深部煤矿开采冲击地压预警与防治技术研究

一、引言

我国煤炭资源开采已进入深部化阶段，埋深超 1000 米的矿井数量逐年增加。深部煤矿面临的高地应力、高渗透压及强烈开采扰动，使冲击地压发生频率和强度显著提升。冲击地压作为典型的煤岩动力灾害，其瞬时释放的能量可导致巷道垮塌、设备损毁甚至人员伤亡，严重威胁煤矿生产安全。目前，现有预警技术存在响应滞后、单一参数误报率高的问题，防治措施的针对性和时效性仍需提升。因此，开展深部煤矿冲击地压预警与防治技术研究，揭示灾害孕育规律，研发高效防控技术，是当前煤矿安全领域的迫切需求。

二、冲击地压发生机理

2.1 煤体力学特性演化规律

深部煤体在高地应力作用下呈现显著的非线性力学特征，其弹性模量随埋深增加呈指数增长，而泊松比则表现为阶段性跃升。煤体内部裂隙发育受应力路径影响，在三轴应力状态下，原生裂隙闭合 - 新裂隙萌生 - 贯通的全过程伴随着弹性能的快速积聚。当煤体应力达到极限强度的 85% 以上时，进入塑性强化阶段，此时微小扰动即可触发能量瞬时释放，形成冲击地压。

2.2 应力场分布特征

深部煤矿应力场由自重应力、构造应力及采动应力叠加构成，其中构造应力占比可达总应力的 40‰ 。采空区形成的应力集中系数随开采深度增加而增大，在煤柱边缘易形成 2-3 倍原始应力的高峰区。应力梯度超过 5MPa/m 时，煤体进入不稳定状态，成为冲击地压潜在危险源。

2.3 开采扰动的耦合效应

开采过程中的巷道布置方式对扰动效应影响显著。矩形巷道的应力集中系数比圆形巷道高 20%-30% ，在高应力区易产生角部应力集中现象。多煤层开采时，上层煤采空区形成的残余应力会对下层煤开采产生显著影响，当上下煤层间距小于 30m 时，下层煤工作面超前支承压力会与上层煤采空区残余应力形成叠加，导致应力集中程度大幅提升。

三、预警技术体系构建

3.1 多参量监测技术

采用分布式光纤传感技术实现煤体变形全域监测，空间分辨率达0.5m ，可捕捉微米级位移变化；微震监测系统通过 16 通道三分量传感器阵列，实现震源定位误差 ≤5m ，能量监测下限达 10³J ；地应力实时监测采用钻孔应力计，采样频率设为 1Hz ，量程覆盖 0-100MPa ，确保捕捉应力突变信号。

电磁辐射监测技术通过布置在巷道周边的天线阵列，实时采集煤体破裂产生的电磁辐射信号，频率响应范围为 10kHz-1MHz ，可识别煤体裂纹扩展的细微变化。瓦斯浓度监测采用激光光谱技术，实现 0.100% CH₄浓度的实时测量，分辨率达 0.01% ，当瓦斯浓度出现异常波动时，可间接反映煤体应力状态的变化。这些多参量监测手段相互补充，形成了全方位的监测网络。

3.2 数据融合与预警模型

基于边缘计算架构构建多源数据融合平台，对微震事件频次、应力增长率、电磁辐射强度等 12 项特征参数进行时空关联分析。引入改进的长短时记忆网络（LSTM）建立预警模型，通过滑动窗口算法实现 10 分钟级短期预测，模型准确率达 92.3% ，误报率控制在 5% 以内。设置红、黄、蓝三级预警阈值，对应不同应急响应机制。

数据预处理阶段采用小波阈值去噪算法，有效滤除工业电磁干扰和机械振动噪声，使信号信噪比提升 40% 以上。特征工程环节通过主成分分析（PCA）对高维特征进行降维处理，保留 95% 以上的特征信息，减少模型计算量。模型训练过程中采用交叉验证法，将数据集分为训练集（ 70% ）、验证集（ 15% ）和测试集（ 15% ），通过动态调整学习率和正则化参数，避免模型过拟合。

3.3 动态预警阈值优化

考虑煤层厚度、倾角及顶底板岩性差异，建立地质条件修正系数矩阵。通过现场实测数据反演，实现预警阈值的动态调整，使高风险区域预警灵敏度提升 30% ，低风险区域抗干扰能力增强 40% ，有效解决了固定阈值适应性不足的问题。

针对不同开采阶段的预警需求，设置差异化的阈值调整策略。在巷道掘进阶段，重点关注应力集中系数和微震能量参数，阈值调整幅度为 ± 15% ；在回采阶段，则强化对煤体变形速率和电磁辐射参数的监测，阈值调整幅度为 ±20‰ 。同时，结合季节性地应力变化规律，建立月度阈值修正模型，使预警系统在不同时间段均能保持良好的适应性。

四、防治技术体系

4.1 源头卸压技术

定向水力压裂技术采用 Φ90mm 大孔径钻孔，通过可调角度喷头实现裂隙定向扩展，压裂半径达 8-12m ，使煤体单轴抗压强度降低 30%-40% ；深孔预裂爆破采用分段装药结构，单孔装药量控制在 50-80kg ，延期时间设置为 25-50ms ，确保裂隙均匀发育，弹性能释放率提升至 65% 以上。

水力割缝技术作为补充卸压手段，采用高压水射流在煤体中形成宽度20-30mm 的割缝，深度可达 5-8m ，通过改变煤体的力学边界条件，促进应力向深部转移。对于坚硬顶板，采用顶板深孔爆破技术，钻孔布置呈扇形分布，孔深 15-20m ，通过控制爆破能量使顶板形成预裂面，降低顶板突然垮落引发的冲击风险。这些卸压技术的组合应用，可实现不同深度、不同范围的煤岩体卸压。

4.2 过程控制技术

研发高预应力让压支护系统，采用 25mm 直径高强度锚杆，初始预紧力达 300kN，配套恒阻让压装置实现 20-30mm 可控变形，支护阻力达800kN/m² ；采空区充填采用高水速凝材料，2 小时强度达 3MPa，充填率2 95% ，有效控制顶板下沉量在 50mm 以内，减少应力传递。

巷道断面设计采用拱形结构，其高宽比控制在 1.2-1.5 之间，相比矩形断面可降低应力集中系数 20‰ 。在破碎煤岩体区域，采用锚网索喷联合支护，喷射混凝土强度等级为 C25，厚度达 100-150mm ，与锚杆、锚索形成整体承载结构。同时，在工作面端头设置加强支护段，长度不小于10m ，采用双列锚索布置，进一步提高支护系统的整体稳定性。

4.3 智能调控技术

智能调控系统包含感知层、网络层和应用层三个层级。感知层由各类传感器组成，实现开采环境和设备状态的全面感知；网络层采用工业以太网和 5G 混合组网方式，确保数据传输的实时性和可靠性，传输时延控制在 50ms 以内；应用层通过三维可视化平台实现数据的综合展示和智能决策，可自动生成开采参数调整方案，并通过远程控制模块实现设备的自动调节。该系统的应用，实现了冲击地压防治从被动应对到主动防控的转变。

五、结束语

深部煤矿冲击地压预警与防治技术研究取得了阶段性成果，多参量协同监测体系实现了灾害的早期识别，三级防治技术框架提升了防控的系统性和针对性。但随着开采条件日益复杂，仍需在以下方面深化研究：一是煤体在多物理场耦合作用下的损伤演化机制，二是预警模型的自学习与自适应能力，三是卸压效果的实时评估方法。未来应推动 “ 监测 - 预警 - 防治” 一体化技术发展，通过智能化与信息化深度融合，构建具有自主决策能力的冲击地压防控系统，为深部煤矿安全开采提供全方位技术保障。

参考文献：

[1]徐宇,李孜军,贾敏涛,等.深部矿井热害治理协同地热能开采构想及方法分析[J].中国有色金属学报,2022,32(05):1515-1527.

[2]徐百超.深部矿井开采过程中的多场耦合特征[J].山东煤炭科技,2021,39(03):159-162.

[3] 郝 文 琦 . 深 部 矿 井 开 采 中 的 矿 压 控 制 研 究 [J]. 能 源 与 节能,2018,(09):20-21.