0.   引　　言

我国煤矿开采深度正以每年10～25 m的速度向深部延伸^[1-2]。随着开采深度增加，煤层赋存条件愈加复杂，煤炭资源开采面临“三高”灾害威胁，冲击地压风险与日剧增，如何实现冲击地压煤层安全高效智能开采成为我国煤炭产业技术中的重大难题，也是一项世界性工程技术难题。

近年来，国内外学者针对冲击地压发生机理、监测预报与防治技术等进行了广泛而深入的研究，取得了显著成果^[3-6]，冲击地压重特大事故得到了有效遏制，但现有成果很大程度上是以牺牲矿井产量为代价，造成大量优质产能无法释放，与国家要求从根本和源头上消除煤矿冲击地压隐患、实现源头防治的目标仍有很大差距。国内外在冲击地压监测技术与装备研发方面取得了一系列成果^[7-9]，提高了采动应力和煤岩破裂感知能力，但随着开采深度增加，冲击地压灾害的复杂性、突发性和多样性愈发显著，“致灾源找不准、预警效能不高”的难题愈发凸显。现有冲击地压监测指标多是基于岩体为均质和各向同性假设所建立的模型，多参量融合预警指标与模型难以实现冲击源头精准预警，迫切需要解决源头致灾前兆信息及演化模式等难题^[10-12]，实现冲击地压源头的全时空智能预警，突破冲击危险精准预防的技术瓶颈。近年来，煤矿智能化技术与装备发展迅猛，代表着煤炭先进生产力的发展方向^[13-15]，也是冲击地压矿井实现“减人、防灾、提效”发展目标的必由之路，但智能开采与防冲工作存在不融合、不协同的问题，尚难以对冲击致灾信息同步智能感知，智能开采控制系统也难以对冲击危险进行自适应调控，造成防冲与开采系统自主决策、智能响应与协同控制水平较低，难以实现风险预警、主动解危及自卸压开采。

向地球深部进军，要求我们必须解决开采深度增加带来的一系列重大技术问题，以煤矿智能化建设和无人化智能采掘为核心，突破深部冲击地压煤层安全高效智能开采难题，为我国深部资源开发提供技术支撑，也是保障我国主体能源安全的战略要求。

1.   冲击地压煤矿开采现状与难题解析

1.1   冲击地压煤矿开采现状

自1933年发生首例有记录的冲击地压事故以来，我国冲击地压矿井数量持续增加。20世纪80年代前冲击地压矿井数量不超过20座，改革开放后，国家对煤炭资源需求量大幅增加，煤层开采深度逐年增大，冲击地压矿井数量进入快速增长阶段，2017年达到峰值177座^[16]。近年来，随着煤炭去产能及对灾害严重矿井进行严格管控，冲击地压矿井数量出现小幅下降，约减少了40座。根据最新冲击地压矿井调研，截至2023年8月底，我国现有冲击地压矿井141座，分布于山东、陕西、内蒙古、甘肃、黑龙江、新疆、辽宁等13个省（区），总产能超4亿t，约占全国总产能的9.1%，如图1所示。

图  1  我国冲击地压矿井及产能分布情况

Figure  1.  Mine and productivity distribution of rock burst in China

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据不完全统计，我国冲击地压矿井的开采深度为270～1 200 m，平均矿井开采深度超过738 m，如图2所示，冲击地压灾害几乎在各种煤层厚度、煤层倾角、围岩岩性、开采方法的矿井均有发生。

图  2  冲击地压矿井开采深度分布情况

Figure  2.  Mining depth distribution of rock burst mine

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通过对1983—2023年的冲击地压事故进行统计分析发现，我国共发生冲击地压伤亡事故1355起，且主要发生在巷道中，巷道冲击地压事故占比约为93.1%，且巷道发生冲击地压的占比仍在增大，而发生在回采工作面的冲击地压事故则大幅减少，如图3所示。

图  3  我国煤矿巷道冲击地压事故占比变化趋势

Figure  3.  Variation trend of proportion of mine roadway burst accidents in China

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我国煤矿冲击地压灾害性事故在2017—2019年发生最为频繁，发生多起重大冲击地压灾害事故，如红阳三矿“11·11”冲击地压事故，死亡10人；龙郓煤矿“10·22”事故，死亡21人，造成重大社会影响。近年来，随着《防治煤矿冲击地压细则》等法规的颁布，以及对冲击地压煤层开采的管控水平大幅提高，我国煤矿冲击地压事故发生数量明显减少，但随着开采强度、开采深度逐年增加，冲击地压事故呈现出新特征，且冲击地压与其他灾害的复合灾害事故出现频次增多，给冲击地压灾害防治带来了新挑战^[17-18]。

1.2   冲击地压煤矿开采难题解析

冲击地压事故发生机理复杂、影响因素众多，其突发性、多样性、复杂性及大量能量瞬间释放等特征极易造成严重的伤亡事故^[19]。为了降低冲击地压发生风险，需要对冲击地压矿井采取全方位防控措施，在降低冲击地压发生风险的同时，也带来了诸多难题。

1) 全方位防控措施增加了开采成本。根据《防治煤矿冲击地压细则》等法规规定，冲击地压矿井必须健全监测预警、防治、效果检验和解危全方位的治理体系，其中监测和防治措施必须包括区域措施和局部措施等。对应冲击地压防治整体框架体系，措施数量应不少于5项，多种防控措施需要投入大量的作业人员，增加了人员在防控过程中发生事故的可能性，同时增大了矿井开采成本。在防控措施实施过程中产生了大量的监测、效果检验等数据，但作业人员一般仅对数据进行简单处理，进行冲击地压危险性预警或效果评价，未深入挖掘数据隐藏信息，造成数据资源浪费。

2) 限员与防控措施增加的矛盾日益突出。基于生命至上的安全开采理念，国家矿山安全监察局制定了严格的冲击地压矿井限员管理措施：冲击地压煤层的掘进工作面200 m范围内进入人员不得超过9人，回采工作面及两巷超前支护范围内进入人员生产班不得超过16人、检修班不得超过40人。由于冲击地压矿井需要采取多项额外的防控措施，需要配套更多的作业人员，人员限制与防控措施增加产生直接矛盾，导致矿井的生产效率大幅下降。

3) 严格的限产措施影响了矿井生产效率。由于工作面的采掘速度对冲击地压发生风险有较大影响，因此《防治煤矿冲击地压细则》规定：冲击地压矿井应当按照采掘工作面的防冲要求进行矿井生产能力核定，在冲击地压危险区域采掘作业时，应当按冲击地压危险性评价结果明确采掘工作面安全推进速度，确定采掘工作面的生产能力，提高矿井生产能力和新水平延深时，必须组织专家进行论证。《国家煤矿安监局关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》规定：冲击地压矿井应当严格按照相关规定进行设计，生产规模不得超过800万t/a，矿井建成后不得核增产能，非冲击地压矿井升级为冲击地压矿井时，应当编制矿井防冲设计，并按照防冲要求进行矿井生产能力核定。“限速、限产、限增”的规定直接限制了矿井生产能力，并限制了矿井扩大产能的可能性。特别是一些赋存条件简单的大型矿井，在上述规定下不得不大幅度降低产能，严重影响矿井配套设备设施使用效率。

4) 冲击地压出现新特征，防治难度增大。随着越来越多的煤矿进入深部开采，冲击地压出现了新的特征和发展趋势。① 河南义马矿区大型逆冲断层、山东巨厚红土层、鄂尔多斯矿区湖相沉积顶板、新疆乌东急倾斜煤层等极端条件下的冲击地压趋于严重；② 深部高应力、高瓦斯压力、高水压等造成矿井发生冲击地压、煤与瓦斯突出、自然发火、突水、冒顶等复合灾害增多（据不完全统计，冲击地压和煤与瓦斯突出复合灾害矿井47处；冲击地压与冒顶复合灾害矿井98处；冲击地压与自然发火复合灾害矿井62处；冲击地压与突水复合灾害矿井41处），而冲击地压复合灾害发生的门槛更低，灾害发生强度更大、更猛烈，其发生机理更为复杂，治理难度更大；③ 在我国内蒙古、陕西、山西、山东、辽宁、吉林等矿区的矿震呈频发多发态势，矿震多数为“有震无灾”，因此形成了不治理矿震、治理冲击地压的理念，但矿震发生时，地表有明显震感，会引起恐慌，同时有诱发冲击地压的可能。

2.   矿井全生命周期冲击地压防控技术

2.1   矿井建设阶段冲击地压防控技术

矿井建设阶段需要对待开采区域进行地应力测试，确定地应力异常区，并根据地应力测试结果对矿井开拓布局进行优化，最大程度降低冲击地压发生风险。

1) 区域地应力探测与反演。基于水压致裂地应力测量原理，煤炭科学研究院有限公司研制了适用于小孔径（ø31 mm和ø42 mm）的水压致裂地应力压裂装置，并配套了数据采集仪、测量软件，如图4所示。将该测试系统应用于我国东部矿区，成功解决了双鸭山矿区某冲击地压矿井9号煤层安全开采问题^[20]。

图  4  小直径水压致裂地应力测试系统

Figure  4.  Small diameter hydraulic fracturing in-situ stress testing system

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该矿井位于黑龙江双鸭山矿区中部，受多期地质构造运动影响，矿井地质构造复杂，煤层倾角变化较大，区内地应力分布异常，开采期间先后发生60余次不同程度的冲击显现。仅9煤中−下6片工作面就多达17起。为保证9煤左一片的安全回采，采用三维地应力反演技术对开采区域进行冲击危险评估和开采方案优化。首先，基于矿井采掘工程平面图、地质报告和区域内钻孔柱状分布，构建反映现场实际岩体赋存状况的三维计算模型；其次，将初始地应力场的可能形成因素（如自重、构造运动、地下水等）作为回归分析的待定因素，用数值计算的手段获得每一种因素影响作用下地应力实测点位置的计算应力值，并建立反映因变量（实测应力）和自变量（计算应力）两者关系的多元回归方程；再次，利用统计分析的方法（最小二乘法），在残差平方和最小的前提下，求得回归方程中各自变量系数的最优解；最后，将回归系数回代入多元回归方程即得研究区域的初始地应力场。基于地应力场反演得到9号煤层最大主应力分布如图5所示。由图5可知，9号煤层的2个应力集中区分别位于模型左侧向斜轴部附近以及右侧断层附近，其中左侧应力集中区范围最大，最大主应力值达到40 MPa，断层附近应力集中范围相对前者较小，最大主应力在35 MPa。因此，在上述区域进行巷道掘进时应尽量将巷道轴线与最大主应力方位保持一致，同时采用摩擦式增阻锚索强化巷道支护强度，并采用煤层注水、煤层卸载爆破、深孔断顶等防冲措施进行卸压，最终实现了工作面安全回采。

图  5  9号煤层最大主应力平面

Figure  5.  Maximum principal stress plane of No.9 coal seam

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2) 开拓布局优化。鄂尔多斯某矿煤层赋存条件简单，开采深度大约700 m，主采煤层厚度平均5.3 m，区段煤柱为30 m，11盘区311102和311103工作面终采线至大巷距离只有60 m。矿井原设计没有考虑冲击地压问题，开拓开采部署如图6所示^[16]。首采工作面（311101）开采时，没有明显的动力破坏现象发生。当回采第2工作面时，开始出现冲击地压现象甚至冲击地压事故。为此，根据矿区地应力主控方向，改变原11盘区南北向巷道布置方案为东西向布置，停止11盘区开采，调整为矿区南北两侧12盘区和13盘区联合开采，改“两进一回”式巷道布置为“一进一回”式布置，取消30 m大区段煤柱，改为6 m小煤柱送巷，工作面终采线至大巷距离不小于200 m。采取上述措施后，对顶板进行预处理，冲击地压现象显著下降，未发生破坏性、事故性的冲击地压。

图  6  原有及调整后开拓部署平面

Figure  6.  Original and adjusted development deployment plan of a certain mine

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2.2   矿井回采阶段冲击地压防控技术

煤层开采扰动极易诱发冲击地压事故，通过留设小煤柱、进行上覆岩层压裂、充填开采、离层注浆等技术可以消除巷道应力异常区、减少煤层开采扰动诱发冲击地压事故的风险。

1) 窄煤柱留设。大量研究表明，回采过程中15～30 m的护巷煤柱，在覆岩作用下储存大量的弹性能，极易诱发煤柱型冲击地压。采用窄煤柱护巷，能够使煤体高应力区域向实体煤一侧转移，实现煤柱型冲击地压防治。

鄂尔多斯地区某矿不同煤柱宽度下的煤柱垂直应力分布模拟结果如图7所示。随着煤柱宽度的增加，煤柱内的应力为先增加后减小，宽10 m煤柱的垂直应力最高，达到133.54 MPa。当煤柱宽度≤10 m时，煤柱应力呈单峰分布，峰值位置基本在煤柱中心，当煤柱宽度＞10 m时，应力分布曲线逐渐由单峰向双峰发展。图中8 m煤柱应力整体低于12 m和15 m煤柱的应力。由于煤柱宽度过大会浪费煤炭资源，而煤柱宽度过小（低于5 m）则不利于巷道维护，因此确定最优的小煤柱宽度为5～8 m。

图  7  不同煤柱宽度下的煤柱垂直应力分布

Figure  7.  Vertical stress distribution of coal pillars under different coal pillar widths

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通过优化巷道临空侧向顶板破断结构，优化窄煤柱的支护工艺，矿井最终采用6 m小煤柱进行护巷，并随着煤柱留设工艺的改进，目前煤柱宽度已经降低至4.0～5.5 m，不仅提高了工作面煤炭资源采出率，而且降低了煤柱内的峰值应力，消除了巷道内的应力异常区，大幅降低了巷道冲击地压发生风险。

2) 井上下联合卸压技术。近年来，基于千米定向钻车的成功应用，针对中高位覆岩的治理也得到快速发展，形成了包含煤层大直径卸压钻孔、厚硬底板断底爆破、低位顶板水力压裂等技术的采场围岩冲击地压力构协同防控技术体系，如图8所示。对垂深50～100 m覆岩顶板与垂深100～200 m覆岩顶板，开展后退式分段压裂，钻孔长度500～3000 m，压裂半径超30 m，结合采场围岩的低位顶板水力压裂技术，形成了井上下联合压裂技术，对于冲击地压防治提供了新技术、新装备^[21-22]。

图  8  井上下联合卸压技术

Figure  8.  Downhole combined pressure relief technology

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3) 置换充填开采技术。置换充填开采技术通过充填体对围岩变形进行控制，同时可以有效提高煤炭资源采出率。根据充填材料的差异，主要分为膏体充填开采技术、固体充填开采技术、高水充填开采技术等。

置换充填开采技术可以有效降低煤层开采对围岩的扰动，从而降低冲击地压发生风险。根据国家智能化矿山建设及“十四五”整体发展规划要求，形成了配套的智能充填开采技术，通过建设完整的“采−选−充”一体化置换充填开采系统，实现了充采装备智能化、辅助运输连续化、劳动组织高效化、生产系统集约化，同时大幅降低了矿井冲击地压发生风险。

4) 地面高位离层注浆减沉技术。地面高位离层注浆技术是在地面制浆站将粉煤灰等固废泵送至覆岩高位离层区域内，在泵注压力的作用下，泵送材料对离层取进行充填压实，减少上覆岩层弯曲下沉，消除煤层开采在上覆岩层中形成的应力异常区，从而降低冲击地压事故发生风险。

地面高位离层注浆技术作为重要的覆岩减沉技术之一，在煤矿覆岩控制中被广泛应用^[23]，如图9所示，注浆材料的力学特性和流动特性以及泵注压力等直接影响支撑区强度，从而影响对冲击地压的防控效果。随着智能化开采技术装备的发展，研发智能化注浆系统将大幅提升防冲作业的智能化水平。

图  9  地面高位离层注浆防冲技术示意

Figure  9.  Schematic of anti-scour technology of grouting of high level separated layer on ground

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3.   巷道围岩自适应抗冲击支护技术

冲击地压智能防治技术可以减少传统冲击地压防治措施的施工量及作业人员数量，提高矿井防冲效率，实现矿井的安全高效开采^[24-26]。根据冲击地压发生的应力和能量条件可知，吸能防冲液压支架能够对巷道冲击地压实现有效防控。为此，研发了全巷协同智能自适应抗冲击支护技术装备，其主要包括吸能防冲液压支架、支架智能化运移装置、支架智能化监测预警系统和全巷协同自适应抗冲击支护智能化设计方法。

1) 吸能防冲液压支架。巷道支架的支护强度和吸能能力是防控巷道冲击地压的关键，即支架既要在正常支护状态下提供高支护强度，又要在突发围岩冲击时快速让位吸能，并且让位过程中始终对围岩保持稳定的支护力，维护巷道的完整性。吸能装置是吸能防冲液压支架设计的难点与关键。通过大量试验，研制出了用于吸能防冲液压支架的诱导式吸能装置^[27]，包括折纹诱导式吸能装置和波纹诱导式吸能装置，具有可控变形、高吸能比、高阻力变让位、强支撑等优点，满足各种类型与型号的支架防冲性能需求，如图10所示。

图  10  折纹诱导式和波纹诱导式吸能装置

Figure  10.  Corrugation-induced and wave-induced energy absorption devices

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将吸能装置与液压支架合理结合，研发形成了门式、垛式、自移式、单元式等多种形式的巷道吸能防冲液压支架，如图11所示。以门式吸能防冲液压支架为例，该吸能液压支架主体由高强度的顶梁、抗底鼓底座和三支吸能液压立柱组成^[28]。高强度的顶梁能够有效控制顶板的稳定性；底座可以抑制巷道底鼓；吸能装置安装于液压立柱下部，与立柱一起承担支架的静载或冲击动载。支架在巷道缓慢变形过程中，支护阻力会逐渐增加，当达到液压支柱工作阻力时，支柱的安全阀会自行开启进行排液泄压，此时液压支柱通过慢速让位，可以保护支架静态压力下不超载，从而避免巷道围岩−支架系统达到失稳临界点。而巷道一旦突发围岩冲击，使支架支护阻力瞬时增加、超过吸能装置让位阻力阈值时，吸能装置立即启动变形让位、吸收冲击能，通过一个快速的、不超过200 mm的让位过程，迅速缓解自身受到的冲击载荷作用，保护立柱及整个支架结构不被冲击载荷损坏，并能够避免巷道严重变形或垮塌。

图  11  巷道吸能防冲液压支架

Figure  11.  Suction and anti-impact hydraulic support for roadway

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通过进行试验测试，吸能防冲液压支架单架最大可吸收的冲击能量超过1.0×10⁶ J，是同类型普通液压支架的11倍，见表1。门式吸能液压支架和自移式吸能液压支架联合支护的巷道，最大可抵御释放能量为10⁸ J以上的冲击地压。

表  1  普通支架与防冲液压支架性能对比

Table  1.  Comparison of performance between ordinary support and anti-impact hydraulic support

液压支架类型	可抵御释放能量/kJ
	有吸能装置	无吸能装置	吸能比
门式	940	140	6.71
单元式	760	135	5.63
自移式	1056	96	11.0
垛式	800	175	4.57

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2) 支架智能化运移装置。巷道防冲液压支架使用过程中，随工作面的回采，液压支架不断的搬运，一次搬运距离为超前支护距离。巷道防冲液压支架重量大，人工搬运效率低，影响生产效率。基于此，研发了巷道液压支架智能化装、卸机器手，实现对液压支架搬运过程的远程智能化操作。

3) 支架监测预警系统。为提高吸能装备的防冲效果，研制了巷道防冲支护装备监测预警系统，系统由决策层、传输层和感知层组成，如图12所示。感知层核心部件为矿用液压支架智能监控仪，由矿用姿态感知传感器、矿用激光位移传感器、矿用本安型压力传感器等组成，可实时监测支架的支护位姿状态、应力状态和变形状态，并将监测数据实时传输至决策层，应用大数据处理技术，智能预判巷道发生冲击地压的风险，并对吸能支架进行调控。

图  12  巷道防冲支护装备监测预警系统

Figure  12.  Monitoring and early warning system for anti-impact supporting equipment of roadway

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4) 全巷协同自适应抗冲击支护智能化设计方法。采用巷道防冲吸能支护进行冲击地压防治，不仅吸能支护装备要满足防冲要求，吸能支护与巷道围岩的协同作用也至关重要，决定了吸能支护与围岩吸能和应力场调控效果，进而提升冲击地压防治效果，同时，吸能支护的布置必须与冲击地压机理、发生特征结合。基于此，提出冲击地压巷道全巷协同自适应抗冲击支护智能化设计方法，主要包括冲击地压巷道自适应支护控制理论、防冲应力安全和能量安全设计系数、多支护装备自适应协同多模块设计等，如图13所示。

图  13  冲击地压巷道全巷协同自适应抗冲击支护智能化设计方法

Figure  13.  Intelligent design method for coordinated adaptive anti-impact support of all roadway under rock burst

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冲击地压巷道自适应支护控制理论主要研究巷道冲击地压围岩与支护动态互馈机制，建立巷道在力学性能、冲击历程、空间结构智能化自适应支护控制理论；防冲应力安全和能量安全设计系数用于吸能支架参数确定；多支护装备自适应协同多模块设计从巷道支护设计所涉及的“工程采扰环境”“煤岩属性”和“支护装备”等3个方面构建设计平台。冲击地压巷道全巷协同自适应抗冲击支护智能化设计方法与防冲吸能液压支架、防冲吸能液压支架智能化运移装置、巷道防冲支护装备监测预警系统等构成完备的冲击地压巷道智能化吸能支护防治体系。

吉林省龙家堡矿采深超过1 000 m，具有坚硬顶板、大断层，冲击危险性高，2019年6月5日发生冲击地压事故，造成9人死亡，面临停产关井的命运。针对513复产工作面，根据矿井冲击地压发生临界应力和最大释放能量，设计了“门式+垛式”吸能液压支架组合支护的支护形式，支护超前距离200 m。工作面在整个回采过程中发生了3次能级为10⁶ J大能量事件，均未引起巷道变形破坏而发生冲击地压，确保了工作面安全开采。

4.   采煤工作面智能防冲开采系统

4.1   智能开采系统防冲原理与关键技术

目前，冲击地压防治措施主要分为：弱化煤体的冲击倾向性、冲击地压超前预测预警、卸压解危与合理支护等^[29]，工作面智能开采系统则主要通过对采动应力、覆岩断裂等进行监测预警，并通过控制工作面推进速度及支护强度最大程度降低冲击地压发生概率，必要时还应辅以卸压解危等综合防治措施。

为了提高冲击地压工作面智能化开采水平，近年来研发了采煤工作面防冲智能开采系统，通过构建工作面三维地质模型、采动应力演化模型、冲击地压预测预警数据驱动模型等，结合微震监测数据对上覆岩层断裂层位、结构进行反演分析，融合各种数据算法的预测结果，判断冲击地压发生的概率，并根据预测结果对工作面采煤机割煤速度、液压支架支护强度等进行调整，最大程度降低冲击地压发生的可能性。

1) 工作面地质建模与监测技术。通过对待开采工作面进行钻探、物探等地质探测，结合工作面两巷、开切眼揭露的煤层地质信息，构建工作面高精度三维地质模型，并通过微震、地音等监测技术对工作面回采过程覆岩断裂情况进行实时监测；同时，对工作面液压支架的压力数据进行实时监测，并采用数据分析算法对工作面来压步距、来压强度等进行预测，综合分析预测冲击地压发生的可能性、位置及强度。

2) 液压支架自适应调控与解危技术。通过在采煤工作面配备SAS采煤机系统、SAC液压支架电液控系统，对工作面的采煤机、液压支架进行智能联动控制。完成透明地质模型的网格化后，将电液控制系统的智能监测控制节点与地质模型的网格数据融合，跟机工艺智能节点和地质网格进行点对点协同，实现冲击地压预测模型与电液控制系统的高度融合。基于上述冲击地压监测、预测、预警技术，对工作面的采动应力场、覆岩断裂结构、应力异常区等进行监测预警，形成围岩支护控制决策结果，并对液压支架的支护力、支护姿态进行智能控制，如图14所示。

图  14  液压支架多源信息感知与自适应调控

Figure  14.  Multi-source information sensing and adaptive control of hydraulic support

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3) 采煤机智能调速与解危技术。根据冲击地压预测结果，通过SAS采煤机系统对采煤机的截割模版进行优化，如图15所示，控制采煤机在采动应力异常区的截割深度、割煤速度、滚筒转速等，最大程度降低开采活动对采动异常区的扰动。建立采煤机顶、底滚筒轨迹预设模型和液压支架推进度预设模型，将推采工艺进行融合分析，形成“机−架”协同推采智能截割调控。根据对历史数据样本、地质模型和采−支状态各阶段参数进行综合分析，优化冲击地压防治策略，最大程度防治冲击地压。

图  15  采煤机规划截割模版

Figure  15.  Shearer planning cutting template

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4.2   冲击地压工作面智能开采实践

赵楼煤矿5305工作面主要开采山西组3号煤层，煤层埋深约715 m，煤层平均厚度6.8 m，平均倾角10°，工作面长度189 m，推进长度1 129.4 m。工作面基于防冲智能开采系统对地质数据、应力数据等进行监测，采用定位算法、主事件定位算法和粒子群优化算法等多种算法融合的方式，并利用卷积神经网络、生成对抗网络等对数据进行分析处理，建立冲击地压预测预警数据模型，煤岩冲击波监测结果如图16所示，相关监测、预测、预警结果通过SAC电液控系统和SAS采煤机系统对工作面设备进行智能调控。

图  16  冲击地压事件中煤岩冲击波监测结果

Figure  16.  Monitoring results of shock wave in coal and rock during rock burst events

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融合采煤工作面液压支架数据监测结果，确定液压支架与采煤机的智能调控策略，如图17所示。5503综放工作面自2022年6月采用智能开采系统进行生产，通过智能开采系统共监测到124次煤岩地质应力变化，以SAC电液控系统和SAS采煤机系统优化液压支架支护力与支护姿态共736次，远程优化采煤机割煤工艺调整841次。截至2023年9月14日，工作面统计在册冲击地压事件中，微冲击45次，弱冲击6次，中等冲击、强烈冲击与灾害性冲击均未发生，工作面生产人员由13人减为7人，智能开采系统取得了较好的运行效果。

图  17  “井地孔”一体化覆岩结构反演技术与装备结构

Figure  17.  Reformation technology and equipment structure of integrated overburden structure of “well ground hole”

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5.   煤矿冲击地压监测预警系统

5.1   冲击地压灾害数据监测

冲击地压的核心是应力问题。监测预警是感知、研判高应力状态下煤岩体表现出的各类特征信息、前兆信息。应力的影响因素有很多，主要受地质环境、采场应力环境和采场覆岩结构等影响。采场应力环境的监测方法主要可以分为：岩石力学法和地球物理法，矿井常用的监测手段有微震监测、应力监测、钻屑量监测等，灾害严重矿井还采用地音、电磁辐射、电荷等进行监测，同时辅助常规的矿压监测系统，冲击地压灾害监测数据的种类多达十余种。

1) 采场应力环境监测技术。应力监测系统能直接测量采场应力集中程度，直接反映采动应力场的演化趋势，为冲击地压灾害的监测预警提供较为明确的判断依据。

冲击地压矿井应建立全生命周期应力监测系统，实现矿井全生命周期煤岩体应力监测^[30]。应研发矿区尺度、矿井尺度和巷道尺度的煤岩体应力长时稳定和瞬时连续监测系统，攻克矿井全生命周期煤岩体应力监测技术，解决冲击地压“监测难”的问题，为冲击危险识别和源头防治提供基础数据支撑。

2) 采场覆岩结构监测技术。采场覆岩结构决定了采场的应力环境，常规的卸压解危措施仍然无法消除解危时，人们才意识到采场覆岩结构对应力环境的影响，所以需要研究采掘空间近远场、高位岩层直至地表的全尺度覆岩结构监测原理与方法，研发“宽频震动反演−背景噪声成像−孔间位移实测”的一体化监测技术，研发“井地孔”联合震动场监测系统、“一孔多点”覆岩运动监测系统、密集台阵覆岩形态连续探测系统、采动沉降地表多参量观测系统，如图17所示，实现矿井覆岩结构全尺度精准还原。

采场覆岩结构及运动状态，断层、褶曲等地质构造分布及形态，是冲击地压灾害防控的基础，是决定冲击地压防治“一矿一策、一面一策”的关键。在煤矿智能化建设“一盘棋”的大背景下，采场覆岩结构监测技术能够为冲击地压灾害防治系统提供地质基础数据，开展探采地质信息的相互反馈，实现三维地质模型、智能开采数据和冲击地压防治数据深度融合，从底层构建智能防冲体系。

5.2   冲击地压灾害智能预警

1) 冲击地压灾害数据库建设。数据是冲击地压灾害智能预警的前提。冲击地压灾害是工程问题，灾害的发生与煤矿的煤层赋存、地质构造、历史事故信息等矿井基础数据，采煤、掘进、巷道布置、煤柱留设等矿井生产数据，保护层开采情况、大直径钻孔卸压、顶板预裂爆破等灾害治理数据，以及反映灾前采场应力变化的微震、钻孔应力、钻屑量等监测数据息息相关。冲击地压灾害预警首先需要解决好2个问题，“存什么”和“怎么存”。“存什么”：灾害分析需要的数据类型以及各类型数据的核心关键字段，并据此建立灾害预警数据库。2023年4月国家矿山安全监察局发布了《煤矿感知数据联网接入规范 第5部分：冲击地压》对其中的部分监测数据的采集做出了明确具体的要求；“怎么存”：海量、多元、异构数据的灵活存储和高效检索，报告、矿图、报表等文件的集成管理。

生产信息数据化、灾害数据资源化，完成不同系统间数据的共享、打通数据孤岛，解决矿井多源异构数据利用效率低、治理数据难以数字化的问题，是煤矿冲击地压智能预警的基础。

2) 冲击地压灾害分类预警。冲击地压灾害预警要根据冲击地压灾害的类型来确定主控因素，确定预警的关键指标。根据多年的生产实践，现场出现的冲击地压常分为4类，即采动应力和自重应力主导的煤体型、煤体弹性能释放主导的煤柱型、厚硬岩层破断主导的顶板型、断层活化主导的断层型。

从多源异构、高度复杂的数据中挖掘出冲击地压灾害的前兆信息，开展煤矿冲击地压数据多元离散特征提取方法和关键致灾因素定量化分析方法，包含大能量事件预测、周期来压预测、应力集中区预测等数据分析模型，构建煤矿冲击地压灾害分类分级综合预警指标库和预警模型库，从原始信息、特征信息、决策信息3个数据级处理信息融合问题，根据不同的监测区地质、生产条件，自主优化模型确定的预警的规则和参数。

3) 冲击地压灾害智能预警系统。煤矿冲击地压灾害智能预警系统集数据自动采集、综合处理、实时动态传输、前兆信息智能识别、灾害危险预测预警等多种关键技术为一体，以矿井工作面推进度、掘进面进尺、煤柱留设、工作面布置等生产信息，以及煤层赋存、埋深、断层、褶曲等矿井信息为基础，利用微震/地音、钻孔应力、锚杆/索应力、支架阻力、电磁辐射、钻屑量、巷道变形量等监测数据，煤炮、片帮、冒顶、锚杆/锚索失锚（拉断）等井下事件信息和煤层注水、顶板预裂爆破、煤层爆破、大直径钻孔卸压等卸压解危信息，内置一套基于数据挖掘技术的学习型分析预警模型，随着数据总量和灾害特征信息的增加，通过自身学习快速提高冲击地压类型等级划分、数据演化趋势预判、宏观风险评估水平和灾害预警准确率，形成“一矿一模型、一矿一对策”的差异化防冲决策管理体系。

6.   思考与建议

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采，是以冲击地压煤层为典型场景，以煤矿智能化技术装备为核心内涵的一项行业战略性重大产业技术难题，并不仅仅限于传统冲击研究范畴。随着我国煤炭开采逐渐走向深部，冲击地压等严重工程灾害凸显，冲击地压源头防治和无人化智能开采是消除冲击隐患、有效防范遏制重特大事故、实现安全高效开采的根本途径。智能化防控技术装备是有效提升冲击地压防控水平根本保证。

1) 以煤矿智能化顶层设计为基础，加强冲击地压煤安全高效智能开采技术体系构建，设立国家自然科学基金重大专项、国家重点研发专项、重点产业工程示范项目等，开展有组织攻关。

2) 推进智能源头防冲的基础理论和技术研究。针对深部开采条件复杂，灾害耦合叠加，难以兼顾，无法实现从开采设计源头防冲的问题，研究井上下大范围区域卸压“人造解放层”技术，并将其融入到矿井智能安全高效开采设计中。实现冲击地压煤层先压后建、先压后掘、先压后采，为深部煤矿开采创造低应力的安全开采环境，形成深部冲击地压煤层智能安全高效开采设计的新理论和新方法。

3) 加强防冲预警、卸压解危与智能开采的融合技术研究与应用。针对目前智能开采与防冲技术存在脱节，由此造成防冲设计与采掘工程相分离、防冲预警与智能开采不相融，难于满足主动卸压、智能联动、高效开采的问题,为实现矿井智能安全高效开采，需攻克深部冲击地压大断面巷道快速掘进，自适应抗冲击高强支护，无人少人作业等关键技术难题。在精准地质、风险感知、融合预警、智能调控、卸压开采等关键技术难题进行突破。通过煤岩冲击风险的智能感知与预警，以及采掘工程的自适应与自优化，形成适用于矿井生命全周期的智能让压、低压、卸压开采的防冲控采新技术。使冲击地压矿井由工程致灾向工程防灾、工程减灾的根本转变，最大限度实现防冲、减冲、无冲，有助于将大量深部煤炭资源由冲击风险产能向安全产能，先进产能转变。

4) 加快冲击地压智能精准解危与效果智能动态评估技术装备研究。受现有监测技术水平的限制，冲击地压发生的时间、空间和强度均无法做到准确预测，导致解危工程的实施及解危后的效果评估趋于盲目，矿井防冲工作往往顾此失彼，疲于奔命，事倍功半，不仅浪费大量人力物力，而且造成巨大的人员安全风险。因此，需要研发适用于采矿工程全生命周期区域应力与覆岩结构全尺度的连续监测技术与装备，实现冲击地压灾变机理与动力学过程透明定量化，构建多场耦合冲击地压灾变预测理论，形成冲击危险区域精准智能判识与预警技术。

5)构建“5G+ABCD”支撑技术体系，即5G与人工智能（ AI）区块链（Blockchain）、云计算（Cloud Computing）、大数据（Big Data）等新信息技术的紧密结合，支撑建立国家煤矿安全生产综合智能化大平台，建设统一的煤矿冲击地压等灾害动态监控数据系统、智能化采掘工作面动态数据系统等。推动将全国煤矿生产的各环节危险源、高危作业岗位等信息纳入平台，进行重大工程作业全流程安全管控，构建基于工业互联网的安全感知、监测、预警、处置及评估体系，提升行业安全生产数字化、网络化、智能化水平，实现灾害的智能预测预警、救援快速响应、应急资源快速配置。

6) 加强国际合作。波兰、俄罗斯在冲击地压机理与监测预警方面处于世界领先地位。我国冲击地压研究虽然起步较晚，但近年来在防冲技术、智能开采装备方面不断取得突破，相关技术已赶超世界先进水平。加强与世界先进采矿国家在智慧矿山与智能开采方面的国际合作，为深部煤炭资源智能安全高效开采提供中国技术和中国方案，提高我国在智慧矿业和矿山灾害防治领域的国际影响力。