矿井深部冲击地压防治技术
新矿集团孙村煤矿颜磊田昌栋巩庆刚
摘要：孙村煤矿已经有50多年的开采历史，目前开采垂深已达1300米，是全国最深的矿井之一。随着开采深度的增加和开采范围的不断扩大，矿山压力越来越大，冲击地压的危害将更加突出，并且越来越严重,给矿井的安全生产构成了很大威胁。为了最大可能地回收煤炭资源，确保安全生产，根据孙村煤矿冲击地压事故发生的基本情况与原因，从冲击地压倾向性鉴定、防治难点、冲击地压发生的机理进行分析，研究冲击地压综合防治技术。
关键词：深部矿井冲击地压体系建设防治技术
前言：孙村煤矿已进入深部开采，顶板压力增大，随着开采深度的增加，冲击地压将会进一步增强，必须进行探索和研究可行的深部矿井冲击地压规律及预防技术，促进矿井的安全生产。
1. 矿井冲击地压状况
孙村煤矿可采煤层主要有2、4、11、13、15层煤，其中2、4层煤为前组煤主采煤层，开采深度已经达到-800米水平以下，由于开采深度的增加，1994年5月17日首次在1217煤柱工作面穿采过程中发生了破坏性的冲击地压事故。此后，在2、4层的开采过程中，也发生了多次不同程度的冲击地压事故，但是2012年3月16日发生的一起冲击地压事故，严重威胁了矿井的安全生产。
从发生冲击地压的实例分析，发生冲击地压的原因如下：
（1）二、四层煤性脆、弹性大，煤（岩）层本身具有冲击倾向性。
（2）开采深度大，原岩应力大。
（3）开采过程中由于不合理的设计和开采顺序，留有煤柱或孤岛工作面，受到多侧采空区支撑压力的影响产生压力叠加，形成煤柱集中应力。
（4）当工作面前方存在较大断层时，由于断层的阻隔，煤体内积聚的弹性能不能向前传递，因而在断层附近积聚形成较高的聚能区，当采掘工作面接近聚能区时，其力学平衡遭到破坏，促使能量释放产生冲击地压。
（5）二四层煤顶底板均为砂岩，强度高，可变形小，对煤体的夹持作用强，煤体中积聚能量不易被顶底板吸收掉，容易发生冲击地压。
（6）采掘程序
深部煤层开采后形成较高的集中压力,应力系数大,使煤层中积聚的弹性能成倍增加,采掘作业在支承压力区内进行时,就有发生冲击地压的可能。
（7）放炮和冒顶等因素产生的动力和冲击波，在煤体内产生动态应力，打破煤体的应力平衡，改变煤体的受力状态，降低其强度，诱放冲击地压。
为进一步确认矿井的冲击地压情况，请煤炭科学研究总院北京开采所通过采取煤岩样，进行了鉴定，孙村煤矿二、四层煤均为冲击地压煤层。
2.矿井冲击地压的防治难点和治理原则
（1）防治难点：
孙村煤矿为全国最深的矿井之一，本身顶板压力大，极易形成应力集中区，成为形成冲击地压的先决条件。
矿井地质条件复杂、布置巷道多，布置工作面不规则，冲击地压形成的因素多。
冲击地压具有突发性、破坏性大的特点，没有明显的预兆。
（2）治理原则：立足自身矿井的实际，坚持预防为主、综合治理的基本原则。
3.冲击地压防治体系建设
3.1组织建设
根据上级冲击地压防治有关规定，结合矿井实际，成立了矿井冲击地压防治管理领导小组，由矿长、党委书记任组长，生产矿长、总工程师及各专业副矿长任副组长，各专业副总工程师以及各业务部室主要负责人为成员的冲击地压防治领导小组，负责协调冲击地压防治各项工作，并健全了相应的防冲岗位责任制。
3.2机构建设
为保证措施落实到位和超前预防治理，成立了冲击地压防治领导小组，设置了防冲专职副总工程师，建立了防冲办公室分管防冲业务，扩充防冲治灾队的人员编制和工作分工内容。防冲队共有101人，其中：管理人员有区长1名、支部书记1名、技术副区长1名、技术员2名，资料员1名、材料员1名，班组管理人员10名，防冲监测工48名，钻探工15名，矿压观测及微震、应力在线监测系统维护工10名，注浆工4名，注氮工4名，机电维护工3名。主要工作任务分为冲击地压监测预警预报，对冲击地压工作面实行了钻屑法煤粉监测，当采掘工作面出现冲击危险时，采用大钻孔卸压、煤层注水卸压，对工作面煤柱、老巷进行探放水，防止煤层自燃发火注浆、注氮以及矿压观测工作。
3.3制度建设
3.3.1建立完善了冲击地压各项管理制度，制定了《孙村煤矿冲击地压防治管理规定》、《孙村煤矿冲击地压防治教育培训制度》、《孙村煤矿二〇一二年冲击地压防治培训计划》、《孙村煤矿冲击地压防治保障制度的通知》、《孙村煤矿防冲设备、器具管理意见》、《二○一二年度冲击地压灾害应急预案及现场处置方案的通知》、《孙村煤矿防冲例会制度的通知》的文件，以制度建设为保障，实现了冲击地压的规范管理，以集团公司生产技术管理规定为依据将所有的冲击地压防治管理文件进行了整合修编。
3.3.2编制了防冲队岗位责任制、操作规程，包括防冲队队长岗位责任制、防冲队支部书记岗位责任制防冲队技术负责人岗位责任制、防冲队班长岗位责任制、防冲工岗位责任制、钻探工岗位责任制、煤层注水工岗位责任制、矿压观测工岗位责任制、应力在线、微震监测维护工岗位责任制、注氮工岗位责任制，使防冲队所有人员能够找准自己的位置，各尽所能，各尽其职。
3.3.3制定了防冲队绩效工资考核管理办法，通过“制度化管理，程序化运作”，使所有人员能够严格按照考核管理办法的规定来进行落实各种工作。
3.3.4对掘进巷道顶板坚硬、断层构造影响，压力显现突出的特点，实行了“一班防冲卸压、两班生产”的防冲管理模式，保障了工作面的安全掘进，为压力显现明显巷道，合理组织生产初步探索了实践经验。
3.4装备建设
3.4.1加大了防冲设备的投入，引进应力在线监测系统、微震监测系统、大直径卸压钻机、大功率手持钻机等先进设备，分别应用在2223工作面、3422工作面、2222工作面，通过应力在线监测系统、微震监测系统的实时监测，实现了工作面冲击地压预测预报的系统化、正规化，提高了冲击地压预测预报的准确性，提升了矿井冲击地压监测预警的科技水平并达到了国内先进水平，矿井防冲治灾技术也步入了同类矿井的先进行列，能够更加有效、更加有针对性的进行冲击地压的卸压解危工作，消除了工作面的安全隐患，真正实现了冲击地压危险工作面的“有震无灾”。
3.4.2购进了10台ZQJ-300/6气动架柱式钻机，26台ZQSJ-95/2.2型架柱支撑手持式气动钻机、2台ZQSJ-140/4.3型架柱支撑气动手持式钻机，3台ZLJ1600A-200型煤矿用坑道钻机，已分别用于3422回风巷、2224运输巷、3422工作面等地点进行大功率煤粉监测、大孔径钻孔卸压，有效提高了监测、卸压效果。
3.5培训建设
3.5.1为提高全矿管理人员及广大职工对冲击地压危害认识，避免对冲击地压预测预报、防治技术的匮乏，聘请北京科技大学姜福兴教授，进行冲击地压防治知识专题讲座；派遣防冲队及有关技术人员参加山东能源集团组织的防冲专业管理人员培训班，并到华丰矿学习防冲方面的先进技术，
提高了冲击地压危害预报预测的准确性及冲击地压防治效果。
3.5.2各专业结合专业特点，加强业余培训管理，每周至少进行两次防冲应知应会的安全培训教育。
3.5.3全员业余冲击地压防治培训纳入区队业余培训计划中，由区队技术副区长根据本单位实际情况，制定与本单位工作性质、工作岗位相符的冲击地压防治月度业余培训教案，提高了现场施工人员冲击地压防治能力。
3.5.4对防冲使用的新技术、新设备、新工艺、新材料，按照对从业人员进行有针对性的培训的要求，进行了施工人员专题培训，包括设备的结构、性能、工作原理、使用与保养、常见故障处理以及岗位操作规程等，提高了从业人员的操作技能。
3.5.5编制了防冲知识手册，内容包括《山东省煤矿冲击地压防治规定（试行）》、《新汶矿业集团开采冲击地压煤层管理规定》、《孙村煤矿冲击地压防治实施细则》、《孙村煤矿冲击地压岗位责任制及管理制度》、冲击地压基本知识、典型冲击地压事故等内容。
3.5.6防冲专业与教培中心共同组织了防冲专业技术人员上讲台活动，由防冲副总主持，在冲击地压治理方面技术水平和现场操作技能经验丰富的防冲专业人员讲课，采掘单位管理人员参加听课。
4.冲击地压防治技术
根据发生冲击地压的成因和机理知，避免产生应力集中，控制冲击地压实现的应力条件，是控制煤矿冲击地压发生的关键。必须把采掘工作面推进过程中可能诱发释放的弹性压缩能，限制在足以导致冲击性破坏发生的范围内。为了提高冲击地压防治效果，采用综合防治技术。
4.1编制矿井冲击地压防治五年规划和年度防治计划，组织专家论证、评审，完善各年度采掘工作面平剖面图，从合理安排采区接续、工作面接续着手，进行巷道的合理布置，合理选择巷道和回采工作面的支护形式、采掘工艺，尽量少留煤柱和避免孤岛开采；尽量将主要巷道和硐室布置在底板岩层中；回采巷道采用大断面掘进；尽可能避免巷道多处交叉；加强顶板控制；确定合理的开采程序，减少煤层的应力集中，最大限度避免应力集中的开采条件，防止冲击地压的形成，避免了冲击地压工作面开采的相互影响，矿井的开拓布局，开采顺序符合冲击地压防治要求，矿井冲击地压防治区域、生产技术措施在规划中目标明确、措施得力，为矿井中长期冲击地压的防指明了方向。
4.2编制每个采区防冲专项设计，完善2、4层煤采掘工程平面图，以及2、4、11层煤之间开采的时空关系平面叠加图和各煤层上下层位的剖面图，修改、完善掘进、回采作业规程中防冲专篇内容及专项防冲措施，提高了防冲措施的针对性。
4.3二、四层煤实行上行开采（开采解放层）。
根据二层煤结构复杂，顶板条件差，冲击倾向强烈，而四层煤结构简单，顶板条件好，冲击倾向中等的特点，积极推广应用上行开采技术，即先采冲击倾向较弱的四层煤，后采具有强烈冲击倾向的二层煤, 对二层煤从根本上超前卸压。经实践证实上行开采后，巷道易于维护，工作面来压强度减弱，显著减弱了二层煤的冲击危险程度。
4.4每个月根据每个月的生产接续计划，在对冲击地压煤层进行分析和预测，将冲击地压危险区域进行等级划分。根据冲击地压危险区域划分的情况，对所有防冲采掘工作面编制冲击地压专项治理措施。
4.5在采煤工作面超前煤层注水，通过高压水将煤体压裂和使煤岩水化反应改变煤岩体的物理性质，充分的煤层注水可使冲击倾向减弱，试验结果具有中等冲击倾向的四层煤可降到无冲击倾向。
4.6监测预报冲击危险程度技术
4.6.1煤粉监测方法：
⑴采用ZQSJ-95/2.2型架柱支撑手持式气动钻机、Φ42钻头配Φ42套节麻花钎子打眼施工，在工作面上平巷下帮、下平巷上帮，超前60m范围内进行煤粉监测，孔间距5m，监测眼深度不低于9m。
⑵煤粉监测频率：每两天监测一遍，第一天监测范围：出口以外5～30m，第二天监测范围：出
口以外35～60m，依此类推。记录每米钻进时的煤粉量，超过临界指标或钻进时有动力现象判断为有冲击危险，采用大直径钻孔卸压解危。
4.6.2 KJ550煤矿冲击地压在线监测系统：
⑴在工作面开采期间进行冲击地压的临场预报，既可以用来监测工作面前方煤体的应力，也可以通过应力计应力的变化情况进行卸压效果检验，监测系统自动读取压力数据，并实时传输到地面控制室，显示出冲击危险性云图；作为评价顶板运动规律和冲击地压危险性的依据。
⑵上平巷共安装10组，每组2个钻孔，深孔14m，浅孔8m，每组间距约25m，当工作面推进距第一组应力计位置小于20m时，将最靠近工作面的应力计向外挪移。
4.6.3 KJ551微地震监测系统：
⑴在工作面开采过程中监测岩石、煤体在应力作用下发生破坏，并产生微震和声波的事件，在破裂区周围的空间内布置多组拾震传感器实时采集微震数据，经过数据处理后，应用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来，作为评价顶板运动规律和冲击地压危险性的依据。
⑵上、下出口以外50m处各一组、向外每隔50m安设一组，上下巷各4组，当第一组距工作面20m时，将第一组挪至在第四组外50m处。
4.7卸压解危
4.7.1 大钻孔卸压：
4.7.2爆破卸压：当采掘工作面监测到有冲击危险后，立即对冲击危险地点实行爆破卸压。放完卸压炮，处理好现场隐患后，要继续在卸压孔附近重新打眼进行卸压效果检查，检验孔距卸压孔1.5-2米，如未彻底消除冲击危险，停止作业，采取集中卸压的措施，继续进行放炮卸压，直到消除冲击危险为止。
4.8支护措施
在有承受冲击地压破坏的工作面和巷道中采用正确的支护方式维护工作空间的安全。回采工作面必须采用稳定的可缩性支护，全部采用了综采支架支护方式，有冲击破坏危险的巷道全部采用锚网喷联合支护。
5.结论：
通过成立专门的防冲机构、扩编防冲队、整章建制、制定完善防冲各项管理制度、规范防冲管理程序、落实综合防冲措施、加强防冲安全技术培训、引进先进的冲击地压监测预警、卸压设备，使冲击地压预测预报实现了系统化、正规化，提高了预测预报的准确性，能够更加有效、更加有针对性的进行冲击地压的卸压解危工作，消除了工作面的安全隐患，真正实现了冲击地压危险工作面的“有震无灾”，保证了矿井的安全。
参考文献
齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术（M）.第1版.徐州：中国矿业大学出版社，2008。
窦林名，何学秋.冲击地压预测的电磁辐射技术及应用（J）.煤炭学报，2004,29（04）。
作者简介：颜磊，1974年出生，现任新汶矿业集团公司孙村煤矿总工程师，高级工程师，发表论文多篇。通讯地址0538-*******，邮编271219。
作者简介：田昌栋，1964年生，现任新汶矿业集团公司孙村煤矿防冲副工程师，发表论文多篇。
作者简介：巩庆刚 1975年出生，1996年毕业于山东泰安煤炭工业学校，现任孙村煤矿副主任。曾发表论文多篇，其中《深井综采工作面抽采动压规律分析及应用》被中国煤炭协会评为2009年全国煤炭工业生产一线青年技术创新优秀论文。科技创新项目《埋深1300米松软破碎围岩大断面巷道矿压控制与掘进技术》和《埋深1300米矿井综合配套开采技术》分别获国家安全生产监督管理总局第四届安全生产科技成果奖一等奖、第五届安全生产科技成果奖二等奖。