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據不完全統計，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）。
層析成像（CT）預警技術的原理就像做CT檢查，通過人工主動激發震源，或巖層破裂引發的震動（被動震源），來反演煤巖體內的波速分布狀態，并基于波速與應力的關系，建立沖擊危險的CT預警指標與準則。
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“部分煤礦企業對沖擊地壓災害認識不清、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的沖擊地壓智能遠程監控平臺，也是國內最早的沖擊地壓遠程監控網絡。大概10年前，竇林名教授提出建設監控平臺，很多人還不太理解，現在看來確有先見之明。”近日，在中國礦業大學沖擊地壓研究中心，該校礦業工程學院曹安業教授向《中國煤炭報》記者介紹說。
沖擊地壓是我國煤礦重大自然災害之一，號稱比地震更難預測的“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、預測預報到防治，形成了一套包括理論、技術方法與裝備的完整體系。
由該團隊引進的波蘭SOS微震監測系統及研發的沖擊地壓智能綜合監測預警技術與平臺，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，已在國內外70多個礦井發揮“警鈴”作用，讓“隱形殺手”不再肆意任行。
1 隱形殺手，比地震更難預測
今年6月9日，吉林省龍家堡礦業公司發生沖擊地壓事故，9人死亡、12人受傷；去年10月20日，山東龍鄆煤業有限公司發生沖擊地壓事故，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。
沖擊地壓，又稱“沖擊礦壓”，非煤礦山領域稱為“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生的突然、劇烈破壞的動力現象，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害之一。
“這是我們統計的部分礦區1998年到2011年沖擊地壓的案例，2004年只有幾起，2011年達幾百起。”曹安業說，“我是2004年上的研究生，那時還挺閑，后來越來越忙。”
曹安業告訴記者，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，誘發沖擊的因素更加復雜多樣。
“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，應力水平越來越高，但在管理上，傳統的支護手段、巷道布置等，已不能適應強擾動的開采需求。”曹安業說。
據不完全統計，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）。有沖擊地壓危險的礦區從過去的北京、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。
例如山東，沖擊地壓礦井和千米礦井數量均居全國之首。以兗州礦區某礦為例，該礦自1997年開始出現礦震現象，2004年山東省地震局開始對其進行礦震監測，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。一是突發性。沖擊地壓的發生常常無征兆，過程短暫，持續時間幾秒到幾十秒，難以準確預報發生時間、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，各種地質條件、不同采煤方法都發生過沖擊地壓。
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研，井深1500米，工作面剛布置好，還沒生產。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，我也只好故作鎮靜。”團隊成員、中國礦大礦業工程學院博士后李許偉想起下井時的情形，記憶猶新。
團隊成員、中國礦大礦業工程學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，容易引發瓦斯爆炸等次生災害。2003年，安徽淮北蘆嶺煤礦“5·13”頂板沖擊震動，引發采空區瓦斯爆炸，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測？“因為影響因素特別多，比如，采深、地質構造、頂板巖層、采掘干擾等。”曹安業解釋說。因此，在沖擊地壓的機理研究上，國內外學者從強度、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底板的剛度作為指標，揭示了沖擊地壓的發生應同時滿足相應的剛度、強度與能量條件。
但由于沖擊地壓問題的復雜性，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象，所以它至今仍是巖石力學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、中國礦大礦業工程學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沖擊地壓的威脅。1738年，英國在世界上首先報道煤礦中發生的沖擊地壓現象，此后在蘇聯、波蘭、南非、德國、美國等幾十個國家地區，都發生過沖擊地壓現象。
由于沖擊地壓破壞后果的嚴重性和發生機制的復雜性，國際巖石力學學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、預測預報和防治多個研究領域，深耕細作砥礪前行，取得了顯著成績，開創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生了5次沖擊地壓顯現。竇林名帶領團隊深入現場采集數據，利用電磁輻射技術進行研究，最終提出了煤巖動力災害的電磁輻射機理。這也是該團隊在國內外第一次提出采用電磁輻射技術監測預警沖擊地壓危險。
除此以外，該團隊在國內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構效應、沖擊地壓的強度弱化減沖原理等。
在長期實踐中，他們還開發了電磁輻射技術、區域性微震監測技術及系統、層析成像（CT）預警技術、雙震源一體化CT應力探測技術及系統。其中，微震監測及CT預警技術最具代表性。
曹安業告訴記者，層析成像（CT）預警技術的原理就像做CT檢查，通過人工主動激發震源，或巖層破裂引發的震動（被動震源），來反演煤巖體內的波速分布狀態，并基于波速與應力的關系，建立沖擊危險的CT預警指標與準則。
微震監測系統自2006年在華亭硯北煤礦和臨沂古城煤礦首次安裝以來，已在國內外70多個煤礦運用。在此基礎上，該團隊建設了沖擊地壓智能綜合監測預警平臺，這也是全球最早最大的沖擊地壓遠程監測網絡。
“大概10年前，竇老師提議建設平臺時，包括我這個負責具體建設工作的，都不知道大量的監測數據放這里有什么用，現在明白了，沒有大數據怎么搞防沖智能化？”提到平臺建設初衷，鞏思園感慨萬千。
加入平臺后，每個煤礦在調度室都能看到礦井微震能量釋放情況及沖擊危險狀態。一旦接到預警通知，煤礦可以及時安排撤人，并采取卸壓等措施誘發能量釋放，避免安全事故。目前，該技術已走出國門，在孟加拉國、波蘭等國的煤礦應用。
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代化煤礦，支撐當地1/3的煤電項目，但由于開采過度形成了塌陷，沖擊地壓災害凸顯。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場，分析探測并提出相應的防治方案，最終20萬噸資源實現安全開采，受到孟加拉國領導人的稱贊。
據悉，僅2015年至2017年，部分采用該團隊技術的煤礦就實現同比新增安全煤量3962萬噸，新增銷售額161億元。
“前兩天還有企業和我們聯系，說經過反復考察，想上這個平臺。”鞏思園說，“前期的研究成果能在井下應用，解決了現場問題，得到越來越多企業的認可，大家都非常自豪，也希望做更多的事情。”
今年6月1日，中國礦業大學與安徽理工大學簽約合作，共建沖擊地壓防治工程研究中心，希望通過共同建設沖擊地壓防治科研平臺，力爭在沖擊地壓關鍵基礎理論、監測預警、治理支護技術及裝備等方面研究形成成套技術裝備體系，培養產業技術創新人才，深度解決我國煤礦沖擊地壓災害的難防難測問題。
目前，該團隊部分研究成果已被納入新版《煤礦安全規程》《防治煤礦沖擊地壓細則》《沖擊地壓測定、監測與防治方法》等國家規范和標準中。
憑著優異的研究成果，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；全國百篇優博1篇、江蘇省優博5篇。此外，該團隊還出版著作12部，發表學術論文300余篇，獲得專利及軟件著作權50余項。
3源頭防治，最難攻克的不是技術是觀念
影響煤礦沖擊地壓的因素多且極復雜，目前發生機理尚未研究透徹。隨著礦井深度強度增加，沖擊地壓與其他災害耦合疊加，防治難度進一步加大。今年5月，國家發改委等四部門發布的《關于加強煤礦沖擊地壓源頭治理的通知》指出，全國現有沖擊地壓礦井產能約4億噸/年，2/3分布在煤炭凈調入省份。
為了加強煤礦沖擊地壓防治，國家煤監局分別于去年5月、今年5月，印發《防治煤礦沖擊地壓細則》《關于加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》，對相關領域工作細化規定、明確要求。
“每一條規程的改變、細化，背后幾乎都有血的教訓。”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，但起碼安全系數更高。”鞏思園解釋說。
今年5月，國家煤監局副局長桂來保就《關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“部分煤礦企業對沖擊地壓災害認識不清、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，明知有危險還繼續作業。出了事后，特別聽話，一聽說礦大老師發預警單了，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，礦井設計、采場布局、采掘部署、煤柱留設等不科學，工作面跳采和不合理的煤柱留設人為導致應力集中。
“巷道是平行還是交叉布置，有學問在里面，采掘距離過近，應力就會疊加影響。在2016年之前，很多沖擊地壓就是采掘不合理造成的。所以《煤礦安全規程》對采掘工作面之間的安全距離做了明確規定。”曹安業解釋說。
通過研究挖掘機理原因，通過規章制度約束行為，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，推動企業按照科學合理的方式進行設計、管理。”鞏思園舉例說，“甘肅華亭礦區發生過沖擊地壓事故，知道危害了，從設計時就注意防沖。現在，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，和以前差別太大了。”
曹安業表示，總體而言，目前沖擊地壓防治工作要按照“區域先行、局部跟進、分區管理、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域應力集中情況，事先采取卸壓措施，在設計時就提前化解。”團隊成員、中國礦大礦業工程學院李小林講師介紹說，進入5G時代后，井下網絡更完善，應力情況等相關數據可以快速傳輸，更利于提前設計布局、源頭治理。
“從技術手段看，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。”曹安業說。
何江表示，防治沖擊地壓，大多數技術手段都是公開的，但怎么用好很關鍵，不同礦有不同的地質條件，就像老中醫把脈，需要針對性分析。
“大部分的沖擊地壓問題是可以解決的，但光有設備和技術不夠，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。”曹安業說。因此，《關于加強煤礦沖擊地壓源頭治理的通知》強調要超前預防、源頭管控，明確提出“把防治沖擊地壓貫穿于勘探、規劃、設計、建設和生產管理各環節，全過程防范事故風險”。
另外，國家有關部門也明確提出，要支持建設沖擊地壓防治國家級科技創新平臺，推進沖擊地壓基礎理論研究和關鍵技術攻關，提升沖擊地壓監測預警、煤礦智能化開采等技術裝備水平，支持煤礦安全技術改造和沖擊地壓等重大災害治理，保障沖擊地壓防治資金投入。
相關鏈接
目前，沖擊地壓研究主要集中在沖擊地壓機理、沖擊地壓預測預報與沖擊地壓治理三個方面。
沖擊地壓機理方面，各國學者提出了一系列理論，包括強度、剛度、能量、沖擊傾向、三準則和變形系統失穩等理論。
沖擊地壓預測預報方法主要分為兩類：一是采礦方法，包括根據采礦地質條件確定沖擊地壓危險性的鉆屑法、綜合指數法等，二是采礦地球物理方法，包括微震法、聲發射法、電磁輻射法等。
沖擊地壓治理主要從戰略性防御和主動解危兩個方面進行。戰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。