沖擊地壓煤層如何實現安全高效智能開采

王國法 ，潘一山 ，趙善坤 ，龐義輝 ，何勇華 ，魏文艷

（1.中國煤炭科工集團有限公司, 北京 100013；2.北京天瑪智控科技股份有限公司, 北京 101399；3.遼寧大學 災害巖體力學研究所, 遼寧 沈陽110036；4.煤炭科學技術研究院有限公司, 北京 100013；5.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013）

0 引 言

我國煤礦開采深度正以每年10～25 m 的速度向深部延伸[1-2]。隨著開采深度增加，煤層賦存條件愈加復雜，煤炭資源開采面臨“三高”災害威脅，沖擊地壓風險與日劇增，如何實現沖擊地壓煤層安全高效智能開采成為我國煤炭產業技術中的重大難題，也是一項世界性工程技術難題。

近年來，國內外學者針對沖擊地壓發生機理、監測預報與防治技術等進行了廣泛而深入的研究，取得了顯著成果[3-6]，沖擊地壓重特大事故得到了有效遏制，但現有成果很大程度上是以犧牲礦井產量為代價，造成大量優質產能無法釋放，與國家要求從根本和源頭上消除煤礦沖擊地壓隱患、實現源頭防治的目標仍有很大差距。國內外在沖擊地壓監測技術與裝備研發方面取得了一系列成果[7-9]，提高了采動應力和煤巖破裂感知能力，但隨著開采深度增加，沖擊地壓災害的復雜性、突發性和多樣性愈發顯著，“致災源找不準、預警效能不高”的難題愈發凸顯?，F有沖擊地壓監測指標多是基于巖體為均質和各向同性假設所建立的模型，多參量融合預警指標與模型難以實現沖擊源頭精準預警，迫切需要解決源頭致災前兆信息及演化模式等難題[10-12]，實現沖擊地壓源頭的全時空智能預警，突破沖擊危險精準預防的技術瓶頸。近年來，煤礦智能化技術與裝備發展迅猛，代表著煤炭先進生產力的發展方向[13-15]，也是沖擊地壓礦井實現“減人、防災、提效”發展目標的必由之路，但智能開采與防沖工作存在不融合、不協同的問題，尚難以對沖擊致災信息同步智能感知，智能開采控制系統也難以對沖擊危險進行自適應調控，造成防沖與開采系統自主決策、智能響應與協同控制水平較低，難以實現風險預警、主動解危及自卸壓開采。

向地球深部進軍，要求我們必須解決開采深度增加帶來的一系列重大技術問題，以煤礦智能化建設和無人化智能采掘為核心，突破深部沖擊地壓煤層安全高效智能開采難題，為我國深部資源開發提供技術支撐，也是保障我國主體能源安全的戰略要求。

1 沖擊地壓煤礦開采現狀與難題解析

1.1 沖擊地壓煤礦開采現狀

自1933 年發生首例有記錄的沖擊地壓事故以來，我國沖擊地壓礦井數量持續增加。20 世紀80 年代前沖擊地壓礦井數量不超過20 座，改革開放后，國家對煤炭資源需求量大幅增加，煤層開采深度逐年增大，沖擊地壓礦井數量進入快速增長階段，2017年達到峰值177 座[16]。近年來，隨著煤炭去產能及對災害嚴重礦井進行嚴格管控，沖擊地壓礦井數量出現小幅下降，約減少了40 座。根據最新沖擊地壓礦井調研，截至2023 年8 月底，我國現有沖擊地壓礦井141 座，分布于山東、陜西、內蒙古、甘肅、黑龍江、新疆、遼寧等13 個?。▍^），總產能超4 億t，約占全國總產能的9.1%，如圖1 所示。

圖1 我國沖擊地壓礦井及產能分布情況Fig.1 Mine and productivity distribution of rock burst in China

據不完全統計，我國沖擊地壓礦井的開采深度為270～1 200 m，平均礦井開采深度超過738 m，如圖2 所示，沖擊地壓災害幾乎在各種煤層厚度、煤層傾角、圍巖巖性、開采方法的礦井均有發生。

圖2 沖擊地壓礦井開采深度分布情況Fig.2 Mining depth distribution of rock burst mine

通過對1983—2023 年的沖擊地壓事故進行統計分析發現，我國共發生沖擊地壓傷亡事故1 355 起，且主要發生在巷道中，巷道沖擊地壓事故占比約為93.1%，且巷道發生沖擊地壓的占比仍在增大，而發生在回采工作面的沖擊地壓事故則大幅減少，如圖3所示。

圖3 我國煤礦巷道沖擊地壓事故占比變化趨勢Fig.3 Variation trend of proportion of mine roadway burst accidents in China

我國煤礦沖擊地壓災害性事故在2017—2019年發生最為頻繁，發生多起重大沖擊地壓災害事故，如紅陽三礦“11·11”沖擊地壓事故，死亡10 人；龍鄆煤礦“10·22”事故，死亡21 人，造成重大社會影響。近年來，隨著《防治煤礦沖擊地壓細則》等法規的頒布，以及對沖擊地壓煤層開采的管控水平大幅提高，我國煤礦沖擊地壓事故發生數量明顯減少，但隨著開采強度、開采深度逐年增加，沖擊地壓事故呈現出新特征，且沖擊地壓與其他災害的復合災害事故出現頻次增多，給沖擊地壓災害防治帶來了新挑戰[17-18]。

1.2 沖擊地壓煤礦開采難題解析

沖擊地壓事故發生機理復雜、影響因素眾多，其突發性、多樣性、復雜性及大量能量瞬間釋放等特征極易造成嚴重的傷亡事故[19]。為了降低沖擊地壓發生風險，需要對沖擊地壓礦井采取全方位防控措施，在降低沖擊地壓發生風險的同時，也帶來了諸多難題。

1) 全方位防控措施增加了開采成本。根據《防治煤礦沖擊地壓細則》等法規規定，沖擊地壓礦井必須健全監測預警、防治、效果檢驗和解危全方位的治理體系，其中監測和防治措施必須包括區域措施和局部措施等。對應沖擊地壓防治整體框架體系，措施數量應不少于5 項，多種防控措施需要投入大量的作業人員，增加了人員在防控過程中發生事故的可能性，同時增大了礦井開采成本。在防控措施實施過程中產生了大量的監測、效果檢驗等數據，但作業人員一般僅對數據進行簡單處理，進行沖擊地壓危險性預警或效果評價，未深入挖掘數據隱藏信息，造成數據資源浪費。

2) 限員與防控措施增加的矛盾日益突出?；谏辽系陌踩_采理念，國家礦山安全監察局制定了嚴格的沖擊地壓礦井限員管理措施：沖擊地壓煤層的掘進工作面200 m 范圍內進入人員不得超過9 人，回采工作面及兩巷超前支護范圍內進入人員生產班不得超過16 人、檢修班不得超過40 人。由于沖擊地壓礦井需要采取多項額外的防控措施，需要配套更多的作業人員，人員限制與防控措施增加產生直接矛盾，導致礦井的生產效率大幅下降。

3) 嚴格的限產措施影響了礦井生產效率。由于工作面的采掘速度對沖擊地壓發生風險有較大影響，因此《防治煤礦沖擊地壓細則》規定：沖擊地壓礦井應當按照采掘工作面的防沖要求進行礦井生產能力核定，在沖擊地壓危險區域采掘作業時，應當按沖擊地壓危險性評價結果明確采掘工作面安全推進速度，確定采掘工作面的生產能力，提高礦井生產能力和新水平延深時，必須組織專家進行論證?！秶颐旱V安監局關于加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》規定：沖擊地壓礦井應當嚴格按照相關規定進行設計，生產規模不得超過800 萬t/a，礦井建成后不得核增產能，非沖擊地壓礦井升級為沖擊地壓礦井時，應當編制礦井防沖設計，并按照防沖要求進行礦井生產能力核定?！跋匏?、限產、限增”的規定直接限制了礦井生產能力，并限制了礦井擴大產能的可能性。特別是一些賦存條件簡單的大型礦井，在上述規定下不得不大幅度降低產能，嚴重影響礦井配套設備設施使用效率。

4) 沖擊地壓出現新特征，防治難度增大。隨著越來越多的煤礦進入深部開采，沖擊地壓出現了新的特征和發展趨勢。① 河南義馬礦區大型逆沖斷層、山東巨厚紅土層、鄂爾多斯礦區湖相沉積頂板、新疆烏東急傾斜煤層等極端條件下的沖擊地壓趨于嚴重；② 深部高應力、高瓦斯壓力、高水壓等造成礦井發生沖擊地壓、煤與瓦斯突出、自然發火、突水、冒頂等復合災害增多（據不完全統計，沖擊地壓和煤與瓦斯突出復合災害礦井47 處；沖擊地壓與冒頂復合災害礦井98 處；沖擊地壓與自然發火復合災害礦井62 處；沖擊地壓與突水復合災害礦井41 處），而沖擊地壓復合災害發生的門檻更低，災害發生強度更大、更猛烈，其發生機理更為復雜，治理難度更大；③ 在我國內蒙古、陜西、山西、山東、遼寧、吉林等礦區的礦震呈頻發多發態勢，礦震多數為“有震無災”，因此形成了不治理礦震、治理沖擊地壓的理念，但礦震發生時，地表有明顯震感，會引起恐慌，同時有誘發沖擊地壓的可能。

2 礦井全生命周期沖擊地壓防控技術

2.1 礦井建設階段沖擊地壓防控技術

礦井建設階段需要對待開采區域進行地應力測試，確定地應力異常區，并根據地應力測試結果對礦井開拓布局進行優化，最大程度降低沖擊地壓發生風險。

1) 區域地應力探測與反演?；谒畨褐铝训貞y量原理，煤炭科學研究院有限公司研制了適用于小孔徑（ ? 3 1 mm 和 ?42 mm）的水壓致裂地應力壓裂裝置，并配套了數據采集儀、測量軟件，如圖4 所示。將該測試系統應用于我國東部礦區，成功解決了雙鴨山礦區某沖擊地壓礦井9 號煤層安全開采問題[20]。

圖4 小直徑水壓致裂地應力測試系統Fig.4 Small diameter hydraulic fracturing in-situ stress testing system

該礦井位于黑龍江雙鴨山礦區中部，受多期地質構造運動影響，礦井地質構造復雜，煤層傾角變化較大，區內地應力分布異常，開采期間先后發生60余次不同程度的沖擊顯現。僅9 煤中-下6 片工作面就多達17 起。為保證9 煤左一片的安全回采，采用三維地應力反演技術對開采區域進行沖擊危險評估和開采方案優化。首先，基于礦井采掘工程平面圖、地質報告和區域內鉆孔柱狀分布，構建反映現場實際巖體賦存狀況的三維計算模型；其次，將初始地應力場的可能形成因素（如自重、構造運動、地下水等）作為回歸分析的待定因素，用數值計算的手段獲得每一種因素影響作用下地應力實測點位置的計算應力值，并建立反映因變量（實測應力）和自變量（計算應力）兩者關系的多元回歸方程；再次，利用統計分析的方法（最小二乘法），在殘差平方和最小的前提下，求得回歸方程中各自變量系數的最優解；最后，將回歸系數回代入多元回歸方程即得研究區域的初始地應力場?；诘貞龇囱莸玫? 號煤層最大主應力分布如圖5 所示。由圖5 可知，9 號煤層的2個應力集中區分別位于模型左側向斜軸部附近以及右側斷層附近，其中左側應力集中區范圍最大，最大主應力值達到40 MPa，斷層附近應力集中范圍相對前者較小，最大主應力在35 MPa。因此，在上述區域進行巷道掘進時應盡量將巷道軸線與最大主應力方位保持一致，同時采用摩擦式增阻錨索強化巷道支護強度，并采用煤層注水、煤層卸載爆破、深孔斷頂等防沖措施進行卸壓，最終實現了工作面安全回采。

圖5 9 號煤層最大主應力平面Fig.5 Maximum principal stress plane of No.9 coal seam

2) 開拓布局優化。鄂爾多斯某礦煤層賦存條件簡單，開采深度大約700 m，主采煤層厚度平均5.3 m，區段煤柱為30 m，11 盤區311102 和311103 工作面終采線至大巷距離只有60 m。礦井原設計沒有考慮沖擊地壓問題，開拓開采部署如圖6 所示[16]。首采

圖6 原有及調整后開拓部署平面Fig.6 Original and adjusted development deployment plan of a certain mine

工作面（311101）開采時，沒有明顯的動力破壞現象發生。當回采第2 工作面時，開始出現沖擊地壓現象甚至沖擊地壓事故。為此，根據礦區地應力主控方向，改變原11 盤區南北向巷道布置方案為東西向布置，停止11 盤區開采，調整為礦區南北兩側12 盤區和13 盤區聯合開采，改“兩進一回”式巷道布置為“一進一回”式布置，取消30 m 大區段煤柱，改為6 m小煤柱送巷，工作面終采線至大巷距離不小于200 m。采取上述措施后，對頂板進行預處理，沖擊地壓現象顯著下降，未發生破壞性、事故性的沖擊地壓。

2.2 礦井回采階段沖擊地壓防控技術

煤層開采擾動極易誘發沖擊地壓事故，通過留設小煤柱、進行上覆巖層壓裂、充填開采、離層注漿等技術可以消除巷道應力異常區、減少煤層開采擾動誘發沖擊地壓事故的風險。

1) 窄煤柱留設。大量研究表明，回采過程中15～30 m 的護巷煤柱，在覆巖作用下儲存大量的彈性能，極易誘發煤柱型沖擊地壓。采用窄煤柱護巷，能夠使煤體高應力區域向實體煤一側轉移，實現煤柱型沖擊地壓防治。

鄂爾多斯地區某礦不同煤柱寬度下的煤柱垂直應力分布模擬結果如圖7 所示。隨著煤柱寬度的增加，煤柱內的應力為先增加后減小，寬10 m 煤柱的垂直應力最高，達到133.54 MPa。當煤柱寬度≤10 m時，煤柱應力呈單峰分布，峰值位置基本在煤柱中心，當煤柱寬度＞10 m 時，應力分布曲線逐漸由單峰向雙峰發展。圖中8 m 煤柱應力整體低于12 m 和15 m煤柱的應力。由于煤柱寬度過大會浪費煤炭資源，而煤柱寬度過?。ǖ陀? m）則不利于巷道維護，因此確定最優的小煤柱寬度為5～8 m。

圖7 不同煤柱寬度下的煤柱垂直應力分布Fig.7 Vertical stress distribution of coal pillars under different coal pillar widths

通過優化巷道臨空側向頂板破斷結構，優化窄煤柱的支護工藝，礦井最終采用6 m 小煤柱進行護巷，并隨著煤柱留設工藝的改進，目前煤柱寬度已經降低至4.0～5.5 m，不僅提高了工作面煤炭資源采出率，而且降低了煤柱內的峰值應力，消除了巷道內的應力異常區，大幅降低了巷道沖擊地壓發生風險。

2) 井上下聯合卸壓技術。近年來，基于千米定向鉆車的成功應用，針對中高位覆巖的治理也得到快速發展，形成了包含煤層大直徑卸壓鉆孔、厚硬底板斷底爆破、低位頂板水力壓裂等技術的采場圍巖沖擊地壓力構協同防控技術體系，如圖8 所示。對垂深50～100 m 覆巖頂板與垂深100～200 m 覆巖頂板，開展后退式分段壓裂，鉆孔長度500～3 000 m，壓裂半徑超30 m，結合采場圍巖的低位頂板水力壓裂技術，形成了井上下聯合壓裂技術，對于沖擊地壓防治提供了新技術、新裝備[21-22]。

圖8 井上下聯合卸壓技術Fig.8 Downhole combined pressure relief technology

3) 置換充填開采技術。置換充填開采技術通過充填體對圍巖變形進行控制，同時可以有效提高煤炭資源采出率。根據充填材料的差異，主要分為膏體充填開采技術、固體充填開采技術、高水充填開采技術等。

置換充填開采技術可以有效降低煤層開采對圍巖的擾動，從而降低沖擊地壓發生風險。根據國家智能化礦山建設及“十四五”整體發展規劃要求，形成了配套的智能充填開采技術，通過建設完整的“采-選-充”一體化置換充填開采系統，實現了充采裝備智能化、輔助運輸連續化、勞動組織高效化、生產系統集約化，同時大幅降低了礦井沖擊地壓發生風險。

4) 地面高位離層注漿減沉技術。地面高位離層注漿技術是在地面制漿站將粉煤灰等固廢泵送至覆巖高位離層區域內，在泵注壓力的作用下，泵送材料對離層取進行充填壓實，減少上覆巖層彎曲下沉，消除煤層開采在上覆巖層中形成的應力異常區，從而降低沖擊地壓事故發生風險。

地面高位離層注漿技術作為重要的覆巖減沉技術之一，在煤礦覆巖控制中被廣泛應用[23]，如圖9 所示，注漿材料的力學特性和流動特性以及泵注壓力等直接影響支撐區強度，從而影響對沖擊地壓的防控效果。隨著智能化開采技術裝備的發展，研發智能化注漿系統將大幅提升防沖作業的智能化水平。

圖9 地面高位離層注漿防沖技術示意Fig.9 Schematic of anti-scour technology of grouting of high level separated layer on ground

3 巷道圍巖自適應抗沖擊支護技術

沖擊地壓智能防治技術可以減少傳統沖擊地壓防治措施的施工量及作業人員數量，提高礦井防沖效率，實現礦井的安全高效開采[24-26]。根據沖擊地壓發生的應力和能量條件可知，吸能防沖液壓支架能夠對巷道沖擊地壓實現有效防控。為此，研發了全巷協同智能自適應抗沖擊支護技術裝備，其主要包括吸能防沖液壓支架、支架智能化運移裝置、支架智能化監測預警系統和全巷協同自適應抗沖擊支護智能化設計方法。

1) 吸能防沖液壓支架。巷道支架的支護強度和吸能能力是防控巷道沖擊地壓的關鍵，即支架既要在正常支護狀態下提供高支護強度，又要在突發圍巖沖擊時快速讓位吸能，并且讓位過程中始終對圍巖保持穩定的支護力，維護巷道的完整性。吸能裝置是吸能防沖液壓支架設計的難點與關鍵。通過大量試驗，研制出了用于吸能防沖液壓支架的誘導式吸能裝置[27]，包括折紋誘導式吸能裝置和波紋誘導式吸能裝置，具有可控變形、高吸能比、高阻力變讓位、強支撐等優點，滿足各種類型與型號的支架防沖性能需求，如圖10 所示。

圖10 折紋誘導式和波紋誘導式吸能裝置Fig.10 Corrugation-induced and wave-induced energy absorption devices

將吸能裝置與液壓支架合理結合，研發形成了門式、垛式、自移式、單元式等多種形式的巷道吸能防沖液壓支架，如圖11 所示。以門式吸能防沖液壓支架為例，該吸能液壓支架主體由高強度的頂梁、抗底鼓底座和三支吸能液壓立柱組成[28]。高強度的頂梁能夠有效控制頂板的穩定性；底座可以抑制巷道底鼓；吸能裝置安裝于液壓立柱下部，與立柱一起承擔支架的靜載或沖擊動載。支架在巷道緩慢變形過程中，支護阻力會逐漸增加，當達到液壓支柱工作阻力時，支柱的安全閥會自行開啟進行排液泄壓，此時液壓支柱通過慢速讓位，可以保護支架靜態壓力下不超載，從而避免巷道圍巖-支架系統達到失穩臨界點。而巷道一旦突發圍巖沖擊，使支架支護阻力瞬時增加、超過吸能裝置讓位阻力閾值時，吸能裝置立即啟動變形讓位、吸收沖擊能，通過一個快速的、不超過200 mm 的讓位過程，迅速緩解自身受到的沖擊載荷作用，保護立柱及整個支架結構不被沖擊載荷損壞，并能夠避免巷道嚴重變形或垮塌。

圖11 巷道吸能防沖液壓支架Fig.11 Suction and anti-impact hydraulic support for roadway

通過進行試驗測試，吸能防沖液壓支架單架最大可吸收的沖擊能量超過1.0×106J，是同類型普通液壓支架的11 倍，見表1。門式吸能液壓支架和自移式吸能液壓支架聯合支護的巷道，最大可抵御釋放能量為108J 以上的沖擊地壓。

表1 普通支架與防沖液壓支架性能對比Table 1 Comparison of performance between ordinary support and anti-impact hydraulic support

2) 支架智能化運移裝置。巷道防沖液壓支架使用過程中，隨工作面的回采，液壓支架不斷的搬運，一次搬運距離為超前支護距離。巷道防沖液壓支架重量大，人工搬運效率低，影響生產效率?；诖?，研發了巷道液壓支架智能化裝、卸機器手，實現對液壓支架搬運過程的遠程智能化操作。

3) 支架監測預警系統。為提高吸能裝備的防沖效果，研制了巷道防沖支護裝備監測預警系統，系統由決策層、傳輸層和感知層組成，如圖12 所示。感知層核心部件為礦用液壓支架智能監控儀，由礦用姿態感知傳感器、礦用激光位移傳感器、礦用本安型壓力傳感器等組成，可實時監測支架的支護位姿狀態、應力狀態和變形狀態，并將監測數據實時傳輸至決策層，應用大數據處理技術，智能預判巷道發生沖擊地壓的風險，并對吸能支架進行調控。

圖12 巷道防沖支護裝備監測預警系統Fig.12 Monitoring and early warning system for anti-impact supporting equipment of roadway

4) 全巷協同自適應抗沖擊支護智能化設計方法。采用巷道防沖吸能支護進行沖擊地壓防治，不僅吸能支護裝備要滿足防沖要求，吸能支護與巷道圍巖的協同作用也至關重要，決定了吸能支護與圍巖吸能和應力場調控效果，進而提升沖擊地壓防治效果，同時，吸能支護的布置必須與沖擊地壓機理、發生特征結合?；诖?，提出沖擊地壓巷道全巷協同自適應抗沖擊支護智能化設計方法，主要包括沖擊地壓巷道自適應支護控制理論、防沖應力安全和能量安全設計系數、多支護裝備自適應協同多模塊設計等，如圖13 所示。

圖13 沖擊地壓巷道全巷協同自適應抗沖擊支護智能化設計方法Fig.13 Intelligent design method for coordinated adaptive anti-impact support of all roadway under rock burst

沖擊地壓巷道自適應支護控制理論主要研究巷道沖擊地壓圍巖與支護動態互饋機制，建立巷道在力學性能、沖擊歷程、空間結構智能化自適應支護控制理論；防沖應力安全和能量安全設計系數用于吸能支架參數確定；多支護裝備自適應協同多模塊設計從巷道支護設計所涉及的“工程采擾環境”“煤巖屬性”和“支護裝備”等3 個方面構建設計平臺。沖擊地壓巷道全巷協同自適應抗沖擊支護智能化設計方法與防沖吸能液壓支架、防沖吸能液壓支架智能化運移裝置、巷道防沖支護裝備監測預警系統等構成完備的沖擊地壓巷道智能化吸能支護防治體系。

吉林省龍家堡礦采深超過1 000 m，具有堅硬頂板、大斷層，沖擊危險性高，2019 年6 月5 日發生沖擊地壓事故，造成9 人死亡，面臨停產關井的命運。針對513 復產工作面，根據礦井沖擊地壓發生臨界應力和最大釋放能量，設計了“門式+垛式”吸能液壓支架組合支護的支護形式，支護超前距離200 m。工作面在整個回采過程中發生了3 次能級為106J 大能量事件，均未引起巷道變形破壞而發生沖擊地壓，確保了工作面安全開采。

4 采煤工作面智能防沖開采系統

4.1 智能開采系統防沖原理與關鍵技術

目前，沖擊地壓防治措施主要分為：弱化煤體的沖擊傾向性、沖擊地壓超前預測預警、卸壓解危與合理支護等[29]，工作面智能開采系統則主要通過對采動應力、覆巖斷裂等進行監測預警，并通過控制工作面推進速度及支護強度最大程度降低沖擊地壓發生概率，必要時還應輔以卸壓解危等綜合防治措施。

為了提高沖擊地壓工作面智能化開采水平，近年來研發了采煤工作面防沖智能開采系統，通過構建工作面三維地質模型、采動應力演化模型、沖擊地壓預測預警數據驅動模型等，結合微震監測數據對上覆巖層斷裂層位、結構進行反演分析，融合各種數據算法的預測結果，判斷沖擊地壓發生的概率，并根據預測結果對工作面采煤機割煤速度、液壓支架支護強度等進行調整，最大程度降低沖擊地壓發生的可能性。

1) 工作面地質建模與監測技術。通過對待開采工作面進行鉆探、物探等地質探測，結合工作面兩巷、開切眼揭露的煤層地質信息，構建工作面高精度三維地質模型，并通過微震、地音等監測技術對工作面回采過程覆巖斷裂情況進行實時監測；同時，對工作面液壓支架的壓力數據進行實時監測，并采用數據分析算法對工作面來壓步距、來壓強度等進行預測，綜合分析預測沖擊地壓發生的可能性、位置及強度。

2) 液壓支架自適應調控與解危技術。通過在采煤工作面配備SAS 采煤機系統、SAC 液壓支架電液控系統，對工作面的采煤機、液壓支架進行智能聯動控制。完成透明地質模型的網格化后，將電液控制系統的智能監測控制節點與地質模型的網格數據融合，跟機工藝智能節點和地質網格進行點對點協同，實現沖擊地壓預測模型與電液控制系統的高度融合?；谏鲜鰶_擊地壓監測、預測、預警技術，對工作面的采動應力場、覆巖斷裂結構、應力異常區等進行監測預警，形成圍巖支護控制決策結果，并對液壓支架的支護力、支護姿態進行智能控制，如圖14 所示。

圖14 液壓支架多源信息感知與自適應調控Fig.14 Multi-source information sensing and adaptive control of hydraulic support

3) 采煤機智能調速與解危技術。根據沖擊地壓預測結果，通過SAS 采煤機系統對采煤機的截割模版進行優化，如圖15 所示，控制采煤機在采動應力異常區的截割深度、割煤速度、滾筒轉速等，最大程度降低開采活動對采動異常區的擾動。建立采煤機頂、底滾筒軌跡預設模型和液壓支架推進度預設模型，將推采工藝進行融合分析，形成“機-架”協同推采智能截割調控。根據對歷史數據樣本、地質模型和采-支狀態各階段參數進行綜合分析，優化沖擊地壓防治策略，最大程度防治沖擊地壓。

圖15 采煤機規劃截割模版Fig.15 Shearer planning cutting template

4.2 沖擊地壓工作面智能開采實踐

趙樓煤礦5305 工作面主要開采山西組3 號煤層，煤層埋深約715 m，煤層平均厚度6.8 m，平均傾角10°，工作面長度189 m，推進長度1 129.4 m。工作面基于防沖智能開采系統對地質數據、應力數據等進行監測，采用定位算法、主事件定位算法和粒子群優化算法等多種算法融合的方式，并利用卷積神經網絡、生成對抗網絡等對數據進行分析處理，建立沖擊地壓預測預警數據模型，煤巖沖擊波監測結果如圖16 所示，相關監測、預測、預警結果通過SAC電液控系統和SAS 采煤機系統對工作面設備進行智能調控。

圖16 沖擊地壓事件中煤巖沖擊波監測結果Fig.16 Monitoring results of shock wave in coal and rock during rock burst events

融合采煤工作面液壓支架數據監測結果，確定液壓支架與采煤機的智能調控策略，如圖17 所示。5503 綜放工作面自2022 年6 月采用智能開采系統進行生產，通過智能開采系統共監測到124 次煤巖地質應力變化，以SAC 電液控系統和SAS 采煤機系統優化液壓支架支護力與支護姿態共736 次，遠程優化采煤機割煤工藝調整841 次。截至2023 年9月14 日，工作面統計在冊沖擊地壓事件中，微沖擊45 次，弱沖擊6 次，中等沖擊、強烈沖擊與災害性沖擊均未發生，工作面生產人員由13 人減為7 人，智能開采系統取得了較好的運行效果。

圖17 “井地孔”一體化覆巖結構反演技術與裝備結構Fig.17 Reformation technology and equipment structure of integrated overburden structure of “well ground hole”

5 煤礦沖擊地壓監測預警系統

5.1 沖擊地壓災害數據監測

沖擊地壓的核心是應力問題。監測預警是感知、研判高應力狀態下煤巖體表現出的各類特征信息、前兆信息。應力的影響因素有很多，主要受地質環境、采場應力環境和采場覆巖結構等影響。采場應力環境的監測方法主要可以分為：巖石力學法和地球物理法，礦井常用的監測手段有微震監測、應力監測、鉆屑量監測等，災害嚴重礦井還采用地音、電磁輻射、電荷等進行監測，同時輔助常規的礦壓監測系統，沖擊地壓災害監測數據的種類多達十余種。

1) 采場應力環境監測技術。應力監測系統能直接測量采場應力集中程度，直接反映采動應力場的演化趨勢，為沖擊地壓災害的監測預警提供較為明確的判斷依據。

沖擊地壓礦井應建立全生命周期應力監測系統，實現礦井全生命周期煤巖體應力監測[30]。應研發礦區尺度、礦井尺度和巷道尺度的煤巖體應力長時穩定和瞬時連續監測系統，攻克礦井全生命周期煤巖體應力監測技術，解決沖擊地壓“監測難”的問題，為沖擊危險識別和源頭防治提供基礎數據支撐。

2) 采場覆巖結構監測技術。采場覆巖結構決定了采場的應力環境，常規的卸壓解危措施仍然無法消除解危時，人們才意識到采場覆巖結構對應力環境的影響，所以需要研究采掘空間近遠場、高位巖層直至地表的全尺度覆巖結構監測原理與方法，研發“寬頻震動反演-背景噪聲成像-孔間位移實測”的一體化監測技術，研發“井地孔”聯合震動場監測系統、“一孔多點”覆巖運動監測系統、密集臺陣覆巖形態連續探測系統、采動沉降地表多參量觀測系統，如圖17 所示，實現礦井覆巖結構全尺度精準還原。

采場覆巖結構及運動狀態，斷層、褶曲等地質構造分布及形態，是沖擊地壓災害防控的基礎，是決定沖擊地壓防治“一礦一策、一面一策”的關鍵。在煤礦智能化建設“一盤棋”的大背景下，采場覆巖結構監測技術能夠為沖擊地壓災害防治系統提供地質基礎數據，開展探采地質信息的相互反饋，實現三維地質模型、智能開采數據和沖擊地壓防治數據深度融合，從底層構建智能防沖體系。

5.2 沖擊地壓災害智能預警

1) 沖擊地壓災害數據庫建設。數據是沖擊地壓災害智能預警的前提。沖擊地壓災害是工程問題，災害的發生與煤礦的煤層賦存、地質構造、歷史事故信息等礦井基礎數據，采煤、掘進、巷道布置、煤柱留設等礦井生產數據，保護層開采情況、大直徑鉆孔卸壓、頂板預裂爆破等災害治理數據，以及反映災前采場應力變化的微震、鉆孔應力、鉆屑量等監測數據息息相關。沖擊地壓災害預警首先需要解決好2 個問題，“存什么”和“怎么存”?！按媸裁础保簽暮Ψ治鲂枰臄祿愋鸵约案黝愋蛿祿暮诵年P鍵字段，并據此建立災害預警數據庫。2023 年4 月國家礦山安全監察局發布了《煤礦感知數據聯網接入規范 第5 部分：沖擊地壓》對其中的部分監測數據的采集做出了明確具體的要求；“怎么存”：海量、多元、異構數據的靈活存儲和高效檢索，報告、礦圖、報表等文件的集成管理。

生產信息數據化、災害數據資源化，完成不同系統間數據的共享、打通數據孤島，解決礦井多源異構數據利用效率低、治理數據難以數字化的問題，是煤礦沖擊地壓智能預警的基礎。

2) 沖擊地壓災害分類預警。沖擊地壓災害預警要根據沖擊地壓災害的類型來確定主控因素，確定預警的關鍵指標。根據多年的生產實踐，現場出現的沖擊地壓常分為4 類，即采動應力和自重應力主導的煤體型、煤體彈性能釋放主導的煤柱型、厚硬巖層破斷主導的頂板型、斷層活化主導的斷層型。

從多源異構、高度復雜的數據中挖掘出沖擊地壓災害的前兆信息，開展煤礦沖擊地壓數據多元離散特征提取方法和關鍵致災因素定量化分析方法，包含大能量事件預測、周期來壓預測、應力集中區預測等數據分析模型，構建煤礦沖擊地壓災害分類分級綜合預警指標庫和預警模型庫，從原始信息、特征信息、決策信息3 個數據級處理信息融合問題，根據不同的監測區地質、生產條件，自主優化模型確定的預警的規則和參數。

3) 沖擊地壓災害智能預警系統。煤礦沖擊地壓災害智能預警系統集數據自動采集、綜合處理、實時動態傳輸、前兆信息智能識別、災害危險預測預警等多種關鍵技術為一體，以礦井工作面推進度、掘進面進尺、煤柱留設、工作面布置等生產信息，以及煤層賦存、埋深、斷層、褶曲等礦井信息為基礎，利用微震/地音、鉆孔應力、錨桿/索應力、支架阻力、電磁輻射、鉆屑量、巷道變形量等監測數據，煤炮、片幫、冒頂、錨桿/錨索失錨（拉斷）等井下事件信息和煤層注水、頂板預裂爆破、煤層爆破、大直徑鉆孔卸壓等卸壓解危信息，內置一套基于數據挖掘技術的學習型分析預警模型，隨著數據總量和災害特征信息的增加，通過自身學習快速提高沖擊地壓類型等級劃分、數據演化趨勢預判、宏觀風險評估水平和災害預警準確率，形成“一礦一模型、一礦一對策”的差異化防沖決策管理體系。

6 思考與建議

沖擊地壓煤層如何實現安全高效智能開采，是以沖擊地壓煤層為典型場景，以煤礦智能化技術裝備為核心內涵的一項行業戰略性重大產業技術難題，并不僅僅限于傳統沖擊研究范疇。隨著我國煤炭開采逐漸走向深部，沖擊地壓等嚴重工程災害凸顯，沖擊地壓源頭防治和無人化智能開采是消除沖擊隱患、有效防范遏制重特大事故、實現安全高效開采的根本途徑。智能化防控技術裝備是有效提升沖擊地壓防控水平根本保證。

1) 以煤礦智能化頂層設計為基礎，加強沖擊地壓煤安全高效智能開采技術體系構建，設立國家自然科學基金重大專項、國家重點研發專項、重點產業工程示范項目等，開展有組織攻關。

2) 推進智能源頭防沖的基礎理論和技術研究。針對深部開采條件復雜，災害耦合疊加，難以兼顧，無法實現從開采設計源頭防沖的問題，研究井上下大范圍區域卸壓“人造解放層”技術，并將其融入到礦井智能安全高效開采設計中。實現沖擊地壓煤層先壓后建、先壓后掘、先壓后采，為深部煤礦開采創造低應力的安全開采環境，形成深部沖擊地壓煤層智能安全高效開采設計的新理論和新方法。

3) 加強防沖預警、卸壓解危與智能開采的融合技術研究與應用。針對目前智能開采與防沖技術存在脫節，由此造成防沖設計與采掘工程相分離、防沖預警與智能開采不相融，難于滿足主動卸壓、智能聯動、高效開采的問題,為實現礦井智能安全高效開采，需攻克深部沖擊地壓大斷面巷道快速掘進，自適應抗沖擊高強支護，無人少人作業等關鍵技術難題。在精準地質、風險感知、融合預警、智能調控、卸壓開采等關鍵技術難題進行突破。通過煤巖沖擊風險的智能感知與預警，以及采掘工程的自適應與自優化，形成適用于礦井生命全周期的智能讓壓、低壓、卸壓開采的防沖控采新技術。使沖擊地壓礦井由工程致災向工程防災、工程減災的根本轉變，最大限度實現防沖、減沖、無沖，有助于將大量深部煤炭資源由沖擊風險產能向安全產能，先進產能轉變。

4) 加快沖擊地壓智能精準解危與效果智能動態評估技術裝備研究。受現有監測技術水平的限制，沖擊地壓發生的時間、空間和強度均無法做到準確預測，導致解危工程的實施及解危后的效果評估趨于盲目，礦井防沖工作往往顧此失彼，疲于奔命，事倍功半，不僅浪費大量人力物力，而且造成巨大的人員安全風險。因此，需要研發適用于采礦工程全生命周期區域應力與覆巖結構全尺度的連續監測技術與裝備，實現沖擊地壓災變機理與動力學過程透明定量化，構建多場耦合沖擊地壓災變預測理論，形成沖擊危險區域精準智能判識與預警技術。

5)構建“5G+ABCD”支撐技術體系，即5G 與人工智能（ AI）區塊鏈（Blockchain）、云計算（Cloud Computing）、大數據（Big Data）等新信息技術的緊密結合，支撐建立國家煤礦安全生產綜合智能化大平臺，建設統一的煤礦沖擊地壓等災害動態監控數據系統、智能化采掘工作面動態數據系統等。推動將全國煤礦生產的各環節危險源、高危作業崗位等信息納入平臺，進行重大工程作業全流程安全管控，構建基于工業互聯網的安全感知、監測、預警、處置及評估體系，提升行業安全生產數字化、網絡化、智能化水平，實現災害的智能預測預警、救援快速響應、應急資源快速配置。

6) 加強國際合作。波蘭、俄羅斯在沖擊地壓機理與監測預警方面處于世界領先地位。我國沖擊地壓研究雖然起步較晚，但近年來在防沖技術、智能開采裝備方面不斷取得突破，相關技術已趕超世界先進水平。加強與世界先進采礦國家在智慧礦山與智能開采方面的國際合作，為深部煤炭資源智能安全高效開采提供中國技術和中國方案，提高我國在智慧礦業和礦山災害防治領域的國際影響力。