杜濤濤，李國營，陳建強，潘俊鋒，李 康，曹民遠

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300；4.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830084)

沖擊地壓是足夠造成群死群傷的動力災害之一，對煤礦安全生產的影響越來越大。不完全統(tǒng)計[1-4]表明(見圖1)，1933年，我國發(fā)生了第一起沖擊地壓，1960年沖擊地壓礦井數(shù)量增加至6座礦井，自1985年開始，沖擊地壓礦井數(shù)量增加速度加快，至2011年沖擊礦井數(shù)量由32座增加至142座。2017年，國家煤礦安全監(jiān)察局組織開展沖擊地壓細則調研及體檢，不難預見，沖擊地壓礦井數(shù)量還會增加，我國沖擊地壓礦井的治理形勢將更加嚴峻。

圖1 我國沖擊地壓礦井發(fā)生情況

我國煤炭資源井工開采的比例占97%，涵蓋了各種復雜的開采條件，近幾年尤其是安全條件差、裝備落后、人員素質和專業(yè)技能比較薄弱的小煤礦沖擊地壓致災的比重增大，給安全生產帶來隱患[5]。

新疆地區(qū)煤炭資源豐富[6]，累計查明資源儲量居全國第三位，預測資源量 2.19Tt，預測資源量占總量的40%，主要分布在準東煤田、準南煤田、吐哈煤田、伊犁煤田、庫拜煤田、和豐煤田、焉耆煤田等，是我國重要的大型煤炭基地和國家綜合能源基地。

2003年，根據(jù)潘一山統(tǒng)計分析[7]可知全國沖擊地壓主要分布在華北、東北地區(qū)；2011年，藍航[8]通過文獻統(tǒng)計的67個沖擊地壓礦井中，山東省發(fā)生沖擊地壓礦井26 個，數(shù)量最多，如圖2所示，東部地區(qū)沖擊地壓發(fā)生時間早、數(shù)量多，因此對沖擊地壓研究多，經驗更加豐富；而新疆地區(qū)第一起沖擊地壓發(fā)生在2010年，對沖擊地壓防治研究起步晚，基礎相對來說比較薄弱，沖擊地壓風險預控的能力較差。

圖2 部分沖擊地壓礦井分布地區(qū)統(tǒng)計

鑒于新疆地區(qū)沖擊地壓發(fā)生比較晚，對沖擊地壓動力災害的認識還在探索階段，沖擊地壓礦井監(jiān)測、預警、防治技術發(fā)展水平、防沖技術人員力量仍在不斷提升中。本文通過對新疆地區(qū)沖擊地壓礦井調研分析，希望有助于引起新疆沖擊地壓征兆礦井的關注，及早開展風險預控，避免沖擊地壓事故發(fā)生，轉變思想，不回避、不躲避，正確認識沖擊地壓災害，提高防范意識。

1 新疆地區(qū)沖擊地壓發(fā)生歷程

1.1 沖擊地壓發(fā)生現(xiàn)狀

經調研，目前新疆沖擊地壓礦井增至7座，其中生產礦井有6座，建設礦井(緩建)有1座，設計或核準的總產能達到7.01Mt/a，分布于米東區(qū)、硫磺溝鎮(zhèn)、呼圖壁縣、托克遜縣、奇臺縣境內。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年5月29日，新疆地區(qū)累計發(fā)生沖擊地壓20余次。

隨著國家開展煤礦體檢工作的繼續(xù)，新疆地區(qū)可能排查出更多沖擊地壓礦井。

1.2 沖擊地壓發(fā)生歷程

新疆地區(qū)沖擊地壓發(fā)生歷程概括為災害發(fā)生、認知階段、摸索階段、推廣階段和再認識階段。經歷了由單礦井發(fā)展至多礦井，由單集團公司發(fā)展至多集團公司，由烏魯木齊地區(qū)向周邊擴展，對沖擊地壓認識水平不斷提高，對沖擊地壓災害重視程度不斷加強的過程。

(1)災害發(fā)生 2010年10月8日，寬溝煤礦發(fā)生了新疆地區(qū)的第一起沖擊地壓災害事故，在此之前，對沖擊地壓動力災害基本沒有認識。

(2)認知階段 寬溝煤礦沖擊地壓發(fā)生后，通過開展沖擊傾向性鑒定、沖擊危險性評價、建立監(jiān)測預警體系、沖擊地壓防治實踐等，逐步認知沖擊地壓災害。2011年，神新公司全面開展了所屬礦井的沖擊傾向性鑒定及評價工作。

(3)摸索階段 通過寬溝煤礦、烏東煤礦沖擊地壓防治實踐，摸索了不同條件沖擊地壓發(fā)生基本規(guī)律。但由于賦存條件、沖擊地壓的復雜性，不同條件的沖擊地壓發(fā)生機理、監(jiān)測預警，仍在摸索。

(4)推廣階段 寬溝煤礦的防沖經驗，先后推廣至礦井其他工作面、公司其他礦井、其他煤炭企業(yè)，為新疆地區(qū)的沖擊地壓防治提供借鑒。

(5)再認識階段 通過幾年的防沖實踐，形成了“六位一體”的防沖體系。針對實踐研究得到的規(guī)律、監(jiān)測預警、沖擊致災機理，在生產過程中不斷進行再驗證，再認識。

2 新疆地區(qū)沖擊地壓發(fā)生特點及類型

2.1 沖擊地壓發(fā)生的主要特點

(1)埋深特點 新疆沖擊地壓礦井煤層埋深普遍較淺。其中，寬溝煤礦發(fā)生沖擊時煤層平均埋深為317m；烏東煤礦發(fā)生沖擊時平均埋深均為150m；烏東煤礦南區(qū)發(fā)生沖擊時平均埋深為350m；托克遜縣雨田煤業(yè)有限責任公司發(fā)生沖擊時平均埋深為500m；硫磺溝煤礦煤層發(fā)生沖擊時煤層平均埋深450m。

(2)賦存特點 新疆煤層賦存條件差異較大。煤層傾角涵蓋近水平、緩傾斜、傾斜、急傾斜條件，準東二礦屬于近水平煤層，寬溝煤礦、雨田煤礦屬于緩傾斜煤層，硫磺溝煤礦屬于傾斜煤層，烏東南區(qū)屬于急傾斜煤層。

(3)分布特點 新疆地區(qū)的沖擊地壓礦井幾乎全部分布在北疆，南疆尚未確認沖擊地壓礦井；而北疆的沖擊地壓礦井主要集中在烏魯木齊周邊300km范圍內，主要是由于北疆經濟、技術力量、風險預控意識更強，得到了更全面的排查。

(4)顯現(xiàn)特征 急傾斜特厚煤層沖擊地壓發(fā)生特點是沖擊發(fā)生時均伴有礦震發(fā)生，發(fā)生位置為回采巷道；緩傾斜煤層具有堅硬頂板，發(fā)生沖擊均與堅硬頂板有關，顯現(xiàn)位置不僅發(fā)生在巷道，也發(fā)生在工作面。

2.2 沖擊地壓發(fā)生的主要類型

沖擊地壓類型的分類方法[2]有多種，如煤巖體類別、沖擊力源加載形式、震級及拋出煤量、顯現(xiàn)強度等分類方法。按照沖擊地壓發(fā)生的沖擊力源加載形式，結合目前新疆沖擊地壓發(fā)生情況，主要是堅硬頂板誘發(fā)的動靜載荷型，但近直立特厚煤層堅硬頂板不同于水平-傾斜煤層條件，其作用形式也不同，基于此通過進行細化，把新疆地區(qū)沖擊地壓類型劃分為3類：堅硬頂板型、巖柱失穩(wěn)型和弱面滑移失穩(wěn)型沖擊地壓。

2.2.1 堅硬頂板型沖擊地壓

堅硬頂板型沖擊地壓主要指沖擊地壓的主要致災因素為堅硬頂板，由于堅硬頂板容易積聚大量的彈性能，突然斷裂或者失穩(wěn)釋放大量能量誘發(fā)沖擊地壓。目前新疆地區(qū)堅硬頂板型沖擊地壓典型礦井為寬溝煤礦和雨田煤礦，寬溝煤礦堅硬頂板型沖擊地壓主要是堅硬頂板未及時垮冒，大面積懸頂造成煤體高應力集中和高能量積聚引起的；雨田煤礦堅硬頂板型沖擊地壓是臨近采空區(qū)堅硬頂板失穩(wěn)引起煤體高應力集中誘發(fā)的。

2010年10月8日，寬溝煤礦發(fā)生一起沖擊地壓災害事故，造成W1143工作面30號液壓支架以下至下端頭發(fā)生底鼓，刮板機整體抬高，25號液壓支架到工作面刮板機機頭處，刮板機嚴重上仰扭曲，運輸巷轉載機機頭30m范圍內巷道整體變形，巷道頂?shù)装?、兩幫擠壓嚴重，運輸巷端頭超前支護30根單體支柱斷裂或嚴重變形，轉載機沖擊將運輸巷頂板錨桿外露端撞彎；工作面33號液壓支架到下端頭及運輸巷50m范圍內煤壁全部片幫沖出，大量煤體沖向支架造成支架前方安全空間被堵死；工作面14，15，16，18號液壓支架立柱擠壓折斷，4～25號支架的“十字”接頭連桿全部折斷；煤機搖臂折斷，煤機滾筒將支架頂梁穿透，現(xiàn)場沖擊破壞情況如圖3所示。

圖3 “10.8”沖擊顯現(xiàn)現(xiàn)場情況

2016年9月21日，雨田煤礦發(fā)生一起沖擊地壓災害事故，沖擊顯現(xiàn)造成W1102工作面回風巷下幫715～744m范圍大量煤體拋出(圖4(a))；組合開關被掀翻至回風巷上幫(圖4(b))；平板車被震掉道(圖4(c))；巷道鋪設的軌道被抬起(圖4(d))；下巷幫掛設的電纜、管道等被沖落。

圖4 “9.21”沖擊顯現(xiàn)現(xiàn)場情況

目前，堅硬頂板作為沖擊地壓礦井的主要致災因素已被普遍認識，早期由于對堅硬頂板控制的重要性認識不到位，對堅硬頂板處理與否的認識不同，處理不到位、不處理造成了后期沖擊地壓治理的困難，表現(xiàn)為堅硬頂板沖擊致災過程不完全相同。

2.2.2 巖柱失穩(wěn)型沖擊地壓

巖柱失穩(wěn)型沖擊地壓主要針對近直立(85°～89°)特厚煤層開采條件，是由于巖柱彎曲變形失穩(wěn)釋放大量能量，引起地面震感強烈，井下采掘空間受巖柱失穩(wěn)產生高能礦震誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的一種類型。

巖柱失穩(wěn)型沖擊地壓礦井除了具有突然性、劇烈性和瞬時性外，還具有區(qū)域性、多樣性和差異性。井下采掘工作面經常聽到劇烈的聲響，有時地面有震感，微震監(jiān)測表明，巖柱失穩(wěn)型沖擊地壓主要致災因素為巖柱，90%以上地面有礦震感。沖擊顯現(xiàn)以采掘巷道煤渣掉落，巷道底鼓等位移變形，錨桿托盤脫落，螺帽彈射為主，嚴重時支架立柱折斷，巷道嚴重破壞，顯現(xiàn)形式具有多樣性。巖柱失穩(wěn)引起不同區(qū)域響應程度不同，距離震動位置越近，破壞越嚴重。

2013年2月27日，烏東煤礦南采區(qū)+500m水平B3+6煤層綜放工作面發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，現(xiàn)場情況如圖5所示。沖擊造成+500m水平B3+6煤層綜放工作面兩巷道，受沖擊地壓影響范圍150m；B3+6煤層綜放工作面B3巷道串車掉道，串車上部防雨棚大部分被損壞，頂板下沉并出現(xiàn)底鼓，端頭處頂板下沉300mm，底鼓100mm，巷道全寬僅剩2.7m；B3+6煤層綜放工作面B6巷道變形較B3巷更為明顯，轉載機整體向巷道北幫位移300mm；工作面超前75m區(qū)域巷道幫鼓最嚴重段，南幫幫鼓600mm，北幫幫鼓50mm，巷道底鼓640mm；巷道50m處頂板下沉、巷道高僅為1.9m(原巷道高度為3m)，B6運輸巷20m段膠帶被掀翻，巷道內管路被破壞。

圖5 “2.27”沖擊顯現(xiàn)現(xiàn)場情況

2.2.3 弱面滑移失穩(wěn)型沖擊地壓

新疆地區(qū)除急傾斜特厚煤層賦存條件外，還存在近水平、緩傾斜、傾斜特厚煤層條件，由于存在夾矸或煤層性質發(fā)生改變時，形成弱面，造成煤層整體性強度降低，弱面位置容易發(fā)生離層、滑移，在外界擾動下容易發(fā)生沖擊顯現(xiàn)動力失穩(wěn)。

2014年4月25日，硫磺溝煤礦巷道掘進過程煤炮聲頻繁，有片幫現(xiàn)象，迎頭撤出人員，隨后發(fā)生3次較大煤炮聲，至21點30分稍穩(wěn)定后人員進入，看到迎頭左上方頂部拋出，巷道前進方向、左幫頂板上部，范圍大小：寬×高×深=1700mm×3200mm×3100mm，體積約9m3，如圖6中位置1。

Ⅰ：不粘結煤，f=3.5；Ⅱ：長焰煤，f=2.8；Ⅲ：不粘結煤，f=3.5；Ⅳ：長焰煤，f=2.8圖6 “4.25”，“5.5”沖擊顯現(xiàn)位置

2014年5月5日，硫磺溝煤礦巷道掘進過程煤炮聲頻繁，有片幫現(xiàn)象，跟班隊長安排撤出工作面人員至主暗斜井聯(lián)絡巷內，18點40分聽到煤炮聲頻繁，19點10分人員進入后，迎頭左上方發(fā)生煤體拋出，巷道內伴有粉塵，巷道前進方向、左幫頂板上部，范圍大小：寬×高×深=1930mm×1500mm×10300mm，體積約12.7m3，如圖6中位置2。

位置1左側區(qū)域煤層中垂直夾雜著一層約100mm厚的軟弱變質泥巖(煤)；位置2迎頭巷道為全煤巷道，煤層由不粘結煤變?yōu)殚L焰煤，煤層層理清晰，標志層明顯，兩種煤質煤層發(fā)生離層破壞。煤體內部的弱面結構不易觀察，存在隱伏斷裂構造，在外界爆破、礦震擾動下誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)。

3 新疆地區(qū)沖擊地壓防治進展

3.1 沖擊地壓發(fā)生過程與機理

沖擊地壓發(fā)生過程與機理比較復雜，學者[9-10]研究形成了能量理論、剛度理論、強度理論、三準則理論、沖擊傾向性理論、粘滑失穩(wěn)理論等。新疆地區(qū)沖擊地壓礦井從剩余能量機理和撬動理論揭示了前兩種典型的沖擊地壓類型的沖擊地壓發(fā)生過程。

3.1.1 沖擊地壓剩余能量方程

神華新疆能源有限責任公司與天地科技股份有限公司開采事業(yè)部沖擊地壓課題組[11-13]針對寬溝煤礦堅硬頂板條件沖擊地壓發(fā)生過程，基于煤巖能量守恒方程，給出沖擊地壓剩余能量方程：

Ee+ΔE=Ep+Er

(1)

即，如果系統(tǒng)中煤巖體產生塑性變形和破壞耗散的能量Ep小于積聚的應變能，則Er>0， 剩余能量即沖擊地壓的能量來源。

寬溝煤礦B4煤層存在厚層致密且完整堅硬砂巖，是造成工作面沖擊地壓的主要致災因素，由于堅硬頂板積聚的能量轉移到工作面煤體上方，引起高應力集中，根據(jù)現(xiàn)場實測，煤壁前方支承壓力的應力集中系數(shù)達4.22，結合剩余能量方程可知，堅硬頂板使煤體積聚了大量的能量，產生了剩余能量，從而在剩余能量的作用下發(fā)生沖擊地壓。

3.1.2 近直立特厚煤層巖柱撬動力學模型

神華新疆能源有限責任公司與天地科技股份有限公司開采事業(yè)部沖擊地壓課題組[14-16]通過現(xiàn)場實踐、數(shù)值模擬和理論分析的方法，結合烏東煤礦近直立特厚煤層沖擊地壓發(fā)生特點、發(fā)生規(guī)律建立了巖柱撬動力學模型，具體可參閱文獻。揭示了沖擊地壓力源為兩側采空到一定程度的巖柱彎曲對煤體產生的作用力，將這種產生沖擊地壓的力源稱為“撬桿效應” ，即巖柱在自重和水平地應力作用下產生彎曲后對開采水平及以下的煤體產生撬動作用，煤體產生應力及能量集中，導致沖擊地壓發(fā)生。

3.2 沖擊地壓監(jiān)測預警

新疆地區(qū)7座沖擊地壓礦井主要采取微震、地音、震波CT探測、電磁輻射、應力在線、鉆屑法和常規(guī)礦壓監(jiān)測，具體如表1所示。

表1 新疆地區(qū)沖擊地壓監(jiān)測手段

綜上，多數(shù)沖擊地壓礦井實現(xiàn)了多手段監(jiān)測，預警方面利用已有監(jiān)測系統(tǒng)確立的指標進行預警，少數(shù)礦井采用單一手段的監(jiān)測預警方法。實現(xiàn)沖擊地壓預警仍是世界性難題，新疆地區(qū)的沖擊地壓預警方法、預警指標比較單一，未形成有效的聯(lián)合預警技術。

3.3 沖擊地壓防治

7座沖擊地壓礦井共采用了6種沖擊地壓解危方法，包括煤層鉆孔卸壓、煤層爆破、頂板爆破、底板爆破、煤層注水、解放層開采等(表2)。

表2 新疆地區(qū)沖擊地壓防治方法

其中，煤層鉆孔卸壓直徑有94mm，108mm，113mm，125mm和153mm 5種直徑；煤層爆破有42mm，75mm和113mm 3種直徑；頂板爆破有75mm，108mm和113mm 3種直徑；區(qū)域防范主要有解放層開采、巷道優(yōu)化布置和煤層注水。

另外，7座沖擊地壓礦井中，除了1890煤礦、準東煤田大井礦區(qū)二號礦井(緩建)外，均設置了防沖機構，明確了機構人員配置。7座沖擊地壓礦井均制定了沖擊地壓管理制度。

從整體進展而言，寬溝煤礦、烏東煤礦、堿溝煤礦、雨田煤礦及硫磺溝煤礦等煤礦企業(yè)通過自身努力以及與科研院校等開展合作，沖擊地壓防治水平不斷提升。但沖擊地壓防治技術的精細化研究尚需進一步開展，雖采用很多方法，但每種方法的適用條件及解危效果的有效性、時效性，及其參數(shù)需根據(jù)實際不斷修正。

3.4 存在的主要問題

(1)沖擊地壓災害治理的被動性 新疆第一起沖擊地壓事故發(fā)生在寬溝煤礦，發(fā)生后，才逐漸開展的沖擊地壓災害治理。烏東煤礦、硫磺溝煤礦、雨田煤礦均是沖擊地壓發(fā)生后被動治理，表明沖擊地壓災害風險預控差，被動治理。

(2)沖擊地壓礦井尚未徹底排查 新疆沖擊地壓礦井絕大多數(shù)都是發(fā)生沖擊地壓事故后才開展的沖擊傾向性鑒定和評價等基礎工作，尚不能提前自檢，結合自身礦井的情況及早開展基礎工作，避免災害發(fā)生。被動排查，造成沖擊地壓災害治理盲區(qū)的問題仍存在。

(3)區(qū)域防范性差 研究表明[17]，不合理的工作面布置、區(qū)段煤柱留設寬度、堅硬頂板處理不到位等防范措施差，是新疆地區(qū)沖擊地壓礦井急需解決的問題。寬溝煤礦沖擊地壓發(fā)生與堅硬頂板處理差、遺留的煤柱、區(qū)段煤柱關系緊密；雨田煤礦沖擊地壓發(fā)生與臨近工作面堅硬頂板未處理有關，頂板不穩(wěn)定導致接續(xù)面沖擊地壓發(fā)生頻繁。

隨著新疆地區(qū)沖擊地壓礦井增多，對沖擊地壓災害的認識也在不斷提高，新疆地區(qū)的沖擊地壓災害治理，應由災害發(fā)生后的被動防治向沖擊地壓風險預控為主轉變。針對新疆具有的堅硬頂板、近直立煤層條件的礦井，如拜城、托克遜等地區(qū)，應盡早開展沖擊地壓排查工作。

為做好新疆地區(qū)下一步沖擊地壓防治工作，首先，應通過沖擊傾向性鑒定和沖擊危險評價開展沖擊地壓礦井排查；其次，在排查基礎上從礦井開采設計優(yōu)化、合理開采順序和區(qū)段煤柱留設、改善應力集中角度進行防范，最后，采掘過程開展局部集中應力疏導。

4 結 論

(1)新疆地區(qū)沖擊地壓礦井已增加至7座，主要分布在烏魯木齊周邊地區(qū)，預計沖擊地壓礦井的數(shù)量還會增加，發(fā)生歷程概括為災害發(fā)生、認知階段、摸索階段、推廣階段和再認識階段，整體技術水平相對較弱。

(2)新疆地區(qū)沖擊地壓礦井具有埋深普遍較淺、煤層賦存條件差異較大、幾乎全部分布在北疆、顯現(xiàn)位置不僅在巷道，也有在工作面的特點。根據(jù)致災因素劃分為堅硬頂板型、巖柱失穩(wěn)型和煤層弱面滑移型沖擊地壓。

(3)新疆地區(qū)煤炭開采中沖擊地壓問題研究取得了一定的成果，但仍需要在堅硬頂板致災機理、巖柱致災控制等沖擊地壓防治和監(jiān)測預警方法的理論研究等方面開展進一步的探索。

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