冲击地压与突出矿井掘进工艺优化研究

引言

我国煤炭资源开发持续向深部延伸，高地应力、高瓦斯压力、强采动扰动的复合地质力学环境成为常态，冲击地压与煤与瓦斯突出灾害在掘进过程中相互诱发、互为激化的风险急剧攀升。此类复合动力灾害破坏性强、预测难度大，现有掘进工艺常难以有效应对其复杂性，易导致卸压盲区、灾害时空预警滞后等问题，引发重大安全事故。因此，亟需突破传统单一灾害防控思路，构建基于灾害耦合机理、面向掘进全流程的工艺优化体系。本研究旨在深入剖析灾害耦合作用机制，系统梳理现有工艺瓶颈，提出融合地质勘探、卸压工程、智能监测与施工管理的掘进工艺多维优化策略，提升矿井在复杂地质条件下的本质安全水平。

一、冲击地压与煤与瓦斯突出灾害耦合机理剖析

冲击-突出灾害在掘进过程中存在复杂的力学与能量耦合作用。高地应力环境造成围岩储能高度集中，构成冲击地压发生的势能基础；掘进机械作业形成的强扰动则成为触发岩体失稳的关键动载荷。同时，高瓦斯压力环境下的煤体在剧烈应力调整过程中更易发生失稳破坏，吸附瓦斯快速解吸形成气体膨胀能，进一步加剧抛射动力效应。两种灾害在能量积聚、触发机制及动力显现方面相互交织、彼此促进，形成“应力集中—瓦斯富集—强扰动触发”的灾害链。冲击震动产生的动载可破坏煤体原生结构，显著降低其突出所需临界应力阈值；突出诱发的煤体瞬间抛出又可造成应力场剧烈重分布，诱发局部应力集中升级为冲击地压。这种耦合致灾机制要求掘进工艺必须具备同时化解应力集中风险与瓦斯抽采阻力的能力。

二、现行掘进工艺的主要缺陷与局限性

现有掘进工艺在应对冲击-突出复合灾害时存在显著不足。灾害预测预报环节对地质构造精细探查不足，难以精确圈定危险区域范围及等级；常规的应力解除措施如超前钻孔卸压，其参数设计往往缺乏对瓦斯赋存状态及双重灾害耦合效应的针对性考量，导致钻孔布置密度与深度难以满足双重卸压需求，易遗留应力-瓦斯复合灾害隐患。工作面局部防突措施如排放钻孔，难以有效作用于深部高应力区，卸压效果有限。施工组织方面，灾害防治工程与掘进工序常相互干扰，如密集卸压钻孔施工占用大量有效掘进时间，制约整体效率。现有工艺未能形成地质探测、灾害防治与掘进施工在时空上的协同决策机制，导致防灾效能低下且资源投入重复浪费。

三、掘进工艺优化核心路径：卸压解危协同技术体系

工艺优化的核心在于构建“时空协同”的卸压解危技术体系。空间维度上，需实施“远近结合”的差异化卸压策略：在掘进工作面前方较长距离区域优先部署大直径深孔卸压钻孔，重点削弱深部岩体储能水平并引导瓦斯提前缓慢释放；临近工作面区域则采用高密度定向水力割缝或可控松动爆破技术，对煤体实施精细切割与弱化，高效解除应力集中并增大煤层透气性。时间维度上，将卸压工程严格嵌入掘进循环流程，利用掘进设备检修间隙同步施工关键卸压工程，最大限度减少对掘进作业干扰。关键技术突破包括研发大孔径定向长钻孔精准钻进装备以实现深部高效卸压，开发低扰动高渗透性煤层改性材料以强化瓦斯抽采效果，以及基于地质力学模型优化的爆破卸压参数智能设计方法，确保卸压工程的高效性与安全性。

四、智能监测预警与动态调控的核心地位

智能化监测预警系统是实现掘进工艺动态调控的关键支撑。构建覆盖掘进全区域的微震、地音、电磁辐射等多元地球物理监测网络，通过高灵敏度传感器阵列捕捉煤岩体破裂事件的时空演化规律与能量释放特征，实时解析围岩应力场动态迁移路径。同步集成工作面瓦斯浓度、流量动态感知系统及围岩移近量自动监测装置，构建多源异构数据的标准化传输与融合分析平台，形成感知应力场-裂隙场-瓦斯场动态耦合状态的多参数综合监测网络。依托大数据融合分析与人工智能算法，深度挖掘煤岩声发射主频变异、电磁辐射脉冲频次激增、瓦斯涌出动态异常等灾害前兆的关联性特征，建立冲击-突出耦合灾害危险性的多模态智能判识模型，实现灾害风险等级的实时分级预警与空间定位。基于预警信息及掘进工程响应数据，动态优化卸压钻孔空间布局、水力割缝能量阈值及爆破卸压时序参数，形成“实时监测—智能预警—动态调控—效能反馈”的闭环管理模式，确保掘进过程始终处于可控的安全阈值之内。

五、工程组织与安全管理的协同优化框架

高效的工程组织与严格的安全管理是优化工艺落地的根本保障。建立地质、采矿、通风、安全多专业协同决策机制，通过定期联席会议与信息化共享平台实现灾害风险动态研判与措施联动响应。制定精细化的“一面一策”施工规程，明确不同地质构造区、应力梯度区及瓦斯富集区的差异化作业标准，配套分级应急处置预案。优化施工循环设计，将地质探测、卸压工程、瓦斯抽采、安全监测等工序无缝嵌入掘进流程，利用智能调度系统实现工序衔接的时空协同，推行平行交叉作业模式以提升综合效率。严格实施掘进扰动强度管控，基于煤岩动力响应阈值设定单循环进尺上限与机械截割参数动态调整规则，避免诱发围岩应力急剧瞬变。强化现场作业人员对复合灾害前兆的辨识能力与应急处置技能培训，引入虚拟现实技术模拟灾害场景演练，提升实战响应能力，确保安全规程刚性执行。建立工艺执行效果的后评估与反馈优化机制，通过灾害防控效能量化评估指标构建工艺动态优化闭环，持续改进工艺体系。

结论

深部矿井掘进过程中冲击地压与煤与瓦斯突出的复合灾害，本质上源于高地应力、高瓦斯压力与强采动扰动的多场耦合作用，其灾害链呈现“应力集中—瓦斯富集—能量协同释放”的复杂动力学机制。本文通过揭示灾害耦合的致灾原理，系统诊断出现行掘进工艺在超前地质探查精度、卸压解危针对性及多工序协同效率等方面的核心缺陷。针对性地提出以“时空协同卸压技术体系”为内核的工艺优化框架：空间维度通过差异化深孔预卸压与近场精准弱化技术，同步化解应力集中与瓦斯抽采阻力；时间维度依托智能监测预警系统对微震-电磁-瓦斯多源信息融合分析，实现灾害风险动态分级与卸压参数的实时优化；工程管理层面则构建多专业协同决策机制与“一面一策”精细化管控流程，确保工艺全链条落地效能。该框架通过地质保障、智能防控与管理协同的三维联动，显著提升掘进作业的本质安全水平，为深部复杂地质条件下煤炭资源的安全高效开发提供关键技术支撑，未来需进一步攻关低扰动高效卸压技术与智能判识模型的工程适用边界。

参考文献：

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