“沖擊地壓防治是煤礦安全的世界性難題?！痹趪?guó)家礦山安全監(jiān)察局近日組織開展的“礦山安全科技進(jìn)龍江”活動(dòng)中，中國(guó)工程院院士潘一山聚焦“我國(guó)沖擊地壓防治的七個(gè)大問題”，作了專題報(bào)告。
據(jù)介紹，目前，我國(guó)現(xiàn)有沖擊地壓礦井138處，分布在山東、陜西、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等13個(gè)地區(qū)，其中僅東北三省就有25處，占18.1%。
“近年來，在國(guó)家礦山安全監(jiān)察局的領(lǐng)導(dǎo)下，通過全行業(yè)的共同努力，煤礦沖擊地壓得到基本控制。過去40年，沖擊地壓事故起數(shù)、死亡人數(shù)、百萬噸死亡率均大幅下降，沖擊地壓事故發(fā)生的間隔天數(shù)越來越大?！迸艘簧街赋?，“盡管如此，當(dāng)下仍面臨沖擊地壓參與的復(fù)合災(zāi)害、礦震頻發(fā)等問題，需要在沖擊地壓煤層智能安全高效開采、法規(guī)建設(shè)和技術(shù)普及等方面發(fā)力克難，實(shí)現(xiàn)‘零沖擊’?！?/span>
警惕耦合災(zāi)害頻發(fā)
“沖擊地壓是煤礦井下巷道或工作面周圍煤巖體彈性變形能瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤巖體瞬間位移、拋出、巨響以及氣浪等，并造成設(shè)備損壞及人員傷亡?！迸艘簧浇忉屨f，無論煤層薄厚，綜采、炮采，各種地質(zhì)和開采條件下都可能發(fā)生沖擊地壓。
“極端條件下沖擊地壓更加嚴(yán)重?！彼e例說，比如河南義馬礦區(qū)大型逆沖斷層、山東巨厚紅土層、內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)湖相沉積頂板、新疆烏東急傾斜煤層和千米深井的沖擊地壓，影響更大。
潘一山表示，礦井埋深越大，沖擊地壓破壞越嚴(yán)重。當(dāng)前，我國(guó)沖擊地壓礦井平均埋深已達(dá)738米，沖擊地壓與瓦斯突出、自然發(fā)火、冒頂、突水、油氣噴出等災(zāi)害之間呈現(xiàn)耦合發(fā)生或相互誘發(fā)的情況。
據(jù)介紹，我國(guó)目前有沖擊地壓瓦斯突出復(fù)合災(zāi)害礦井47處、沖擊地壓冒頂復(fù)合災(zāi)害礦井98處、沖擊地壓突水復(fù)合災(zāi)害礦井41處，兼具沖擊危險(xiǎn)、發(fā)火危險(xiǎn)礦井62處。
“沖擊地壓與油氣噴出復(fù)合災(zāi)害同樣需要關(guān)注。黃陵、焦坪、旬耀、彬長(zhǎng)和永隴等礦區(qū)是我國(guó)典型的煤油氣共存礦區(qū)，也是沖擊地壓較為嚴(yán)重區(qū)域。”潘一山指出，帶壓的油氣賦存于煤層頂板、底板巖層中，與沖擊地壓的孕育發(fā)生相互耦合，從而形成沖擊地壓油氣噴出復(fù)合災(zāi)害。
他表示，針對(duì)沖擊地壓參與的復(fù)合災(zāi)害，必須進(jìn)行一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治。具體而言，要對(duì)沖擊地壓、頂板、瓦斯、火、水、油氣的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)預(yù)警，降低復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的環(huán)境應(yīng)力，增大臨界應(yīng)力，降低釋放能量，增加吸收能量，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓參與的復(fù)合災(zāi)害的一體化協(xié)同防治。
“我們必須認(rèn)識(shí)到，今后發(fā)生的沖擊地壓都可能不是單一沖擊地壓災(zāi)害。如果還當(dāng)成一種災(zāi)害去治理，必然會(huì)吃虧后悔，導(dǎo)致誤報(bào)、漏報(bào)、防治無效等?！迸艘簧街毖浴?
對(duì)于近年來礦震多發(fā)頻發(fā)現(xiàn)象，潘一山指出：“必須改變‘只要開采就有礦震’的錯(cuò)誤觀念，高能量礦震還是有原因的。必須改變‘礦震是斷層發(fā)育礦井深部開采才會(huì)發(fā)生’的傳統(tǒng)觀念，淺部頂板斷裂層間錯(cuò)動(dòng)也能誘發(fā)礦震。必須改變‘礦震井下沒有可見破壞就可少管’的任性觀念，大能量礦震導(dǎo)致礦井停產(chǎn)、造成地面社會(huì)人員恐慌以及可能誘發(fā)井下沖擊也必須管控。震和沖的機(jī)理不同，要找到有效措施，確保震和沖協(xié)同治理?！?/span>
監(jiān)測(cè)方法有待完善
準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是防治沖擊地壓的前提?！斗乐蚊旱V沖擊地壓細(xì)則》第四十六條規(guī)定：沖擊地壓礦井必須建立區(qū)域與局部相結(jié)合的沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)制度，區(qū)域監(jiān)測(cè)應(yīng)當(dāng)覆蓋礦井采掘區(qū)域，局部監(jiān)測(cè)應(yīng)當(dāng)覆蓋沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)，區(qū)域監(jiān)測(cè)可采用微震監(jiān)測(cè)法等，局部監(jiān)測(cè)可采用鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測(cè)法、電磁輻射法等。
潘一山指出，目前使用的微震監(jiān)測(cè)法、鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測(cè)法等都有待進(jìn)一步完善。
今年2月至3月，國(guó)家礦山安全監(jiān)察局兩次組織人員分赴內(nèi)蒙古、河南、陜西、山東、吉林等地，對(duì)部分沖擊地壓礦井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用情況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)軟件能量計(jì)算方法差別大、傳感器頻率監(jiān)測(cè)范圍不足、不同系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能量不統(tǒng)一等問題。
對(duì)此，潘一山建議，微震監(jiān)測(cè)的突破要從三方面著力：一是研發(fā)新型微震傳感器，打破國(guó)外技術(shù)壁壘；二是突破微震能量及震級(jí)的算法；三是開展井上井下聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)，提高垂直定位精度。
對(duì)于鉆屑法，潘一山指出，目前廣泛使用的手持鉆機(jī)作業(yè)存在工人作業(yè)強(qiáng)度大、鉆機(jī)動(dòng)力不足等問題。隨著鉆孔深度增加，手持式鉆機(jī)導(dǎo)屑速度變慢，會(huì)造成鉆桿卡鉆。為避免卡鉆，鉆屑孔深度通常達(dá)不到設(shè)計(jì)深度。對(duì)此，他建議，可以發(fā)展智能多參量液壓履帶鉆車，開展鉆頭破巖效率及鉆屑粒徑分布規(guī)律試驗(yàn)，研發(fā)內(nèi)排式鉆屑法。
至于應(yīng)力監(jiān)測(cè)法，目前存在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差距較大、監(jiān)測(cè)存在盲區(qū)、監(jiān)測(cè)結(jié)果僅能代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)等問題。
“在沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)方面，應(yīng)該由‘做了、測(cè)了、有數(shù)據(jù)了’轉(zhuǎn)變?yōu)椤隽诉€要做對(duì)，測(cè)了還要測(cè)準(zhǔn)，有數(shù)據(jù)了還要是有用的數(shù)據(jù)’，由‘修修補(bǔ)補(bǔ)、不斷完善’轉(zhuǎn)變?yōu)椤蚱圃兴季S、慣性和路徑，丟掉實(shí)踐證明沒有效果的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新’，由‘對(duì)標(biāo)國(guó)外技術(shù)’的跟跑思維轉(zhuǎn)變?yōu)椤畬?duì)標(biāo)物理極限’的領(lǐng)跑思維。”潘一山總結(jié)說。
對(duì)于沖擊地壓礦井安全性評(píng)價(jià)問題，潘一山明確提出，應(yīng)該由危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)向安全性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變。潘一山解釋稱，用危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)沖擊地壓不容易犯錯(cuò)，“評(píng)價(jià)為危險(xiǎn)，一旦發(fā)生，說明評(píng)價(jià)準(zhǔn)確；如果沒有發(fā)生，說明是防沖設(shè)計(jì)合理、實(shí)施措施有效”。而安全性評(píng)價(jià)主要針對(duì)采取技術(shù)手段和措施后，對(duì)防沖工程進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。如果評(píng)價(jià)是“安全的”，現(xiàn)場(chǎng)人員就會(huì)按照評(píng)價(jià)放心作業(yè)；一旦評(píng)價(jià)不準(zhǔn)，發(fā)生沖擊危險(xiǎn)，評(píng)價(jià)者就會(huì)被追究責(zé)任。
他指出，在很多工程中，通常會(huì)采用安全系數(shù)來評(píng)價(jià)受載結(jié)構(gòu)體的安全性，如邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)、壩體安全系數(shù)、橋梁安全系數(shù)等，但在沖擊地壓防治領(lǐng)域，才剛剛關(guān)注安全性系數(shù)及評(píng)價(jià)體系。
“巷道、工作面等都是礦井的主要受載結(jié)構(gòu)體。針對(duì)這些沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域采取防治措施后，有必要進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，給出安全系數(shù)，直觀、定量化表明這些區(qū)域的安全情況?！迸艘簧秸f。
“零沖擊”管理與智能化開采
“我國(guó)沖擊地壓防治工作從來沒有達(dá)到像今天這樣的思想統(tǒng)一度。”潘一山指出，由于沖擊地壓的突發(fā)性、破壞性和復(fù)雜性，其防治理論觀點(diǎn)、防治措施和方法爭(zhēng)論較大。但隨著《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》的修訂及相關(guān)文件的出臺(tái)，沖擊地壓防治技術(shù)不斷規(guī)范，防治知識(shí)普及，沖擊地壓防治水平達(dá)到了新高度。
那么，沖擊地壓礦井能否實(shí)現(xiàn)“無人員傷亡、無巷道破壞、無設(shè)備損壞”的“零沖擊”管理目標(biāo)？
對(duì)此，潘一山認(rèn)為，“零沖擊”既是對(duì)沖擊地壓防治標(biāo)準(zhǔn)的高要求，又是沖擊地壓防治“以提高安全性為目標(biāo)”的新理念。通過巷道支護(hù)上的局部吸能裝置，在沖擊過程自適應(yīng)破壞并吸收能量，使支護(hù)整體不被破壞，圍巖吸收能量，“零沖擊”管理目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。
他舉例說，通過研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，任何一處沖擊地壓礦井都不能保證不發(fā)生圍巖能量釋放，但如果在支護(hù)上安裝預(yù)設(shè)了吸能裝置，在圍巖釋放沖擊能量作用于支護(hù)上時(shí)，由吸能裝置發(fā)生破壞并吸收能量，而整個(gè)支護(hù)體系沒有失效破壞并保證圍巖整體性，那么該過程使圍巖的塑性區(qū)也吸收了能量，進(jìn)而使遠(yuǎn)場(chǎng)釋放的能量被支護(hù)和圍巖塑性區(qū)吸收，沖擊停止下來，就實(shí)現(xiàn)了無人員傷亡。
具體到“零沖擊”實(shí)現(xiàn)途徑中，可以通過合理開采布局、開采保護(hù)層、地面壓裂、爆破斷頂、底板爆破、水力壓裂切頂、控制開采速度等措施，降低環(huán)境應(yīng)力、減少能量釋放。
在沖擊地壓礦井實(shí)現(xiàn)“零沖擊”案例中，吉林龍家堡礦就是一個(gè)典型。該礦采深超過1000米，2019年6月9日發(fā)生一起沖擊地壓事故，停產(chǎn)一年多時(shí)間開展災(zāi)后沖擊地壓治理，2020年復(fù)產(chǎn)后至今連續(xù)實(shí)現(xiàn)安全開采。2023年12月4日，該礦發(fā)生震級(jí)為1.9級(jí)的礦震事件，礦井采取綜合防沖措施，巷道采用錨網(wǎng)索+O型棚+液壓支架三級(jí)防沖支護(hù)，避免了破壞事故。
如果沖擊地壓礦井“零沖擊”管理目標(biāo)能實(shí)現(xiàn)，那么，智能安全高效開采能否實(shí)現(xiàn)？去年10月22日，“如何實(shí)現(xiàn)沖擊地壓煤層智能安全高效開采？”入選中國(guó)科協(xié)發(fā)布的2023十大產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題，這也是煤炭行業(yè)唯一入選的問題。
對(duì)此，潘一山認(rèn)為，我國(guó)沖擊地壓煤層智能安全高效開采應(yīng)采取“三步走”策略。
第一步是智能，即一般煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，其總體框架包括通用基礎(chǔ)、支撐技術(shù)與平臺(tái)、煤礦信息互聯(lián)網(wǎng)、智能控制系統(tǒng)及裝備、安全監(jiān)控及防控裝備、生產(chǎn)保障6類標(biāo)準(zhǔn)。第二步是安全，即沖擊地壓煤層開采全要素分項(xiàng)智能化體系建設(shè)，基于沖擊地壓類型、機(jī)理，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)、防治、支護(hù)、防護(hù)五大要素智能化。第三步是高效，即沒有智能化就根本無法實(shí)現(xiàn)沖擊地壓煤層安全高效開采體系建設(shè)。根據(jù)沖擊地壓不發(fā)生的應(yīng)力條件、沖擊地壓不發(fā)生的能量條件，通過智能化徹底解決沖擊地壓主要兩個(gè)安全高效開采問題：全巷道液壓支護(hù)、充填開采。
“沖擊地壓礦井和行業(yè)科技工作者一定要借助智能化發(fā)展的東風(fēng)，不能把智能化當(dāng)負(fù)擔(dān)；要破除消極情緒，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害礦井在智能時(shí)代的彎道超車?！迸艘簧秸f。
來源：中國(guó)煤炭報(bào)
