張丁丁 刁依想 王占魁

（1.山東能源集團防沖中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 菏澤 274000；3.兗礦集團東灘煤礦，山東 濟寧 272000）

1 沖擊地壓防治智能化實效控制

1.1 沖擊地壓防治措施的時效要求

沖擊地壓發(fā)生理論主要有強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論和失穩(wěn)理論，根據(jù)煤巖體受力狀況、應(yīng)力來源及加載方式又分為煤巖體壓應(yīng)力型沖擊地壓、頂板受拉應(yīng)力型沖擊地壓、斷層滑移型沖擊地壓、中立型沖擊地壓、構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓和中間型沖擊地壓[1]。沖擊地壓發(fā)生的先決條件之一是有力源，即煤巖體載荷來源，載荷來源主要有煤體上覆巖層自重產(chǎn)生的靜載荷，上覆巖層運動產(chǎn)生的動載荷，地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力載荷及地應(yīng)力載荷等。煤礦生產(chǎn)過程中的采掘擾動使得煤層所受載荷狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致巷道周圍煤巖體集聚彈性能。當井巷周圍煤巖體集聚能量大于極限平衡臨界能量時，煤巖體平衡狀態(tài)被打破，彈性變形能瞬間釋放，發(fā)生沖擊地壓事故[2]。

式中：E靜為極限平衡區(qū)在集中靜載下產(chǎn)生的能量，E動為極限平衡區(qū)在集中動載下產(chǎn)生的能量，EC為極限平衡區(qū)發(fā)生沖擊破壞所需的臨界能量。

突發(fā)性是沖擊地壓的特點，抓關(guān)鍵的瞬間，要在煤巖體所受載荷達到?jīng)_擊破壞臨界載荷前，阻斷載荷向沖擊破壞臨界載荷發(fā)展。

1.2 沖擊地壓防治實效性現(xiàn)狀

現(xiàn)有沖擊地壓預(yù)測性監(jiān)測手段是通過區(qū)域與局部監(jiān)測，動態(tài)掌握載荷集聚過程，實現(xiàn)了載荷集聚過程的實時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預(yù)警值，停止采掘擾動誘發(fā)沖擊、撤出危險區(qū)域人員，是第一時間要采取的措施?，F(xiàn)階段的防沖現(xiàn)狀是沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至防沖監(jiān)控室，預(yù)警信息被監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)后，綜合分析判定沖擊危險性，根據(jù)定性結(jié)果通知相關(guān)人員采取措施，現(xiàn)場施工人員不能在第一時間根據(jù)預(yù)警信息，停止采掘作業(yè)，撤離沖擊危險區(qū)域，導(dǎo)致有效防沖措施滯后，貽誤人員撤離最佳時機。

1.3 基于防治措施時效性的智能化措施

通過沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)與采掘設(shè)備控制系統(tǒng)通訊，以沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)控制采掘設(shè)備運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警，采掘工作面設(shè)備自動停止運轉(zhuǎn)，防止采掘擾動導(dǎo)致井巷煤體所受載荷上升，達到?jīng)_擊臨界載荷；通過沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)與采掘工作面語音廣播系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警信息實時傳遞給現(xiàn)場施工人員，迅速撤離沖擊危險區(qū)。沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警信息智能化處置流程如圖1。

圖1 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警信息智能化處置流程

2 沖擊地壓防治智能化空間管控

2.1 基于沖擊地壓防治措施三維空間管控需求

我國現(xiàn)有沖擊地壓評價是基于沖擊地壓發(fā)生機理，采用綜合指數(shù)法[3]，綜合分析開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)因素及保護層卸壓情況、鄰近采空區(qū)情況、區(qū)段煤柱等開采技術(shù)因素，確定沖擊等級，劃分沖擊危險區(qū)域。根據(jù)不同區(qū)域的沖擊危險因素劃分沖擊危險等級，根據(jù)沖擊危險等級采取不同強度的防沖措施，沖擊危險等級越高，對防治措施的要求越高；煤層上覆巖層自重載荷產(chǎn)生的靜載及上覆巖層活動產(chǎn)生的動載是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素，綜合分析煤層賦存條件，開采技術(shù)、上覆巖層厚度及巖性特征，根據(jù)不同層位巖層采取不同措施，重點對沖擊關(guān)鍵層[1]進行監(jiān)測及治理是預(yù)防沖擊地壓發(fā)生的最為直接有效手段。綜上所述，不同空間對防沖監(jiān)測及治理措施要求不同。采掘工作面生產(chǎn)期間，采掘擾動導(dǎo)致巷道周圍煤巖體彈性變形能集聚，巷道的施工給彈性變形能釋放空間，是沖擊地壓事故的主要發(fā)生地點。據(jù)統(tǒng)計，85%沖擊地壓事故發(fā)生在巷道中[4]，而采掘擾動影響范圍內(nèi)的巷道，是沖擊地壓防治重點區(qū)域。

2.2 沖擊地壓空間智能化管控

現(xiàn)有沖擊地壓預(yù)防性措施主要有預(yù)測性監(jiān)測、生產(chǎn)組織管控及個體防護等，通過加大監(jiān)測及人員管控力度，降低生產(chǎn)強度，對重點區(qū)域進行重點管控。

2.2.1 局部監(jiān)測手段智能化補充

現(xiàn)有預(yù)測性監(jiān)測手段主要有區(qū)域性及局部監(jiān)測。區(qū)域性監(jiān)測措施通過微震監(jiān)測對能量事件的三維定位，確定上覆巖層活動情況，實現(xiàn)區(qū)域性監(jiān)測要求。現(xiàn)面臨的主要問題是定位精度小，需要人為處理龐雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，受操作影響因素大，危險信息反饋不及時。局部監(jiān)測措施主要有應(yīng)力在線監(jiān)測及鉆屑檢測，通過監(jiān)測局部煤體應(yīng)力狀態(tài)，對沖擊危險性進行預(yù)測?，F(xiàn)面臨的主要問題是，以點的應(yīng)力集中作為區(qū)域預(yù)警指標，區(qū)域沖擊破壞的多樣性與監(jiān)測布點不匹配[5]。綜上所述，現(xiàn)有區(qū)域監(jiān)測措施“大而不精”，局部監(jiān)測措施“精而不大”，且都受人為因素影響較大。

受采掘擾動影響的巷道是防沖重點管控區(qū)域，基于此，重點管控區(qū)域的巷道都安裝了巷道支架進行加強支護，部分礦井將巷道支架工作阻力作為礦壓監(jiān)測的一項，但未將巷道超前支架工作阻力作為沖擊預(yù)警指標進行數(shù)據(jù)處理。巷道超前支架作為巷道支護體系中的一部分，其主要功能是承受上覆煤巖層失穩(wěn)所引起的附加載荷，其工作阻力的變化能直接反映巷道周圍煤巖體所受靜載及動載變化過程，相較于現(xiàn)有的局部監(jiān)測手段更直觀、更靈敏。通過對巷道支架支護范圍內(nèi)的工作阻力監(jiān)測，實現(xiàn)支護范圍內(nèi)巷道內(nèi)重點區(qū)域精準全面監(jiān)測，作為沖擊危險預(yù)警的判別指標，既能滿足重點區(qū)域的區(qū)域性監(jiān)測要求，又能滿足局部監(jiān)測的精確要求。通過采掘工作面電液控系統(tǒng)與礦壓大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)智能分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對巷道上覆巖層靜載與動載的實時監(jiān)測，作為沖擊危險監(jiān)測的另一項預(yù)警指標，具有監(jiān)測面積大、監(jiān)測數(shù)據(jù)精準、數(shù)據(jù)處理智能化的優(yōu)點。現(xiàn)該智能化監(jiān)測措施已在部分礦井實現(xiàn)，實時監(jiān)測分析重點區(qū)域支護設(shè)備工作阻力，通過系統(tǒng)提前設(shè)定的壓力等值顏色，生成整個監(jiān)測區(qū)域的順槽支架工作阻力云圖，通過與設(shè)定的沖擊危險應(yīng)力值對比，劃定監(jiān)測區(qū)域沖擊危險等級，采取相應(yīng)治理措施。

圖2 巷道支架工作阻力變化曲線

階段一：巷道支架工作阻力逐漸上升，說明巷道及周圍煤巖體所受靜載逐步增大。

階段二：巷道支架工作阻力突然急劇上升，說明上覆巖層運動，巷道及周圍煤巖體所受動載瞬間增大。

圖3 順槽支架工作阻力云圖

2.2.2 生產(chǎn)組織智能化管控

中國礦業(yè)大學(xué)竇林名教授團隊證實，大能量礦震產(chǎn)生的動載加高靜載體誘發(fā)沖擊，而堅硬頂板破斷釋放大能量礦震與回采速度有明顯正相關(guān)，生產(chǎn)強度的控制現(xiàn)已作為發(fā)生大能量礦震及沖擊地壓事故的重要措施，現(xiàn)階段對生產(chǎn)強度的控制還停留在人為控制階段，主觀影響因素較大，給沖擊地壓防治工作帶來較大壓力。現(xiàn)智能化采煤工作面已能實現(xiàn)遠程操控采煤機。通過設(shè)置采煤機運行速度上限，實現(xiàn)特殊區(qū)段對回采速度的智能化控制，通過采煤機與液壓支架實時通訊，實現(xiàn)對采煤機實時定位，采煤機運行信息通過智能化運行環(huán)網(wǎng)，上傳至地面監(jiān)測室，實現(xiàn)重點區(qū)域生產(chǎn)強度的智能化實時監(jiān)測和控制。

圖4 回采強度與微震事件關(guān)系

2.2.3 防沖重點區(qū)域的智能化禁員管理

現(xiàn)沖擊地壓防治禁區(qū)管理主要是通過設(shè)置柵欄或者設(shè)置專人站崗，主觀影響因素大，可靠性差。在沖擊危險區(qū)域設(shè)置紅外感應(yīng)器，通過人員定位裝置與采掘工作面設(shè)備控制系統(tǒng)通訊，人員一旦進入沖擊危險區(qū)域，采掘設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，防止采掘擾動誘發(fā)沖擊，降低沖擊發(fā)生風(fēng)險。通過與工作面語音預(yù)警系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)人員進入禁員區(qū)域時采掘工作面語音報警系統(tǒng)智能報警。

3 結(jié)論

用智能化實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過程中的少人化甚至是無人化是煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢，我國智能化采掘工作面已發(fā)展很成熟，特別是一些煤層賦存條件好的礦井，已實現(xiàn)少人化、自動化，個別發(fā)展好的礦井，已實現(xiàn)無人化、智能化。現(xiàn)有沖擊地壓防治的數(shù)據(jù)監(jiān)測已基本實現(xiàn)智能化，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析正向著智能化方向發(fā)展，監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警信息智能化處理至今還無相關(guān)探討。利用現(xiàn)有采掘工作面成熟的智能化技術(shù)，進行沖擊地壓時空重點管控，推動沖擊地壓防治智能化跳躍式發(fā)展。