煤礦沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù)研究

陳帥　任鄧君

【摘 要】煤礦作為重要的能源來(lái)源，加強(qiáng)其安全生產(chǎn)管理具有非常重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)，加強(qiáng)沖擊地壓的防治技術(shù)研究顯得尤為重要。沖擊地壓屬于礦井動(dòng)力現(xiàn)象，也是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式，時(shí)常會(huì)伴隨有巨大的聲響、煤巖體被拋向采掘空間和氣浪等現(xiàn)象發(fā)生。因此，為了保證開(kāi)采人員的安全和采礦作業(yè)的順利進(jìn)行，就必須要加強(qiáng)安全管理，做好災(zāi)害的防治工作。基于此，文章對(duì)煤礦沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù)進(jìn)行分析，并提出解決對(duì)策，以期能夠提供一個(gè)借鑒。

【關(guān)鍵詞】煤礦沖擊地壓；發(fā)生機(jī)理；防治技術(shù)

1.煤礦沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理分析

沖擊地壓，是礦山井巷和采場(chǎng)周?chē)簬r體，在受外界擾動(dòng)失穩(wěn)時(shí)，由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然劇烈震動(dòng)破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。沖擊地壓是礦山壓力的一種顯現(xiàn)形式，其特點(diǎn)是：時(shí)間斷、速度快、能量大。造成瞬間破壞大，防護(hù)難度大等。

1.1開(kāi)采深度

高家堡煤礦為彬長(zhǎng)礦區(qū)埋深最大的礦井，設(shè)計(jì)首采工作面埋深達(dá)800m，據(jù)調(diào)研，臨近胡家河煤礦埋深640m，主采4煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，投產(chǎn)不久即面臨著沖擊地壓的威脅。高家堡煤礦與胡家河煤礦同屬彬長(zhǎng)礦區(qū)，地質(zhì)條件類(lèi)似，且埋深遠(yuǎn)大于胡家河煤礦，在一盤(pán)區(qū)開(kāi)拓大巷掘進(jìn)過(guò)程中，就發(fā)生了明顯的動(dòng)力現(xiàn)象。過(guò)大的深度會(huì)加大煤巖體的荷載，在開(kāi)采的過(guò)程中巷道周?chē)簬r體要承受過(guò)大的壓力，一旦壓力超過(guò)巖體或煤體所能承載的彈性極限，很容易在瞬間發(fā)生能量釋放，最終發(fā)生沖擊地壓。

1.2地質(zhì)動(dòng)力因素

主要包括采深、地質(zhì)構(gòu)造及煤巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性等。開(kāi)采深度的加大使地應(yīng)力值增加。一般在達(dá)到一定開(kāi)采深度后才開(kāi)始發(fā)生沖擊地壓，此深度稱(chēng)為沖擊地壓臨界深度。總的趨勢(shì)是隨采深增加，沖擊危險(xiǎn)性增加。高家堡煤礦一盤(pán)區(qū)存在兩處較大范圍的凹陷構(gòu)造（西園凹陷），水平構(gòu)造應(yīng)力作用更為顯著，對(duì)于沖擊地壓影響較大。斷層附近構(gòu)造應(yīng)力變化較大，采掘擾動(dòng)可能帶來(lái)斷層的活化，發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)也會(huì)明顯增加。煤層局部含水量大，硬度較大，鉆進(jìn)過(guò)程中，排粉困難，易發(fā)生卡鉆、抱鉆、斷鉆桿等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約卸壓孔鉆進(jìn)速度。寬緩向斜軸部易于形成沖擊地壓斷裂猶如一個(gè)開(kāi)采邊界，若回采方向朝向斷層面，則沖擊危險(xiǎn)增加煤層傾角和厚度局部突然變化地帶，實(shí)際是局部地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力積聚地帶，因而極易發(fā)生沖擊地壓。沖擊危險(xiǎn)較大煤的強(qiáng)度高、彈性模量大、含水量低、變質(zhì)程度高、暗煤比例大，一般沖擊傾向較強(qiáng)。

1.3頂板巖層特點(diǎn)

對(duì)于掘進(jìn)巷道而言，工程尺寸較小，因此直接頂?shù)男再|(zhì)是影響頂板穩(wěn)定的主要因素。對(duì)于回采工作面，在4煤煤層上方300m范圍內(nèi)，厚度超過(guò)10m的巖層達(dá)到了10層之多，且均為細(xì)砂巖與中砂巖頂板，個(gè)別為粉砂巖頂板，為沖擊地壓發(fā)生提供力源條件。頂板根據(jù)GB/T25217.2-2010規(guī)定了煤的沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法，經(jīng)鑒定，高家堡礦井4煤屬于III類(lèi)，具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層；4煤的頂、底板巖層均屬于II類(lèi)，為弱沖擊傾向性的頂、底板巖層。

1.4開(kāi)采及技術(shù)因素

開(kāi)采多煤層時(shí)，任何造成應(yīng)力集中的因素，如開(kāi)采程序不合理、本層回采不干凈、相鄰兩層開(kāi)采錯(cuò)距不合適等，均對(duì)防治沖擊地壓不利。從防治沖擊地壓的角度而言，壁式開(kāi)采優(yōu)于柱式開(kāi)采，旱采優(yōu)于水采，直線工作面優(yōu)于曲線工作面，冒落法優(yōu)于充填法。煤柱和開(kāi)采邊界是最主要的應(yīng)力集中因素，應(yīng)盡量避免和減少這些因素的有害影響。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐表明沖擊地壓往往伴隨著并下生產(chǎn)過(guò)程的某些工序如爆破、冒頂、只煤等而發(fā)生。這些因素稱(chēng)為誘導(dǎo)因素，誘導(dǎo)因素本身的能量可能很小，但其誘發(fā)沖擊地壓的放力作用是可觀的。因而，誘導(dǎo)因素也是發(fā)生沖擊地壓的一個(gè)不可忽視的因素。

2.煤礦沖擊地壓的防治技術(shù)

2.1建立健全沖擊地壓防治責(zé)任體系

科學(xué)完善的采煤工作，不僅要引進(jìn)先進(jìn)的采煤技術(shù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，更重要的是提高安全防范意識(shí)，重視專(zhuān)業(yè)防沖責(zé)任體系的建設(shè)。煤礦企業(yè)應(yīng)該根據(jù)煤礦開(kāi)采的實(shí)際情況制定相應(yīng)的防治沖擊地壓防止責(zé)任體系。

2.2煤礦沖擊地壓預(yù)測(cè)方法

（1）巷道變形量。在距工作面煤壁50～100m處兩順槽巷道兩幫以及頂?shù)撞苛咳〕跏紨?shù)值，然后每天進(jìn)行觀測(cè)記錄。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析巷道變形量的大小，巷道變形報(bào)警參數(shù)設(shè)置為30cm。

（2）礦壓在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器型號(hào)及數(shù)量：如表1所示：

監(jiān)測(cè)內(nèi)容：支架的初撐力和支架的工作阻力。

監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置：工作面的礦壓監(jiān)測(cè)布置應(yīng)按常規(guī)進(jìn)行，即三個(gè)測(cè)區(qū)（端頭測(cè)區(qū)和中間基本測(cè)區(qū)）。

（3）錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)。在距工作面煤壁50～80m處，兩順槽巷道兩幫及頂部錨桿露頭處安裝型號(hào)為MYJ-30-B錨桿測(cè)力計(jì)，錨桿測(cè)力計(jì)最大報(bào)警參數(shù)設(shè)定為80kN，安排專(zhuān)人每天每班進(jìn)行觀測(cè)記錄，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析巷道兩幫及頂部應(yīng)力情況。

（4）鉆屑法。監(jiān)測(cè)孔布置：在兩順槽距工作面煤壁60m范圍內(nèi)布置鉆孔，鉆孔直徑42mm，孔深10m，間距20m，孔距巷底高度為1.2m，單排布置，鉆孔方向垂直巷幫與煤層水平，待工作面推進(jìn)20m后延續(xù)上述方案布孔，達(dá)到重復(fù)檢測(cè)目的；在工作面煤壁不同煤層處，垂直于煤壁，施工鉆屑孔，鉆孔直徑42mm，孔深10m，工作面每推進(jìn)2天施工一次（大概5m）檢測(cè)孔。

檢測(cè)內(nèi)容：主要檢測(cè)每m鉆孔的鉆屑量，單位kg，另外還需記錄卡鉆、孔內(nèi)沖擊等鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象。如果檢測(cè)到的煤粉量超過(guò)臨界指標(biāo)，或出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、異響等動(dòng)力現(xiàn)象，應(yīng)認(rèn)為煤體處于臨界危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即采取解危措施。

鉆屑量指標(biāo)確定：在不受采動(dòng)影響工作面順槽在巷幫打眼，距工作面煤壁60m以外，施工5個(gè)鉆孔，間距10m，鉆孔深度10m，孔距巷底高度為1.2m，單排布置，鉆孔方向垂直巷幫與煤層水平，記錄每孔每m煤粉量，畫(huà)出正常煤粉量曲線，然后用加權(quán)平均法對(duì)其進(jìn)行處理，作為標(biāo)準(zhǔn)煤粉量（正常值），在此基礎(chǔ)上，確定礦壓危險(xiǎn)的煤粉量的臨界值，參照表2的規(guī)定執(zhí)行：

應(yīng)按煤層、采區(qū)分別測(cè)定煤粉量的臨界指標(biāo)，煤粉量的臨界指標(biāo)通過(guò)鉆粉率指數(shù)來(lái)確定（見(jiàn)表2）。

2.3卸壓爆破

多級(jí)爆破卸壓防沖技術(shù)包括深孔斷頂爆破、底板卸壓爆破和煤層爆破3個(gè)方面，其中深孔斷頂爆破和底板卸壓爆破主要是切斷力源，使原本可以通過(guò)頂板或底板傳遞來(lái)的應(yīng)力不會(huì)再作用在煤層中；煤層卸壓爆破主要是使煤層中的應(yīng)力得以釋放和轉(zhuǎn)移，使之不再積聚到足以引發(fā)沖擊地壓的程度。多級(jí)卸壓技術(shù)防沖原理體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1）通過(guò)深孔斷頂爆破，人為切斷頂板，促使采空區(qū)頂板冒落，削弱采空區(qū)與待采區(qū)之間的頂板連續(xù)性，減小頂板來(lái)壓時(shí)的強(qiáng)度和沖擊性。同時(shí)，深孔斷頂爆破通過(guò)爆破產(chǎn)生的動(dòng)壓“震裂”效應(yīng)及靜壓爆生氣體的“氣楔”作用，改變頂板的力學(xué)特性，弱化煤巖力學(xué)性質(zhì)的同時(shí)改變高應(yīng)力區(qū)附近的煤巖體結(jié)構(gòu)，使其不具備積聚高應(yīng)力和儲(chǔ)存高彈性變形能量的能力，達(dá)到降低應(yīng)力集中程度，破壞沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件和能量傳遞條件。

2）在較高的水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，巷道底板中主承力層產(chǎn)生較大的壓縮彎曲變形，內(nèi)部積聚大量彈性能量，在一定條件下容易發(fā)生屈曲破壞，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。沿著巷道方向?qū)嵤嗟妆?，通過(guò)振動(dòng)爆破的方法使巷道底板主承力層中積聚的彈性能得到釋放，同時(shí)阻隔上覆巖層的高應(yīng)力通過(guò)底板巖層傳遞到煤層中，破壞水平應(yīng)力及能量在底板巖層中的連續(xù)傳遞，并降低其再次積聚彈性能的效率，在巷道兩幫底角處形成卸壓破壞區(qū)，使壓力升高區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而消除沖擊地壓發(fā)生的條件。

3）煤層卸壓爆破防沖實(shí)質(zhì)是從改變沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力（或者能量）和煤巖物理力學(xué)性質(zhì)2個(gè)角度進(jìn)行沖擊地壓的防治。煤層卸壓爆破一般有煤層松動(dòng)爆破、煤層卸載爆破和煤層誘發(fā)爆破3種形式。煤層松動(dòng)爆破是指在煤層尚未形成高應(yīng)力集中或目前不具有沖擊危險(xiǎn)但預(yù)測(cè)采煤過(guò)程中可能出現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域?qū)嵤┍?，改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，從而使煤體的沖擊危險(xiǎn)性降低，避免煤體中彈性能集聚，防止沖擊地壓的發(fā)生；煤層卸壓爆破是指在煤層已形成沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行爆破，使煤體中的應(yīng)力集中程度下降，煤體中支承壓力峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而防止沖擊地壓的發(fā)生；誘發(fā)爆破是在特殊情況下，對(duì)具有較高沖擊危險(xiǎn)的煤體，利用較多的藥量進(jìn)行爆破，進(jìn)一步增加煤體中的應(yīng)力集中程度，人為引發(fā)沖擊地壓，使沖擊地壓發(fā)生在限定的時(shí)間和地點(diǎn)，從而避免災(zāi)害性較大的沖擊地壓發(fā)生。

2.4大直徑卸壓鉆孔

采用大直徑鉆孔、爆破、斷底綜合卸壓方式進(jìn)行卸壓解危工作。

在掘進(jìn)迎頭采用大直徑鉆孔卸壓或爆破卸壓方式進(jìn)行超前卸壓，并優(yōu)先采用大直徑鉆孔卸壓方式進(jìn)行卸壓。大直徑鉆孔卸壓時(shí)，原則上超前卸壓30m，安全掘進(jìn)20m，留10m卸壓保護(hù)帶。當(dāng)采用爆破卸壓方式進(jìn)行超前卸壓時(shí)，原則上卸壓15m，安全掘進(jìn)7m，留8m卸壓保護(hù)帶。

對(duì)一盤(pán)區(qū)所有煤巷迎頭、幫部及底板，均采用大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓，鉆孔直徑不得小于Ф108mm，鉆孔間距1.6m。迎頭卸壓鉆孔布置3個(gè)，在底板以上1.2-1.6m，垂直于巷道迎頭，水平鉆孔，間距1.3m，深度16m。幫部卸壓鉆孔布置在底板以上1.2-1.6m，垂直于巷道幫部，水平鉆孔，卸壓孔位置滯后迎頭不得超過(guò)40m。待鉆孔施工完畢，驗(yàn)收合格后，采用水泥漿與煤粉混合漿液進(jìn)行封孔，幫部封孔長(zhǎng)度2m，底腳孔封孔長(zhǎng)度為0.5m。迎頭卸壓鉆孔部封孔。

2.5組織專(zhuān)門(mén)的防沖隊(duì)伍

科學(xué)完善的采煤工作，不僅要引進(jìn)先進(jìn)的采煤技術(shù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，更重要的是提高安全防范意識(shí)，重視專(zhuān)業(yè)防沖人才的培養(yǎng)。煤礦企業(yè)應(yīng)該根據(jù)員工的實(shí)際情況制定相應(yīng)的防治沖擊地壓培訓(xùn)計(jì)劃，提高他們的綜合素質(zhì)。同時(shí)，工程技術(shù)人員要加強(qiáng)沖擊地壓防治技術(shù)的研究和應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的監(jiān)督和管理，培養(yǎng)安全意識(shí)和防范技能，從而通過(guò)提高人的素質(zhì)來(lái)減少?zèng)_擊地壓造成的危害。

2.6沖擊地壓的其他防護(hù)措施

防護(hù)措施相比較其他的措施具有預(yù)見(jiàn)性，具體措施如設(shè)備和物料捆綁在棚腿上、設(shè)置防護(hù)罩防止螺絲崩出、采掘工作面限員管理等，個(gè)人防護(hù)方面需要戴防沖帽和穿防沖衣，采掘作業(yè)中貫穿防沖技術(shù)的運(yùn)用等，通過(guò)采取防護(hù)措施降低危害程度。深井采掘最容易引發(fā)沖擊地壓，但是目前使用的防治技術(shù)還不能明確沖擊地壓的地點(diǎn)、時(shí)間和規(guī)模，因此在日常的工作中一定要研究和積累經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)不斷探索新的防治措施達(dá)到防治效果，從而提高煤礦采掘工作的安全性。

結(jié)束語(yǔ)

在煤礦中，沖擊地壓是經(jīng)常會(huì)有的災(zāi)害，所以，做好防治工程是非常有必要的。針對(duì)沖擊地壓?jiǎn)栴}，要做好預(yù)警防范，在出現(xiàn)問(wèn)題是，要針對(duì)具體的原因采取相應(yīng)的解決對(duì)策。此外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)施工人員的培訓(xùn)工作，提高人員的自身防范意識(shí)。

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