深入探索沖擊地壓 保障礦山工程安全

蔡巧玉 呂騰波

中國是世界上為數不多的、礦產資源種類較齊全的、礦產自給程度較高的國家之一。中華人民共和國成立以來，隨著中國找礦技術和礦產開發技術的提高，以及能源需求量大幅增加，礦山開發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重的動力災害之一。

自20世紀80年代以來，遼寧大學校長、中國煤炭工業協會煤炭工業技術委員會動力災害預警與防治專家委員會主任潘一山教授就開始系統持續地開展沖擊地壓發生機理與預測防治技術研究。多年來，他領導團隊不斷深入礦山生產一線，解決安全事故，時刻踐行著“面向國家重大需求，以科技創新服務社會”的偉大使命。

功夫不負有心人，2021年11月3日，由潘一山領導團隊完成的項目“深部煤礦沖擊地壓巷道防沖吸能支護關鍵技術與裝備”成功獲得2020年度國家科技進步獎二等獎。這一項目的完成，也標志著我國在煤礦工程安全防治技術方向取得了標志性突破。

我國煤礦沖擊地壓危害嚴重

在我國，沖擊地壓發生的地理范圍很廣，總體分布于華北、華東以及中部地區，沖擊地壓發生最多的地區為山東省，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。

由于發生沖擊地壓的條件不同，因此造成我國沖擊地壓顯現出復雜多樣性。其具有突發性，過程短暫，伴隨有強烈的震動和聲響。沖擊地壓發生前一般沒有明顯的宏觀前兆，相當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發生的，很難確定誘發因素。沖擊地壓一般伴隨有強烈的震動和聲響，有時地面幾千米范圍仍有震感。

現如今，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，絕大多數表現為破碎煤從煤壁拋出，也有極個別情況表現為數十平方米的煤體整體滑移。

根據對我國有記錄的2500多次破壞性沖擊地壓調研發現，87%的沖擊地壓都發生在巷道中。隨著煤礦開采深度的增加，現有的防沖技術與裝備無法有效解決深部高應力與強擾動帶來的高能量突然釋放問題，導致巷道圍巖及支護瞬間破壞，造成重大人員傷亡與財產損失，潘一山團隊的科研項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。

創新應用巷道防沖吸能支護技術

懷揣著在祖國煤炭事業中大顯身手的決心，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、教學一線。在“973計劃”等課題的支撐下，他領導團隊歷時10年聯合攻關，在沖擊地壓巷道防沖吸能支護理論、技術、裝備與工程實踐等方面取得了重大突破。

通過研究，潘一山團隊首次提出了沖擊地壓巷道防沖吸能支護理論及技術體系;發明了液壓沖擊試驗機，實現沖擊載荷6500kN、沖擊速度8m/s、沖擊能量4×106J條件下巷道支護圍巖動力作用測試;首次發現了巷道支護圍巖系統沖擊地壓啟動應力條件和停止能量條件。在不斷實踐與探索下，潘一山團隊還成功發明了基于設防能量的巷道支護-遠近場圍巖協同防沖技術，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技術實踐。

巷道沖擊地壓發生時，圍巖向巷道空間迅速變形，巷道支護圍巖系統存在遠場能量動力輸入。如何實現遠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，潘一山團隊探索了巷道圍巖遠近場聯合調控能量方法。創新了“設計-掘進-開采”采礦全過程巷道遠場圍巖應力控制降低釋放能量方法，實現了降低巷道遠場圍巖釋放能量，解決了圍巖能量的可控釋放和有效吸收問題。

事實上，深部沖擊地壓巷道動力破壞與普通巷道破壞的本質區別在于：巷道支護圍巖系統存在遠場能量動力輸入。如何實現遠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，潘一山團隊發明了系列巷道防沖吸能支護裝備;發明了系列巷道防沖吸能液壓支架，整架支護阻力達6000kN，吸能量可達106J;發明了環向可縮吸能O型棚巷道支架，最大環向收縮量為1.2m，最大吸能量為200kJ;發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。解決了現有支護無法適應沖擊動載、瞬間破壞等難題，填補了國內外防沖吸能支護裝備的空白。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。在相關項目成果的基礎上，團隊獲得了38項國家發明專利、2項軟件著作權，制定頒布了7部國家標準，發表學術論文70篇，出版專著2部。研究成果應用于全國58處礦井，保障了沖擊地壓礦井1000km巷道安全，新增產值80.9億元。核心研究成果納入國家《煤礦安全規程》和《防治煤礦沖擊地壓細則》中，為煤礦安全生產提供了堅實的技術支撐，對我國煤炭行業科技發展產生了積極推動作用。

成果背后的團隊力量

實業救國、科學救國，潘一山和團隊成員的人生價值在祖國的煤礦事業中閃閃發光。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果，更是由他領導的科研團隊集體智慧的結晶。談起自己的團隊，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隊主要由兩部分組成：一是遼寧工程技術大學沖擊地壓研究院，二是遼寧大學遼寧省煤礦動力災害綜合監管大數據工程技術研究中心。

遼寧工程技術大學沖擊地壓研究院是國內最早開展沖擊地壓、煤和瓦斯突出等礦井動力災害發生機理、預測與防治技術研究的單位，在研究方向、研究基地、產品和研究團隊等各方面均具有明顯優勢。20世紀80年代初，他們就與煤科總院等單位合作，圍繞全國煤礦進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施規程。30多年來，已經形成了一支以博士生導師為帶頭人的、在礦井動力災害預測及治理研究方面具有較高科研水平和實踐經驗的研究隊伍。研究成果已應用于淮南、開灤、鐵法、撫順、鶴壁、鶴崗等礦區，與相關煤礦企業合作開展了大量相關方面的研究工作，取得了良好效果，產生了顯著的經濟效益和社會效益。

而遼寧省煤礦動力災害綜合監管大數據工程技術研究中心則致力于煤礦動力災害的監測預警，實現了微震、電荷、地音等多元異構信息的大數據一體化分析解決方案，在相關領域中作出了突出貢獻。

作為負責人，潘一山長期從事煤礦沖擊地壓和礦震災害機理、預測與防治技術研究，主持的“阜新礦區深部高瓦斯煤層沖擊地壓研究”項目，獲得了2009年度中國煤炭工業科學技術獎一等獎;“煤礦沖擊地壓預測與防治成套技術”項目，獲2010年度國家科技進步獎二等獎。此外，潘一山團隊2009—2011年與河南省平頂山中平能化集團合作了“平頂山礦區深井動力災害統一預測方法與防治關鍵技術研究”，該項目于2012年獲煤炭工業協會科技進步獎一等獎，2013年獲國家科技進步獎二等獎。

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場一線。通過在井下一線進行調研并建立相關技術體系，潘一山對相關領域的探索熱情歷久彌堅，而這一切也促使他立下了為祖國的煤礦事業終生奮斗的志愿。未來，他仍將帶領自己的團隊成員，在煤礦沖擊地壓和礦震災害機理研究領域繼續開拓下去。

（責編：張聞）CD079D0D-BA75-4BE1-A69E-368CA3B19AB7