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據(jù)不完全統(tǒng)計，我國有329個沖擊地壓礦井，其中正在開采的253個，分布于26個省（自治區(qū)）。
層析成像（CT）預(yù)警技術(shù)的原理就像做CT檢查，通過人工主動激發(fā)震源，或巖層破裂引發(fā)的震動（被動震源），來反演煤巖體內(nèi)的波速分布狀態(tài)，并基于波速與應(yīng)力的關(guān)系，建立沖擊危險的CT預(yù)警指標與準則。
當前煤礦沖擊地壓防治工作存在三大主要問題，首要問題就是“部分煤礦企業(yè)對沖擊地壓災(zāi)害認識不清、重視不夠”，在防沖理念、投入、管理、措施等方面有較大差距。
“這就是我們團隊建設(shè)的沖擊地壓智能遠程監(jiān)控平臺，也是國內(nèi)最早的沖擊地壓遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。大概10年前，竇林名教授提出建設(shè)監(jiān)控平臺，很多人還不太理解，現(xiàn)在看來確有先見之明。”近日，在中國礦業(yè)大學(xué)沖擊地壓研究中心，該校礦業(yè)工程學(xué)院曹安業(yè)教授向《中國煤炭報》記者介紹說。
沖擊地壓是我國煤礦重大自然災(zāi)害之一，號稱比地震更難預(yù)測的“隱形殺手”。以竇林名教授為首的中國礦大沖擊地壓研究中心團隊，專注于沖擊地壓研究30余年，從機理、預(yù)測預(yù)報到防治，形成了一套包括理論、技術(shù)方法與裝備的完整體系。
由該團隊引進的波蘭SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)及研發(fā)的沖擊地壓智能綜合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)與平臺，自2006年首次在華亭硯北煤礦和臨沂古城煤礦安裝運用以來，已在國內(nèi)外70多個礦井發(fā)揮“警鈴”作用，讓“隱形殺手”不再肆意任行。
1 隱形殺手，比地震更難預(yù)測
今年6月9日，吉林省龍家堡礦業(yè)公司發(fā)生沖擊地壓事故，9人死亡、12人受傷；去年10月20日，山東龍鄆煤業(yè)有限公司發(fā)生沖擊地壓事故，21人死亡、1人受傷……因礦難事故，沖擊地壓這個詞近年來不時挑動社會各界的神經(jīng)。
沖擊地壓，又稱“沖擊礦壓”，非煤礦山領(lǐng)域稱為“巖爆”，是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形的瞬時釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常伴隨巨響和巖體拋出等。
在我國，沖擊地壓最早于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦。近年來，隨著煤礦開采深度和強度增加，沖擊地壓發(fā)生頻率和危害程度呈逐年上升趨勢，已成為深部資源開采面臨的主要災(zāi)害之一。
“這是我們統(tǒng)計的部分礦區(qū)1998年到2011年沖擊地壓的案例，2004年只有幾起，2011年達幾百起。”曹安業(yè)說，“我是2004年上的研究生，那時還挺閑，后來越來越忙。”
曹安業(yè)告訴記者，相對于瓦斯事故，早期我國煤礦沖擊地壓事故比較少，但2007年后問題逐漸嚴重，主要因為開采深度、強度變化，管理手段跟不上，誘發(fā)沖擊的因素更加復(fù)雜多樣。
“2012年后，我國煤礦平均開采深度已超過600米，并且以每年10米至15米的速度向下延伸，應(yīng)力水平越來越高，但在管理上，傳統(tǒng)的支護手段、巷道布置等，已不能適應(yīng)強擾動的開采需求。”曹安業(yè)說。
據(jù)不完全統(tǒng)計，我國有329個沖擊地壓礦井，其中正在開采的253個，分布于26個省（自治區(qū)）。有沖擊地壓危險的礦區(qū)從過去的北京、撫順、阜新、棗莊、開灤、大同、徐州、義馬、兗州等，擴大到華亭、新疆、咸陽、鄂爾多斯、寧夏等礦區(qū)。
例如山東，沖擊地壓礦井和千米礦井數(shù)量均居全國之首。以兗州礦區(qū)某礦為例，該礦自1997年開始出現(xiàn)礦震現(xiàn)象，2004年山東省地震局開始對其進行礦震監(jiān)測，僅2004年11月至2005年8月期間，就記錄礦震1410條，最高日頻次40條，其中3級以上強礦震發(fā)生了13次，最高達3.7級。
為何被喻為“隱形殺手”？這與沖擊地壓本身特性有關(guān)。一是突發(fā)性。沖擊地壓的發(fā)生常常無征兆，過程短暫，持續(xù)時間幾秒到幾十秒，難以準確預(yù)報發(fā)生時間、地點和強度。二是瞬時震動性。爆炸震動強烈，波及范圍可達幾公里甚至幾十公里，嚴重時地表有震感。三是破壞性。發(fā)生沖擊地壓時，大量煤體被拋出，巷道變形，支護被破壞，嚴重時造成人員傷亡事故。四是復(fù)雜性。從薄煤層到特厚煤層，從近水平到近直立，從炮采到綜采，從垮落到充填，各種地質(zhì)條件、不同采煤方法都發(fā)生過沖擊地壓。
和這樣一個“隱形殺手”斗智斗勇多年，該團隊的成員對沖擊地壓都有切身體會。
“有次，我和竇老師一起去山東某礦調(diào)研，井深1500米，工作面剛布置好，還沒生產(chǎn)。在井下正走著，突然聽到砰的一聲，像爆炸，我心里猛顫，但看到老師沒動靜，我也只好故作鎮(zhèn)靜。”團隊成員、中國礦大礦業(yè)工程學(xué)院博士后李許偉想起下井時的情形，記憶猶新。
團隊成員、中國礦大礦業(yè)工程學(xué)院何江副教授遇到的情況更嚴重：“有一次，在東北某礦下井，走在巷道中砰的一聲，煤就像冰雹一樣嘩嘩下來了。學(xué)生是無知者無畏，老師則讓我們趕緊撤離。”
沖擊地壓的可怕之處還在于，容易引發(fā)瓦斯爆炸等次生災(zāi)害。2003年，安徽淮北蘆嶺煤礦“5·13”頂板沖擊震動，引發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸，造成86人死亡。2005年，遼寧阜新孫家灣“2·14”沖擊地壓—瓦斯爆炸事故，造成214人死亡。
為什么沖擊地壓比地震更難預(yù)測？“因為影響因素特別多，比如，采深、地質(zhì)構(gòu)造、頂板巖層、采掘干擾等。”曹安業(yè)解釋說。因此，在沖擊地壓的機理研究上，國內(nèi)外學(xué)者從強度、剛度、能量等不同角度提出過一系列理論。其中，包括竇林名提出利用煤層和頂?shù)装宓膭偠茸鳛橹笜耍沂玖藳_擊地壓的發(fā)生應(yīng)同時滿足相應(yīng)的剛度、強度與能量條件。
但由于沖擊地壓問題的復(fù)雜性，影響因素眾多，目前還無法用單一理論解釋所有的沖擊地壓現(xiàn)象，所以它至今仍是巖石力學(xué)和采礦工程中最困難的研究課題之一。
“在國外某礦防沖工程實施時，老外說，你們要把這個問題徹底搞清楚了，就能得諾貝爾獎。”團隊成員、中國礦大礦業(yè)工程學(xué)院鞏思園副研究員笑言。
2 遠程“把脈”，釋放看不見的壓力
事實上，世界上幾乎所有國家都不同程度地受到?jīng)_擊地壓的威脅。1738年，英國在世界上首先報道煤礦中發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象，此后在蘇聯(lián)、波蘭、南非、德國、美國等幾十個國家地區(qū)，都發(fā)生過沖擊地壓現(xiàn)象。
由于沖擊地壓破壞后果的嚴重性和發(fā)生機制的復(fù)雜性，國際巖石力學(xué)學(xué)會專門成立了沖擊地壓研究小組。在我國，幾十年來，以竇林名教授為首的中國礦大研究團隊在沖擊地壓機理、預(yù)測預(yù)報和防治多個研究領(lǐng)域，深耕細作砥礪前行，取得了顯著成績，開創(chuàng)了眾多全國乃至世界第一。
1999年，江蘇徐州三河尖煤礦的一個工作面發(fā)生了5次沖擊地壓顯現(xiàn)。竇林名帶領(lǐng)團隊深入現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，利用電磁輻射技術(shù)進行研究，最終提出了煤巖動力災(zāi)害的電磁輻射機理。這也是該團隊在國內(nèi)外第一次提出采用電磁輻射技術(shù)監(jiān)測預(yù)警沖擊地壓危險。
除此以外，該團隊在國內(nèi)率先提出了動靜載疊加誘沖理論、煤巖體沖擊破壞的沖能原理、巷道圍巖的強弱強結(jié)構(gòu)效應(yīng)、沖擊地壓的強度弱化減沖原理等。
在長期實踐中，他們還開發(fā)了電磁輻射技術(shù)、區(qū)域性微震監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)、層析成像（CT）預(yù)警技術(shù)、雙震源一體化CT應(yīng)力探測技術(shù)及系統(tǒng)。其中，微震監(jiān)測及CT預(yù)警技術(shù)最具代表性。
曹安業(yè)告訴記者，層析成像（CT）預(yù)警技術(shù)的原理就像做CT檢查，通過人工主動激發(fā)震源，或巖層破裂引發(fā)的震動（被動震源），來反演煤巖體內(nèi)的波速分布狀態(tài)，并基于波速與應(yīng)力的關(guān)系，建立沖擊危險的CT預(yù)警指標與準則。
微震監(jiān)測系統(tǒng)自2006年在華亭硯北煤礦和臨沂古城煤礦首次安裝以來，已在國內(nèi)外70多個煤礦運用。在此基礎(chǔ)上，該團隊建設(shè)了沖擊地壓智能綜合監(jiān)測預(yù)警平臺，這也是全球最早最大的沖擊地壓遠程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
“大概10年前，竇老師提議建設(shè)平臺時，包括我這個負責具體建設(shè)工作的，都不知道大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)放這里有什么用，現(xiàn)在明白了，沒有大數(shù)據(jù)怎么搞防沖智能化？”提到平臺建設(shè)初衷，鞏思園感慨萬千。
加入平臺后，每個煤礦在調(diào)度室都能看到礦井微震能量釋放情況及沖擊危險狀態(tài)。一旦接到預(yù)警通知，煤礦可以及時安排撤人，并采取卸壓等措施誘發(fā)能量釋放，避免安全事故。目前，該技術(shù)已走出國門，在孟加拉國、波蘭等國的煤礦應(yīng)用。
近年來，孟加拉國巴拉普庫利亞煤礦遇到了采掘難題。該礦是孟加拉國第一座現(xiàn)代化煤礦，支撐當?shù)?/3的煤電項目，但由于開采過度形成了塌陷，沖擊地壓災(zāi)害凸顯。因此，20萬噸孤島煤柱如何開采，成了難題。
得知這一情況后，鞏思園、李許偉等團隊成員前往孟加拉國現(xiàn)場，分析探測并提出相應(yīng)的防治方案，最終20萬噸資源實現(xiàn)安全開采，受到孟加拉國領(lǐng)導(dǎo)人的稱贊。
據(jù)悉，僅2015年至2017年，部分采用該團隊技術(shù)的煤礦就實現(xiàn)同比新增安全煤量3962萬噸，新增銷售額161億元。
“前兩天還有企業(yè)和我們聯(lián)系，說經(jīng)過反復(fù)考察，想上這個平臺。”鞏思園說，“前期的研究成果能在井下應(yīng)用，解決了現(xiàn)場問題，得到越來越多企業(yè)的認可，大家都非常自豪，也希望做更多的事情。”
今年6月1日，中國礦業(yè)大學(xué)與安徽理工大學(xué)簽約合作，共建沖擊地壓防治工程研究中心，希望通過共同建設(shè)沖擊地壓防治科研平臺，力爭在沖擊地壓關(guān)鍵基礎(chǔ)理論、監(jiān)測預(yù)警、治理支護技術(shù)及裝備等方面研究形成成套技術(shù)裝備體系，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新人才，深度解決我國煤礦沖擊地壓災(zāi)害的難防難測問題。
目前，該團隊部分研究成果已被納入新版《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細則》《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》等國家規(guī)范和標準中。
憑著優(yōu)異的研究成果，該團隊曾先后獲得國家科技進步二等獎2項、省部級科技進步獎18項；獲省部級人才稱號等8人次；全國百篇優(yōu)博1篇、江蘇省優(yōu)博5篇。此外，該團隊還出版著作12部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，獲得專利及軟件著作權(quán)50余項。
3源頭防治，最難攻克的不是技術(shù)是觀念
影響煤礦沖擊地壓的因素多且極復(fù)雜，目前發(fā)生機理尚未研究透徹。隨著礦井深度強度增加，沖擊地壓與其他災(zāi)害耦合疊加，防治難度進一步加大。今年5月，國家發(fā)改委等四部門發(fā)布的《關(guān)于加強煤礦沖擊地壓源頭治理的通知》指出，全國現(xiàn)有沖擊地壓礦井產(chǎn)能約4億噸/年，2/3分布在煤炭凈調(diào)入省份。
為了加強煤礦沖擊地壓防治，國家煤監(jiān)局分別于去年5月、今年5月，印發(fā)《防治煤礦沖擊地壓細則》《關(guān)于加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》，對相關(guān)領(lǐng)域工作細化規(guī)定、明確要求。
“每一條規(guī)程的改變、細化，背后幾乎都有血的教訓(xùn)。”鞏思園說。
例如，《防治煤礦沖擊地壓細則》第六十七條明確要求， “采用爆破卸壓時，必須編制專項安全措施，起爆點及警戒點到爆破地點的直線距離不得小于300米，躲炮時間不得小于30分鐘”。“從150米改到300米，就是因為2010年有個事故是躲炮距離不夠造成的。300米不能絕對保證不出事，但起碼安全系數(shù)更高。”鞏思園解釋說。
今年5月，國家煤監(jiān)局副局長桂來保就《關(guān)于加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》答記者問時指出，當前煤礦沖擊地壓防治工作存在三大主要問題。首要問題就是“部分煤礦企業(yè)對沖擊地壓災(zāi)害認識不清、重視不夠”，在防沖理念、投入、管理、措施等方面有較大差距。
“有些礦真是讓你恨得牙癢癢，明知有危險還繼續(xù)作業(yè)。出了事后，特別聽話，一聽說礦大老師發(fā)預(yù)警單了，趕緊撤人。”談到煤礦防范意識的落后，鞏思園深有感觸。
防治措施不落實、安全風險管控不到位是沖擊地壓防治工作中存在的另外兩大問題。桂來保指出，部分煤礦缺乏源頭治理理念，礦井設(shè)計、采場布局、采掘部署、煤柱留設(shè)等不科學(xué)，工作面跳采和不合理的煤柱留設(shè)人為導(dǎo)致應(yīng)力集中。
“巷道是平行還是交叉布置，有學(xué)問在里面，采掘距離過近，應(yīng)力就會疊加影響。在2016年之前，很多沖擊地壓就是采掘不合理造成的。所以《煤礦安全規(guī)程》對采掘工作面之間的安全距離做了明確規(guī)定。”曹安業(yè)解釋說。
通過研究挖掘機理原因，通過規(guī)章制度約束行為，在科研院所和政府部門的共同努力下，煤礦企業(yè)的沖擊地壓防治意識有了增強，防治水平有了提升。
“人的思想觀念很難改變，我們就鍥而不舍，一個月不行，兩個月，一年不行，兩年，推動企業(yè)按照科學(xué)合理的方式進行設(shè)計、管理。”鞏思園舉例說，“甘肅華亭礦區(qū)發(fā)生過沖擊地壓事故，知道危害了，從設(shè)計時就注意防沖。現(xiàn)在，到井下一看，那巷道，漂亮！他們把變電所都搬到2000米以外的地方，巷道按標準化建設(shè)，和以前差別太大了。”
曹安業(yè)表示，總體而言，目前沖擊地壓防治工作要按照“區(qū)域先行、局部跟進、分區(qū)管理、分類防治”十六字方針進行。
“沖擊地壓防治和地震不一樣，沖擊地壓可以通過分析區(qū)域應(yīng)力集中情況，事先采取卸壓措施，在設(shè)計時就提前化解。”團隊成員、中國礦大礦業(yè)工程學(xué)院李小林講師介紹說，進入5G時代后，井下網(wǎng)絡(luò)更完善，應(yīng)力情況等相關(guān)數(shù)據(jù)可以快速傳輸，更利于提前設(shè)計布局、源頭治理。
“從技術(shù)手段看，深孔斷頂爆破、定向水力致裂都是比較常用的，相對而言，水力致裂不受炸藥管控限制，更適合大范圍推廣。”曹安業(yè)說。
何江表示，防治沖擊地壓，大多數(shù)技術(shù)手段都是公開的，但怎么用好很關(guān)鍵，不同礦有不同的地質(zhì)條件，就像老中醫(yī)把脈，需要針對性分析。
“大部分的沖擊地壓問題是可以解決的，但光有設(shè)備和技術(shù)不夠，還要通過安全管理、個體防護等。比如，人員避讓才能最大限度避免事故。”曹安業(yè)說。因此，《關(guān)于加強煤礦沖擊地壓源頭治理的通知》強調(diào)要超前預(yù)防、源頭管控，明確提出“把防治沖擊地壓貫穿于勘探、規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和生產(chǎn)管理各環(huán)節(jié)，全過程防范事故風險”。
另外，國家有關(guān)部門也明確提出，要支持建設(shè)沖擊地壓防治國家級科技創(chuàng)新平臺，推進沖擊地壓基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，提升沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警、煤礦智能化開采等技術(shù)裝備水平，支持煤礦安全技術(shù)改造和沖擊地壓等重大災(zāi)害治理，保障沖擊地壓防治資金投入。
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目前，沖擊地壓研究主要集中在沖擊地壓機理、沖擊地壓預(yù)測預(yù)報與沖擊地壓治理三個方面。
沖擊地壓機理方面，各國學(xué)者提出了一系列理論，包括強度、剛度、能量、沖擊傾向、三準則和變形系統(tǒng)失穩(wěn)等理論。
沖擊地壓預(yù)測預(yù)報方法主要分為兩類：一是采礦方法，包括根據(jù)采礦地質(zhì)條件確定沖擊地壓危險性的鉆屑法、綜合指數(shù)法等，二是采礦地球物理方法，包括微震法、聲發(fā)射法、電磁輻射法等。
沖擊地壓治理主要從戰(zhàn)略性防御和主動解危兩個方面進行。戰(zhàn)略性防御包括開采解放層等，主動解危包括卸壓爆破、煤層注水、鉆孔卸壓、定向裂縫法等。