煤礦沖擊地壓災(zāi)害及防治技術(shù)分析

魏宏斌

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013）

沖擊地壓在煤礦開采作業(yè)中具有高發(fā)性，屬于動力災(zāi)害，而且破壞性較強。一旦發(fā)生沖擊地壓，必然會對井下作業(yè)人員的生命安全造成較大的威脅，還會破壞井下各種構(gòu)筑物及儀器設(shè)備，帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此針對沖擊地壓災(zāi)害應(yīng)做好預(yù)防工作。針對沖擊地壓產(chǎn)生的原因進行分析，并采取具體的措施做好防范工作，降低或避免沖擊地壓發(fā)生的機率，為煤礦安全生產(chǎn)作業(yè)提供重要的保障。

1 煤礦沖擊地壓災(zāi)害的特征及破壞機理

在當前煤礦生產(chǎn)過程中，由于存在較多的不安全因素，沖擊地壓是其中較為常見的災(zāi)害。沖擊地壓發(fā)生時，煤巖內(nèi)部會積聚大量的能量，當其達到最大臨界承載強度時，巷道和采煤工作面周邊巖體會釋放出變形能，巖體被破壞，導(dǎo)致煤礦地下支架塌坍，出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。沖擊地壓發(fā)生后會造成較大的損害，比較嚴重的情況會導(dǎo)致煤或是巖石從巷道兩側(cè)爆裂開來，出現(xiàn)煤巖彈射的情況，導(dǎo)致巷道直接被摧毀或是產(chǎn)生巨大的能量，威脅井下作業(yè)人員的安全，破壞地下的設(shè)備和設(shè)施。而且沖擊地壓發(fā)生時，還易引發(fā)一些基礎(chǔ)潛藏的礦井災(zāi)害，在巨大震動下巷道頂板出現(xiàn)冒落，影響通風(fēng)和運輸，特大沖擊地壓發(fā)生時，還易激起井下煤層或瓦斯爆炸、出現(xiàn)地表河流湖軟質(zhì)泥巖等二次威脅，造成地面構(gòu)筑物的破壞和倒塌。沖擊地壓對礦井的威脅性大，發(fā)生的機理復(fù)雜和多變，這也導(dǎo)致無法找到一套治理沖擊地壓的既定理論，需要針對不同問題不同對待，從而針對不同問題以基礎(chǔ)理論為依據(jù)，制定具有針對性的措施，及時解決問題。作為一種特殊的礦壓顯現(xiàn)形式，存在較多的影響因素，顯現(xiàn)形式也更具多樣性，會帶來十分嚴重的后果，因此在煤礦開采作業(yè)過程中，需要對沖擊地壓給予充分的重視。

2 煤礦沖擊地壓的分類

2.1 依據(jù)應(yīng)力狀態(tài)分類

沖擊地壓分類時，當根據(jù)煤體應(yīng)力狀態(tài)進行劃分時，以重力型、構(gòu)造應(yīng)力型和重力構(gòu)造型3 類沖擊地壓為主，具體要以構(gòu)造應(yīng)力誘發(fā)沖擊地壓形成的強弱程度及是否是由于主體承重力與構(gòu)造力聯(lián)合而引發(fā)的沖擊地壓，以此來對沖擊地壓的類型進行判定。

2.2 依據(jù)沖擊地壓破壞程度分類

根據(jù)沖擊地壓破壞程度可以將其劃分為拋射型沖擊地壓、震動型沖擊地壓、輕微型沖擊地壓和強烈型沖擊地壓4 種。拋射型沖擊地壓是在高強度應(yīng)力下煤體及巖石拋射情況，具有嚴重響聲。震動型沖擊地壓在煤體內(nèi)部沖擊地壓中時常發(fā)生，發(fā)生時煤體和巖體深處出現(xiàn)嚴重的破損現(xiàn)象，煤壁也易出現(xiàn)坍塌和片幫等情況，煤體會出現(xiàn)嚴重晃動，聲音如雷鳴且伴有礦塵四起的現(xiàn)象，這種地區(qū)屬于相對微弱的沖擊地壓。輕微型沖擊地壓震級通常在2 級以下，而且伴有大量的塊狀煤，巖石由煤巖壁中向采空區(qū)射出，不會對支撐體和工作人員帶來嚴重侵害，但礦塵飛起高度和聲音都較大，瓦斯煤層中易出現(xiàn)瓦斯氣體大量擴散的情況，因此要加大管控和預(yù)防的力度。強烈型沖擊地壓發(fā)生時，部分區(qū)域的煤體和巖體會快速分裂和破碎，而且具有一定程度的殺傷力，通常會飛射向采空區(qū)域，液壓支柱易出現(xiàn)傾斜和折斷的情況，大面積巖體和煤體易出現(xiàn)震動的情況。

2.3 依據(jù)煤巖拋出量分類

根據(jù)拋射煤體和巖體總量來對沖擊地壓進行分級和分類，具體可以分為輕微沖擊地壓、中型沖擊地壓和強烈型沖擊地壓。輕微沖擊地壓拋射量為10 t 以下且震級強度低于1 級。拋射量在10~50 t 之間且震級強度低于2 級時，則為中型沖擊地壓。而強烈型沖擊地壓則為拋射量在50 t 以上且震級強度在3 級及以上。

2.4 依據(jù)災(zāi)害發(fā)生位置分類

根據(jù)災(zāi)害發(fā)生位置對沖擊地壓災(zāi)害分類可以分為煤壁沖擊地壓和圍巖沖擊地壓。煤壁沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生在工作面煤壁處，具體分為表面沖擊地壓、淺部沖擊地壓及深部沖擊地壓。圍巖沖擊地壓多發(fā)生在頂板和底板等區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)深處。另外，根據(jù)災(zāi)害發(fā)生地點還可以將沖擊地壓劃分為底板沖擊地壓和頂板沖擊地壓。

3 煤礦沖擊地壓災(zāi)害產(chǎn)生的主要條件

3.1 煤層和圍巖具有沖擊傾向

煤礦采煤過程中，由于易破壞煤巖的受力情況，具體以亮煤和鏡煤破壞類型為主。對于硬度較大、溫度較小且抗壓強度較高的煤層，則易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。中硬度煤層和硬煤層，當抗壓強度達到200 kg/cm2以上時，也易引發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。當頂巖為厚層形式的砂巖或是石灰?guī)r時，頂板則具有較強的沖擊傾向，在這種圍巖條件下，頂板易出現(xiàn)懸空板，積聚大量彎曲能量，提高回采面前方彈性，一旦此時發(fā)生沖擊地壓，必然會因災(zāi)害帶來嚴重的破壞。

3.2 回采工作面附近有大量的能量集中情況

采煤作業(yè)過程中回采工作面前沿是沖擊地壓最易發(fā)生的部位，往往與回采工作面之間的距離在15～50 m左右，屬于回采工作面前方壓力支承區(qū)域。通常情況下回采工作面周圍的煤層中會有大量的彈性形變能積聚，當積聚到一定量時，煤層無法承受則會引起沖擊地壓發(fā)生。特別是傾向支承和走向支承存在壓力疊加現(xiàn)象時，沖擊地壓的強度等級也會更大。在實際煤礦井下工作面掘進過程中，存在多種能量來源會引起沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生，如掘進面位置應(yīng)力集中或是原巖構(gòu)造存在較大的應(yīng)力，這都是沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的重要因素。在實際煤礦開采作業(yè)時，無論是地質(zhì)和構(gòu)造等都具有復(fù)雜性的特點，同時還存在較多的斷層，隨著開采強度和開采深度的加大，開采區(qū)域范圍內(nèi)必然會出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力較大的情況，煤巖內(nèi)部會產(chǎn)生能量積聚的現(xiàn)象，這也易引發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。

3.3 采場中有能量釋放空間存在

彈性形變能量是井下開采過程中必然存在的現(xiàn)象，這種能量在工作面和巷道等空間位置較為常見，一旦煤體達到自身臨界極限時，在這種能量作用下會發(fā)生沖擊地壓。當不存在這些能量釋放空間的情況下，通過移動采場或是轉(zhuǎn)變受力條件，也會使所積聚的彈性變形力得到一定程度的緩解，并恢復(fù)至常態(tài)。因此在需要挖掘多條巷道或是作業(yè)過程中存在較大切割量的情況下，則需要防范沖擊地壓的發(fā)生。

4 沖擊地壓災(zāi)害的主要影響因素分析

4.1 受地質(zhì)構(gòu)造影響

當工作面和斷層十分接近或是向斜軸位置方向開采作業(yè)的情況下，易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，而且會產(chǎn)生較大的破壞。這也能夠看出來，沖擊地壓災(zāi)害受地質(zhì)構(gòu)造影響較大。

4.2 受開采順序和方式影響

煤柱預(yù)留是井下作業(yè)時較為常見的開采作業(yè)方式，但在支承壓力不斷增加時，這也會導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生概率提升。當煤柱預(yù)留較多的情況下，或是巷道掘進處于應(yīng)力高度集中區(qū)域、對頭或是平行進行兩條巷道掘進時，沖擊地壓災(zāi)害都會處于高發(fā)狀態(tài)。

4.3 受開采深度影響

煤礦開采作業(yè)深度的增加，圍巖中的彈性能也會隨之增大，一旦達到應(yīng)力破壞條件時，則會發(fā)生沖擊地壓。實際沖擊地壓災(zāi)害多發(fā)生在地下530 m 以下，這也能夠看出，在實際井下開采作業(yè)時，隨著開采深度的增加，沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險也會呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢。

5 煤礦沖擊地壓災(zāi)害的防治技術(shù)分析

5.1 煤礦壓力預(yù)測技術(shù)

利用煤礦壓力預(yù)測技術(shù)可以對煤炭傾向壓力進行預(yù)測，并科學(xué)檢測煤炭巖石硬度，在實際應(yīng)用煤礦壓力預(yù)測技術(shù)時，能夠綜合考慮到煤巖內(nèi)部的各種因素，這也使該技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。當前在煤礦開采作業(yè)過程中，一些煤礦沖擊地壓具有較強的傾向性，這種傾向性可以通過實驗來進行檢驗。一般會在煤炭開采前做好實地測繪和分析，以此來保證后續(xù)井下作業(yè)的安全。也可以利用鉆屑法，通過在煤體內(nèi)進行鉆孔作業(yè)，以此來獲得煤粉量，并掌握具體的變化規(guī)律，科學(xué)地對煤層潛在沖擊危險的等級進行劃分，并借助于儀器設(shè)備對煤礦沖擊地壓開展有效的預(yù)測。一般會以10 m 為一個間隔，合理進行測點設(shè)置和合理控制測量檢測時間。詳細記錄煤礦破壞期間的各種數(shù)值，并合理運用相應(yīng)的方法對煤礦沖擊地壓風(fēng)險進行預(yù)測。具體可以采用靜態(tài)臨界值法和動態(tài)趨勢值法。針對工作面實施檢測過程中，具體可以使用便攜式電磁輻射儀，根據(jù)獲取的檢測數(shù)據(jù)來預(yù)防沖擊地壓災(zāi)害。

5.2 大直徑鉆孔卸壓

通過減弱煤巖應(yīng)力集中的情況也可以降低沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。通常會針對應(yīng)力集中或是巷道采煤較深的情況設(shè)置卸壓孔，或是采用無煤柱、消除鄰近層煤柱相互作用及優(yōu)化開采順序等方式來進行減壓，降低沖擊地壓發(fā)生的概率。

具體卸壓時，對于沖擊地壓爆發(fā)位置，通過設(shè)置大直徑鉆孔進行卸壓。大直徑鉆孔設(shè)置后，會破壞巷道內(nèi)的圍巖結(jié)構(gòu)，這樣可以將其轉(zhuǎn)化為弱化帶，促進一些部位的高應(yīng)力不斷向深度位置擴散，使巷道位置處的圍巖應(yīng)力下降。而且大直徑鉆孔在沖擊地壓發(fā)生時，還有利于吸收沖擊煤粉，卸壓區(qū)內(nèi)的頂?shù)装逶跊_擊地壓發(fā)生時能夠構(gòu)建起閉合楔形阻力帶，對煤體沖擊起到一定的阻擋作用，降低其帶來的損失。在針對高應(yīng)力環(huán)境進行開采作業(yè)時，利用鉆孔卸壓能夠?qū)︺@孔周邊的煤體和巖石起到有效的破壞作用，釋放出煤層中的能量，以此來削弱沖擊應(yīng)力。具體作業(yè)過程中，以煤層壓力和高壓力的釋放作為主要方式，更符合煤層開采作業(yè)的具體要求。通過應(yīng)用鉆孔方式將巖石高應(yīng)力向其他巖體轉(zhuǎn)移，達到卸壓的目的。具體作業(yè)時應(yīng)與實際情況相結(jié)合，合理選擇鉆機型號，鉆桿長度和鉆頭直徑也要與實際情況相符，打孔深度還要與標準距離相符，合理控制孔身與底板的距離。實際鉆孔施工時，采取單排鉆孔方式進行布局，并對鉆孔參數(shù)實施有效控制，使其在起到卸壓作用的同時，進一步保證鉆孔作業(yè)的安全性。

5.3 爆破卸壓技術(shù)

在高應(yīng)力煤層中卸壓爆破技術(shù)更具適用性，也可以采用定點爆破提前沖擊，這樣可以對開采作業(yè)的沖擊影響降至最低或是消除。通過實施卸壓爆破，爆破過程中煤層結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一些裂隙，這會對煤層力學(xué)結(jié)構(gòu)帶來相應(yīng)的改變，使煤層彈性強度和能量下降，破壞沖擊地壓發(fā)生的條件，并有效地擴展應(yīng)力釋放范圍，實現(xiàn)對應(yīng)力集中度和釋放速度的有效控制。而且通過爆破作業(yè)，也能夠降低沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險，即使發(fā)生沖擊地壓，其所帶來的破壞也能夠降至最低程度。但在爆破卸壓技術(shù)應(yīng)用過程中，宜提前對爆破的必要性進行調(diào)查，并利用鉆屑法進行檢測。爆破完成后，還要及時進行反饋，以此來保證達到良好的卸壓效果，消除安全隱患。

5.4 煤層注水技術(shù)

利用優(yōu)化煤巖力學(xué)性能進行卸壓過程中，可以將高壓水注入到煤層中，通過弱化煤層，消除圍巖位置能量聚集的問題。也可以將應(yīng)力計設(shè)置在應(yīng)力集中位置處，在具體操作過程中，需要以工程試驗為指導(dǎo)，降低應(yīng)力集中的問題。也可以選擇噴漿錨索錨網(wǎng)實施支護，以此來提高支護的效果。通過煤層注水來改變煤層物理特性，這樣可以對沖擊地壓起到有效的防范作用，也能夠起到良好的防塵效果。由于鉆孔位置處會出現(xiàn)一定量的煤粉，同時煤體中還會出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生應(yīng)力計松弛的情況，在補壓處理后仍會存在一定的松弛現(xiàn)象，從而達到較好的卸壓效果。通常情況下煤層不僅具有一定的透水性，而且還存在孔隙，利用煤層注水技術(shù)，能夠?qū)γ簩游锢硇再|(zhì)和煤層結(jié)構(gòu)進行一定的改善，進一步提升煤層的塑性水平，并達到較好的降塵效果，實現(xiàn)對沖擊地壓危險的有效防范。在具體進行該技術(shù)應(yīng)用過程中，通常以壓注化學(xué)溶液及頂板注水等方式為主。注水作業(yè)過程中，需要合理控制注水時間，分析煤層注水減壓的必要性，并選擇適宜的注水機械，實際操作過程中要避開危險區(qū)域，這樣不僅能夠達到較好的注水卸壓效果，而且還有利于實現(xiàn)對作業(yè)人員人身安全的有效保護。

5.5 頂板預(yù)裂技術(shù)

多用于強制放頂和鄰面斷頂、定向水力致裂頂板。強度理論認為，沖擊地壓的發(fā)生是由于煤巖強度不夠造成的。煤層頂板是導(dǎo)致沖擊地壓最重要的因素之一。放頂就是將頂板切斷，盡可能地減小頂板懸露長度，這樣就可以減小工作面超前支承壓力峰值。減小工作面鄰空順槽煤柱另一側(cè)的懸板，可以降低煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度。采用小煤柱掘進護巷技術(shù)時，垂直向鄰空一側(cè)工作面隔離煤柱上方施工深孔，而后采用頂板水力壓裂或爆破預(yù)裂的方式，使鄰空煤柱一側(cè)懸臂梁破斷，從而減小鄰空順槽煤柱側(cè)集中應(yīng)力。

5.6 加強支護與管理

一些煤層巷道具有較大的沖擊危險，對于這類巷道，需要做好支護保護工作，進一步增強巷道支護的強度，提高巷道抵御沖擊的整體水平。在實際巷道掘進和開采作業(yè)時，還要重視噴射錨索網(wǎng)的應(yīng)用。具體在強化巷道支護作業(yè)時，可以采用單體液壓支柱，并針對巷道斷面實施有效維護，降低風(fēng)險發(fā)生的機率。特別是對于現(xiàn)場作業(yè)人員，宜提前開展安全教育，并建立健全完善的安全管理制度，確保制度能夠落實到位，并通過加大技術(shù)管控力度，估好危險煤層和危險程度的鑒定和預(yù)測工作，以此來保證生產(chǎn)作業(yè)的安全，降低沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的可能性。

5.7 控制開采工藝

煤礦開采工藝與沖擊地壓之間存在緊密的聯(lián)系，因此對于煤礦開采作業(yè)而言，需要選擇適宜的開采工藝。并針對煤礦開采進度進行有效控制，避免出現(xiàn)煤礦開采強度過大的問題，從而對能量揮發(fā)的平衡性造成不利影響，有效地防范能量分布過于聚集的情況發(fā)生，降低煤礦沖擊地壓發(fā)生的可能性。另外，在具體底煤處置開采作業(yè)過程中，還要對所用的開采工藝進行嚴格控制，保證工藝的合理性和可靠性，做好沖擊地壓災(zāi)害釋放的防范工作。

6 結(jié)束語

煤礦井下開采作業(yè)具有高危性，沖擊地壓災(zāi)害是其中較為嚴重的安全隱患。一旦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生，必然會直接傷害到井下作業(yè)設(shè)施和作業(yè)人員的安全。因此在煤礦開采作業(yè)過程中，需要全面對沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的條件、影響因素進行了解，并制定切實可行的防治措施，避免沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，確保煤礦井下作業(yè)的安全性，為煤礦企業(yè)的健康發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。