“沖擊地壓防治是煤礦安全的世界性難題?！痹趪业V山安全監(jiān)察局近日組織開展的“礦山安全科技進龍江”活動中，中國工程院院士潘一山聚焦“我國沖擊地壓防治的七個大問題”，作了專題報告。
據(jù)介紹，目前，我國現(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個地區(qū)，其中僅東北三省就有25處，占18.1%。
“近年來，在國家礦山安全監(jiān)察局的領(lǐng)導下，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?！迸艘簧街赋觯氨M管如此，當下仍面臨沖擊地壓參與的復合災害、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，實現(xiàn)‘零沖擊’?！?/span>
警惕耦合災害頻發(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釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(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，沖擊地壓破壞越嚴重。當前，我國沖擊地壓礦井平均埋深已達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，我國目前有沖擊地壓瓦斯突出復合災害礦井47處、沖擊地壓冒頂復合災害礦井98處、沖擊地壓突水復合災害礦井41處，兼具沖擊危險、發(fā)火危險礦井62處。
“沖擊地壓與油氣噴出復合災害同樣需要關(guān)注。黃陵、焦坪、旬耀、彬長和永隴等礦區(qū)是我國典型的煤油氣共存礦區(qū)，也是沖擊地壓較為嚴重區(qū)域?！迸艘簧街赋觯瑤旱挠蜌赓x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合災害。
他表示，針對沖擊地壓參與的復合災害，必須進行一體化監(jiān)測預警和防治。具體而言，要對沖擊地壓、頂板、瓦斯、火、水、油氣的關(guān)鍵指標進行同步監(jiān)測預警，降低復合災害發(fā)生的環(huán)境應力，增大臨界應力，降低釋放能量，增加吸收能量，實現(xiàn)沖擊地壓參與的復合災害的一體化協(xié)同防治。
“我們必須認識到，今后發(fā)生的沖擊地壓都可能不是單一沖擊地壓災害。如果還當成一種災害去治理，必然會吃虧后悔，導致誤報、漏報、防治無效等?！迸艘簧街毖浴?
對于近年來礦震多發(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發(fā)生’的傳統(tǒng)觀念，淺部頂板斷裂層間錯動也能誘發(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，大能量礦震導致礦井停產(chǎn)、造成地面社會人員恐慌以及可能誘發(fā)井下沖擊也必須管控。震和沖的機理不同，要找到有效措施，確保震和沖協(xié)同治理?！?/span>
監(jiān)測方法有待完善
準確監(jiān)測是防治沖擊地壓的前提?！斗乐蚊旱V沖擊地壓細則》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)合的沖擊危險性監(jiān)測制度，區(qū)域監(jiān)測應當覆蓋礦井采掘區(qū)域，局部監(jiān)測應當覆蓋沖擊地壓危險區(qū)，區(qū)域監(jiān)測可采用微震監(jiān)測法等，局部監(jiān)測可采用鉆屑法、應力監(jiān)測法、電磁輻射法等。
潘一山指出，目前使用的微震監(jiān)測法、鉆屑法、應力監(jiān)測法等都有待進一步完善。
今年2月至3月，國家礦山安全監(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，對部分沖擊地壓礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)使用情況進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)軟件能量計算方法差別大、傳感器頻率監(jiān)測范圍不足、不同系統(tǒng)監(jiān)測能量不統(tǒng)一等問題。
對此，潘一山建議，微震監(jiān)測的突破要從三方面著力：一是研發(fā)新型微震傳感器，打破國外技術(shù)壁壘；二是突破微震能量及震級的算法；三是開展井上井下聯(lián)合微震監(jiān)測，提高垂直定位精度。
對于鉆屑法，潘一山指出，目前廣泛使用的手持鉆機作業(yè)存在工人作業(yè)強度大、鉆機動力不足等問題。隨著鉆孔深度增加，手持式鉆機導屑速度變慢，會造成鉆桿卡鉆。為避免卡鉆，鉆屑孔深度通常達不到設(shè)計深度。對此，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，研發(fā)內(nèi)排式鉆屑法。
至于應力監(jiān)測法，目前存在不同監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)差距較大、監(jiān)測存在盲區(qū)、監(jiān)測結(jié)果僅能代表監(jiān)測點的應力狀態(tài)等問題。
“在沖擊危險性監(jiān)測方面，應該由‘做了、測了、有數(shù)據(jù)了’轉(zhuǎn)變?yōu)椤隽诉€要做對，測了還要測準，有數(shù)據(jù)了還要是有用的數(shù)據(jù)’，由‘修修補補、不斷完善’轉(zhuǎn)變?yōu)椤蚱圃兴季S、慣性和路徑，丟掉實踐證明沒有效果的技術(shù)，實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新’，由‘對標國外技術(shù)’的跟跑思維轉(zhuǎn)變?yōu)椤畬宋锢順O限’的領(lǐng)跑思維?！迸艘簧娇偨Y(jié)說。
對于沖擊地壓礦井安全性評價問題，潘一山明確提出，應該由危險性評價向安全性評價轉(zhuǎn)變。潘一山解釋稱，用危險性評價沖擊地壓不容易犯錯，“評價為危險，一旦發(fā)生，說明評價準確；如果沒有發(fā)生，說明是防沖設(shè)計合理、實施措施有效”。而安全性評價主要針對采取技術(shù)手段和措施后，對防沖工程進行可靠性評價。如果評價是“安全的”，現(xiàn)場人員就會按照評價放心作業(yè)；一旦評價不準，發(fā)生沖擊危險，評價者就會被追究責任。
他指出，在很多工程中，通常會采用安全系數(shù)來評價受載結(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)及評價體系。
“巷道、工作面等都是礦井的主要受載結(jié)構(gòu)體。針對這些沖擊地壓危險區(qū)域采取防治措施后，有必要進行安全性評價，給出安全系數(shù)，直觀、定量化表明這些區(qū)域的安全情況。”潘一山說。
“零沖擊”管理與智能化開采
“我國沖擊地壓防治工作從來沒有達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、破壞性和復雜性，其防治理論觀點、防治措施和方法爭論較大。但隨著《防治煤礦沖擊地壓細則》的修訂及相關(guān)文件的出臺，沖擊地壓防治技術(shù)不斷規(guī)范，防治知識普及，沖擊地壓防治水平達到了新高度。
那么，沖擊地壓礦井能否實現(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？
對此，潘一山認為，“零沖擊”既是對沖擊地壓防治標準的高要求，又是沖擊地壓防治“以提高安全性為目標”的新理念。通過巷道支護上的局部吸能裝置，在沖擊過程自適應破壞并吸收能量，使支護整體不被破壞，圍巖吸收能量，“零沖擊”管理目標是可以實現(xiàn)的。
他舉例說，通過研究和實踐發(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，但如果在支護上安裝預設(shè)了吸能裝置，在圍巖釋放沖擊能量作用于支護上時，由吸能裝置發(fā)生破壞并吸收能量，而整個支護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，進而使遠場釋放的能量被支護和圍巖塑性區(qū)吸收，沖擊停止下來，就實現(xiàn)了無人員傷亡。
具體到“零沖擊”實現(xiàn)途徑中，可以通過合理開采布局、開采保護層、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)境應力、減少能量釋放。
在沖擊地壓礦井實現(xiàn)“零沖擊”案例中，吉林龍家堡礦就是一個典型。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)一年多時間開展災后沖擊地壓治理，2020年復產(chǎn)后至今連續(xù)實現(xiàn)安全開采。2023年12月4日，該礦發(fā)生震級為1.9級的礦震事件，礦井采取綜合防沖措施，巷道采用錨網(wǎng)索+O型棚+液壓支架三級防沖支護，避免了破壞事故。
如果沖擊地壓礦井“零沖擊”管理目標能實現(xiàn)，那么，智能安全高效開采能否實現(xiàn)？去年10月22日，“如何實現(xiàn)沖擊地壓煤層智能安全高效開采？”入選中國科協(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。
對此，潘一山認為，我國沖擊地壓煤層智能安全高效開采應采取“三步走”策略。
第一步是智能，即一般煤礦智能化標準體系建設(shè)，其總體框架包括通用基礎(chǔ)、支撐技術(shù)與平臺、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類標準。第二步是安全，即沖擊地壓煤層開采全要素分項智能化體系建設(shè)，基于沖擊地壓類型、機理，實現(xiàn)危險性評價、監(jiān)測、防治、支護、防護五大要素智能化。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安全高效開采問題：全巷道液壓支護、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，不能把智能化當負擔；要破除消極情緒，實現(xiàn)災害礦井在智能時代的彎道超車。”潘一山說。
來源：中國煤炭報
