煤炭是我國第一大(dà)能源，是國家能源安全的(de)壓艙石。2021年，煤炭生産了(le)我國56%的(de)電力。在可(kě)以預見的(de)未來(lái)，煤炭仍将是我國能源供給的(de)主力軍。然而，我國煤礦的(de)安全形勢依然嚴峻。2018年10月(yuè)20日，山東龍郓煤礦發生沖擊地壓事故，造成21人(rén)死亡。2018年之後，雖然在全國範圍内關停了(le)一些潛在的(de)沖擊地壓礦井，但相繼又發生了(le)吉林(lín)龍家堡煤礦等多(duō)起較大(dà)的(de)沖擊地壓事故，造成了(le)數十人(rén)死亡。那到底什(shén)麽是沖擊地壓呢(ne)？沖擊地壓通(tōng)常突然發生、沒有任何征兆；能量很大(dà)，堪比地震；破壞性很強，一定距離内的(de)人(rén)員(yuán)和(hé)設備幾乎無一能幸免。簡而言之，沖擊地壓就像是發生在煤礦井下(xià)的(de)地震。大(dà)家覺得(de)地震可(kě)怕吧？沖擊地壓有時(shí)候比地震更可(kě)怕。

沖擊地壓現象

更嚴峻的(de)是，沖擊地壓是典型的(de)深部災害，近年來(lái)由于煤炭開采深度增加，我國的(de)沖擊地壓礦井數量一直居高(gāo)不下(xià)，這(zhè)對(duì)煤炭行業形成了(le)極大(dà)的(de)挑戰。因此，必須弄清楚：爲什(shén)麽會發生沖擊地壓？如何科學防治沖擊地壓？經過長(cháng)期的(de)研究，中國煤炭科工集團煤炭科學研究總院團隊（以下(xià)簡稱“團隊”）将影(yǐng)響沖擊地壓發生的(de)因素概括爲以下(xià) 3 類：物(wù)理(lǐ)屬性、結構特征和(hé)應力水(shuǐ)平，也(yě)就是團隊提出的(de)“三因素”機理(lǐ)。

什(shén)麽是物(wù)理(lǐ)屬性呢(ne)？很多(duō)人(rén)在生活中都玩過橡皮泥，你怎麽壓、它就怎麽變形，永遠(yuǎn)不會發生沖擊的(de)破壞，這(zhè)樣的(de)物(wù)理(lǐ)屬性我們稱爲“無沖擊傾向性”。在生活中掰玉米，有時(shí)候花很大(dà)的(de)力氣它都不爲所動，一旦力氣達到一定程度，它會瞬間斷成兩半。在煤礦井下(xià)有比較硬的(de)煤，你壓它，變形很小，但一旦達到一定條件，破碎的(de)煤塊會像子彈一樣飛(fēi)出去，這(zhè)種性質被稱爲沖擊傾向性。研究對(duì)象就是這(zhè)種有沖擊傾向性的(de)煤。

沖擊傾向性煤

煤有沒有沖擊傾向性可(kě)以通(tōng)過做(zuò)實驗弄清楚，但結構特征就沒那麽容易了(le)。結構指的(de)是裂隙結構，它分(fēn)爲細觀裂隙、中觀裂隙和(hé)宏觀裂隙等。常說的(de)斷層結構和(hé)層理(lǐ)結構就屬于宏觀尺度的(de)裂隙結構。通(tōng)過對(duì)大(dà)量沖擊地壓案例分(fēn)析，團隊發現較爲嚴重的(de)沖擊地壓事故總是伴随著(zhe)裂隙結構的(de)存在，所以團隊第一次提出結構特征對(duì)沖擊地壓的(de)重要影(yǐng)響。然而，結構如何表征和(hé)量化(huà)一直困擾著(zhe)團隊，也(yě)困擾著(zhe)整個(gè)行業。

爲了(le)解決這(zhè)個(gè)問題，來(lái)自中國煤炭科工集團煤炭科學研究總院的(de)王守光(guāng)提出了(le)一套原創性的(de)裂隙結構橢球模型重構數學方法，把難以被表征和(hé)量化(huà)的(de)天然裂隙場(chǎng)，簡化(huà)爲可(kě)以被表征和(hé)量化(huà)的(de)橢球形裂隙場(chǎng)；緊接著(zhe)，構造了(le)2種類型的(de)裂隙張量，可(kě)以簡單地理(lǐ)解爲2類數組，分(fēn)别描述裂隙的(de)方向性和(hé)尺寸特征，這(zhè)就實現了(le)對(duì)煤岩複雜(zá)結構特征的(de)定量表征。團隊正在将這(zhè)一成果與煤礦井下(xià)的(de)結構探測技術結合起來(lái)，定量追蹤裂隙演化(huà)，幫助我們盡早識别危險結構，從而指導沖擊地壓防治。

裂隙張量表征

最後，也(yě)是最重要的(de)影(yǐng)響因素，就是應力水(shuǐ)平。什(shén)麽是應力呢(ne)？應力是截面上某一點單位面積所受的(de)内力。通(tōng)俗地理(lǐ)解，當用(yòng)力壓一個(gè)彈簧，彈簧抵抗變形，從而産生内力，而任意一點單位面積的(de)内力就是應力。應力越大(dà)，煤岩體積攢的(de)能量就越多(duō)，發生沖擊地壓的(de)風險就越高(gāo)，這(zhè)是早期形成的(de)共識。

但是，應力高(gāo)不等于沖擊地壓一定發生，應力不高(gāo)也(yě)不等于沖擊地壓一定不發生。那到底什(shén)麽樣的(de)應力條件更容易誘發沖擊地壓呢(ne)？團隊發現，應力的(de)變化(huà)與沖擊地壓有更強的(de)相關性。它包括時(shí)間上的(de)變化(huà)，稱爲應力率；和(hé)空間上的(de)變化(huà)，稱爲應力梯度。團隊在國内外首次提出将這(zhè)兩種變化(huà)綜合起來(lái)，形成“應力流”這(zhè)樣一個(gè)數學指标，定量描述應力在礦井全時(shí)空的(de)變化(huà)。比如，團隊在内蒙古某礦應用(yòng)時(shí)發現，寬煤柱開采導緻的(de)應力流比較大(dà)。當縮短煤柱尺寸至6米時(shí)，應力流顯著降低，後續監測到的(de)微震信号也(yě)明(míng)顯減少，沖擊地壓發生的(de)風險确實下(xià)降了(le)。除了(le)改變煤柱，團隊還(hái)發展了(le)多(duō)套降低應力流的(de)工程措施。比如，采用(yòng)大(dà)直徑鑽孔卸壓技術，精準降低應力梯度，就像醫學中給病人(rén)疏通(tōng)血管，把血壓降下(xià)來(lái)。或者采用(yòng)超高(gāo)壓水(shuǐ)力割縫技術，切割危險岩體，就像外科手術中爲病人(rén)切除病變的(de)器官等。這(zhè)些方法可(kě)以有效地控制住沖擊地壓的(de)發生。

寬煤柱應力流

窄煤柱應力流

以上成果分(fēn)别發表在煤炭行業中英文旗艦期刊上，獲得(de)了(le)審稿專家的(de)高(gāo)度評價。相關研究成果有幸受到行業中文旗艦期刊《煤炭學報》的(de)推送介紹。團隊也(yě)獲得(de)包括國家科技進步獎在内的(de)多(duō)種獎項。

雖然團隊已經做(zuò)了(le)很多(duō)，但要徹底解決沖擊地壓問題，依然任重道遠(yuǎn)。因爲每一個(gè)礦井都有其獨特的(de)個(gè)性，每個(gè)礦井發生沖擊地壓的(de)原因都各不相同，這(zhè)極大(dà)地增加了(le)防治的(de)難度。然而，在黨和(hé)國家的(de)高(gāo)度重視下(xià)和(hé)人(rén)民群衆殷切期盼下(xià)，煤炭人(rén)一定會牢記使命、砥砺前行，誓爲解決沖擊地壓這(zhè)一世界性難題而奮鬥終身，讓煤礦井下(xià)的(de)每一位礦工兄弟(dì)都能安全地回家。

--來(lái)源：科普中國