的支護強度”三大特點，為綜合機械化放頂煤技術的全面推廣應用創造了有利條件，同時為“一通三防”、特別是沖擊地壓等隱患治理提供了強有力的保證[10]。

1）錨網U 型鋼棚（O 型棚）復合支護。錨網U 型鋼棚（O 型棚）復合支護方法如圖4，相較單獨錨網主動支護和木棚、梯形鐵棚等剛性支護，初撐力更大，支護強度更高，抗沖擊能力更強，支護結構更加完整。對巷道實現了全斷面支護，防治巷道底鼓能力更強，發生沖擊地壓時，可以在搭接部收縮實現卸壓并保持支護結構完整。

圖4 O 型棚支護Fig.4 The O type shed support

2）巷道垛式液壓支架加強支護。對于構造區域、煤柱邊緣、巷道岔口等沖擊危險性較大地點巷道，使用巷道垛式液壓支架，提高巷道支護強度，岔口垛式液壓支架如圖5。每組垛式液壓支架由4 根液壓支柱與高強度的頂梁、底梁組成，尤其注重加強了對巷道底板的支護強度，對減緩沖擊強度和有效保護巷道空間具有十分明顯的效果。沿巷道方向將若干支架相鄰擺放支撐，即形成牢固的巷道空間，巷道垛式液壓支架如圖6。

圖5 岔口垛式液壓支架Fig.5 Fork chock hydraulic support

圖6 巷道垛式液壓支架Fig.6 Chock hydraulic support for entry

3）巷道超前液壓支架加強支護。掘進工作面掌子頭和采煤工作面兩端頭等采掘應力集中區，頂底板受動壓影響，來壓顯著。采用巷道超前支護支架加強支護，超前巷道液壓支架如圖7。進一步提高支護強度，降低頂板移近，防止沖擊地壓發生時造成頂板事故。巷道超前支護支架，兩架并列組成1 組，相鄰的2 個底座之間連接有移架千斤頂，可在各種礦井巷道內進行自移行走式支護。

圖7 超前巷道液壓支架Fig.7 Hydraulic support in advance roadway

4）防沖巷道液壓支架支護。采煤工作面巷道鄰近地質構造或處于原生煤體的巷道，有沖擊地壓危險，采用防沖巷道液壓支架支護。這類巷道受采掘擾動大，礦壓顯現強烈，巷道頂底板及兩幫收斂速度很快，巷道維修維護工程量巨大，且極易發生沖擊地壓。這類巷道應當杜絕剛性支護，采用高強度可縮封閉式支護。防沖巷道液壓支架由頂梁、底梁和液壓支柱構成。拱型頂梁由2 段弧形梁鉸接組成，底梁由2 個底座和1 段中節鉸接組成，頂梁和底梁間由液壓支柱支撐。支架整體呈O 型，與O 型可縮鋼棚同時使用，交替平行布置安裝在O 型棚棚空內。老虎臺礦58008-3 工作面根據防沖要求合理選擇巷道支護方式，工作面設計時超前考慮防治沖擊地壓要求，巷道支護設計按照重型強支護的防沖理念，在巷道掘進時永久支護強度直接達到防沖要求。回風巷沖擊地壓區域巷道采用錨網U36 型鋼O 型棚復合支護，并配合采用ZT2×3200-18/35 型超前巷道液壓支架和ZP6400-27/42G 型防沖巷道液壓支架加強支護。共計安設超前巷道液壓支架44 架，防沖巷道液壓支架41 架。通過加強巷道支護，既起到了被動防護作用，又對圍巖穩定起到一定主動作用，使巷道在礦震整體震動過程中不發生變形和破壞。防沖巷道液壓支架如圖8。

圖8 防沖巷道液壓支架Fig.8 Hydraulic support in anti-impact roadway

5）吸能式防沖巷道液壓支架支護。老虎臺礦還引進遼寧大學潘一山教授主持研發的吸能式防沖巷道液壓支架[11]用于沖擊地壓危險巷道支護，支架立柱下方安裝吸能元件，頂梁兩側設置有側護板，側護板與頂梁相鉸接，動作翻轉千斤頂可以使側護板翻起支護頂板，增大頂板支護面積，并使支架整體更加穩定。該支架在發生沖擊地壓時可以實現讓位速度和吸收消耗沖擊能量，使支架保持結構完整穩定，通過讓位吸能起到降低沖擊破壞的作用。老虎臺礦將吸能式防沖巷道液壓支架用于73007 工作面，在運輸煤門安裝4 架，在運輸巷安裝12 架，用于加強中等沖擊危險區域巷道支護，并在回風巷安裝4 架用于加強端頭支護。73007 工作面開采過程中，先后發生過1 次ML2.6 級和1 次ML2.4 級礦震，沒有誘發井巷和圍巖發生沖擊地壓，也沒有造成巷道變形破壞，顯示出吸能式防沖巷道液壓支架良好支護能力和對防治沖擊地壓的作用。吸能防沖巷道液壓支架如圖9。

圖9 吸能防沖巷道液壓支架Fig.9 Energy absorption and anti-impact roadway support

3.3.2 采用防護裝備

1）佩戴個體防護裝備。沖擊地壓事故造成人員受傷的主要部位是腦部和胸部的機械損壞，為減少沖擊地壓事故中作業人員人身傷害，撫順礦業集團公司老虎臺礦研發了防沖擊個體防護裝備，包括防沖擊背心和防沖擊頭盔，并取得了專利。防沖擊頭盔和防沖擊背心的主要使用抗沖擊ABS 樹脂制作，增加緩沖材料減緩人體受到的沖擊力，保護人體重要器官，從而大幅度降低因沖擊地壓帶來的人身傷害。個體防沖裝備如圖10。

圖10 個體防沖裝備Fig.1 Individual protection equipment

2）構筑防沖擊屋。防沖擊屋是一種人身防護設施，在沖擊地壓區域巷道局部地點采取特殊措施加強支護，設置減震和應急避災設施，為沖擊地壓危險區域的固定性看守崗位提供安全環境。

3）安設壓風自救系統。在有沖擊危險的采掘工作面安設袋式壓風自救裝置（圖11），其它沖擊地壓區域巷道安設箱式壓風自救裝置（圖12），發生沖擊地壓等事故后，作業人員如無法迅速撤出災區，可以使用壓風自救裝置避險。

圖11 袋式壓風自救裝置Fig.11 Bag pneumatic self-rescue device

圖12 箱式壓風自救裝置Fig.12 Box type pneumatic self-rescue device

3.3.3 其 它

1）物件設備捆綁固定。沖擊地壓事故造成人員傷亡的主要原因就是巷道內存放的物件飛揚，撞擊、擠壓作業人員身體造成人身傷害，因此沖擊地壓區域內不得存放備用材料設備，在用的所有物件必須進行捆綁固定，防止其在發生沖擊地壓時發生移動甚至飛揚。

2）沖擊危險區域人員控制。沖擊地壓區域嚴格執行“人員準入”和限員制度，中等以上沖擊地壓區域實行生產班禁員、非生產班限員的人員控制規定。生產班嚴禁任何人員進入沖擊地壓危險區域，增設甲烷和一氧化碳傳感器代替瓦檢員檢查。非生產班需要進入沖擊地壓區域作業時，必須制定專項措施，報礦總工程師批準，同時進入沖擊地壓區域作業總人數不得超過9 人，每組作業人數不得超過5 人。

3.4 教育培訓和技資保障及應急救援

1）教育培訓。老虎臺礦每年組織防治沖擊地壓專項培訓，所有入井人員均必須參加礦里組織的脫產培訓，經考試合格頒發培訓合格證，并持證上崗。培訓內容包括沖擊地壓機理與危害、煤礦安全規程與相關法規、綜合防沖措施、防治沖擊地壓設計和有關規定、沖擊地壓災害處理計劃與應急預案、自救、互救知識等內容。

2）技資保障。為了確保采掘施工作業的安全，在采掘施工作業中必須嚴格落實防治沖擊地壓的有關規定，并編制專項設計、制定嚴密措施。在科研經費和防治措施工程方面確保資金投入，其中包括現科研院所及大專院校的合作項目資金以及在實施防治過程的設備、材料費用等。保證所需材料、設備、儀器等的可靠供給及時到位。

3）應急救援。為確保在發生災害性沖擊地壓時避免人員傷亡，將損失降到最低，建立一整套應急救援體系，明確有關人員任務和責任，加強應急救援隊伍建設，保證應急響應速度和應急救援能力。

4 抓住設計源頭

防沖工作必須依據礦井沖擊地壓災害實際情況，掌握并考慮地質構造、煤層賦存、地應力場、煤巖力學性質、采掘擾動、開采歷史等沖擊地壓影響因素，合理編制生產接續規劃，避免造成局部應力集中給巷道和工作面開采帶來不良影響。編制開采設計同時制定防沖設計，防沖設計不能滿足需要時，必須優化和修改開采設計。沖擊地壓治理必須優先采取區域防治措施，防止在設計上存在先天不足，以致在采掘過程中，不得不投入大量局部解危卸壓工程，既造成資源浪費，還會形成大量現場沖擊隱患。

老虎臺礦58008-3 工作面上部為58008-2 工作面已采區以及507#、508#、509#炮采已采區充填體，下部為707#、708#、709#炮采已采區充填體。大部分開采區域均處于保護層保護范圍內，只有北巷道180～570 m 段受炮采區保護但保護效果不充分，處于原708#炮采區以北煤柱區，且受北部F25斷層的影響，存在沖擊危險的58008-3 工作面布置平面示意圖如圖13。

圖13 58008-3 工作面布置平面示意圖Fig.13 Plan schematic diagram of 58008-3 coal face layout

在工作面設計初期經過方案對比，對生產系統布局進行了優化，改變老虎臺礦一直以來用北巷道運輸的設計慣例，使用北巷道回風、南巷道運輸。這樣使大型運輸設備布置在貼近煤層底板沒有沖擊地壓危險的南巷道，保證有沖擊地壓危險的北巷道生產班沒有人員作業，并且為實施各項防沖措施提供充足的時間和空間。

5 結 語

1）做好防沖工作必須首先堅定信心，牢固樹立“沖擊地壓可治、沖擊地壓事故可防可控”思想理念。加強組織領導，建立強有力的專業隊伍，規范并嚴格落實防治沖擊地壓綜合措施，雖然不能杜絕沖擊地壓，但是可以通過采取防治措施減弱沖擊地壓強度，采取安全防護控制沖擊地壓事故造成的人身傷害。

2）加大安全投入提高防治沖擊地壓技術裝備水平，大量投入高強度支護材料，增強抗沖擊能力，是做好沖擊地壓防治工作的有力保障。

3）防沖工作要從源頭做起，優先執行區域防治措施，制定開采設計時充分考慮沖擊地壓因素，選擇合理的開拓方式、采煤方法、開采順序、巷道布置、推進方向及巷道支護工藝，盡最大可能規避和降低沖擊風險。