淺談沖擊礦壓防治技術(shù)及形成機(jī)理分析

遲德友

（龍煤集團(tuán)雙鴨山分公司安泰煤礦，黑龍江 雙鴨山 155130）

1 沖擊礦壓概述

沖擊礦壓定義為：礦山井巷和采場(chǎng)周圍煤、巖體由于變形能釋放而產(chǎn)生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。沖擊礦壓是煤礦開采中典型的動(dòng)力災(zāi)害之一，通常是在煤、巖力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，以突然、急劇、猛烈的形式釋放的彈性能，導(dǎo)致煤巖層瞬時(shí)破壞并伴隨有煤粉和巖石的沖擊，造成井巷的破壞及人身傷亡事故。隨著開采深度的增加，沖擊礦壓已經(jīng)成為日益威脅煤礦的安全生產(chǎn)的要災(zāi)害之一。

2 沖擊礦壓的機(jī)理分析

2.1 沖擊礦壓的影響因素

1）開采深度的影響

開采深度越大，沖擊礦壓發(fā)生的可能性也越大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，波蘭煤礦發(fā)生沖擊礦壓時(shí)的采深與沖擊次數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示（縱坐標(biāo)為沖擊指數(shù)Wt，即開采百萬噸煤炭的沖擊礦壓次數(shù)；橫坐標(biāo)為采深H）。而我國(guó)各煤礦首次發(fā)生沖擊礦壓的采深為200m到600m之間不等。我國(guó)部分煤礦發(fā)生沖擊礦壓時(shí)的開采深度情況如表1所示。

圖1 波蘭采深與沖擊礦壓的關(guān)系

表1 我國(guó)部分煤礦發(fā)生沖擊礦壓時(shí)的采深

2 )易于發(fā)生沖擊礦壓的圍巖結(jié)構(gòu)

易于發(fā)生沖擊礦壓的圍巖結(jié)構(gòu)可歸納為：在煤層頂、底板至少有一層堅(jiān)硬巖層。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)分析方法，易于發(fā)生沖擊礦壓的圍巖大致可以概括為七種力學(xué)結(jié)構(gòu)類型（如圖3所示），分別為堅(jiān)硬－堅(jiān)硬－堅(jiān)硬型、堅(jiān)硬－堅(jiān)硬－軟弱型、堅(jiān)硬－軟弱－堅(jiān)硬型、堅(jiān)硬－軟弱－軟弱型、軟弱－堅(jiān)硬－堅(jiān)硬型、軟弱－堅(jiān)硬－軟弱型、軟弱－軟弱－堅(jiān)硬型。

圖2 易于發(fā)生沖擊的覆巖結(jié)構(gòu)

2.2 沖擊礦壓的發(fā)生機(jī)理

1）強(qiáng)度理論

最早的強(qiáng)度理論從傳統(tǒng)的強(qiáng)度觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為煤巖體強(qiáng)度達(dá)到應(yīng)力極限時(shí)就會(huì)形成沖擊礦壓。近代強(qiáng)度理論著眼于"礦體-圍巖"力學(xué)系統(tǒng)極限平衡條件的分析與推斷，認(rèn)為煤巖體的承載能力應(yīng)是"礦體一圍巖"系統(tǒng)的強(qiáng)度，導(dǎo)致煤巖體破壞的決定性因素不僅僅是應(yīng)力值的大小，而是應(yīng)力與強(qiáng)度的比值。

2）能量理論

隨著采掘范圍的不斷擴(kuò)大，礦（巖）體發(fā)生破壞，引起"礦體－圍巖"系統(tǒng)的力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時(shí)，若其釋放的能量大于所消耗的能量，則產(chǎn)生沖擊礦壓。

3）沖擊傾向理論

該理論認(rèn)為發(fā)生沖擊礦壓的介質(zhì)都具有一些特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，即介質(zhì)的沖擊傾向性，當(dāng)其大于規(guī)定的極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生沖擊礦壓。

4）煤巖失穩(wěn)理論

該理論認(rèn)為：根據(jù)巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如圖4所示），在AC階段，煤、巖體抗變形的能力不斷增大，介質(zhì)穩(wěn)定；而CE階段，外界荷載的大小超過了其應(yīng)力峰值，使得煤、巖體抗變形的能力迅速減小，介質(zhì)處于非穩(wěn)定的狀態(tài)，外界極小的擾動(dòng)都可能使其失穩(wěn)，導(dǎo)致大量的能量瞬間釋放而形成沖擊礦壓。

圖4 巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5）“三準(zhǔn)則”理論

"三準(zhǔn)則"理論是我國(guó)學(xué)者李玉生在總結(jié)強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向性理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)外的研究結(jié)果所提出來的。該理論認(rèn)為，強(qiáng)度理論是煤巖體的破壞準(zhǔn)則，而能量準(zhǔn)則和沖擊傾向性準(zhǔn)則是突然破壞準(zhǔn)則，因而只有當(dāng)這三個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足時(shí)，才能發(fā)生沖擊礦壓。

6）“三因素”機(jī)理

"三因素"機(jī)理是齊慶新從煤巖體結(jié)構(gòu)特性的角度，研究沖擊礦壓發(fā)生的機(jī)理時(shí)提出來的。該理論認(rèn)為，沖擊礦壓多發(fā)生在斷層、煤層變化等構(gòu)造區(qū)域，沖擊礦壓與煤巖體結(jié)構(gòu)具有密切關(guān)系。3沖擊礦壓的防治研究

3.1 沖擊礦壓防治原則

避免高應(yīng)力的形成；保證與最大地應(yīng)力方向平行采煤與掘進(jìn)；擴(kuò)大應(yīng)力釋放范圍，以降低應(yīng)力集中程度與應(yīng)力釋放速度；控制煤層儲(chǔ)存能量的條件；控制頂板能量的突然釋放與加載；改善底板中的支承能力并加大煤層和頂板的變形；優(yōu)先開采無沖擊傾向性的煤層和無沖擊危險(xiǎn)煤層；最大限度的降低構(gòu)造對(duì)沖擊礦壓的影響。

3.2 沖擊礦壓防治措施

1）整體防治

合理的開采技術(shù)。開拓布置、開采方法的合理布置對(duì)避免形成高應(yīng)力集中和能量大量積聚，非常重要就，也是防治沖擊礦壓的關(guān)鍵。我國(guó)陶莊礦水采區(qū)開采方案的選擇與試驗(yàn)是這方面較為典型的實(shí)例。該礦采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，沖擊危險(xiǎn)大，針對(duì)不同地質(zhì)條件采取不同的采場(chǎng)布置形式（如水采常規(guī)布置方式、避峰跳采布置方式和多區(qū)段聯(lián)合開采方式），有效地控制了沖擊礦壓的發(fā)生。

開采保護(hù)層。在進(jìn)行多煤層的井下開采時(shí)，每一層煤的開采工作都相互影響，因此，在設(shè)計(jì)階段就要規(guī)定煤層群的協(xié)調(diào)開采，先開采沒有沖擊危險(xiǎn)的煤層，解放沖擊危險(xiǎn)的煤層，達(dá)到降低沖擊礦壓潛在的危險(xiǎn)性的目的。

煤層預(yù)注水方法。沖擊煤層物理力學(xué)特性變化的試驗(yàn)和提高煤的濕度試驗(yàn)，是研究煤層高壓注水工藝的基礎(chǔ)。波蘭上西里西亞礦井中的回采工作面主要采用兩種煤層注水工藝，短孔注水法和長(zhǎng)孔注水法。目前該項(xiàng)技術(shù)日趨完善，歐美國(guó)家已將其廣泛用于降塵、沖擊礦壓防治和瓦斯突出。

厚層堅(jiān)硬頂板處理。厚層堅(jiān)硬頂板易引起沖擊礦壓，一是回采工作面上方厚層堅(jiān)硬老頂?shù)拇竺娣e懸頂和冒落，會(huì)引起煤層和頂板內(nèi)的應(yīng)力高度集中。二是工作面和上下平巷附近直接巖石的懸露，會(huì)引起不規(guī)則垮落和周期性增壓，給工作面頂板管理和巷道維護(hù)造成困難。目前較為有效的處理方法是頂板注水軟化、爆破斷頂。

2）局部防治

卸壓爆破：卸壓爆破是對(duì)具有沖擊礦壓危險(xiǎn)的局部區(qū)域，用爆破方法減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施。世界上幾乎所有國(guó)家在開采有沖擊危險(xiǎn)的煤層時(shí)，都把卸壓爆破作為主要的解危措施之一。

誘發(fā)爆破：誘發(fā)爆破是在監(jiān)測(cè)到有沖擊礦壓危險(xiǎn)的情況，利用較多藥量進(jìn)行爆破，人為誘發(fā)沖擊礦壓，從而避免更大損害。

鉆孔卸壓：采用大直徑鉆孔減緩沖擊危險(xiǎn)，此法基于鉆孔沖擊。利用鉆孔周圍形成的破碎區(qū)的貫通作用，使煤層破裂卸壓。

3.3 沖擊礦壓技術(shù)展望

通過對(duì)沖擊礦壓影響因素、發(fā)生機(jī)理及防治措施的分析研究，其中一些不足的地方，比如說，應(yīng)充分考慮地應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系對(duì)沖擊礦壓的影響；對(duì)于沖擊礦壓煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)的更深入研究；此外沖擊礦壓的有效預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)以及控制等等都應(yīng)該作為今后進(jìn)一步的研究方向。

結(jié)束語

隨著礦井開采范圍的擴(kuò)大，開采深度的加深以及開采難度的加大，地質(zhì)條件和開采條件越來越復(fù)雜，沖擊礦壓災(zāi)害日趨嚴(yán)重。通過對(duì)沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理的研究分析，采取綜合性的防治措施，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下對(duì)沖擊礦壓認(rèn)真地進(jìn)行測(cè)定和預(yù)測(cè)工作，對(duì)具體情況采取有效地防治措施，從而有效降低沖擊礦壓發(fā)生的次數(shù)和強(qiáng)度，避免或減少?zèng)_擊礦壓帶來的傷害事故，保證礦井的安全生產(chǎn)。

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