煤礦沖擊地壓防治技術(shù)討論

＊常秋鵬 劉更慶 葛祥吉

（兗礦能源集團股份有限公司東灘煤礦 山東 272000）

現(xiàn)代煤礦開采工作會受到多種因素的影響，比如人員、開采技術(shù)、環(huán)境等等，沖擊地壓屬于常見問題之一，可以影響煤礦開采質(zhì)量與效率。當前沖擊傾向存在于我國絕大多數(shù)礦山煤層與巖層之間，伴隨煤礦開采工作不斷深入，沖擊地壓災害發(fā)生可能性也就越高，對我國礦山開采生產(chǎn)安全性造成了嚴重影響。因此要如何降低沖擊地下形成概率，保證井下人員作業(yè)安全成為了行業(yè)重點關注內(nèi)容。即應以煤礦沖擊地壓形成原因為切入點，結(jié)合礦井所在位置信息展開深度分析，并提出科學合理預防手段，保證作業(yè)人員人身安全，確保開采工作順利完成。

1.煤礦沖擊地壓類型

結(jié)合不同切入點，可將煤礦沖擊地壓劃分為不同類型，常見劃分習慣如下：

（1）根據(jù)誘發(fā)因素，可將煤礦沖擊地壓劃分為重力型、構(gòu)造應力型以及構(gòu)造重力型三類。其中重力型沖擊地壓出現(xiàn)的原因為伴隨開采深度不斷增加，礦井上部巖石層所受重力增加；構(gòu)造應力型沖擊地壓出現(xiàn)的原因為斷層與褶曲等區(qū)域受構(gòu)造應力影響產(chǎn)生較高彈性勢能；構(gòu)造重力型沖擊地壓出現(xiàn)的原因為開采區(qū)域存在應力與重力雙重作用。

（2）根據(jù)發(fā)生位置不同，可將煤礦沖擊地壓劃分為煤體沖擊與巖體沖擊兩類。其中煤體沖擊根據(jù)發(fā)生位置不同，被劃分為淺層沖擊與深層沖擊兩類；巖體沖擊根據(jù)發(fā)生位置不同，被劃分為頂板沖擊與底板沖擊。

（3）根據(jù)破壞力度不同，可將煤礦沖擊地壓劃分為弱沖擊、中強度沖擊以及嚴重沖擊。其中弱沖擊會導致巷道20m以內(nèi)破壞；中強度沖擊會導致巷道出現(xiàn)20～50m破壞；嚴重沖擊會導致巷道出現(xiàn)50m以上破壞[1]。

2.煤礦沖擊地壓特征

結(jié)合現(xiàn)有資料研究發(fā)現(xiàn)，煤礦沖擊地壓具備以下特征：

（1）如果沖擊地壓強度較小，發(fā)生頻率較高，威力較小，通常只是在礦井中發(fā)生了彈跳，不會對后續(xù)采礦工作產(chǎn)生太大的影響。

（2）如果是由煤體引起的，則破壞情況會比較嚴重，一般發(fā)生在煤層較深位置。盡管地震強度很大，地表也會有強烈的震動，但是對地下工作面沖擊較少，對工作面的損害較輕。

（3）如果在巷道附近發(fā)生該情況，則不論沖擊地壓具體級別，都會對巷道造成較大壓力，這種壓力會造成巷道損壞，甚至還會引發(fā)底鼓現(xiàn)象，對后續(xù)工作造成影響。

（4）絕大多數(shù)沖擊地壓情況發(fā)生時間較短，最多也就十幾秒鐘。因此在沖擊地壓發(fā)生之前，一般沒有預警信號。

3.煤礦沖擊地壓理論及產(chǎn)生因素

(1)煤礦沖擊地壓理論

綜合現(xiàn)有研究成果可知，與煤礦沖擊地壓形成問題有關的理論主要有以下四項。

①強度理論：該理論為最早出現(xiàn)的理論，理論表明采場周邊存在明顯的應力集中情況，煤巖體達到最大承載壓力時，如果巖體遭受破壞，則會引發(fā)沖擊地壓。當前研究理論表明：應力在突然增加或受到阻力下降時，煤巖體都將出現(xiàn)運動破壞，此時煤巖體將出現(xiàn)拋射情況，即當煤巖體自身應力不小于系統(tǒng)強度時，會出現(xiàn)沖擊地壓情況[2]。

②能量理論：該理論表明礦體與圍巖所釋放能力是形成沖擊地壓的主要能量源。伴隨企業(yè)不斷發(fā)展，系統(tǒng)整體平衡將被破壞，釋放能力遠高于消耗能量，此時完全具備形成煤礦沖擊地壓的條件。

③沖擊傾向理論：沖擊傾向是指煤巖介質(zhì)自身破壞力，在工作中，借助相應數(shù)據(jù)完成沖擊傾向度確定。

圖1 煤的強度與參數(shù)應力之間的關系

④組合理論：沖擊傾向理論與強度理論同時滿足沖擊地壓要求，是形成沖擊地壓的必要條件。

(2)煤礦沖擊地壓產(chǎn)生因素

①地質(zhì)因素。沖擊地壓結(jié)束后，煤層將被劃分為“硬頂—硬煤—硬頂”與“硬頂—薄軟層—煤層”兩種不同結(jié)構(gòu)，這兩大結(jié)構(gòu)構(gòu)造形成沖擊地壓的潛在風險，當斷層、褶渠、煤層傾角發(fā)生變化時可能出現(xiàn)開采后沖擊危險[3]。如果開采區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)具備復雜性特點，則其附近必然存在較為強大的應力場，而構(gòu)造曼力會伴隨應力場形成，此時將可能出現(xiàn)反沖擊地壓事故。假設開采區(qū)域效應力較為集中，則在開采過程中也可能引發(fā)沖擊地壓事故。結(jié)合上述內(nèi)容可知，地質(zhì)方面，煤礦沖擊地壓形成原因主要有三點，第一，煤層或圍巖存在沖擊傾向；第二，周邊聚集有大量能量；第三，能量具備可釋放條件。

②技術(shù)因素。所使用開采技術(shù)也可以決定是否會造成沖擊地壓。開采工作會導致煤巖體應力迅速增加，當某區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)集中應力時，將極易引發(fā)沖擊地壓事故。對現(xiàn)有開采技術(shù)進行分析發(fā)現(xiàn)，綜合式開采技術(shù)對煤巖體應力影響最為嚴重，使用危險性遠高于單一煤層開采技術(shù)與分層煤炭開采技術(shù)。除此之外，地質(zhì)條件不同，所選擇開采方式也存在一定差異。如果存在方法使用不當，開采順序與規(guī)定不符等情況，都將造成沖擊地壓事故的出現(xiàn)。

③管理因素。選擇煤礦沖擊傾向技術(shù)不僅可以有效提高管理組織科學性，還可以控制沖擊地壓事故發(fā)生概率。如果管理組織存在問題，也可能引發(fā)沖擊地壓事故。如工作面布設、開采順序有待優(yōu)化、煤柱開采作業(yè)未規(guī)避應力集中問題等等[4]。

企業(yè)不應為追求經(jīng)濟效益而忽略完全管理，組織管理人員為考慮工作危險性，使得實際工作計劃存在漏洞，會增加沖擊地壓事故發(fā)生概率。

4.煤礦沖擊地壓防治技術(shù)分析

（1）煤礦壓力預測。礦井預測的重點為煤炭傾向性預測，完成周邊煤巖硬度測量，從煤炭中所形成的多種介質(zhì)以及它們的破壞能力和屬性來進行分析，這也是當前使用最廣泛的一種防范技術(shù)。通過北京巖體機械采煤室內(nèi)實驗，確認了某些礦井自身存在較大的沖擊傾向。礦井的沖擊傾向性可以用試驗來驗證，在采礦前對礦井進行現(xiàn)場勘測及試驗研究，為以后的采礦工作提供了較大的安全保障。本項目擬采用鉆屑方法對煤巖進行鉆進，依據(jù)煤巖粉含量和含量變化特征，實現(xiàn)一系列檢測目標，對煤巖層中可能發(fā)生的沖擊災害進行分級，為下一步工作奠定基礎[5]。

圖2 鉆屑法原理

（2）鉆孔卸壓技術(shù)。鉆孔卸壓就是在礦井高應力條件下，通過各地層的彈性變形，使井眼周圍的煤巖發(fā)生破壞。這樣，就可以讓煤炭釋放出自己的力量，來減少爆炸的風險。鉆井卸壓是一種將煤層中的高應力和壓力進行卸壓的方法，適用于在礦井中進行作業(yè)，也可以利用鉆井將高應力轉(zhuǎn)化為其它的卸壓巖體。需要注意的是，開展鉆井工作時，必須結(jié)合現(xiàn)場實際情況完成相關工具選擇，比如鉆機型號、鉆桿長度、鉆頭直徑等等。對可能發(fā)生沖擊地壓災害的煤層進行開采時，必須慎重選擇開采技術(shù)，并制定具體開采方案，其主要目的為：減小煤層應力集中情況或?qū)⑵滢D(zhuǎn)移至煤層深處；改變煤巖體機械性質(zhì)，降低其儲藏與突然釋放彈性的能力；降低沖擊地壓危害程度。根據(jù)要求，在一定范圍內(nèi)將孔深與底板之間的有效距離控制好，將鉆孔布置為單行，并對各項鉆孔參數(shù)進行控制，不僅可以實現(xiàn)泄壓，還可以保證鉆孔作業(yè)的安全性。

（3）卸壓爆破技術(shù)。卸壓法是在煤礦高應力條件下，對其進行定向爆破，使其在采礦時產(chǎn)生沖擊波，從而達到消除沖擊波危害的目的。卸壓法最主要的作用是將煤層引爆，使其內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙，進而使鄰近煤層的機械構(gòu)造發(fā)生變化，使其彈性強度和彈性能量下降，進而使發(fā)生沖擊地壓的強度和能量大大減少，降低了其彈性強度和彈性能量，以及大幅度地降低了出現(xiàn)沖擊地壓的強度和能量，從而增大了應力的釋放范圍，減少了其集中程度和釋放速度，在一定程度上避免了沖擊地壓的危害[6]。

（4）煤層注水技術(shù)。對煤層進行注水處理是一種十分有效的方法。由于煤的自身存在著一定的孔隙和透水性，所以在注水的過程中，能夠?qū)γ旱奈锢硖匦赃M行改造，使煤的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤的強度下降，煤的蓄力變小，提高了煤的塑性，并且還能夠起到降塵的作用，消除了沖擊地壓的風險。最常用的兩種方法就是將頂板注水和壓注化學溶液，在注水的時候，要對注水的時機進行科學、合理的規(guī)劃，同時要對煤層進行檢驗，確認其適合進行卸壓，確保注水的泄壓效果。水驅(qū)的目的在于通過改變煤的構(gòu)造，降低煤的力學強度、儲存彈性以及沖擊傾向性。大部分的煤層在進行水壓處理后，其沖擊力會下降一級。通過水驅(qū)作用，可以有效地減小支撐壓力的峰值，并將其傳遞至煤體內(nèi)深處，進而實現(xiàn)對煤（或部分）應力場的調(diào)控。采煤技術(shù)采用了最大限度的機械化，并在危險區(qū)域以外進行操作，從而保證了采煤工人的生命安全[7]。

（5）加強支護與管理。對于有沖擊危險性的煤層區(qū)，應保證足夠的支護力，全方位地增強其抵抗沖擊的能力。在采礦、開挖過程中，必須進行噴絲網(wǎng)。在采礦過程中，為了保持井巷的剖面形狀，必須采用單個水力柱來強化井巷的支護，以減少井巷的沖撞風險和損害。在進行采礦作業(yè)的時候，要重視對現(xiàn)場管理人員、生產(chǎn)作業(yè)人員的安全培訓，制定出一系列完善的煤層管理制度，強化技術(shù)管理，以及對風險煤層和風險等級的識別與預報。

（6）制訂合理的開采計劃。伴隨煤礦開采深度增加，礦井發(fā)生沖擊地壓可能性增大，危險性增大，給礦井生產(chǎn)帶來了很大的難度。因此，要制定出一套科學的采礦方案，才能保證礦井的正常生產(chǎn)?；仫L平巷是現(xiàn)代煤炭開采中比較重要的一環(huán)，關系到煤炭開采的整體安全。在回采時，要沿回采方向進行，并要對回采全過程進行監(jiān)測和觀測。如果風平巷存在問題，不能滿足礦井下的工作需要，就要根據(jù)具體條件進行合理的布置，通常布置在煤柱周圍，這樣可以有效地抑制礦井下的支撐作用，同時也可以防止它給煤柱帶來過大的壓力。在礦井安全程度較高的情況下，可以不設置煤柱。如果采空區(qū)沒有煤柱，則需合理選擇開采區(qū)域，不能在高應力地方進行開采，否則會因為高應力的影響而發(fā)生垮塌等問題。

（7）保護層的科學開采。在礦井中，安全層起到了舉足輕重的作用，是保證礦井施工安全的關鍵。在實際的采礦作業(yè)中，一般選擇沒有沖擊地壓或輕微沖擊地壓的地區(qū)完成安全區(qū)搭建。借助安全區(qū)，可以有效地控制巖體之間的相互作用，避免巖體中的能量累積，減少巖體壓力。在采煤過程中，不管是頂板，還是底板，都會產(chǎn)生一定應力場，為了防止沖擊礦壓，采取了防護措施，將這些應力場控制在一定范圍之內(nèi)。

5.結(jié)束語

煤炭開采過程中沖擊地壓造成的影響與危害都是巨大的。因此，以煤礦采礦現(xiàn)場的具體狀況為依據(jù)，制訂出有效的、具體的、安全的計劃，使其達到科學、合理的預防沖擊礦壓的目的，從而有效的保證煤礦采礦工程的安全，推動煤礦采礦事業(yè)的正常開展，營造煤礦采礦事業(yè)安全發(fā)展的良好氛圍。