陕西省煤矿冲击地压防治及“130+X”体系建设

2021-04-06田晓兵

陕西煤炭 2021年2期

田晓兵

(陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713600)

0 引言

冲击地压是世界范围内煤矿最严重的灾害之一，发生过程中释放大量煤岩体内积聚的变形能，将煤岩体抛出，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并发出巨大的响声和岩体震动，震动事件从几秒到几十秒，抛出的煤岩体从几吨到几百吨，目前记录到的矿山最大震级已超过里氏5级[1-3]。经过研究治理，我国的冲击地压灾害得到了一定的控制，但由于冲击地压发生机理极为复杂，到目前为止，还未从根本上解决有效预测及防治问题。一方面，近年来，冲击地压事故呈上升趋势[4-6]。特别是2018年10月20日，山东能源龙郓煤矿发生冲击地压事故，造成21名矿工遇难，损失惨重、教训深刻。另一方面，全国现有冲击地压矿井产能约4亿t/年，三分之二分布在煤炭净调入省份，一半以上属于冶金与化工用煤，在煤炭供应保障中发挥着重要作用。

因此，有效防治冲击地压灾害，既是煤矿安全生产领域的当务之急，也是保障能源和原料供应必须解决的现实问题。

1 研究背景

我国是煤矿冲击地压灾害最严重的国家之一，截至目前正在生产的冲击地压矿井122个，其中山东省占比32.8%，陕西省占比11.5%，矿井数量及地区分布情况，见表1。据不完全统计，至2011年全国已有142处煤矿发生冲击地压，至2016年已达189处(包括已关闭矿井)。从2011年11月至2019年8月，全国煤矿因冲击地压事故死亡近百人，见表2。

表1 我国正在生产的冲击地压矿井数量及分布Table 1 Quantity and distribution of rock burst mines under production in China

表2 全国煤矿近几年冲击地压事故死亡人数统计Table 2 Statistics of death toll of rock burst accidents in coal mines in China in recent years

2 陕西地区冲击地压管理现状分析

冲击地压在陕西省煤矿出现的时间相对较晚，直到2013年冲击地压灾害才开始凸显，但之后冲击地压矿井数量呈井喷式增长，灾害形式急剧恶化，短短7年内就成为陕西省煤矿主要灾害之一。

2.1 陕西地区冲击地压现状

纵观陕西省煤炭矿区分布，随着煤矿开采深度、开采强度的加大，具有冲击倾向性的煤矿数量有所增加，同时由于深部岩体具有高应力、高瓦斯、高地温的特点，预测未来由冲击地压诱发的复合动力灾害将会愈发严重、愈发常见[7-9]。深部开采面临的冲击地压灾害将成为影响陕西省煤矿安全生产的主要危害之一。从彬长矿区、麟北矿区和旬东矿区各煤矿冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价结果看，彬长矿区自南向北随着埋藏深度的增加，冲击倾向性由弱变强，冲击危险性趋势与倾向性基本一致；麟北矿区的煤矿基本属于中等冲击倾向性和中等冲击危险性；其他矿区是否存在冲击危险，仍需进一步鉴定与评价。以彬长矿区为例，其目前共有冲击地压矿井14处，占全国冲击地压矿井总数的10%以上，占全市煤矿总数的50%。其中，强冲击地压矿井4处(孟村、胡家河、亭南、高家堡)，中等冲击地压矿井1处(水帘洞)，弱冲击地压矿井9处。

无论从冲击矿井的增加数量还是程度上看，陕西已成为全国煤矿冲击地压灾害严重的省份之一。在此背景下，必须加强煤矿冲击地压防治工作，有效防范冲击地压事故，保障煤矿职工生命和财产安全。

2.2 陕西地区冲击地压灾害特点

陕西省境内冲击地压矿井遍及彬长、麟北、旬东、榆北等陕北、关中地区多个矿区，数量众多、分布广泛。冲击地压事故的频度和强度增大，冲击地压诱发次生灾害多。由于大采深、高地压、强采动的影响，煤岩介质在原岩应力场、采动应力场的共同作用下，由原来单一类型动力灾害事故向耦合型煤岩动力灾害转变。冲击地压的发生地点主要包括回采工作面、掘进工作面和巷道，其中首推巷道发生次数最多。如2014—2017年，彬长矿区的煤矿发生了不同程度冲击地压动力现象，其中几个煤矿冲击地压动力现象发生在基本建设大巷掘进期间。

2.3 陕西地区冲击地压防治难点

陕西地区所属冲击地压煤矿虽然在近几年的防治效果上取得了一些进展，但是仍然不能完全掌握冲击地压灾害的发生机理和特征，致使防治工作较为被动，主要表现在以下几个方面。

2.3.1 冲击地压基础工作没有做好

顶层设计不够：目前冲击地压灾害防治具有很大的局限性，对灾害没有做到系统全面的研究，没有做好完整的顶层设计。

防冲设计先天不足：陕西省在2013年之前未发生过冲击地压现象，在编制矿区规划和可行性研究时也未对煤层冲击倾向性进行评估，矿井初步设计也没有相关防冲内容，选择主要大巷层位、划分采区、安排采掘接续等方面都未曾考虑防冲要求。面对矿井发生的动力现象，按冲击地压矿井要求调整设计为时已晚，防冲设计先天不足。

2.3.2 对冲击显现规律掌握不清

对地质构造的影响程度难以准确预测。在冲击地压显现规律总结方面，不能完全掌握工作面能量释放与地质构造、采煤工艺、支护强度等方面的关系，导致冲击显现时无法准确判断主要诱发因素。

2.3.3 多灾害耦合条件下的治理工作相互制衡

如彬长矿区大多数矿井不仅是冲击地压灾害矿井，同时也受到水、火、瓦斯、顶板灾害的影响，多种灾害耦合条件下工作的开展会相互制衡[10-12]。主要表现在，一是煤层中实施大孔径卸压钻孔、爆破虽然能有效转移高应力，但同时也会加剧煤体破碎程度，给防灭火和顶板支护带来压力；二是为防止煤层自然发火，通常会采取加快推采速度的措施，但由此也会造成超前工作面的压力分布情况复杂多变，不利于防冲支护工程的开展等[13-15]。

2.3.4 专业防冲技术人员数量及经验不足

由于陕西省冲击地压灾害出现时间较短，大多数矿井冲击地压专业技术人员短缺，突显出“智力”提供不足、软实力不够的问题。

2.3.5 缺少高静载荷条件下的冲击地压研究

大部分冲击地压矿井埋深较大，在进行采掘活动之前，自身应力本身就很高，同时矿井构造应力复杂、断层发育、应力相互叠加导致高静载荷持续加大[16-19]。在采掘生产活动对煤岩体原岩应力进行扰动后，通过目前的效果检验评判体系无法预测由此引发的冲击地压显现，致使出现高静载荷条件下冲击地压事故。

3 对策分析

坚持问题导向、科学施策，强化源头治理、完善措施，在狠抓落实上下功夫、在防范冲击地压事故上下功夫，要抓住矿长、总工程师、班组长等“关键少数”，进一步推进落实《煤矿安全规程》《防治煤矿冲击地压细则》等规章标准规定，采取有力措施防范遏制煤矿冲击地压事故。

3.1 具体实施措施

3.1.1 导向及顶层设计

加强源头治理：坚持问题导向和目标导向，加强冲击地压源头治理。目前关于冲击地压防治下发了《防治煤矿冲击地压细则》《国家煤矿安监局关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》《煤矿冲击地压防治监管监察指导手册(试行)》等一系列规章制度，对冲击地压防治工作的重点和关键环节提出了明确具体的要求，各级单位和人员必须从源头上防范冲击地压事故，真正把要求贯穿到工作中去，防冲击地压灾害隐患于未然。

做好顶层设计：冲击地压矿井要积极联系专业院校和科研院所，通过长期合作进行研究，对矿井所属冲击地压机理、冲击地压治理、冲击地压顶层设计、冲击地压关键技术创新进行全面系统的研究，做到分类技术研究，真正做到“一矿一策，一面一策”。

3.1.2 规律总结及防治理念

加强规律总结：强化冲击地压显现规律总结，逐步掌握工作面能量释放与地质构造、采煤工艺、支护强度等方面的关系，当冲击显现时准确判断主要诱发因素，尽可能判断地质构造在冲击方面的具体影响范围和强度。

树立综合防治理念：针对多灾害因素相互交织耦合的复杂性，树立综合防治理念，积极探寻瓦斯、水、火、冲击地压同防同治的技术可能性，加强数据分析研究，提升监测预警能力及水平，摸索规律，尽快形成适合各冲击地压矿井实际的成套技术方案，为灾害有效治理打牢基础。

3.1.3 人才培养及监测台网建设

人才培养：人才是第一资源，通过校企合作、人才培养培训机制等方式培养一批堪当安全发展重任、勇于破解重大技术难题的优秀冲击地压防治人才，为冲击地压防治工作提供强有力的人力保障和智力支持。

监测台网建设：布置井下地面监测台网，实现监测联动，建立大数据库。在地面和井下布置监测设备，统计事件发生的立体位置、时间和释放的能量，研究垮落带、裂隙带、弯曲下沉带事件分布情况，在分析基础数据的基础上揭示矿区岩层的活动周期和强弱程度，识别采场顶板活动规律，进而实现冲击危险性评价和预警，同时也会对岩层移动过程中的卸压瓦斯抽放与突水防治研究起到一定促进作用。

3.2 解决方案

3.2.1 “130+X”冲击地压防治体系

冲击地压防治坚持“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”的防冲原则，把冲击地压防治工作当成一项系统的工程贯彻到冲击地压矿井设计、准备、生产的每一个阶段。通过以“智+”为基础，构建“130+X”冲击地压防治体系，如图1所示。

图1 冲击地压防治体系Fig.1 Rock burst prevention and control system

3.2.2 推广智能化技术

大力推广智能无人工作面和采掘设备远距离控制技术，对冲击地压矿井采煤工作面采用长壁式智能开采，煤巷掘进切割作业、解危钻孔施工采用智能化远距离操控，实现少人或无人开采，采掘工作面作业人员数量大幅度降低，实现“无人则安”。同时开发智能化应急救援技术和装备，实施科学应急救援，而不是第一时间把人推到第一线，有利于防止二次事故及救护人员牺牲在现场的情况。

3.2.3 基于云计算的煤矿冲击地压监控预警技术

目前，国内外绝大多数冲击危险区域的预测预报及治理方法基本上是单一的、局部的、间断的和被动的，很少能形成一套完整的防治体系。同时由于冲击地压发生的机理不同，不同矿井冲击地压的成因和显现特征也不同，即使是同一矿井，由于地质构造、开采条件和开采方法的差异，冲击地压的成因、性质、震源部位和破坏程度也不相同。因此，既不能用同一机理去解释不同冲击地压的成因和现象，也不能用单一方法去预测和防治冲击地压。在冲击地压防治领域，综合取代单一，连续代替间断，主动代替被动，将是一种必然趋势。

3.2.4 建立一个中心及三大体系

建立一个中心：即建立煤矿深部开采与冲击地压防治工程研究中心，汇集相关科研单位、高校及煤矿企业优秀专业人才队伍，建设一个具备技术研发、工程化、产业化和综合服务功能的冲击地压研究开发实体。

发展灾害防治“三大体系”：即通过灾害基础治理理论及防治措施数据库，形成“量化达标评判”“多维预警预报”、灾害“分级防治”三大体系。“量化达标评判”体系是对矿井各类灾害进行研究与总结，确定其灾害赋存规律，掌握灾害治理关键因素，构建多灾害治理达标判识体系。根据监测数据分析以及综合治灾影响因素，用量化指标评判灾害治理程度，实现治理效果的量化分析与评判；“多维预警预报”体系是将日常各类数据进行统计，建立灾害多维信息“大数据库”，融合各类灾害量化指标，达到智能预警判识，并连接监测预警系统与应急管理系统，根据灾害分级预警应急机制，达到多灾害联合、联动预警预报；灾害“分级防治”体系是系统研究矿区自然灾害的赋存规律及特点，同时依据“分区管理、分类治理”原则，将超前系统治理、区域防范治理、局部根本性治理有机结合，形成矿区灾害针对性较强的标准化治理流程，彻底消除灾害威胁，实现矿井生产作业环境的本质安全。

3.2.5 培养人才

培养治理水、火、瓦斯、煤尘、顶板、冲击地压等灾害的“X”型科技人才。灾害治理是一项复杂的系统工程，人是最关键、最活跃的因素，起决定性作用。必须提高认识、真抓实干、大幅度提升煤矿从业人员素质，通过成立大师工作室、设立实操基地、实行联合培养等方式，培养一批多灾害耦合治理“X”型人才，促进煤炭行业高质量发展。实现冲击地压“零伤害”防治目标。实践证明，只要认识到位、制度完善、措施得当、奋力作为，冲击地压防治“零伤害”目标是可以实现的。