“零冲击”距离煤矿有多远？——中国工程院院士潘一山谈冲击地压防治
2024-05-20
来源：煤炭工业
“冲击地压防治是煤矿安全的世界性难题。”在国家矿山安全监察局近日组织开展的“矿山安全科技进龙江”活动中，中国工程院院士潘一山聚焦“我国冲击地压防治的七个大问题”，作了专题报告。据介绍，目前，我国现有冲击地压矿井138处，分布在山东、陕西、内蒙古、甘肃、新疆等13个地区，其中仅东北三省就有25处，占18.1%。
“近年来，在国家矿山安全监察局的领导下，通过全行业的共同努力，煤矿冲击地压得到基本控制。过去40年，冲击地压事故起数、死亡人数、百万吨死亡率均大幅下降，冲击地压事故发生的间隔天数越来越大。”潘一山指出，“尽管如此，当下仍面临冲击地压参与的复合灾害、矿震频发等问题，需要在冲击地压煤层智能安全高效开采、法规建设和技术普及等方面发力克难，实现‘零冲击’。”“冲击地压是煤矿井下巷道或工作面周围煤岩体弹性变形能瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响以及气浪等，并造成设备损坏及人员伤亡。”潘一山解释说，无论煤层薄厚，综采、炮采，各种地质和开采条件下都可能发生冲击地压。“极端条件下冲击地压更加严重。”他举例说，比如河南义马矿区大型逆冲断层、山东巨厚红土层、内蒙古鄂尔多斯矿区湖相沉积顶板、新疆乌东急倾斜煤层和千米深井的冲击地压，影响更大。潘一山表示，矿井埋深越大，冲击地压破坏越严重。当前，我国冲击地压矿井平均埋深已达738米，冲击地压与瓦斯突出、自然发火、冒顶、突水、油气喷出等灾害之间呈现耦合发生或相互诱发的情况。据介绍，我国目前有冲击地压瓦斯突出复合灾害矿井47处、冲击地压冒顶复合灾害矿井98处、冲击地压突水复合灾害矿井41处，兼具冲击危险、发火危险矿井62处。“冲击地压与油气喷出复合灾害同样需要关注。黄陵、焦坪、旬耀、彬长和永陇等矿区是我国典型的煤油气共存矿区，也是冲击地压较为严重区域。”潘一山指出，带压的油气赋存于煤层顶板、底板岩层中，与冲击地压的孕育发生相互耦合，从而形成冲击地压油气喷出复合灾害。他表示，针对冲击地压参与的复合灾害，必须进行一体化监测预警和防治。具体而言，要对冲击地压、顶板、瓦斯、火、水、油气的关键指标进行同步监测预警，降低复合灾害发生的环境应力，增大临界应力，降低释放能量，增加吸收能量，实现冲击地压参与的复合灾害的一体化协同防治。“我们必须认识到，今后发生的冲击地压都可能不是单一冲击地压灾害。如果还当成一种灾害去治理，必然会吃亏后悔，导致误报、漏报、防治无效等。”潘一山直言。对于近年来矿震多发频发现象，潘一山指出：“必须改变‘只要开采就有矿震’的错误观念，高能量矿震还是有原因的。必须改变‘矿震是断层发育矿井深部开采才会发生’的传统观念，浅部顶板断裂层间错动也能诱发矿震。必须改变‘矿震井下没有可见破坏就可少管’的任性观念，大能量矿震导致矿井停产、造成地面社会人员恐慌以及可能诱发井下冲击也必须管控。震和冲的机理不同，要找到有效措施，确保震和冲协同治理。”准确监测是防治冲击地压的前提。《防治煤矿冲击地压细则》第四十六条规定：冲击地压矿井必须建立区域与局部相结合的冲击危险性监测制度，区域监测应当覆盖矿井采掘区域，局部监测应当覆盖冲击地压危险区，区域监测可采用微震监测法等，局部监测可采用钻屑法、应力监测法、电磁辐射法等。潘一山指出，目前使用的微震监测法、钻屑法、应力监测法等都有待进一步完善。今年2月至3月，国家矿山安全监察局两次组织人员分赴内蒙古、河南、陕西、山东、吉林等地，对部分冲击地压矿井微震监测系统使用情况进行调研，发现系统软件能量计算方法差别大、传感器频率监测范围不足、不同系统监测能量不统一等问题。对此，潘一山建议，微震监测的突破要从三方面着力：一是研发新型微震传感器，打破国外技术壁垒；二是突破微震能量及震级的算法；三是开展井上井下联合微震监测，提高垂直定位精度。对于钻屑法，潘一山指出，目前广泛使用的手持钻机作业存在工人作业强度大、钻机动力不足等问题。随着钻孔深度增加，手持式钻机导屑速度变慢，会造成钻杆卡钻。为避免卡钻，钻屑孔深度通常达不到设计深度。对此，他建议，可以发展智能多参量液压履带钻车，开展钻头破岩效率及钻屑粒径分布规律试验，研发内排式钻屑法。至于应力监测法，目前存在不同监测点监测数据差距较大、监测存在盲区、监测结果仅能代表监测点的应力状态等问题。“在冲击危险性监测方面，应该由‘做了、测了、有数据了’转变为‘做了还要做对，测了还要测准，有数据了还要是有用的数据’，由‘修修补补、不断完善’转变为‘打破原有思维、惯性和路径，丢掉实践证明没有效果的技术，实现颠覆性创新’，由‘对标国外技术’的跟跑思维转变为‘对标物理极限’的领跑思维。”潘一山总结说。对于冲击地压矿井安全性评价问题，潘一山明确提出，应该由危险性评价向安全性评价转变。潘一山解释称，用危险性评价冲击地压不容易犯错，“评价为危险，一旦发生，说明评价准确；如果没有发生，说明是防冲设计合理、实施措施有效”。而安全性评价主要针对采取技术手段和措施后，对防冲工程进行可靠性评价。如果评价是“安全的”，现场人员就会按照评价放心作业；一旦评价不准，发生冲击危险，评价者就会被追究责任。他指出，在很多工程中，通常会采用安全系数来评价受载结构体的安全性，如边坡稳定性安全系数、坝体安全系数、桥梁安全系数等，但在冲击地压防治领域，才刚刚关注安全性系数及评价体系。“巷道、工作面等都是矿井的主要受载结构体。针对这些冲击地压危险区域采取防治措施后，有必要进行安全性评价，给出安全系数，直观、定量化表明这些区域的安全情况。”潘一山说。“我国冲击地压防治工作从来没有达到像今天这样的思想统一度。”潘一山指出，由于冲击地压的突发性、破坏性和复杂性，其防治理论观点、防治措施和方法争论较大。但随着《防治煤矿冲击地压细则》的修订及相关文件的出台，冲击地压防治技术不断规范，防治知识普及，冲击地压防治水平达到了新高度。那么，冲击地压矿井能否实现“无人员伤亡、无巷道破坏、无设备损坏”的“零冲击”管理目标？对此，潘一山认为，“零冲击”既是对冲击地压防治标准的高要求，又是冲击地压防治“以提高安全性为目标”的新理念。通过巷道支护上的局部吸能装置，在冲击过程自适应破坏并吸收能量，使支护整体不被破坏，围岩吸收能量，“零冲击”管理目标是可以实现的。他举例说，通过研究和实践发现，任何一处冲击地压矿井都不能保证不发生围岩能量释放，但如果在支护上安装预设了吸能装置，在围岩释放冲击能量作用于支护上时，由吸能装置发生破坏并吸收能量，而整个支护体系没有失效破坏并保证围岩整体性，那么该过程使围岩的塑性区也吸收了能量，进而使远场释放的能量被支护和围岩塑性区吸收，冲击停止下来，就实现了无人员伤亡。具体到“零冲击”实现途径中，可以通过合理开采布局、开采保护层、地面压裂、爆破断顶、底板爆破、水力压裂切顶、控制开采速度等措施，降低环境应力、减少能量释放。在冲击地压矿井实现“零冲击”案例中，吉林龙家堡矿就是一个典型。该矿采深超过1000米，2019年6月9日发生一起冲击地压事故，停产一年多时间开展灾后冲击地压治理，2020年复产后至今连续实现安全开采。2023年12月4日，该矿发生震级为1.9级的矿震事件，矿井采取综合防冲措施，巷道采用锚网索+O型棚+液压支架三级防冲支护，避免了破坏事故。如果冲击地压矿井“零冲击”管理目标能实现，那么，智能安全高效开采能否实现？去年10月22日，“如何实现冲击地压煤层智能安全高效开采？”入选中国科协发布的2023十大产业技术问题，这也是煤炭行业唯一入选的问题。对此，潘一山认为，我国冲击地压煤层智能安全高效开采应采取“三步走”策略。第一步是智能，即一般煤矿智能化标准体系建设，其总体框架包括通用基础、支撑技术与平台、煤矿信息互联网、智能控制系统及装备、安全监控及防控装备、生产保障6类标准。第二步是安全，即冲击地压煤层开采全要素分项智能化体系建设，基于冲击地压类型、机理，实现危险性评价、监测、防治、支护、防护五大要素智能化。第三步是高效，即没有智能化就根本无法实现冲击地压煤层安全高效开采体系建设。根据冲击地压不发生的应力条件、冲击地压不发生的能量条件，通过智能化彻底解决冲击地压主要两个安全高效开采问题：全巷道液压支护、充填开采。“冲击地压矿井和行业科技工作者一定要借助智能化发展的东风，不能把智能化当负担；要破除消极情绪，实现灾害矿井在智能时代的弯道超车。”潘一山说。（张翔）
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