新疆地区冲击地压发生及防治现状

杜涛涛，李国营，陈建强，潘俊锋，李 康，曹民远

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300；4.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830084)

冲击地压是足够造成群死群伤的动力灾害之一，对煤矿安全生产的影响越来越大。不完全统计[1-4]表明(见图1)，1933年，我国发生了第一起冲击地压，1960年冲击地压矿井数量增加至6座矿井，自1985年开始，冲击地压矿井数量增加速度加快，至2011年冲击矿井数量由32座增加至142座。2017年，国家煤矿安全监察局组织开展冲击地压细则调研及体检，不难预见，冲击地压矿井数量还会增加，我国冲击地压矿井的治理形势将更加严峻。

图1 我国冲击地压矿井发生情况

我国煤炭资源井工开采的比例占97%，涵盖了各种复杂的开采条件，近几年尤其是安全条件差、装备落后、人员素质和专业技能比较薄弱的小煤矿冲击地压致灾的比重增大，给安全生产带来隐患[5]。

新疆地区煤炭资源丰富[6]，累计查明资源储量居全国第三位，预测资源量 2.19Tt，预测资源量占总量的40%，主要分布在准东煤田、准南煤田、吐哈煤田、伊犁煤田、库拜煤田、和丰煤田、焉耆煤田等，是我国重要的大型煤炭基地和国家综合能源基地。

2003年，根据潘一山统计分析[7]可知全国冲击地压主要分布在华北、东北地区；2011年，蓝航[8]通过文献统计的67个冲击地压矿井中，山东省发生冲击地压矿井26 个，数量最多，如图2所示，东部地区冲击地压发生时间早、数量多，因此对冲击地压研究多，经验更加丰富；而新疆地区第一起冲击地压发生在2010年，对冲击地压防治研究起步晚，基础相对来说比较薄弱，冲击地压风险预控的能力较差。

图2 部分冲击地压矿井分布地区统计

鉴于新疆地区冲击地压发生比较晚，对冲击地压动力灾害的认识还在探索阶段，冲击地压矿井监测、预警、防治技术发展水平、防冲技术人员力量仍在不断提升中。本文通过对新疆地区冲击地压矿井调研分析，希望有助于引起新疆冲击地压征兆矿井的关注，及早开展风险预控，避免冲击地压事故发生，转变思想，不回避、不躲避，正确认识冲击地压灾害，提高防范意识。

1 新疆地区冲击地压发生历程

1.1 冲击地压发生现状

经调研，目前新疆冲击地压矿井增至7座，其中生产矿井有6座，建设矿井(缓建)有1座，设计或核准的总产能达到7.01Mt/a，分布于米东区、硫磺沟镇、呼图壁县、托克逊县、奇台县境内。据不完全统计，截至2017年5月29日，新疆地区累计发生冲击地压20余次。

随着国家开展煤矿体检工作的继续，新疆地区可能排查出更多冲击地压矿井。

1.2 冲击地压发生历程

新疆地区冲击地压发生历程概括为灾害发生、认知阶段、摸索阶段、推广阶段和再认识阶段。经历了由单矿井发展至多矿井，由单集团公司发展至多集团公司，由乌鲁木齐地区向周边扩展，对冲击地压认识水平不断提高，对冲击地压灾害重视程度不断加强的过程。

(1)灾害发生 2010年10月8日，宽沟煤矿发生了新疆地区的第一起冲击地压灾害事故，在此之前，对冲击地压动力灾害基本没有认识。

(2)认知阶段 宽沟煤矿冲击地压发生后，通过开展冲击倾向性鉴定、冲击危险性评价、建立监测预警体系、冲击地压防治实践等，逐步认知冲击地压灾害。2011年，神新公司全面开展了所属矿井的冲击倾向性鉴定及评价工作。

(3)摸索阶段 通过宽沟煤矿、乌东煤矿冲击地压防治实践，摸索了不同条件冲击地压发生基本规律。但由于赋存条件、冲击地压的复杂性，不同条件的冲击地压发生机理、监测预警，仍在摸索。

(4)推广阶段 宽沟煤矿的防冲经验，先后推广至矿井其他工作面、公司其他矿井、其他煤炭企业，为新疆地区的冲击地压防治提供借鉴。

(5)再认识阶段 通过几年的防冲实践，形成了“六位一体”的防冲体系。针对实践研究得到的规律、监测预警、冲击致灾机理，在生产过程中不断进行再验证，再认识。

2 新疆地区冲击地压发生特点及类型

2.1 冲击地压发生的主要特点

(1)埋深特点 新疆冲击地压矿井煤层埋深普遍较浅。其中，宽沟煤矿发生冲击时煤层平均埋深为317m；乌东煤矿发生冲击时平均埋深均为150m；乌东煤矿南区发生冲击时平均埋深为350m；托克逊县雨田煤业有限责任公司发生冲击时平均埋深为500m；硫磺沟煤矿煤层发生冲击时煤层平均埋深450m。

(2)赋存特点 新疆煤层赋存条件差异较大。煤层倾角涵盖近水平、缓倾斜、倾斜、急倾斜条件，准东二矿属于近水平煤层，宽沟煤矿、雨田煤矿属于缓倾斜煤层，硫磺沟煤矿属于倾斜煤层，乌东南区属于急倾斜煤层。

(3)分布特点 新疆地区的冲击地压矿井几乎全部分布在北疆，南疆尚未确认冲击地压矿井；而北疆的冲击地压矿井主要集中在乌鲁木齐周边300km范围内，主要是由于北疆经济、技术力量、风险预控意识更强，得到了更全面的排查。

(4)显现特征 急倾斜特厚煤层冲击地压发生特点是冲击发生时均伴有矿震发生，发生位置为回采巷道；缓倾斜煤层具有坚硬顶板，发生冲击均与坚硬顶板有关，显现位置不仅发生在巷道，也发生在工作面。

2.2 冲击地压发生的主要类型

冲击地压类型的分类方法[2]有多种，如煤岩体类别、冲击力源加载形式、震级及抛出煤量、显现强度等分类方法。按照冲击地压发生的冲击力源加载形式，结合目前新疆冲击地压发生情况，主要是坚硬顶板诱发的动静载荷型，但近直立特厚煤层坚硬顶板不同于水平-倾斜煤层条件，其作用形式也不同，基于此通过进行细化，把新疆地区冲击地压类型划分为3类：坚硬顶板型、岩柱失稳型和弱面滑移失稳型冲击地压。

2.2.1 坚硬顶板型冲击地压

坚硬顶板型冲击地压主要指冲击地压的主要致灾因素为坚硬顶板，由于坚硬顶板容易积聚大量的弹性能，突然断裂或者失稳释放大量能量诱发冲击地压。目前新疆地区坚硬顶板型冲击地压典型矿井为宽沟煤矿和雨田煤矿，宽沟煤矿坚硬顶板型冲击地压主要是坚硬顶板未及时垮冒，大面积悬顶造成煤体高应力集中和高能量积聚引起的；雨田煤矿坚硬顶板型冲击地压是临近采空区坚硬顶板失稳引起煤体高应力集中诱发的。

2010年10月8日，宽沟煤矿发生一起冲击地压灾害事故，造成W1143工作面30号液压支架以下至下端头发生底鼓，刮板机整体抬高，25号液压支架到工作面刮板机机头处，刮板机严重上仰扭曲，运输巷转载机机头30m范围内巷道整体变形，巷道顶底板、两帮挤压严重，运输巷端头超前支护30根单体支柱断裂或严重变形，转载机冲击将运输巷顶板锚杆外露端撞弯；工作面33号液压支架到下端头及运输巷50m范围内煤壁全部片帮冲出，大量煤体冲向支架造成支架前方安全空间被堵死；工作面14，15，16，18号液压支架立柱挤压折断，4～25号支架的“十字”接头连杆全部折断；煤机摇臂折断，煤机滚筒将支架顶梁穿透，现场冲击破坏情况如图3所示。

图3 “10.8”冲击显现现场情况

2016年9月21日，雨田煤矿发生一起冲击地压灾害事故，冲击显现造成W1102工作面回风巷下帮715～744m范围大量煤体抛出(图4(a))；组合开关被掀翻至回风巷上帮(图4(b))；平板车被震掉道(图4(c))；巷道铺设的轨道被抬起(图4(d))；下巷帮挂设的电缆、管道等被冲落。

图4 “9.21”冲击显现现场情况

目前，坚硬顶板作为冲击地压矿井的主要致灾因素已被普遍认识，早期由于对坚硬顶板控制的重要性认识不到位，对坚硬顶板处理与否的认识不同，处理不到位、不处理造成了后期冲击地压治理的困难，表现为坚硬顶板冲击致灾过程不完全相同。

2.2.2 岩柱失稳型冲击地压

岩柱失稳型冲击地压主要针对近直立(85°～89°)特厚煤层开采条件，是由于岩柱弯曲变形失稳释放大量能量，引起地面震感强烈，井下采掘空间受岩柱失稳产生高能矿震诱发冲击显现的一种类型。

岩柱失稳型冲击地压矿井除了具有突然性、剧烈性和瞬时性外，还具有区域性、多样性和差异性。井下采掘工作面经常听到剧烈的声响，有时地面有震感，微震监测表明，岩柱失稳型冲击地压主要致灾因素为岩柱，90%以上地面有矿震感。冲击显现以采掘巷道煤渣掉落，巷道底鼓等位移变形，锚杆托盘脱落，螺帽弹射为主，严重时支架立柱折断，巷道严重破坏，显现形式具有多样性。岩柱失稳引起不同区域响应程度不同，距离震动位置越近，破坏越严重。

2013年2月27日，乌东煤矿南采区+500m水平B3+6煤层综放工作面发生冲击地压显现，现场情况如图5所示。冲击造成+500m水平B3+6煤层综放工作面两巷道，受冲击地压影响范围150m；B3+6煤层综放工作面B3巷道串车掉道，串车上部防雨棚大部分被损坏，顶板下沉并出现底鼓，端头处顶板下沉300mm，底鼓100mm，巷道全宽仅剩2.7m；B3+6煤层综放工作面B6巷道变形较B3巷更为明显，转载机整体向巷道北帮位移300mm；工作面超前75m区域巷道帮鼓最严重段，南帮帮鼓600mm，北帮帮鼓50mm，巷道底鼓640mm；巷道50m处顶板下沉、巷道高仅为1.9m(原巷道高度为3m)，B6运输巷20m段胶带被掀翻，巷道内管路被破坏。

图5 “2.27”冲击显现现场情况

2.2.3 弱面滑移失稳型冲击地压

新疆地区除急倾斜特厚煤层赋存条件外，还存在近水平、缓倾斜、倾斜特厚煤层条件，由于存在夹矸或煤层性质发生改变时，形成弱面，造成煤层整体性强度降低，弱面位置容易发生离层、滑移，在外界扰动下容易发生冲击显现动力失稳。

2014年4月25日，硫磺沟煤矿巷道掘进过程煤炮声频繁，有片帮现象，迎头撤出人员，随后发生3次较大煤炮声，至21点30分稍稳定后人员进入，看到迎头左上方顶部抛出，巷道前进方向、左帮顶板上部，范围大小：宽×高×深=1700mm×3200mm×3100mm，体积约9m3，如图6中位置1。

Ⅰ：不粘结煤，f=3.5；Ⅱ：长焰煤，f=2.8；Ⅲ：不粘结煤，f=3.5；Ⅳ：长焰煤，f=2.8图6 “4.25”，“5.5”冲击显现位置

2014年5月5日，硫磺沟煤矿巷道掘进过程煤炮声频繁，有片帮现象，跟班队长安排撤出工作面人员至主暗斜井联络巷内，18点40分听到煤炮声频繁，19点10分人员进入后，迎头左上方发生煤体抛出，巷道内伴有粉尘，巷道前进方向、左帮顶板上部，范围大小：宽×高×深=1930mm×1500mm×10300mm，体积约12.7m3，如图6中位置2。

位置1左侧区域煤层中垂直夹杂着一层约100mm厚的软弱变质泥岩(煤)；位置2迎头巷道为全煤巷道，煤层由不粘结煤变为长焰煤，煤层层理清晰，标志层明显，两种煤质煤层发生离层破坏。煤体内部的弱面结构不易观察，存在隐伏断裂构造，在外界爆破、矿震扰动下诱发冲击显现。

3 新疆地区冲击地压防治进展

3.1 冲击地压发生过程与机理

冲击地压发生过程与机理比较复杂，学者[9-10]研究形成了能量理论、刚度理论、强度理论、三准则理论、冲击倾向性理论、粘滑失稳理论等。新疆地区冲击地压矿井从剩余能量机理和撬动理论揭示了前两种典型的冲击地压类型的冲击地压发生过程。

3.1.1 冲击地压剩余能量方程

神华新疆能源有限责任公司与天地科技股份有限公司开采事业部冲击地压课题组[11-13]针对宽沟煤矿坚硬顶板条件冲击地压发生过程，基于煤岩能量守恒方程，给出冲击地压剩余能量方程：

Ee+ΔE=Ep+Er

(1)

即，如果系统中煤岩体产生塑性变形和破坏耗散的能量Ep小于积聚的应变能，则Er>0， 剩余能量即冲击地压的能量来源。

宽沟煤矿B4煤层存在厚层致密且完整坚硬砂岩，是造成工作面冲击地压的主要致灾因素，由于坚硬顶板积聚的能量转移到工作面煤体上方，引起高应力集中，根据现场实测，煤壁前方支承压力的应力集中系数达4.22，结合剩余能量方程可知，坚硬顶板使煤体积聚了大量的能量，产生了剩余能量，从而在剩余能量的作用下发生冲击地压。

3.1.2 近直立特厚煤层岩柱撬动力学模型

神华新疆能源有限责任公司与天地科技股份有限公司开采事业部冲击地压课题组[14-16]通过现场实践、数值模拟和理论分析的方法，结合乌东煤矿近直立特厚煤层冲击地压发生特点、发生规律建立了岩柱撬动力学模型，具体可参阅文献。揭示了冲击地压力源为两侧采空到一定程度的岩柱弯曲对煤体产生的作用力，将这种产生冲击地压的力源称为“撬杆效应” ，即岩柱在自重和水平地应力作用下产生弯曲后对开采水平及以下的煤体产生撬动作用，煤体产生应力及能量集中，导致冲击地压发生。

3.2 冲击地压监测预警

新疆地区7座冲击地压矿井主要采取微震、地音、震波CT探测、电磁辐射、应力在线、钻屑法和常规矿压监测，具体如表1所示。

表1 新疆地区冲击地压监测手段

综上，多数冲击地压矿井实现了多手段监测，预警方面利用已有监测系统确立的指标进行预警，少数矿井采用单一手段的监测预警方法。实现冲击地压预警仍是世界性难题，新疆地区的冲击地压预警方法、预警指标比较单一，未形成有效的联合预警技术。

3.3 冲击地压防治

7座冲击地压矿井共采用了6种冲击地压解危方法，包括煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、底板爆破、煤层注水、解放层开采等(表2)。

表2 新疆地区冲击地压防治方法

其中，煤层钻孔卸压直径有94mm，108mm，113mm，125mm和153mm 5种直径；煤层爆破有42mm，75mm和113mm 3种直径；顶板爆破有75mm，108mm和113mm 3种直径；区域防范主要有解放层开采、巷道优化布置和煤层注水。

另外，7座冲击地压矿井中，除了1890煤矿、准东煤田大井矿区二号矿井(缓建)外，均设置了防冲机构，明确了机构人员配置。7座冲击地压矿井均制定了冲击地压管理制度。

从整体进展而言，宽沟煤矿、乌东煤矿、碱沟煤矿、雨田煤矿及硫磺沟煤矿等煤矿企业通过自身努力以及与科研院校等开展合作，冲击地压防治水平不断提升。但冲击地压防治技术的精细化研究尚需进一步开展，虽采用很多方法，但每种方法的适用条件及解危效果的有效性、时效性，及其参数需根据实际不断修正。

3.4 存在的主要问题

(1)冲击地压灾害治理的被动性 新疆第一起冲击地压事故发生在宽沟煤矿，发生后，才逐渐开展的冲击地压灾害治理。乌东煤矿、硫磺沟煤矿、雨田煤矿均是冲击地压发生后被动治理，表明冲击地压灾害风险预控差，被动治理。

(2)冲击地压矿井尚未彻底排查 新疆冲击地压矿井绝大多数都是发生冲击地压事故后才开展的冲击倾向性鉴定和评价等基础工作，尚不能提前自检，结合自身矿井的情况及早开展基础工作，避免灾害发生。被动排查，造成冲击地压灾害治理盲区的问题仍存在。

(3)区域防范性差 研究表明[17]，不合理的工作面布置、区段煤柱留设宽度、坚硬顶板处理不到位等防范措施差，是新疆地区冲击地压矿井急需解决的问题。宽沟煤矿冲击地压发生与坚硬顶板处理差、遗留的煤柱、区段煤柱关系紧密；雨田煤矿冲击地压发生与临近工作面坚硬顶板未处理有关，顶板不稳定导致接续面冲击地压发生频繁。

随着新疆地区冲击地压矿井增多，对冲击地压灾害的认识也在不断提高，新疆地区的冲击地压灾害治理，应由灾害发生后的被动防治向冲击地压风险预控为主转变。针对新疆具有的坚硬顶板、近直立煤层条件的矿井，如拜城、托克逊等地区，应尽早开展冲击地压排查工作。

为做好新疆地区下一步冲击地压防治工作，首先，应通过冲击倾向性鉴定和冲击危险评价开展冲击地压矿井排查；其次，在排查基础上从矿井开采设计优化、合理开采顺序和区段煤柱留设、改善应力集中角度进行防范，最后，采掘过程开展局部集中应力疏导。

4 结 论

(1)新疆地区冲击地压矿井已增加至7座，主要分布在乌鲁木齐周边地区，预计冲击地压矿井的数量还会增加，发生历程概括为灾害发生、认知阶段、摸索阶段、推广阶段和再认识阶段，整体技术水平相对较弱。

(2)新疆地区冲击地压矿井具有埋深普遍较浅、煤层赋存条件差异较大、几乎全部分布在北疆、显现位置不仅在巷道，也有在工作面的特点。根据致灾因素划分为坚硬顶板型、岩柱失稳型和煤层弱面滑移型冲击地压。

(3)新疆地区煤炭开采中冲击地压问题研究取得了一定的成果，但仍需要在坚硬顶板致灾机理、岩柱致灾控制等冲击地压防治和监测预警方法的理论研究等方面开展进一步的探索。

[参考文献]

[1]潘俊锋，毛德兵，蓝 航，等.我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术，2013，41(6)：21-25.

[2]齐庆新，欧阳振华，赵善坤，等.我国冲击地压矿井类型及防治方法研究[J].煤炭科学技术，2014，42( 10)： 1-5.

[3]姜耀东，赵毅鑫.我国煤矿冲击地压的研究现状：机制、预警与控制[J].岩石力学与工程学报，2015， 34(11)：2188-2204.

[4]鞠文君，潘俊锋.我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望[J].煤矿开采，2012，17(6)：1-5.

[5]丁百川.我国煤矿主要灾害事故特点及防治对策[J].煤炭科学技术，2017，45( 5)： 109-114.

[6]裘品姬.新疆煤炭行业” 十三五” 发展的思考与建议[J].煤炭经济研究，2015，35(1)：14-21.

[7]潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究 [J].岩石力学与工程学报，2003， 22(11)： 1844-1851.

[8]蓝 航，齐庆新，潘俊锋，等.我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析[J].煤炭科学技术，2011，39(1):11-15，36.

[9]Cook N G A.A note on rock bursts considered as a problem of stability[J].Journal of the South African Institute of Mining andMetallurgy，1965(65)：437-446.

[10]Petukhov I M，Linkov A M.The Theory of Post-failure Deformations and the Problem of Stability in Rock Mechanics[J].Int J Rock Mech Min Sci & Geomech Abstr，1979(16)：57- 76.

[11]蓝 航.浅埋煤层冲击地压发生类型及防治对策[J].煤炭科学技术，2014，42(1)：9-13.

[12]杜涛涛，蓝 航，彭永伟，等.一起工作面冲击地压事故的诱发因素分析[J].山东科技大学学报，2011，30( 5)： 12-15.

[13]李浩荡，蓝 航，杜涛涛，等.宽沟煤矿坚硬厚层顶板下冲击地压危险时期的微震特征及解危措施[J].煤炭学报，2013，38(S1)：6-11.

[14]杜涛涛，陈建强，蓝 航，等.近直立特厚煤层上采下掘冲击地压危险性分析[J].煤炭科学技术，2016，44( 2)： 123-127.

[15]蓝 航.近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治[J].煤炭学报，2014，39( S2)： 308-315.

[16]蓝 航，杜涛涛.急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生过程监测与分析[J] .煤炭科学技术，2016，44( 6)： 78-82.

[17]潘俊锋， 宁 宇，杜涛涛，等.区域大范围冲击地压的理论与体系[J].煤炭学报，2012，37(11)：1 803-1 809.