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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

冲击地压灾害研究现状及技术发展趋势

2019-12-13

  近日,国家发展改革委、应急管理部、国家能源局、国家煤矿安监局联合印发通知,要求严格控制新建冲击地压矿井及分类处置存量冲击地压矿井。具体包括:


  (1)各级煤矿项目核准机关要严格执行采深限制规定,不再核准第一水平采深超过1000米的新建矿井,采深超过1200米的改扩建大中型矿井、超过600米的新建(改扩建)其它矿井。


  (2)各级煤炭行业管理部门要会同有关部门全面排查新建、改扩建矿井,凡采深超过限制规定的,一律停止建设。


  (3)煤炭行业管理部门、煤矿安全监管部门、煤矿安全监察机构要加强煤矿项目建设期间冲击倾向性评估、鉴定及危险性评价工作的监管,对未在开工前或建设期间达到有关工作要求的项目,不得审批相关设计,项目不得开展联合试运转,不得通过安全设施验收、转入正式生产。


  (4)经评估、鉴定或评价煤层具有冲击危险性的新建矿井,煤矿企业要严格按照相关规定进行设计,建成后生产规模不得超过800万吨/年,不得核增产能。


  冲击地压是指井巷或工作面周围岩体,由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象,常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。冲击地压具有很大的破坏性,是严重威胁煤矿安全生产的典型动力灾害之一。根据国家煤矿安全监察局2017年对全国冲击地压矿井调研数据显示,我国已经定性的冲击地压矿井达到177座,主要分布在我国山东、陕西、山西和黑龙江等25个省份。


  一、冲击地压的致灾机理


  自20世纪50年代南非成立世界上第一个冲击地压研究机构以来,业内学者提出了众多理论,仅我国提出的机理便已超过100种,是世界上提出冲击地压机理最多的国家。我国现有的冲击地压致灾机理可分为4类:①从研究煤岩体材料的物理力学性质出发,分析煤岩体失稳破坏特点及诱使其失稳的固有因素,同时利用混沌、分叉等非线性理论来研究煤岩失稳过程;②从研究灾害区域所处的地质构造以及变形局部化出发,分析地质弱面和煤岩体几何结构与煤岩冲击失稳之间的相互关系;③工程扰动以及采动影响与冲击失稳之间的关系;④从能量角度出发,通过能量密度、能量释放率等指标或通过构建复合型能量转化为中心的煤岩冲击失稳分类体系,对煤岩冲击失稳的能量积聚和转化特征进行研究。从冲击地压的致灾机理和典型案例分析,我国煤矿冲击地压灾害与煤岩体介质属性、环境应力集中、赋存结构密切相关。


  二、冲击地压监测预警技术


  冲击地压监测预警方法众多,可分为岩石力学方法、地球物理方法和经验类比法。


  岩石力学方法包括矿压观测法、钻屑法、顶板离层观测法、钻孔应力测量法;地球物理方法包括电磁辐射法、地音法、微震法、地震CT技术、电荷感应监测技术等;经验类比法是根据以往对发生过冲击地压矿井的经验进行总结,用于预测条件相似的矿井的冲击地压,但受人为因素影响较大。


  这些技术手段构成了我国冲击地压监测预警体系的基础,目前我国矿井应用最多的是钻屑法、微震监测和地音监测。


  由于冲击地压致灾机理尚不明确,矿井地质赋存条件、开采条件类型众多,为提高预警的可靠性,现场多采用区域监测和局域监测相结合,多参量同步监测的方法,目前部分煤矿如千秋煤矿、郓城煤矿等已经建立了多参量实时在线、联合监测预警平台,并对现场安全生产工作起到了重要的指导意义,但尚未在全国范围内推广。


  目前应用较多的预警平台和系统包括自震式微震监测系统、应力在线监测系统、“震动场-应力场”联合监测预警系统、“全频广域”震动监测系统、电磁辐射监测仪、电荷监测系统。


  三、冲击地压防治技术


  我国目前已经初步形成了以应力控制为主的浅部矿井冲击地压防控技术体系。虽然冲击地压致灾机理目前尚未真正掌握,但是影响冲击地压的诸多因素被界内学者明确,为冲击地压的防治工作提供了参考。


  冲击地压矿井需要采取区域和局部相结合的防冲措施。在矿井设计、采(盘)区设计阶段应当先行采取区域防冲措施,从区域范围降低应力水平,整体上减弱冲击危险程度。区域防治技术主要包括2个方面:


  ①从优化开采设计出发的区域冲击危险防治技术,主要有开拓方式、采掘部署、煤层群的开采顺序、保护层开采、工作面的顺序开采、煤柱尺寸设计、主要巷道位置及层位选择、采煤方法与采煤工艺的选择等,这是从开采源头上避免应力集中,防控冲击地压的有效手段。


  ②从区域范围弱化煤岩体和降低应力水平的防治技术,主要有煤体注水、区域的煤体预卸压、顶板预裂等。


  冲击地压危险区域必须采取加强支护措施,支护设备分为液压支架、锚杆(索)2种,支护方式多为锚杆主动支护和钢架棚被动支护相结合。


  四、冲击地压防控技术发展趋势


  (1)灾变破坏的多尺度效应以及多尺度转变机制是揭示冲击地压发生机理新的突破口。煤矿冲击地压发生机理的研究成果较多,但由于煤层结构和环境应力十分复杂,发生机理仍然需要从煤岩介质自身属性以及灾变破坏的多尺度效应、多尺度灾变转化机制上对冲击地压发生的本质进行深入研究。

  

  (2)冲击地压灾害防控机理的研究是确保防治技术有效性的客观要求。矿业工程重在解决实际问题,一直存在着技术先行理论滞后的现状,影响了煤矿工业向精细化发展,尤其是煤矿安全领域,防控理论的研究滞后于防治技术的发展,也正是由于理论研究的滞后,阻碍了防控技术在解危成效上的最大化,因此需要开展冲击地压灾害防控机理的研究,为煤矿灾害的防治新技术提供理论支撑。


  (3)冲击地压灾害的监测预警与智能感知等技术的融合是必然要求。冲击地压事故的监测监控设备较多,但大多数都是根据某一发生机理,研发的监测设备,由此监测预警的准确性也是在一类冲击地压事故中有较好的表现。冲击地压致灾因子的识别以及预警模型都还需要深入的研究,尤其是在煤矿开采智能化少人化的大背景下,对冲击地压灾害的监测监控与预警也提出了更高的要求,与互联网+相结合的智能感知技术的应用也成为可能。


  (4)从煤岩属性、环境应力以及煤岩结构控制3个方面着手,结合高效率、智能化防控装备是防控技术发展的必由之路。冲击地压防控技术的研究一直是研究的重点,以服务于现场需求为目标。冲击地压防控技术区域解危方法以合理的巷道布置和合理的开采方法结合区域卸压措施为主,并没有更有突破性的方法来控制。对于局部解危措施,从致灾因素来看可以从3个方向入手:①控制环境应力,主要控制采动应力,因此局部的卸压技术成为主力;②控制煤岩介质属性,煤层注水是常用手段;③煤岩结构的控制,顶板卸压技术也是冲击地压防控的主要手段,已经形成工程化。但在冲击地压防控技术装备上需要向高效率、智能化的方向发展,例如大直径钻孔卸压装备大功率远程控制钻机以及顶板水力压裂装备等。


  (5)煤岩动力灾害的一体化防控是深部开采的必然要求。冲击地压灾害与煤与瓦斯突出灾害并称为煤岩动力灾害,随着煤矿开采条件的复杂化,冲击地压灾害与其他灾害相互诱发时有发生,因此需要对冲击地压诱发其他灾害的机理、防控技术等进行一体化研究,尤其是与煤与瓦斯突出灾害等复合型灾害的一体化研究。


来源:煤矿冲击地压灾害防控技术研究现状及展望


  责任编辑:宫在芹
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