淺談煤礦沖擊地壓的成因及防治措施

文/張學(xué)銳，河南大有能源股份有限公司躍進(jìn)煤礦

1 前言

有礦井工作經(jīng)驗(yàn)的人們都很清楚，沖擊地壓和巖爆是煤炭開(kāi)采行業(yè)普遍存在的災(zāi)害。從我國(guó)權(quán)威部門公開(kāi)過(guò)的數(shù)據(jù)來(lái)看，僅在上個(gè)世紀(jì)的數(shù)十年間，我國(guó)煤礦企業(yè)有統(tǒng)計(jì)的沖擊地壓災(zāi)害就有四千余次之多，造成數(shù)百人死亡和重傷的情況，還毀掉了數(shù)十公里的巷道，造成了相當(dāng)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。而在現(xiàn)實(shí)情況下，沖擊地壓往往會(huì)造成采掘空間中支護(hù)設(shè)備的破壞以及采掘空間的變形，嚴(yán)重時(shí)造成人員傷亡和井巷的毀壞，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。鑒于此，沖擊地壓這一典型的災(zāi)害引起了科研人員的廣泛重視，多年來(lái)對(duì)于沖擊地壓的防治也取得了一定的進(jìn)展，呈現(xiàn)出了很多理論與實(shí)踐成果。

2 煤礦沖擊地壓現(xiàn)象概述

沖擊地壓通常是在煤巖力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，以突然、急劇、猛烈的形式釋放彈性能，導(dǎo)致煤巖層瞬時(shí)破壞并伴隨煤粉的沖擊，造成井巷的破壞及人身傷亡事故。綜合分析我國(guó)各主要礦井所發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象可以看出，我國(guó)沖擊地壓通常可分為煤層沖擊和巖層沖擊（按參與沖擊礦壓的巖體類別劃分），重力型、構(gòu)造型、震動(dòng)型和綜合型（按應(yīng)力來(lái)源和加載形式劃分），彈射、煤炮、微沖擊和強(qiáng)沖擊（按顯現(xiàn)強(qiáng)度劃分），輕微沖擊、中等沖擊和強(qiáng)烈沖擊（按震級(jí)及拋出煤量劃分），一般沖擊地壓、破壞性沖擊地壓、沖擊地壓事故（按沖擊地壓的破壞后果劃分）等多種類型的沖擊地壓。但進(jìn)一步分析可知，無(wú)論是哪種類型的沖擊地壓現(xiàn)象，均是應(yīng)力作用導(dǎo)致煤巖體突然破壞的結(jié)果，只不過(guò)應(yīng)力的來(lái)源、大小和表現(xiàn)形式等要素的不同而已。因此，研究和防治沖擊地壓，重要的是如何監(jiān)測(cè)煤巖體應(yīng)力的大小與變化，如何控制煤巖體的應(yīng)力。當(dāng)然，煤巖體中的應(yīng)力可概括地分為原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力，原巖應(yīng)力不能控制，采動(dòng)應(yīng)力可以控制。

3 沖擊地壓發(fā)生的構(gòu)成因素和特點(diǎn)

3.1 沖擊地壓的分類及顯現(xiàn)特性

煤礦沖擊地壓按產(chǎn)生的力源劃分，可分為動(dòng)型、構(gòu)造應(yīng)力型和動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力并有的中間型三類；按礦體變形破壞范圍的大小劃分，沖擊地壓可分為局部崩落和大面積爆發(fā)兩類；按沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)劃分，又可分為巷道沖擊地壓和工作面沖擊地壓。沖擊地壓的特征是煤壁拋射性塌落，頂板下沉或底板撇裂，板炮頻繁，煤體移動(dòng)，彈性振動(dòng)，設(shè)備震搬，煤塵飛揚(yáng)，無(wú)明顯預(yù)兆突然爆發(fā)，伴有巨大響聲和地震，沖擊風(fēng)波引起構(gòu)筑物損壞，易于出現(xiàn)較大損失和傷亡。

3.2 發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)及開(kāi)采條件

從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，沖擊地壓的特點(diǎn)是煤質(zhì)較堅(jiān)硬，礦體圍巖厚而堅(jiān)硬，開(kāi)采深度較大，采煤方法多數(shù)是沿傾斜推長(zhǎng)壁、型、漏斗和房柱法等，少數(shù)是沿走向推進(jìn)的長(zhǎng)壁、短壁和刀柱法等，采空區(qū)處理方法多數(shù)是垮落法和多水平分區(qū)開(kāi)拓。

3.3 沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)及影響范圍

沖擊地壓多發(fā)生在采煤工作面的材料道、地質(zhì)構(gòu)造帶，殘留島形或半島形煤柱、三面采空的孤立采面、支承壓力升高區(qū)內(nèi)。在煤壁前方130m、煤壁后方40m、煤層下限60m的范圍內(nèi)，是沖擊地壓多發(fā)地點(diǎn)。此外，影響沖擊地壓發(fā)生的開(kāi)采技術(shù)因素有采煤方法、采掘程序、頂板管理、煤柱大小、放炮等。

4 防治沖擊地壓的指導(dǎo)思想

4.1 改變煤巖物理力學(xué)性質(zhì)

此理念目的在于減少煤巖彈性壓縮勢(shì)能的積聚，提高煤巖塑性變形能力，降低煤巖的脆性，減緩彈性能量的釋放速度。具體措施有向煤體內(nèi)進(jìn)行高壓注水，打卸壓鉆孔、放震動(dòng)炮、開(kāi)保護(hù)層等。

4.2 避免或減少采掘空間圍的應(yīng)力集中

該指導(dǎo)思想目的在于減輕沖擊地壓破壞程度，具體的措施有適當(dāng)掌握采面開(kāi)采強(qiáng)度，降低集中應(yīng)力系數(shù)加大巷道斷面和支架可縮性，減少?zèng)_擊地壓所引起的巷道圍巖變形破壞加強(qiáng)巷道底板控制，減緩巷道底鼓嚴(yán)格執(zhí)行放炮安全措施，防止放炮誘出沖擊地壓而危及人身安全。

4.3 加強(qiáng)礦壓觀測(cè)

在煤礦企業(yè)安防設(shè)備及行業(yè)科技不斷發(fā)展的當(dāng)下，已經(jīng)可以在一定范圍和條件內(nèi)做到提前預(yù)報(bào)，可以將有沖擊地壓危險(xiǎn)的地段提前測(cè)出，其方法有微震監(jiān)測(cè)、地音監(jiān)測(cè)、鉆屑煤粉法及巷道變形量的觀測(cè)等。

5 煤礦沖擊地壓的防治方法

結(jié)合沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理和防治措施的基本原理，國(guó)內(nèi)外提出和實(shí)踐了眾多的防治煤巖體發(fā)生沖擊地壓和巖爆的措施。這些措施的實(shí)質(zhì)就是利用各種技術(shù)途徑，人為地改變煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)和其物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到防治沖擊發(fā)生或減少發(fā)生的次數(shù)及強(qiáng)度的目的。而在煤礦沖擊地壓的防治方面，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同的觀點(diǎn)普遍認(rèn)為，要防治煤礦沖擊地壓和巖土工程中的巖爆，必須從改變煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)和它們本身的物理力學(xué)性質(zhì)上著手。

5.1 合理選擇防治沖擊地壓的措施

在掌握沖擊地壓顯現(xiàn)特征，發(fā)生沖擊地壓條件的前提下，要按照沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)、影響范圍及沖擊地壓產(chǎn)生的原因?qū)ΠY下藥，采取有效措施，借以減緩或防止沖擊地壓。但是，不同地方用同一技術(shù)措施的做法和效果不盡相同。因此，技術(shù)人員要結(jié)合煤礦開(kāi)采實(shí)際，科學(xué)選擇針對(duì)性的防治措施。

5.2 掌握好煤層注水這一最常用的措施

煤層注水是我國(guó)煤礦企業(yè)最早采用的沖擊地壓防治措施，也是國(guó)內(nèi)眾多煤礦企業(yè)最常用的方法之一。此外，一些煤礦企業(yè)還采用了在煤體中開(kāi)槽卸壓、誘導(dǎo)爆破和鉆孔卸壓等防治措施。目前國(guó)內(nèi)外防治沖擊地壓的措施主要有煤巖體注水、鉆孔卸壓、深孔松動(dòng)爆破、卸載誘導(dǎo)爆破、煤巖體掏槽卸壓、頂板預(yù)斷裂、巷道切槽卸壓、加固軟煤層、加強(qiáng)采掘支護(hù)、開(kāi)采保護(hù)層與合理安排采掘設(shè)計(jì)及工藝進(jìn)度等。

5.3 建立可靠的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

在礦井安防科技不斷發(fā)展的當(dāng)下，煤礦企業(yè)可以根據(jù)自己的實(shí)際需要建立可靠的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，常見(jiàn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法主要有：綜合指數(shù)法（危險(xiǎn)程度分析與早期預(yù)報(bào)）、鉆屑法（局部監(jiān)測(cè)方法）、微震法（區(qū)域性監(jiān)測(cè)方法）、地音法即聲發(fā)射法（局部監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法）、電磁輻射（局部監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法）等。