山西煤礦沖擊地壓分布規(guī)律及安全開采分析

寧冬冬

（晉能控股煤業(yè)集團臨汾公司，山西 臨汾 041000）

山西煤礦多為井工開采，在巷道開拓和煤炭回采的采掘過程中，會遇到地壓的影響，并且很容易誘發(fā)煤與瓦斯突出、煤層自燃、冒頂?shù)却紊鸀?zāi)害，因此，煤礦從建設(shè)到投產(chǎn)的整個過程，不可不免開展從表面、淺部到深部地壓的預(yù)防和治理，沖擊地壓是指煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生的彈射、礦震、弱沖擊和強沖擊的動力現(xiàn)象，常伴有煤（巖）體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等。.礦井的安全生產(chǎn)，都與防治結(jié)合，及綜合治理沖擊地壓有關(guān)，影響煤礦沖擊地壓是兩個重要因素是礦井地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力環(huán)境，在培訓(xùn)和引進國內(nèi)外先進技術(shù)的同時，結(jié)合自身條件和特點，采用因地制宜的方式進行了研究和試驗，逐步形成一套具有國內(nèi)特色的技術(shù)及相關(guān)的管理制度，認(rèn)真總結(jié)這些寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)，勢必形成良性循環(huán)，對我國煤炭安全生產(chǎn)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1 煤礦地壓分析

1.1 沖擊地壓危害

目前，沖擊地壓是繼水害、瓦斯、火災(zāi)、頂板事故之外威脅煤礦安全生產(chǎn)建設(shè)的又一災(zāi)害，成為煤礦的五大自然災(zāi)害之一。2017年1月17日10時15分左右，山西省中煤集團的擔(dān)水溝煤業(yè)，發(fā)生一起重大頂板事故，并造成10人死亡的嚴(yán)重后果，并導(dǎo)致直接經(jīng)濟損失1517.46萬元。

1.2 煤礦地壓特點

煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)決定沖擊地壓的發(fā)生與否，其具有突發(fā)性、瞬時性、偶然性、破壞性，煤層具有沖擊傾向性。

1.3 煤礦地壓分類

1）根據(jù)煤礦生產(chǎn)或掘進時序，可將沖擊地壓分為掘進沖擊地壓，回采沖擊地壓和其他沖擊地壓。

2）根據(jù)沖擊地壓的發(fā)生位置，可在分為巷道沖擊地壓和工作面沖擊地壓。

1.4 煤礦沖擊地壓分布規(guī)律

1）瞬間底(幫)鼓、有強烈震動、煤巖彈射等動力現(xiàn)象的位置。

2）經(jīng)過單軸抗壓強度試驗，強度大于60 MPa的堅硬巖層；埋深超出400 m的煤層，且煤層頂板100 m范圍內(nèi)存在單層厚度超過10 m的。

3）同一煤層的相鄰礦區(qū)發(fā)生過沖擊地壓，而后經(jīng)鑒定確定為有沖擊傾向性煤層的。

4）沖擊傾向性礦井開采新煤層、新水平。

1.5 沖擊地壓傾向性鑒定

采樣標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 23561.1—2009《采樣一般規(guī)定》規(guī)定進行取樣，煤巖樣采出后，立即用塑料薄膜及膠帶封裹、密封并運送至實驗室。

1.5.1 單軸抗壓試驗測試步驟（見圖1）

圖1 單軸抗壓試驗測試圖

1）準(zhǔn)備試樣。

2）調(diào)整有球形座的承壓板，將試樣置于壓力機承壓板中心，使試樣均勻受力。

3）記錄最大破壞載荷，以每秒0.5～0.8 MPa的加載速度對試樣加荷，直到試樣破壞為止。

4）并記下有關(guān)情況，描述試樣破壞形態(tài)。

1.5.2 測試數(shù)據(jù)整理

單軸抗壓強度：

式中：σc為單軸抗壓強度，MPa；P為塊體最大破壞載荷，N；A為垂直于塊體加載方向的試樣橫截面積，mm2。

2 沖擊地壓預(yù)測預(yù)報

2.1 經(jīng)驗比對

工作面采掘前，可利用經(jīng)驗比對法，對回采或掘進工作面進行沖擊危險程度劃分，隨著采區(qū)不斷延伸，應(yīng)對山西省埋深超過400 m以下的礦井，開展沖擊傾向性的體檢和篩查，早發(fā)現(xiàn)才能早防治，在區(qū)域上對煤礦沖擊地壓發(fā)生進行預(yù)測預(yù)報和預(yù)警。

2.2 工作面礦壓監(jiān)測

描繪工作面液壓支架阻力，并做出監(jiān)測動態(tài)曲線，并對此進行周期監(jiān)測循環(huán)，對工作面頂板來壓情況進行預(yù)測預(yù)報，并結(jié)合其他物探監(jiān)測手段，對工作面沖擊傾向性程度進行預(yù)測預(yù)報并及時分析得出結(jié)論。同時通過安設(shè)頂板離層儀或自動測壓表等輔助工具，對頂板壓力及支架初撐力進行監(jiān)控，對工作面頂板來壓情況進行全面預(yù)報分析。

2.3 微震監(jiān)測

建立了區(qū)域與局部相結(jié)合的監(jiān)測體系，在定位系統(tǒng)建成之前，采用現(xiàn)在的地震儀進行監(jiān)控監(jiān)測。利用周期變化來觀察短周期地震儀監(jiān)測記錄，尤其是0.5級以上沖擊發(fā)生的次數(shù)及沖擊地壓釋放的能量。利用此趨勢，來預(yù)報近期沖擊地壓發(fā)生的趨勢，對應(yīng)力釋放的相關(guān)情況進行分析。

2.4 鉆屑法及電磁輻射監(jiān)測

鉆屑法是利用超前工作面60 m范圍為常規(guī)防沖監(jiān)測區(qū)域，主要監(jiān)測每米鉆孔的鉆屑量，一個是煤的沖擊傾向，二是支承壓力帶特征，即支承的壓力達到峰值及其距離巷道兩幫的遠近，如支撐壓力數(shù)據(jù)顯示參數(shù)已經(jīng)達到臨界值，并且鑒定煤層具有沖擊傾向，就可以預(yù)測沖擊地壓發(fā)生，需要啟動應(yīng)急預(yù)案，而支承壓力參數(shù)的測定，通常就是采用鉆屑法探測。

3 安全開采

3.1 合理順序開采

應(yīng)采取區(qū)域先行、局部跟進、分區(qū)管理、分類防治的防沖原則，防止孤島工作面存在。在生產(chǎn)與建設(shè)中，按照井田級別、采掘面級別、個體防護級別不同層面的煤礦沖擊地壓防治技術(shù)，因而采用沿空留巷等無煤柱護巷，110工法盡量不留煤柱，少掘巷道，開拓巷道及永久硐室，應(yīng)布置在巖層或無沖擊地壓危險的煤層中。

3.2 注水法

因為隨著采掘銜接的變化，注水效果和效力會降低，從根本來講，這是直接可以最大限度地使用機械，而且作業(yè)方式靈活，可在沖擊地壓危險區(qū)域外進行注水。煤層注水采用與工作面煤壁平行的長鉆孔高壓注水法，注水和采煤工作基本保持同步作業(yè)，但一定保證注水的超前時間應(yīng)低于3個月。

3.3 爆破法

在煤層內(nèi)，打深孔爆破卸壓，是針對具有應(yīng)力顯現(xiàn)危險的局部應(yīng)力區(qū)，用爆破的方法，降低其應(yīng)力集中狀況，分散應(yīng)力的一種解危措施，當(dāng)用各種監(jiān)測手段，捕捉到有沖擊危險后，應(yīng)即刻進行卸壓爆破作業(yè)，同時為了提高卸壓的效果，在煤柱等應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)采用巷道卸壓等措施。工作面開采期間，可對工作面煤層超前進行爆破松動和爆破泄壓，爆破松動是一種主動治理措施，如果煤粉量指標(biāo)低于沖擊臨界值，即認(rèn)為已達到了解危的效果，反之則說明煤層仍具有沖擊危險，應(yīng)再進行一輪卸載爆破作業(yè)。爆破卸壓是一種被動卸壓防御措施。

3.4 鉆孔法

在采面掘進期間，通過打鉆孔卸壓的方式，原理就是利用鉆探方式來消除應(yīng)力顯現(xiàn)，消除隱患的解危措施。鉆進后期靠近高應(yīng)力帶時，導(dǎo)致煤層積聚能量變多，鉆具對煤層的沖擊頻度越高，強度也越大，但鉆具沖擊時煤粉量會增多。此類方法的基礎(chǔ)來源于鉆屑法時產(chǎn)生的鉆孔沖擊現(xiàn)象，因此每個鉆孔周邊會分布破碎區(qū)，當(dāng)破碎區(qū)又彼此接近后，便能使煤層破裂卸壓。鉆孔卸壓的原理，是利用高應(yīng)力作用條件下，煤層中間積聚的彈性能來破壞鉆孔周圍的煤層，使煤層卸壓、釋放能量，同時消除沖擊危險。隨著約束條件的減弱，從而達到安全回采的標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié)論

1）降低沖擊危險性，達到降溫、降塵、防滅火的目的。井下有危險情況時，當(dāng)班井下負責(zé)人有權(quán)責(zé)令現(xiàn)場作業(yè)人員停止作業(yè)，停電撤人。沖擊地壓型礦井必須由技術(shù)負責(zé)人制定沖擊地壓避災(zāi)路線，繪制井下避災(zāi)線路圖，井下掛牌管理。并對井下作業(yè)人員進行培訓(xùn)和交底，沖擊危險區(qū)域的作業(yè)人員必須掌握避災(zāi)路線以及被困時的自救常識。

2）發(fā)生沖擊地壓后，必須迅速啟動應(yīng)急救援預(yù)案和應(yīng)急撤人預(yù)案，防止發(fā)生次生災(zāi)害，通過采取預(yù)測預(yù)報、防沖解危、安全防護等一系列措施，實現(xiàn)針對性較強的標(biāo)準(zhǔn)化治理流程，實現(xiàn)了礦井生產(chǎn)作業(yè)的本質(zhì)安全。

3）通過沖擊地壓機理，對災(zāi)害治理研究工作提供了有力的技術(shù)支撐，同時也為同類型礦井提供借鑒和指導(dǎo)。

（編輯：苗運平）