陜西省煤礦沖擊地壓防治及“130+X”體系建設

田曉兵

(陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

沖擊地壓是世界范圍內煤礦最嚴重的災害之一，發生過程中釋放大量煤巖體內積聚的變形能，將煤巖體拋出，造成支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞、傷及人員，并發出巨大的響聲和巖體震動，震動事件從幾秒到幾十秒，拋出的煤巖體從幾噸到幾百噸，目前記錄到的礦山最大震級已超過里氏5級[1-3]。經過研究治理，我國的沖擊地壓災害得到了一定的控制，但由于沖擊地壓發生機理極為復雜，到目前為止，還未從根本上解決有效預測及防治問題。一方面，近年來，沖擊地壓事故呈上升趨勢[4-6]。特別是2018年10月20日，山東能源龍鄆煤礦發生沖擊地壓事故，造成21名礦工遇難，損失慘重、教訓深刻。另一方面，全國現有沖擊地壓礦井產能約4億t/年，三分之二分布在煤炭凈調入省份，一半以上屬于冶金與化工用煤，在煤炭供應保障中發揮著重要作用。

因此，有效防治沖擊地壓災害，既是煤礦安全生產領域的當務之急，也是保障能源和原料供應必須解決的現實問題。

1 研究背景

我國是煤礦沖擊地壓災害最嚴重的國家之一，截至目前正在生產的沖擊地壓礦井122個，其中山東省占比32.8%，陜西省占比11.5%，礦井數量及地區分布情況，見表1。據不完全統計，至2011年全國已有142處煤礦發生沖擊地壓，至2016年已達189處(包括已關閉礦井)。從2011年11月至2019年8月，全國煤礦因沖擊地壓事故死亡近百人，見表2。

表1 我國正在生產的沖擊地壓礦井數量及分布Table 1 Quantity and distribution of rock burst mines under production in China

表2 全國煤礦近幾年沖擊地壓事故死亡人數統計Table 2 Statistics of death toll of rock burst accidents in coal mines in China in recent years

2 陜西地區沖擊地壓管理現狀分析

沖擊地壓在陜西省煤礦出現的時間相對較晚，直到2013年沖擊地壓災害才開始凸顯，但之后沖擊地壓礦井數量呈井噴式增長，災害形式急劇惡化，短短7年內就成為陜西省煤礦主要災害之一。

2.1 陜西地區沖擊地壓現狀

縱觀陜西省煤炭礦區分布，隨著煤礦開采深度、開采強度的加大，具有沖擊傾向性的煤礦數量有所增加，同時由于深部巖體具有高應力、高瓦斯、高地溫的特點，預測未來由沖擊地壓誘發的復合動力災害將會愈發嚴重、愈發常見[7-9]。深部開采面臨的沖擊地壓災害將成為影響陜西省煤礦安全生產的主要危害之一。從彬長礦區、麟北礦區和旬東礦區各煤礦沖擊傾向性鑒定和沖擊危險性評價結果看，彬長礦區自南向北隨著埋藏深度的增加，沖擊傾向性由弱變強，沖擊危險性趨勢與傾向性基本一致；麟北礦區的煤礦基本屬于中等沖擊傾向性和中等沖擊危險性；其他礦區是否存在沖擊危險，仍需進一步鑒定與評價。以彬長礦區為例，其目前共有沖擊地壓礦井14處，占全國沖擊地壓礦井總數的10%以上，占全市煤礦總數的50%。其中，強沖擊地壓礦井4處(孟村、胡家河、亭南、高家堡)，中等沖擊地壓礦井1處(水簾洞)，弱沖擊地壓礦井9處。

無論從沖擊礦井的增加數量還是程度上看，陜西已成為全國煤礦沖擊地壓災害嚴重的省份之一。在此背景下，必須加強煤礦沖擊地壓防治工作，有效防范沖擊地壓事故，保障煤礦職工生命和財產安全。

2.2 陜西地區沖擊地壓災害特點

陜西省境內沖擊地壓礦井遍及彬長、麟北、旬東、榆北等陜北、關中地區多個礦區，數量眾多、分布廣泛。沖擊地壓事故的頻度和強度增大，沖擊地壓誘發次生災害多。由于大采深、高地壓、強采動的影響，煤巖介質在原巖應力場、采動應力場的共同作用下，由原來單一類型動力災害事故向耦合型煤巖動力災害轉變。沖擊地壓的發生地點主要包括回采工作面、掘進工作面和巷道，其中首推巷道發生次數最多。如2014—2017年，彬長礦區的煤礦發生了不同程度沖擊地壓動力現象，其中幾個煤礦沖擊地壓動力現象發生在基本建設大巷掘進期間。

2.3 陜西地區沖擊地壓防治難點

陜西地區所屬沖擊地壓煤礦雖然在近幾年的防治效果上取得了一些進展，但是仍然不能完全掌握沖擊地壓災害的發生機理和特征，致使防治工作較為被動，主要表現在以下幾個方面。

2.3.1 沖擊地壓基礎工作沒有做好

頂層設計不夠：目前沖擊地壓災害防治具有很大的局限性，對災害沒有做到系統全面的研究，沒有做好完整的頂層設計。

防沖設計先天不足：陜西省在2013年之前未發生過沖擊地壓現象，在編制礦區規劃和可行性研究時也未對煤層沖擊傾向性進行評估，礦井初步設計也沒有相關防沖內容，選擇主要大巷層位、劃分采區、安排采掘接續等方面都未曾考慮防沖要求。面對礦井發生的動力現象，按沖擊地壓礦井要求調整設計為時已晚，防沖設計先天不足。

2.3.2 對沖擊顯現規律掌握不清

對地質構造的影響程度難以準確預測。在沖擊地壓顯現規律總結方面，不能完全掌握工作面能量釋放與地質構造、采煤工藝、支護強度等方面的關系，導致沖擊顯現時無法準確判斷主要誘發因素。

2.3.3 多災害耦合條件下的治理工作相互制衡

如彬長礦區大多數礦井不僅是沖擊地壓災害礦井，同時也受到水、火、瓦斯、頂板災害的影響，多種災害耦合條件下工作的開展會相互制衡[10-12]。主要表現在，一是煤層中實施大孔徑卸壓鉆孔、爆破雖然能有效轉移高應力，但同時也會加劇煤體破碎程度，給防滅火和頂板支護帶來壓力；二是為防止煤層自然發火，通常會采取加快推采速度的措施，但由此也會造成超前工作面的壓力分布情況復雜多變，不利于防沖支護工程的開展等[13-15]。

2.3.4 專業防沖技術人員數量及經驗不足

由于陜西省沖擊地壓災害出現時間較短，大多數礦井沖擊地壓專業技術人員短缺，突顯出“智力”提供不足、軟實力不夠的問題。

2.3.5 缺少高靜載荷條件下的沖擊地壓研究

大部分沖擊地壓礦井埋深較大，在進行采掘活動之前，自身應力本身就很高，同時礦井構造應力復雜、斷層發育、應力相互疊加導致高靜載荷持續加大[16-19]。在采掘生產活動對煤巖體原巖應力進行擾動后，通過目前的效果檢驗評判體系無法預測由此引發的沖擊地壓顯現，致使出現高靜載荷條件下沖擊地壓事故。

3 對策分析

堅持問題導向、科學施策，強化源頭治理、完善措施，在狠抓落實上下功夫、在防范沖擊地壓事故上下功夫，要抓住礦長、總工程師、班組長等“關鍵少數”，進一步推進落實《煤礦安全規程》《防治煤礦沖擊地壓細則》等規章標準規定，采取有力措施防范遏制煤礦沖擊地壓事故。

3.1 具體實施措施

3.1.1 導向及頂層設計

加強源頭治理：堅持問題導向和目標導向，加強沖擊地壓源頭治理。目前關于沖擊地壓防治下發了《防治煤礦沖擊地壓細則》《國家煤礦安監局關于加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》《煤礦沖擊地壓防治監管監察指導手冊(試行)》等一系列規章制度，對沖擊地壓防治工作的重點和關鍵環節提出了明確具體的要求，各級單位和人員必須從源頭上防范沖擊地壓事故，真正把要求貫穿到工作中去，防沖擊地壓災害隱患于未然。

做好頂層設計：沖擊地壓礦井要積極聯系專業院校和科研院所，通過長期合作進行研究，對礦井所屬沖擊地壓機理、沖擊地壓治理、沖擊地壓頂層設計、沖擊地壓關鍵技術創新進行全面系統的研究，做到分類技術研究，真正做到“一礦一策，一面一策”。

3.1.2 規律總結及防治理念

加強規律總結：強化沖擊地壓顯現規律總結，逐步掌握工作面能量釋放與地質構造、采煤工藝、支護強度等方面的關系，當沖擊顯現時準確判斷主要誘發因素，盡可能判斷地質構造在沖擊方面的具體影響范圍和強度。

樹立綜合防治理念：針對多災害因素相互交織耦合的復雜性，樹立綜合防治理念，積極探尋瓦斯、水、火、沖擊地壓同防同治的技術可能性，加強數據分析研究，提升監測預警能力及水平，摸索規律，盡快形成適合各沖擊地壓礦井實際的成套技術方案，為災害有效治理打牢基礎。

3.1.3 人才培養及監測臺網建設

人才培養：人才是第一資源，通過校企合作、人才培養培訓機制等方式培養一批堪當安全發展重任、勇于破解重大技術難題的優秀沖擊地壓防治人才，為沖擊地壓防治工作提供強有力的人力保障和智力支持。

監測臺網建設：布置井下地面監測臺網，實現監測聯動，建立大數據庫。在地面和井下布置監測設備，統計事件發生的立體位置、時間和釋放的能量，研究垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶事件分布情況，在分析基礎數據的基礎上揭示礦區巖層的活動周期和強弱程度，識別采場頂板活動規律，進而實現沖擊危險性評價和預警，同時也會對巖層移動過程中的卸壓瓦斯抽放與突水防治研究起到一定促進作用。

3.2 解決方案

3.2.1 “130+X”沖擊地壓防治體系

沖擊地壓防治堅持“區域先行、局部跟進、分區管理、分類防治”的防沖原則，把沖擊地壓防治工作當成一項系統的工程貫徹到沖擊地壓礦井設計、準備、生產的每一個階段。通過以“智+”為基礎，構建“130+X”沖擊地壓防治體系，如圖1所示。

圖1 沖擊地壓防治體系Fig.1 Rock burst prevention and control system

3.2.2 推廣智能化技術

大力推廣智能無人工作面和采掘設備遠距離控制技術，對沖擊地壓礦井采煤工作面采用長壁式智能開采，煤巷掘進切割作業、解危鉆孔施工采用智能化遠距離操控，實現少人或無人開采，采掘工作面作業人員數量大幅度降低，實現“無人則安”。同時開發智能化應急救援技術和裝備，實施科學應急救援，而不是第一時間把人推到第一線，有利于防止二次事故及救護人員犧牲在現場的情況。

3.2.3 基于云計算的煤礦沖擊地壓監控預警技術

目前，國內外絕大多數沖擊危險區域的預測預報及治理方法基本上是單一的、局部的、間斷的和被動的，很少能形成一套完整的防治體系。同時由于沖擊地壓發生的機理不同，不同礦井沖擊地壓的成因和顯現特征也不同，即使是同一礦井，由于地質構造、開采條件和開采方法的差異，沖擊地壓的成因、性質、震源部位和破壞程度也不相同。因此，既不能用同一機理去解釋不同沖擊地壓的成因和現象，也不能用單一方法去預測和防治沖擊地壓。在沖擊地壓防治領域，綜合取代單一，連續代替間斷，主動代替被動，將是一種必然趨勢。

3.2.4 建立一個中心及三大體系

建立一個中心：即建立煤礦深部開采與沖擊地壓防治工程研究中心，匯集相關科研單位、高校及煤礦企業優秀專業人才隊伍，建設一個具備技術研發、工程化、產業化和綜合服務功能的沖擊地壓研究開發實體。

發展災害防治“三大體系”：即通過災害基礎治理理論及防治措施數據庫，形成“量化達標評判”“多維預警預報”、災害“分級防治”三大體系。“量化達標評判”體系是對礦井各類災害進行研究與總結，確定其災害賦存規律，掌握災害治理關鍵因素，構建多災害治理達標判識體系。根據監測數據分析以及綜合治災影響因素，用量化指標評判災害治理程度，實現治理效果的量化分析與評判；“多維預警預報”體系是將日常各類數據進行統計，建立災害多維信息“大數據庫”，融合各類災害量化指標，達到智能預警判識，并連接監測預警系統與應急管理系統，根據災害分級預警應急機制，達到多災害聯合、聯動預警預報；災害“分級防治”體系是系統研究礦區自然災害的賦存規律及特點，同時依據“分區管理、分類治理”原則，將超前系統治理、區域防范治理、局部根本性治理有機結合，形成礦區災害針對性較強的標準化治理流程，徹底消除災害威脅，實現礦井生產作業環境的本質安全。

3.2.5 培養人才

培養治理水、火、瓦斯、煤塵、頂板、沖擊地壓等災害的“X”型科技人才。災害治理是一項復雜的系統工程，人是最關鍵、最活躍的因素，起決定性作用。必須提高認識、真抓實干、大幅度提升煤礦從業人員素質，通過成立大師工作室、設立實操基地、實行聯合培養等方式，培養一批多災害耦合治理“X”型人才，促進煤炭行業高質量發展。實現沖擊地壓“零傷害”防治目標。實踐證明，只要認識到位、制度完善、措施得當、奮力作為，沖擊地壓防治“零傷害”目標是可以實現的。

4 結論

(1)陜西的防沖工作雖然取得一些進展但是還處于起步階段，存在防沖設計先天不足、防沖專業技術人才缺失、基礎研究薄弱等突出問題。

(2)隨著新礦區的開發，具有沖擊傾向性的煤礦數量和范圍可能會有所增加，所以必須結合礦井地質條件，按規定及時進行煤巖層沖擊傾向性鑒定工作。

(3)通過科學治災，加強沖擊機理研究，培養沖擊地壓防治人才，嚴格落實各項規章制度，并加強監督落實工作，建立準確高效的沖擊地壓監測預警及防治體系，有效提高礦井沖擊地壓危險防范能力。