深部矿井冲击地压预警与防治关键技术研究

一、引言

煤炭作为我国重要的基础能源，在能源结构中占据主导地位。随着浅部煤炭资源的逐渐减少，煤炭开采向深部拓展成为必然趋势。然而，深部矿井开采面临诸多挑战，其中冲击地压灾害尤为突出。冲击地压是指在矿井开采过程中，井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。其发生机理复杂，影响因素众多，具有突发性、高强度和破坏性等特点，严重威胁着深部矿井的安全生产，制约着煤炭资源的高效开发。因此，深入研究深部矿井冲击地压预警与防治关键技术，对于保障矿井安全生产、提高煤炭开采效率具有重要的现实意义。

二、冲击地压发生机理

2.1 高应力作用

深部矿井所处的地质环境具有高地应力特征。随着开采深度的增加，上覆岩层的自重应力增大，同时构造应力也可能在深部积聚。高地应力使煤岩体处于高应力状态，储存了大量的弹性应变能。当煤岩体局部应力集中超过其强度极限时，就可能引发冲击地压。例如，在一些深部矿井中，实测地应力达到几十兆帕甚至更高，远远超过浅部矿井的应力水平，这种高应力环境为冲击地压的发生提供了能量基础。

2.2 煤岩特性影响

煤岩的物理力学性质对冲击地压的发生具有重要影响。具有冲击倾向性的煤岩，如脆性大、弹性模量高、泊松比小的煤岩，在受到外力作用时，能够储存较多的弹性应变能，且在破坏时能量释放迅速，容易引发冲击地压。此外，煤岩的强度、硬度、完整性等特性也会影响冲击地压的发生。例如，坚硬厚煤层或顶板岩层，在开采过程中难以垮落，容易积聚大量能量，一旦发生破断，就可能引发强烈的冲击地压。

2.3 开采扰动触发

矿井开采活动对煤岩体的原始应力状态产生扰动，打破了煤岩体的力学平衡，从而触发冲击地压。采煤工作面的推进、巷道掘进、采动引起的煤柱应力集中等开采扰动，都可能使煤岩体中的应力重新分布，导致局部应力集中。当应力集中程度超过煤岩体的承载能力时，就会引发冲击地压。例如，在采煤工作面接近断层、褶曲等地质构造时，开采扰动与构造应力相互叠加，冲击地压发生的概率显著增加。

三、冲击地压预警技术

3.1 微震监测技术

微震监测是目前冲击地压预警中应用较为广泛的技术之一。通过在矿井中布置微震传感器，实时监测煤岩体在变形破坏过程中产生的微震信号。微震信号的能量、频次、震源位置等参数能够反映煤岩体内部的应力变化和损伤演化情况。当煤岩体临近冲击地压发生时，微震活动会呈现出明显的增强趋势，如微震能量急剧增加、频次大幅上升等。通过对微震数据的实时分析，可以及时捕捉到这些异常变化，为冲击地压预警提供依据。

3.2 地应力监测技术

准确掌握地应力状态对于冲击地压预警至关重要。地应力监测方法包括水压致裂法、应力解除法等。通过在矿井不同位置进行地应力测量，建立地应力场模型，分析地应力的分布规律和变化趋势。当开采活动导致地应力场发生异常变化，如应力集中区域的出现、应力梯度增大等，预示着冲击地压发生的风险增加。结合地应力监测数据与其他监测信息，可以更准确地评估冲击地压的危险性。

3.3 数据融合与机器学习技术

单一的监测技术往往难以全面准确地预测冲击地压。数据融合技术可以将微震监测、地应力监测、电磁辐射监测等多种监测手段获取的数据进行综合分析，充分利用各监测数据的优势，提高预警的准确性和可靠性。同时，机器学习技术的应用为冲击地压预警提供了新的思路。通过对大量历史监测数据和冲击地压案例的学习，建立冲击地压预测模型，如神经网络模型、支持向量机模型等。这些模型能够自动提取数据中的特征信息，实现对冲击地压发生概率和危险程度的定量预测，为矿井采取针对性的防治措施提供科学依据。

四、冲击地压防治技术

4.1 开采设计优化

合理的开采设计是预防冲击地压的关键环节。在矿井开拓布局时，应充分考虑地质条件和地应力分布情况，尽量避免在高应力区、地质构造复杂区布置采煤工作面和巷道。优化采煤方法和开采顺序，采用长壁开采、无煤柱开采等先进的开采技术，减少煤柱的留设，降低应力集中程度。例如，采用沿空掘巷技术，避免巷道重复受采动影响，有效降低冲击地压发生的风险。同时，合理确定采煤工作面的推进速度，使煤岩体的应力调整与开采速度相适应，避免因开采速度过快导致应力集中过大。

4.2 煤岩体卸压技术

煤岩体卸压是防治冲击地压的重要手段。常见的卸压方法包括煤层注水、深孔爆破、水力压裂等。煤层注水通过向煤层中注入高压水，使煤体湿润软化，降低煤体的强度和弹性模量，增加其塑性变形能力，从而减少煤体中弹性应变能的积聚。深孔爆破和水力压裂则是通过在煤岩体中形成裂隙，释放煤岩体中的应力，降低应力集中程度。例如，在采煤工作面超前支承压力影响范围内，采用深孔爆破卸压措施，在煤体中形成一定范围的破碎区，有效降低了冲击地压发生的危险。

4.3 支护与加固技术

加强巷道和采煤工作面的支护与加固，提高煤岩体的稳定性，对于防治冲击地压具有重要意义。采用高强度、高刚度的支护材料和支护方式，如锚杆锚索支护、U 型钢支架支护等，增强煤岩体的承载能力。同时，可采用注浆加固技术，对破碎的煤岩体进行注浆，填充裂隙，提高煤岩体的整体性和强度。在冲击地压危险区域，还可采用防冲吸能支护装置，如防冲液压支架、吸能锚杆等，在冲击地压发生时能够吸收部分能量，减少对巷道和设备的破坏。

五、结束语

深部矿井冲击地压预警与防治是一项复杂的系统工程，涉及地质、力学、采矿、监测等多个学科领域。通过对冲击地压发生机理的深入研究，掌握其内在规律，为预警与防治技术的研发提供了理论基础。在预警技术方面，多种监测手段的综合应用以及数据融合与机器学习技术的发展，显著提高了冲击地压预警的准确性和可靠性。在防治技术方面，开采设计优化、煤岩体卸压和支护与加固等技术的有机结合，形成了一套较为完善的冲击地压防治体系。然而，冲击地压问题仍然具有一定的复杂性和不确定性，未来还需要进一步加强基础研究，不断完善预警与防治技术，提高深部矿井冲击地压的防控水平，确保深部矿井的安全生产和煤炭资源的可持续开发。

参考文献

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