陜西省煤礦沖擊地壓防治及“130+X”體系建設(shè)

田曉兵

(陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

沖擊地壓是世界范圍內(nèi)煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，發(fā)生過程中釋放大量煤巖體內(nèi)積聚的變形能，將煤巖體拋出，造成支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞、傷及人員，并發(fā)出巨大的響聲和巖體震動，震動事件從幾秒到幾十秒，拋出的煤巖體從幾噸到幾百噸，目前記錄到的礦山最大震級已超過里氏5級[1-3]。經(jīng)過研究治理，我國的沖擊地壓災(zāi)害得到了一定的控制，但由于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理極為復(fù)雜，到目前為止，還未從根本上解決有效預(yù)測及防治問題。一方面，近年來，沖擊地壓事故呈上升趨勢[4-6]。特別是2018年10月20日，山東能源龍鄆煤礦發(fā)生沖擊地壓事故，造成21名礦工遇難，損失慘重、教訓(xùn)深刻。另一方面，全國現(xiàn)有沖擊地壓礦井產(chǎn)能約4億t/年，三分之二分布在煤炭凈調(diào)入省份，一半以上屬于冶金與化工用煤，在煤炭供應(yīng)保障中發(fā)揮著重要作用。

因此，有效防治沖擊地壓災(zāi)害，既是煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急，也是保障能源和原料供應(yīng)必須解決的現(xiàn)實問題。

1 研究背景

我國是煤礦沖擊地壓災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，截至目前正在生產(chǎn)的沖擊地壓礦井122個，其中山東省占比32.8%，陜西省占比11.5%，礦井?dāng)?shù)量及地區(qū)分布情況，見表1。據(jù)不完全統(tǒng)計，至2011年全國已有142處煤礦發(fā)生沖擊地壓，至2016年已達(dá)189處(包括已關(guān)閉礦井)。從2011年11月至2019年8月，全國煤礦因沖擊地壓事故死亡近百人，見表2。

表1 我國正在生產(chǎn)的沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量及分布Table 1 Quantity and distribution of rock burst mines under production in China

表2 全國煤礦近幾年沖擊地壓事故死亡人數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of death toll of rock burst accidents in coal mines in China in recent years

2 陜西地區(qū)沖擊地壓管理現(xiàn)狀分析

沖擊地壓在陜西省煤礦出現(xiàn)的時間相對較晚，直到2013年沖擊地壓災(zāi)害才開始凸顯，但之后沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量呈井噴式增長，災(zāi)害形式急劇惡化，短短7年內(nèi)就成為陜西省煤礦主要災(zāi)害之一。

2.1 陜西地區(qū)沖擊地壓現(xiàn)狀

縱觀陜西省煤炭礦區(qū)分布，隨著煤礦開采深度、開采強(qiáng)度的加大，具有沖擊傾向性的煤礦數(shù)量有所增加，同時由于深部巖體具有高應(yīng)力、高瓦斯、高地溫的特點，預(yù)測未來由沖擊地壓誘發(fā)的復(fù)合動力災(zāi)害將會愈發(fā)嚴(yán)重、愈發(fā)常見[7-9]。深部開采面臨的沖擊地壓災(zāi)害將成為影響陜西省煤礦安全生產(chǎn)的主要危害之一。從彬長礦區(qū)、麟北礦區(qū)和旬東礦區(qū)各煤礦沖擊傾向性鑒定和沖擊危險性評價結(jié)果看，彬長礦區(qū)自南向北隨著埋藏深度的增加，沖擊傾向性由弱變強(qiáng)，沖擊危險性趨勢與傾向性基本一致；麟北礦區(qū)的煤礦基本屬于中等沖擊傾向性和中等沖擊危險性；其他礦區(qū)是否存在沖擊危險，仍需進(jìn)一步鑒定與評價。以彬長礦區(qū)為例，其目前共有沖擊地壓礦井14處，占全國沖擊地壓礦井總數(shù)的10%以上，占全市煤礦總數(shù)的50%。其中，強(qiáng)沖擊地壓礦井4處(孟村、胡家河、亭南、高家堡)，中等沖擊地壓礦井1處(水簾洞)，弱沖擊地壓礦井9處。

無論從沖擊礦井的增加數(shù)量還是程度上看，陜西已成為全國煤礦沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重的省份之一。在此背景下，必須加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作，有效防范沖擊地壓事故，保障煤礦職工生命和財產(chǎn)安全。

2.2 陜西地區(qū)沖擊地壓災(zāi)害特點

陜西省境內(nèi)沖擊地壓礦井遍及彬長、麟北、旬東、榆北等陜北、關(guān)中地區(qū)多個礦區(qū)，數(shù)量眾多、分布廣泛。沖擊地壓事故的頻度和強(qiáng)度增大，沖擊地壓誘發(fā)次生災(zāi)害多。由于大采深、高地壓、強(qiáng)采動的影響，煤巖介質(zhì)在原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場的共同作用下，由原來單一類型動力災(zāi)害事故向耦合型煤巖動力災(zāi)害轉(zhuǎn)變。沖擊地壓的發(fā)生地點主要包括回采工作面、掘進(jìn)工作面和巷道，其中首推巷道發(fā)生次數(shù)最多。如2014—2017年，彬長礦區(qū)的煤礦發(fā)生了不同程度沖擊地壓動力現(xiàn)象，其中幾個煤礦沖擊地壓動力現(xiàn)象發(fā)生在基本建設(shè)大巷掘進(jìn)期間。

2.3 陜西地區(qū)沖擊地壓防治難點

陜西地區(qū)所屬沖擊地壓煤礦雖然在近幾年的防治效果上取得了一些進(jìn)展，但是仍然不能完全掌握沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理和特征，致使防治工作較為被動，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.3.1 沖擊地壓基礎(chǔ)工作沒有做好

頂層設(shè)計不夠：目前沖擊地壓災(zāi)害防治具有很大的局限性，對災(zāi)害沒有做到系統(tǒng)全面的研究，沒有做好完整的頂層設(shè)計。

防沖設(shè)計先天不足：陜西省在2013年之前未發(fā)生過沖擊地壓現(xiàn)象，在編制礦區(qū)規(guī)劃和可行性研究時也未對煤層沖擊傾向性進(jìn)行評估，礦井初步設(shè)計也沒有相關(guān)防沖內(nèi)容，選擇主要大巷層位、劃分采區(qū)、安排采掘接續(xù)等方面都未曾考慮防沖要求。面對礦井發(fā)生的動力現(xiàn)象，按沖擊地壓礦井要求調(diào)整設(shè)計為時已晚，防沖設(shè)計先天不足。

2.3.2 對沖擊顯現(xiàn)規(guī)律掌握不清

對地質(zhì)構(gòu)造的影響程度難以準(zhǔn)確預(yù)測。在沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律總結(jié)方面，不能完全掌握工作面能量釋放與地質(zhì)構(gòu)造、采煤工藝、支護(hù)強(qiáng)度等方面的關(guān)系，導(dǎo)致沖擊顯現(xiàn)時無法準(zhǔn)確判斷主要誘發(fā)因素。

2.3.3 多災(zāi)害耦合條件下的治理工作相互制衡

如彬長礦區(qū)大多數(shù)礦井不僅是沖擊地壓災(zāi)害礦井，同時也受到水、火、瓦斯、頂板災(zāi)害的影響，多種災(zāi)害耦合條件下工作的開展會相互制衡[10-12]。主要表現(xiàn)在，一是煤層中實施大孔徑卸壓鉆孔、爆破雖然能有效轉(zhuǎn)移高應(yīng)力，但同時也會加劇煤體破碎程度，給防滅火和頂板支護(hù)帶來壓力；二是為防止煤層自然發(fā)火，通常會采取加快推采速度的措施，但由此也會造成超前工作面的壓力分布情況復(fù)雜多變，不利于防沖支護(hù)工程的開展等[13-15]。

2.3.4 專業(yè)防沖技術(shù)人員數(shù)量及經(jīng)驗不足

由于陜西省沖擊地壓災(zāi)害出現(xiàn)時間較短，大多數(shù)礦井沖擊地壓專業(yè)技術(shù)人員短缺，突顯出“智力”提供不足、軟實力不夠的問題。

2.3.5 缺少高靜載荷條件下的沖擊地壓研究

大部分沖擊地壓礦井埋深較大，在進(jìn)行采掘活動之前，自身應(yīng)力本身就很高，同時礦井構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、斷層發(fā)育、應(yīng)力相互疊加導(dǎo)致高靜載荷持續(xù)加大[16-19]。在采掘生產(chǎn)活動對煤巖體原巖應(yīng)力進(jìn)行擾動后，通過目前的效果檢驗評判體系無法預(yù)測由此引發(fā)的沖擊地壓顯現(xiàn)，致使出現(xiàn)高靜載荷條件下沖擊地壓事故。

3 對策分析

堅持問題導(dǎo)向、科學(xué)施策，強(qiáng)化源頭治理、完善措施，在狠抓落實上下功夫、在防范沖擊地壓事故上下功夫，要抓住礦長、總工程師、班組長等“關(guān)鍵少數(shù)”，進(jìn)一步推進(jìn)落實《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》等規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采取有力措施防范遏制煤礦沖擊地壓事故。

3.1 具體實施措施

3.1.1 導(dǎo)向及頂層設(shè)計

加強(qiáng)源頭治理：堅持問題導(dǎo)向和目標(biāo)導(dǎo)向，加強(qiáng)沖擊地壓源頭治理。目前關(guān)于沖擊地壓防治下發(fā)了《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》《煤礦沖擊地壓防治監(jiān)管監(jiān)察指導(dǎo)手冊(試行)》等一系列規(guī)章制度，對沖擊地壓防治工作的重點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出了明確具體的要求，各級單位和人員必須從源頭上防范沖擊地壓事故，真正把要求貫穿到工作中去，防沖擊地壓災(zāi)害隱患于未然。

做好頂層設(shè)計：沖擊地壓礦井要積極聯(lián)系專業(yè)院校和科研院所，通過長期合作進(jìn)行研究，對礦井所屬沖擊地壓機(jī)理、沖擊地壓治理、沖擊地壓頂層設(shè)計、沖擊地壓關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，做到分類技術(shù)研究，真正做到“一礦一策，一面一策”。

3.1.2 規(guī)律總結(jié)及防治理念

加強(qiáng)規(guī)律總結(jié)：強(qiáng)化沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律總結(jié)，逐步掌握工作面能量釋放與地質(zhì)構(gòu)造、采煤工藝、支護(hù)強(qiáng)度等方面的關(guān)系，當(dāng)沖擊顯現(xiàn)時準(zhǔn)確判斷主要誘發(fā)因素，盡可能判斷地質(zhì)構(gòu)造在沖擊方面的具體影響范圍和強(qiáng)度。

樹立綜合防治理念：針對多災(zāi)害因素相互交織耦合的復(fù)雜性，樹立綜合防治理念，積極探尋瓦斯、水、火、沖擊地壓同防同治的技術(shù)可能性，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析研究，提升監(jiān)測預(yù)警能力及水平，摸索規(guī)律，盡快形成適合各沖擊地壓礦井實際的成套技術(shù)方案，為災(zāi)害有效治理打牢基礎(chǔ)。

3.1.3 人才培養(yǎng)及監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)

人才培養(yǎng)：人才是第一資源，通過校企合作、人才培養(yǎng)培訓(xùn)機(jī)制等方式培養(yǎng)一批堪當(dāng)安全發(fā)展重任、勇于破解重大技術(shù)難題的優(yōu)秀沖擊地壓防治人才，為沖擊地壓防治工作提供強(qiáng)有力的人力保障和智力支持。

監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)：布置井下地面監(jiān)測臺網(wǎng)，實現(xiàn)監(jiān)測聯(lián)動，建立大數(shù)據(jù)庫。在地面和井下布置監(jiān)測設(shè)備，統(tǒng)計事件發(fā)生的立體位置、時間和釋放的能量，研究垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶事件分布情況，在分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上揭示礦區(qū)巖層的活動周期和強(qiáng)弱程度，識別采場頂板活動規(guī)律，進(jìn)而實現(xiàn)沖擊危險性評價和預(yù)警，同時也會對巖層移動過程中的卸壓瓦斯抽放與突水防治研究起到一定促進(jìn)作用。

3.2 解決方案

3.2.1 “130+X”沖擊地壓防治體系

沖擊地壓防治堅持“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)、分區(qū)管理、分類防治”的防沖原則，把沖擊地壓防治工作當(dāng)成一項系統(tǒng)的工程貫徹到?jīng)_擊地壓礦井設(shè)計、準(zhǔn)備、生產(chǎn)的每一個階段。通過以“智+”為基礎(chǔ)，構(gòu)建“130+X”沖擊地壓防治體系，如圖1所示。

圖1 沖擊地壓防治體系Fig.1 Rock burst prevention and control system

3.2.2 推廣智能化技術(shù)

大力推廣智能無人工作面和采掘設(shè)備遠(yuǎn)距離控制技術(shù)，對沖擊地壓礦井采煤工作面采用長壁式智能開采，煤巷掘進(jìn)切割作業(yè)、解危鉆孔施工采用智能化遠(yuǎn)距離操控，實現(xiàn)少人或無人開采，采掘工作面作業(yè)人員數(shù)量大幅度降低，實現(xiàn)“無人則安”。同時開發(fā)智能化應(yīng)急救援技術(shù)和裝備，實施科學(xué)應(yīng)急救援，而不是第一時間把人推到第一線，有利于防止二次事故及救護(hù)人員犧牲在現(xiàn)場的情況。

3.2.3 基于云計算的煤礦沖擊地壓監(jiān)控預(yù)警技術(shù)

目前，國內(nèi)外絕大多數(shù)沖擊危險區(qū)域的預(yù)測預(yù)報及治理方法基本上是單一的、局部的、間斷的和被動的，很少能形成一套完整的防治體系。同時由于沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理不同，不同礦井沖擊地壓的成因和顯現(xiàn)特征也不同，即使是同一礦井，由于地質(zhì)構(gòu)造、開采條件和開采方法的差異，沖擊地壓的成因、性質(zhì)、震源部位和破壞程度也不相同。因此，既不能用同一機(jī)理去解釋不同沖擊地壓的成因和現(xiàn)象，也不能用單一方法去預(yù)測和防治沖擊地壓。在沖擊地壓防治領(lǐng)域，綜合取代單一，連續(xù)代替間斷，主動代替被動，將是一種必然趨勢。

3.2.4 建立一個中心及三大體系

建立一個中心：即建立煤礦深部開采與沖擊地壓防治工程研究中心，匯集相關(guān)科研單位、高校及煤礦企業(yè)優(yōu)秀專業(yè)人才隊伍，建設(shè)一個具備技術(shù)研發(fā)、工程化、產(chǎn)業(yè)化和綜合服務(wù)功能的沖擊地壓研究開發(fā)實體。

發(fā)展災(zāi)害防治“三大體系”：即通過災(zāi)害基礎(chǔ)治理理論及防治措施數(shù)據(jù)庫，形成“量化達(dá)標(biāo)評判”“多維預(yù)警預(yù)報”、災(zāi)害“分級防治”三大體系。“量化達(dá)標(biāo)評判”體系是對礦井各類災(zāi)害進(jìn)行研究與總結(jié)，確定其災(zāi)害賦存規(guī)律，掌握災(zāi)害治理關(guān)鍵因素，構(gòu)建多災(zāi)害治理達(dá)標(biāo)判識體系。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析以及綜合治災(zāi)影響因素，用量化指標(biāo)評判災(zāi)害治理程度，實現(xiàn)治理效果的量化分析與評判；“多維預(yù)警預(yù)報”體系是將日常各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，建立災(zāi)害多維信息“大數(shù)據(jù)庫”，融合各類災(zāi)害量化指標(biāo)，達(dá)到智能預(yù)警判識，并連接監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與應(yīng)急管理系統(tǒng)，根據(jù)災(zāi)害分級預(yù)警應(yīng)急機(jī)制，達(dá)到多災(zāi)害聯(lián)合、聯(lián)動預(yù)警預(yù)報；災(zāi)害“分級防治”體系是系統(tǒng)研究礦區(qū)自然災(zāi)害的賦存規(guī)律及特點，同時依據(jù)“分區(qū)管理、分類治理”原則，將超前系統(tǒng)治理、區(qū)域防范治理、局部根本性治理有機(jī)結(jié)合，形成礦區(qū)災(zāi)害針對性較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)化治理流程，徹底消除災(zāi)害威脅，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的本質(zhì)安全。

3.2.5 培養(yǎng)人才

培養(yǎng)治理水、火、瓦斯、煤塵、頂板、沖擊地壓等災(zāi)害的“X”型科技人才。災(zāi)害治理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，人是最關(guān)鍵、最活躍的因素，起決定性作用。必須提高認(rèn)識、真抓實干、大幅度提升煤礦從業(yè)人員素質(zhì)，通過成立大師工作室、設(shè)立實操基地、實行聯(lián)合培養(yǎng)等方式，培養(yǎng)一批多災(zāi)害耦合治理“X”型人才，促進(jìn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。實現(xiàn)沖擊地壓“零傷害”防治目標(biāo)。實踐證明，只要認(rèn)識到位、制度完善、措施得當(dāng)、奮力作為，沖擊地壓防治“零傷害”目標(biāo)是可以實現(xiàn)的。

4 結(jié)論

(1)陜西的防沖工作雖然取得一些進(jìn)展但是還處于起步階段，存在防沖設(shè)計先天不足、防沖專業(yè)技術(shù)人才缺失、基礎(chǔ)研究薄弱等突出問題。

(2)隨著新礦區(qū)的開發(fā)，具有沖擊傾向性的煤礦數(shù)量和范圍可能會有所增加，所以必須結(jié)合礦井地質(zhì)條件，按規(guī)定及時進(jìn)行煤巖層沖擊傾向性鑒定工作。

(3)通過科學(xué)治災(zāi)，加強(qiáng)沖擊機(jī)理研究，培養(yǎng)沖擊地壓防治人才，嚴(yán)格落實各項規(guī)章制度，并加強(qiáng)監(jiān)督落實工作，建立準(zhǔn)確高效的沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警及防治體系，有效提高礦井沖擊地壓危險防范能力。