基于沖擊地壓發生機理的智能化防治技術研究

張丁丁 刁依想 王占魁

（1.山東能源集團防沖中心，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 菏澤 274000；3.兗礦集團東灘煤礦，山東 濟寧 272000）

1 沖擊地壓防治智能化實效控制

1.1 沖擊地壓防治措施的時效要求

沖擊地壓發生理論主要有強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論和失穩理論，根據煤巖體受力狀況、應力來源及加載方式又分為煤巖體壓應力型沖擊地壓、頂板受拉應力型沖擊地壓、斷層滑移型沖擊地壓、中立型沖擊地壓、構造應力型沖擊地壓和中間型沖擊地壓[1]。沖擊地壓發生的先決條件之一是有力源，即煤巖體載荷來源，載荷來源主要有煤體上覆巖層自重產生的靜載荷，上覆巖層運動產生的動載荷，地質構造產生的構造應力載荷及地應力載荷等。煤礦生產過程中的采掘擾動使得煤層所受載荷狀態發生改變，導致巷道周圍煤巖體集聚彈性能。當井巷周圍煤巖體集聚能量大于極限平衡臨界能量時，煤巖體平衡狀態被打破，彈性變形能瞬間釋放，發生沖擊地壓事故[2]。

式中：E靜為極限平衡區在集中靜載下產生的能量，E動為極限平衡區在集中動載下產生的能量，EC為極限平衡區發生沖擊破壞所需的臨界能量。

突發性是沖擊地壓的特點，抓關鍵的瞬間，要在煤巖體所受載荷達到沖擊破壞臨界載荷前，阻斷載荷向沖擊破壞臨界載荷發展。

1.2 沖擊地壓防治實效性現狀

現有沖擊地壓預測性監測手段是通過區域與局部監測，動態掌握載荷集聚過程，實現了載荷集聚過程的實時監測。監測數據達到預警值，停止采掘擾動誘發沖擊、撤出危險區域人員，是第一時間要采取的措施。現階段的防沖現狀是沖擊地壓監測數據上傳至防沖監控室，預警信息被監測人員發現后，綜合分析判定沖擊危險性，根據定性結果通知相關人員采取措施，現場施工人員不能在第一時間根據預警信息，停止采掘作業，撤離沖擊危險區域，導致有效防沖措施滯后，貽誤人員撤離最佳時機。

1.3 基于防治措施時效性的智能化措施

通過沖擊地壓監測系統與采掘設備控制系統通訊，以沖擊地壓監測數據控制采掘設備運轉，實現沖擊地壓監測數據預警，采掘工作面設備自動停止運轉，防止采掘擾動導致井巷煤體所受載荷上升，達到沖擊臨界載荷；通過沖擊地壓監測系統與采掘工作面語音廣播系統通訊，實現沖擊地壓監測預警信息實時傳遞給現場施工人員，迅速撤離沖擊危險區。沖擊地壓監測預警信息智能化處置流程如圖1。

圖1 沖擊地壓監測預警信息智能化處置流程

2 沖擊地壓防治智能化空間管控

2.1 基于沖擊地壓防治措施三維空間管控需求

我國現有沖擊地壓評價是基于沖擊地壓發生機理，采用綜合指數法[3]，綜合分析開采深度、煤巖結構、地質構造等地質因素及保護層卸壓情況、鄰近采空區情況、區段煤柱等開采技術因素，確定沖擊等級，劃分沖擊危險區域。根據不同區域的沖擊危險因素劃分沖擊危險等級，根據沖擊危險等級采取不同強度的防沖措施，沖擊危險等級越高，對防治措施的要求越高；煤層上覆巖層自重載荷產生的靜載及上覆巖層活動產生的動載是誘發沖擊地壓的重要因素，綜合分析煤層賦存條件，開采技術、上覆巖層厚度及巖性特征，根據不同層位巖層采取不同措施，重點對沖擊關鍵層[1]進行監測及治理是預防沖擊地壓發生的最為直接有效手段。綜上所述，不同空間對防沖監測及治理措施要求不同。采掘工作面生產期間，采掘擾動導致巷道周圍煤巖體彈性變形能集聚，巷道的施工給彈性變形能釋放空間，是沖擊地壓事故的主要發生地點。據統計，85%沖擊地壓事故發生在巷道中[4]，而采掘擾動影響范圍內的巷道，是沖擊地壓防治重點區域。

2.2 沖擊地壓空間智能化管控

現有沖擊地壓預防性措施主要有預測性監測、生產組織管控及個體防護等，通過加大監測及人員管控力度，降低生產強度，對重點區域進行重點管控。

2.2.1 局部監測手段智能化補充

現有預測性監測手段主要有區域性及局部監測。區域性監測措施通過微震監測對能量事件的三維定位，確定上覆巖層活動情況，實現區域性監測要求。現面臨的主要問題是定位精度小，需要人為處理龐雜的監測數據，受操作影響因素大，危險信息反饋不及時。局部監測措施主要有應力在線監測及鉆屑檢測，通過監測局部煤體應力狀態，對沖擊危險性進行預測。現面臨的主要問題是，以點的應力集中作為區域預警指標，區域沖擊破壞的多樣性與監測布點不匹配[5]。綜上所述，現有區域監測措施“大而不精”，局部監測措施“精而不大”，且都受人為因素影響較大。

受采掘擾動影響的巷道是防沖重點管控區域，基于此，重點管控區域的巷道都安裝了巷道支架進行加強支護，部分礦井將巷道支架工作阻力作為礦壓監測的一項，但未將巷道超前支架工作阻力作為沖擊預警指標進行數據處理。巷道超前支架作為巷道支護體系中的一部分，其主要功能是承受上覆煤巖層失穩所引起的附加載荷，其工作阻力的變化能直接反映巷道周圍煤巖體所受靜載及動載變化過程，相較于現有的局部監測手段更直觀、更靈敏。通過對巷道支架支護范圍內的工作阻力監測，實現支護范圍內巷道內重點區域精準全面監測，作為沖擊危險預警的判別指標，既能滿足重點區域的區域性監測要求，又能滿足局部監測的精確要求。通過采掘工作面電液控系統與礦壓大數據監測系統智能分析系統，實現對巷道上覆巖層靜載與動載的實時監測，作為沖擊危險監測的另一項預警指標，具有監測面積大、監測數據精準、數據處理智能化的優點。現該智能化監測措施已在部分礦井實現，實時監測分析重點區域支護設備工作阻力，通過系統提前設定的壓力等值顏色，生成整個監測區域的順槽支架工作阻力云圖，通過與設定的沖擊危險應力值對比，劃定監測區域沖擊危險等級，采取相應治理措施。

圖2 巷道支架工作阻力變化曲線

階段一：巷道支架工作阻力逐漸上升，說明巷道及周圍煤巖體所受靜載逐步增大。

階段二：巷道支架工作阻力突然急劇上升，說明上覆巖層運動，巷道及周圍煤巖體所受動載瞬間增大。

圖3 順槽支架工作阻力云圖

2.2.2 生產組織智能化管控

中國礦業大學竇林名教授團隊證實，大能量礦震產生的動載加高靜載體誘發沖擊，而堅硬頂板破斷釋放大能量礦震與回采速度有明顯正相關，生產強度的控制現已作為發生大能量礦震及沖擊地壓事故的重要措施，現階段對生產強度的控制還停留在人為控制階段，主觀影響因素較大，給沖擊地壓防治工作帶來較大壓力。現智能化采煤工作面已能實現遠程操控采煤機。通過設置采煤機運行速度上限，實現特殊區段對回采速度的智能化控制，通過采煤機與液壓支架實時通訊，實現對采煤機實時定位，采煤機運行信息通過智能化運行環網，上傳至地面監測室，實現重點區域生產強度的智能化實時監測和控制。

圖4 回采強度與微震事件關系

2.2.3 防沖重點區域的智能化禁員管理

現沖擊地壓防治禁區管理主要是通過設置柵欄或者設置專人站崗，主觀影響因素大，可靠性差。在沖擊危險區域設置紅外感應器，通過人員定位裝置與采掘工作面設備控制系統通訊，人員一旦進入沖擊危險區域，采掘設備停止運轉，防止采掘擾動誘發沖擊，降低沖擊發生風險。通過與工作面語音預警系統通訊，實現人員進入禁員區域時采掘工作面語音報警系統智能報警。

3 結論

用智能化實現煤礦生產過程中的少人化甚至是無人化是煤炭行業發展趨勢，我國智能化采掘工作面已發展很成熟，特別是一些煤層賦存條件好的礦井，已實現少人化、自動化，個別發展好的礦井，已實現無人化、智能化。現有沖擊地壓防治的數據監測已基本實現智能化，監測數據分析正向著智能化方向發展，監測數據預警信息智能化處理至今還無相關探討。利用現有采掘工作面成熟的智能化技術，進行沖擊地壓時空重點管控，推動沖擊地壓防治智能化跳躍式發展。