【煤炭学报】潘一山教授：冲击地压矿井安全性研究 ｜ “冲击地压与岩石动力学”专题
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创新点（1）总结得到：冲击地压破坏的范围是有限的、冲击地压释放的能量是有限的、矿井围岩应力集中大小是有限的，只要能够控制冲击地压发生后巷道断面收缩率在20%以内，则可避免人员伤亡，因此，提出冲击地压是可防可控的观点。（2）基于冲击地压扰动响应失稳理论，提出冲击地压矿井安全性的概念，给出安全性评价与设计需要考虑的2个方面，即应力安全性和能量安全性。其中，应力安全性以围岩变形系统的实际受载应力与失稳临界应力的比值作为应力安全系数；能量安全性以围岩变形系统失稳释放能量与围岩-支护系统可吸收能量的比值作为应力安全系数。（3）提出在评价冲击地压发生的可能性和危险等级基础上，再根据防冲设计和矿井防冲能力进行安全性评价，评价冲击地压防治的可靠性和安全等级，包括临界条件、安全系数、安全等级。（4）将矿井冲击地压安全性划分为A、B、C三级，分别对应：安全、基本安全和不安全。其中，应力安全系数大于1.5且能量安全系数大于1.0，为A级安全矿井，矿井具备防冲能力，可以正常进行开采；应力安全系数大于1.0且能量安全系数大于1.5，为B级基本安全矿井，矿井具备防冲能力，可以正常进行开采；安全系数非A级和非B级，则为C级不安全矿井，矿井不具备防冲能力或应暂停开采活动。（5）以某矿为例，给出了矿井安全性评价的完整流程和评价结果。最后给出了全国部分冲击地压矿井的应力安全系数和能量安全系数。
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冲击地压矿井安全性研究
作者：潘一山1, 2, 3 ，肖永惠1 ，罗 浩1 ，王 岗1 ，施天威1单位：1. 辽宁大学 物理学院;2. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院;3. 东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室研究背景 RESEARCH BACKGROUND 冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一，目前全国有冲击地压矿井146处。国家矿山安全监察局发布的《防治煤矿冲击地压细则》第九条规定：“在矿井井田范围内发生过冲击地压现象的煤层，或者经鉴定煤层(或者其顶底板岩层)具有冲击倾向性且评价具有冲击危险性的煤层为冲击地压煤层，有冲击地压煤层的矿井为冲击地压矿井”。目前，对于冲击地压矿井关注的是发生冲击地压的危险性，对矿井冲击危险性进行评价，包括对矿井、煤层、水平、采区、工作面、大巷和硐室的危险性进行评价，评价给出冲击危险性等级和危险区域划分，评价结果作为防冲设计和矿井实施冲击地压管理的依据。但由于缺少对防冲设计的可靠性和矿井防冲能力综合评判这一关键环节，一些冲击地压矿井虽然采取了防冲措施，但依然发生了冲击地压。
实际上，在一些岩土工程中，通常会对受载结构体进行安全性评价，并采用安全系数来评价安全的程度，如基坑抗隆起的安全系数、边坡稳定性安全系数、坝体安全系数，及隧道围岩稳定性安全系数。但是，目前冲击地压矿井在评价和治理方面尚未提出安全性的概念及评价方法。矿井巷道、工作面的围岩及其支护体系是井巷工程的主要受载结构体，是完全有必要进行安全性评价的。针对冲击地压矿井，在原来冲击地压危险性评价基础上，对采煤工作面和巷道等进行安全性设计，对于冲击地压区域上合理开采布局、开采解放层、断顶、留小煤柱等，局部上煤层注水、卸压爆破、大直径钻孔等防治措施，对于支护上加强工作面支护强度、掘进及开采巷道支护间排距阻力等支护措施，不仅给出相应的防冲设计，还要计算这些防冲设计的安全系数，确保从开采设计开始已经对冲击地压防治进行了计算，给出安全系数。同时，由于矿井的地质开采条件的复杂性，实际开采过程中和开采设计出现的情况，会有很大不同，要通过监测确定的冲击危险区域采取预防或解危措施，这时也应该对措施实施后的安全性进行评价，给出安全系数。
笔者首先研究提出冲击地压矿井安全性的基本理念，发现冲击地压破坏后的区域是有限的；冲击地压矿井围岩应力集中大小是有限的；冲击地压释放的能量是有限的；冲击地压矿井在危险性评价基础上还应进行安全性评价；冲击地压矿井的安全性评价可以转化为巷道安全性评价；冲击地压发生后控制巷道断面收缩率在20%以内基本可以避免人员伤亡。在此基础上，笔者提出冲击地压不发生条件和发生不造成人员伤亡条件。给出因此提出矿井在进行冲击危险性评价、划分危险等级以及防冲设计后，还需要进行安全性评价，包括临界条件、安全系数的计算和划分安全等级。安全性评价可作为安全生产监督、检查的依据，也可以作为煤矿安全生产、复工复产、产能核定、采掘速度变更等依据。
摘要 ABSTRACT针对当前冲击地压矿井缺少对防冲设计的可靠性和对自身防冲能力综合评判的环节，导致一些冲击地压矿井虽然采取了防冲措施，但依然发生冲击地压这一现状。参考了岩土工程中采用安全系数来评价安全程度这种办法，提出了冲击地压矿井安全性的基本理念。通过调研发现：冲击地压造成的破坏范围占所在工作面总的作业范围比例是有限的；矿井巷道围岩应力集中大小是有限的，应力集中系数基本介于1～6；冲击地压事故释放的能量都不大于10^9 J级，即冲击地压释放的能量是有限的；冲击地压矿井的安全性评价可以转化为巷道安全性评价，即保证了巷道安全就保证了整个矿井安全；冲击地压发生后控制巷道断面收缩率在20%以内基本可以避免人员伤亡。因此，指出冲击地压是可防可控的。进而提出冲击地压不发生的条件和发生不造成人员伤亡的条件，即分别为：巷道围岩变形系统的实际受载应力低于巷道失稳发生冲击地压的临界应力；围岩变形系统失稳释放能量低于围岩?支护系统可吸收能量。并提出矿井在进行冲击危险性评价、划分危险等级以及防冲设计后，还需要进行安全性评价，包括临界条件、安全系数的计算和划分安全等级。基于冲击地压扰动响应失稳理论，给出安全性评价需要考虑的2个方面：应力安全性和能量安全性。其中，应力安全性由围岩变形系统的实际受载应力与失稳临界应力的比值(即应力安全系数)来判断；能量安全性由围岩变形系统失稳释放能量与围岩?支护系统可吸收能量的比值(即能量安全系数)来判断。进而将矿井安全性划分为A、B、C三级，分别对应：安全、基本安全和不安全。其中，应力安全系数大于1.5且能量安全系数大于1.0，为A级安全矿井，矿井具备防冲能力，可以正常进行开采；应力安全系数大于1.0且能量安全系数大于1.5，为B级基本安全矿井，矿井具备防冲能力，可以正常进行开采；安全系数非A级和非B级，则为C级不安全矿井，矿井不具备防冲能力或应暂停开采活动。以某矿为例，给出了矿井安全性计算的完整流程和评价结果。最后给出了全国部分冲击地压矿井的应力安全系数和能量安全系数，并结合这些矿井的实际冲击地压发生情况，验证了安全系数计算结果的可参考性，从而说明安全性评价方法具备一定的可靠性和实用性。部分图片
图 1 冲击地压位置统计
图 2 巷道力学分析模型
图 3 煤体单轴压缩双线性本构模型
图 4 能量传播至巷道围岩与支护系统示意
图 5 修正系数与岩体(围岩)单轴抗压强度的拟合
图 6 105采掘工程平面
图 7 巷道应力安全系数分布
作者简介
潘一山，男，1964年5月11日生，丹东东港人。教授、博士生导师，著名力学专家，辽宁大学党委书记。2015和2019年中国工程院院士增选有效候选人，2018年入选辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才、国家“万人计划”领军人才，兼任国际岩石力学与岩石工程学会中国国家小组副主席，国家安全生产专家组矿压与顶板组组长，中国煤炭学会煤矿动力灾害专业委员会、中国煤炭工业协会防冲击地压专家委员会主任。以第一完成人获国家科技进步二等奖3项，获第二届全国创新争先奖、第十四届光华工程科技奖、第三十一届孙越崎能源科学技术奖能源大奖，获得“全国优秀科技工作者”称号。
研究方向
煤矿冲击地压
主要成果
致力于煤矿冲击地压的发生机理、预测、监测及防治等相关研究工作。建立了冲击地压扰动响应失稳理论，研发了煤岩微震、电荷及吸能支架等监测防治装备，解决了冲击地压矿井安全开采的重大技术难题，以第一发明人获中国发明专利30件，美国发明专利2件，以第一和通讯作者发表SCI/EI学术论文70余篇，出版专著1部（独著），制定并发布6项相关国家技术标准，科研成果被写入我国《防治煤矿冲击地压细则》等法规文件，在全国冲击地压矿井执行。指导培养博士37名、硕士70名及一批青年人才，为我国煤矿安全生产做出了重大贡献。
来源：
潘一山，肖永惠，罗浩，等. 冲击地压矿井安全性研究[J]. 煤炭学报，2023，48(5):1846?1860.
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来 源 : 煤炭学报