沖擊礦壓及其防治措施

寧曉寧

【摘 要】隨著我國(guó)煤礦開采深度的增加，各種煤巖地質(zhì)災(zāi)害也日益嚴(yán)重，其中沖擊礦壓因其發(fā)生突然，破壞性極大，嚴(yán)重威脅煤礦生產(chǎn)安全。該文討論了沖擊礦壓的發(fā)生機(jī)理、影響因素和防治措施，為煤礦安全評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)， 在煤礦安全生產(chǎn)中具有重要的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】沖擊礦壓；發(fā)生機(jī)理；影響因素；防治措施

1.沖擊礦壓分類

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的分類方法，沖擊礦壓可分為由采礦活動(dòng)引起的采礦型沖擊礦壓和由構(gòu)造活動(dòng)引起的構(gòu)造型沖擊礦壓。而采礦型沖擊礦壓可分為壓力型、沖擊型和沖擊壓力型。壓力型沖擊礦壓是由于巷道周圍煤體中的的壓力由亞穩(wěn)態(tài)增至極限值，其聚集的能量突然釋放。沖擊型沖擊礦壓是由于煤層頂?shù)装搴駧r層突然破斷或位移引發(fā)的，它與震動(dòng)脈沖地點(diǎn)有關(guān)，而與事故地點(diǎn)無(wú)關(guān)。在某種程度上，構(gòu)造型沖擊礦壓也是沖擊型的。沖擊壓力型沖擊礦壓則介于上述兩者之間，當(dāng)煤層受較大壓力時(shí)，在來(lái)自周圍巖體內(nèi)不大的沖擊脈沖作用下發(fā)生的沖擊礦壓[2]。

2.沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理

沖擊礦壓發(fā)生的原因是多方面的，但總的來(lái)說(shuō)可以分為三類，即自然地質(zhì)因素、開采技術(shù)條件和組織管理措施。

沖擊礦壓的發(fā)生需要滿足能量條件、剛度條件和沖擊傾向條件。這些條件可以用煤層和頂?shù)装宓膭偠葋?lái)說(shuō)明。

（1）當(dāng)煤層和頂?shù)装宓膭偠染笥诹?，煤巖體穩(wěn)定。

（2）當(dāng)煤層剛度小于零，但煤層和頂?shù)装宓膭偠戎痛笥诨虻扔诹?，煤巖體亞穩(wěn)定或靜態(tài)破壞。

（3）當(dāng)煤層和頂?shù)装鍎偠戎托∮诹?，煤巖體強(qiáng)烈破壞，發(fā)生沖擊礦壓。

煤礦中，煤層，底板，頂板構(gòu)成一個(gè)平衡系統(tǒng)。其中頂?shù)装宓膹?qiáng)度均比煤層大，而且煤層是開采對(duì)象，故在壓力作用下，煤體容易遭受破壞，如果是穩(wěn)定破壞，則表現(xiàn)為煤柱的變形、巷道壓縮等，如果是非穩(wěn)定、突然破壞，則表現(xiàn)為沖擊礦壓或突出。

3.常見的幾種顯現(xiàn)狀態(tài)

沖擊礦壓現(xiàn)象就是一種以急劇、猛烈破壞為特征的礦山壓力的動(dòng)力現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為以下幾種狀態(tài)：

（1）彈射：?jiǎn)蝹€(gè)碎塊從處于應(yīng)力狀態(tài)下的煤或巖體上彈射出來(lái)，并伴有強(qiáng)烈聲響，這種是屬于微沖擊現(xiàn)象。

（2）礦震：它是發(fā)生在煤體或巖體內(nèi)部或深部的沖擊礦壓，即深部的煤體或巖體發(fā)生破壞，但是煤或巖石不向已采空間內(nèi)拋出，只有片幫或散落現(xiàn)象， 煤或巖體震動(dòng)， 伴有聲響，有時(shí)產(chǎn)生煤塵。較弱的礦震稱為微震。

（3）弱沖擊：煤或巖石向已采空間拋出，但破壞性不大，對(duì)支架、機(jī)器和設(shè)備基本上沒(méi)有損壞，對(duì)工作人員已可構(gòu)成傷害。圍巖產(chǎn)生震動(dòng)，一般震級(jí)在2.2 級(jí)以下，伴有很大的聲響，產(chǎn)生煤塵，在瓦斯煤層中可能伴有大量瓦斯涌出。

（4）強(qiáng)沖擊：部分煤或巖體急劇破壞，大量向已采空間拋出，產(chǎn)生嚴(yán)重后果，出現(xiàn)支架折損、設(shè)備移動(dòng)和圍巖震動(dòng)，震級(jí)在2.3級(jí)以上，并伴有巨大聲響，形成大量煤塵和產(chǎn)生沖擊波。其強(qiáng)度足以對(duì)人員構(gòu)成極大的傷害。

4.沖擊礦壓的影響因素

影響沖擊礦壓發(fā)生因素是開采深度和地質(zhì)構(gòu)造， 煤層和頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)性質(zhì)， 以及開采技術(shù)條件。

4.1地質(zhì)因素

4.1.1煤層和頂?shù)装鍘r石性質(zhì)及特征

頂?shù)装鍘r層比較堅(jiān)硬， 這就使的其在破壞前的全部變形中，彈性變形占的比重大，而塑性變形所占比重小。這樣一來(lái)， 厚而堅(jiān)硬的頂板， 其初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距較大（初次來(lái)壓步距一般在50m左右） ， 采后易形成大面積的懸頂， 積聚大量的彈性能，是發(fā)生沖擊礦壓十分典型的條件。再就是，煤層堅(jiān)硬有脆性， 其抗壓強(qiáng)度也隨之增大， 當(dāng)其承壓達(dá)到極限平衡時(shí)，在外部誘因（如放炮等）的作用下使其平衡狀態(tài)破壞，煤體發(fā)生脆性破壞，彈性能突然釋放，發(fā)生沖擊礦壓。另外，煤層厚度越大，其煤體發(fā)生脆性破壞的傾向性越大，發(fā)生沖擊礦壓的機(jī)率也越大。

4.1.2地質(zhì)構(gòu)造

通常在地質(zhì)構(gòu)造帶中尚存有一部分地殼運(yùn)動(dòng)的殘余應(yīng)力，形成構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。在煤礦中常有斷層、褶曲和局部異常（如底板凸起、頂板下陷、煤層分岔、變薄或變厚等現(xiàn)象）等構(gòu)造帶。如斷層在形成的過(guò)程中，斷裂能夠釋放一定的能量，使其兩側(cè)的構(gòu)造應(yīng)力降低。但在斷層的尾端構(gòu)造處，仍可積聚有較大的殘余應(yīng)力，給發(fā)生沖擊礦壓創(chuàng)造了必要的條件。沖擊礦壓就常常發(fā)生在這些構(gòu)造應(yīng)力集中的區(qū)域。

4.2開采技術(shù)因素

開采技術(shù)因素可以從兩個(gè)方面促使沖擊礦壓的發(fā)生：一是人為地形成高度應(yīng)力集中，增加發(fā)生沖擊礦壓的危險(xiǎn)性；二是改變應(yīng)力狀態(tài)和產(chǎn)生震動(dòng)，可以誘發(fā)出沖擊礦壓。具體分析如下：

4.2.1采煤方法

各種采煤方法的巷道布置和頂板控制方法不同，所產(chǎn)生的礦山壓力和分布規(guī)律也不同。一般來(lái)說(shuō)，短壁體系（房柱式、刀柱式、短壁水采等）采煤方法由于采掘巷道多，巷道交岔多，遺留煤柱多，形成多處支承壓力迭加，容易發(fā)生沖擊礦壓。因此，具有沖擊危險(xiǎn)的礦井最好采用直線長(zhǎng)壁式采煤方法。

4.2.2煤柱的狀況

煤柱是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地點(diǎn)。孤島形和半島形煤柱可能受幾個(gè)方向集中應(yīng)力的迭加作用，因而在煤柱附近最容易發(fā)生沖擊礦壓。煤柱上的集中應(yīng)力不僅對(duì)本煤層開采有影響，而且對(duì)下部煤層形成沖擊條件。

4.2.3采掘順序

采掘順序?qū)τ诘V山壓力的大小和分布影響很大，巷道相向掘進(jìn)， 回采工作面相向開采，以及在工作面前方的支承壓力帶開掘巷道，都會(huì)使支承壓力迭加而可能發(fā)生沖擊礦壓。因此，應(yīng)當(dāng)避免同一區(qū)段上兩翼工作面同時(shí)接近上下山。

5.沖擊礦壓的防治措施

5.1預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作。

電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)：電磁輻射監(jiān)測(cè)的原理是，利用電磁輻射儀接收采掘生產(chǎn)過(guò)程中煤巖體在礦壓作用下產(chǎn)生、發(fā)射電磁輻射的信號(hào)，即監(jiān)測(cè)到的電磁輻射強(qiáng)度能反映煤巖體內(nèi)部應(yīng)力變化尺度及破壞程度的特征信息。自掘進(jìn)工作面迎頭向外50m范圍內(nèi)每隔10m布置一測(cè)點(diǎn)，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)礦成立專門防沖擊礦壓專業(yè)隊(duì)伍，利用儀器對(duì)煤層進(jìn)行觀測(cè)，如利用電磁輻射儀每班重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行設(shè)點(diǎn)觀測(cè)，通過(guò)分析每天對(duì)沖擊礦壓危險(xiǎn)性做出預(yù)報(bào)。

5.2采取注水卸壓、鉆孔卸壓、爆破卸壓（包括松動(dòng)爆）、頂板注水或強(qiáng)制放頂?shù)葴p緩應(yīng)力集中程度的措施，規(guī)定時(shí)間、地點(diǎn)、相應(yīng)的工藝參數(shù)以及檢查實(shí)施效果的方法。鉆孔卸壓：鉆孔卸壓的實(shí)質(zhì)是鉆孔接近高應(yīng)力帶時(shí)，煤層中積聚的彈性能破壞鉆孔周圍的煤體，因此，在每一個(gè)鉆孔周圍形成一定的破碎區(qū)，當(dāng)這些破碎區(qū)互相接近后，形成一個(gè)較大的松動(dòng)區(qū)，煤層卸壓釋放能量，從而消除或減緩煤巖體沖擊危險(xiǎn)性。

5.3生產(chǎn)技術(shù)專項(xiàng)措施。

①合理布置巷道，不留中間煤柱，風(fēng)道與上段凈煤柱應(yīng)留5～7m，避開應(yīng)力峰值區(qū)，石門繞道等應(yīng)與上下兩巷垂直布置。②開采有沖擊礦壓危險(xiǎn)煤層，兩巷斷面應(yīng)不低于8，并使用錨網(wǎng)、錨索加鋼帶的主動(dòng)支護(hù)方式。

6.結(jié)論

煤礦開采過(guò)程中，沖擊礦壓現(xiàn)象的危害程度比一般礦山壓力顯現(xiàn)程度更為嚴(yán)重。尤其是同煤集團(tuán)的一些礦井開采邊角煤、保護(hù)煤柱的條件下，開采中更易發(fā)生沖擊礦壓，造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害。但是，我們?cè)谡莆掌涑梢蚝蜋C(jī)理，并了解影響其發(fā)生因素的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，通過(guò)對(duì)沖擊礦壓認(rèn)真地測(cè)定，并針對(duì)具體情況采取有效的防治手段，完全可以消除或大大減少?zèng)_擊礦壓事故，確保煤礦正常有序的生產(chǎn)。

（1）確定煤層沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)及等級(jí)對(duì)沖擊礦壓治理有重要意義。

（2）在一定的圍巖與壓力條件下，任何煤層都有可能發(fā)生沖擊礦壓。通過(guò)一定的方法，沖擊礦壓是可以防治的。

（3）由于沖擊礦壓的隨機(jī)性和突發(fā)性，必須進(jìn)行沖擊礦壓危險(xiǎn)的區(qū)域預(yù)報(bào)與局部預(yù)報(bào)相結(jié)合，早期預(yù)報(bào)和及時(shí)預(yù)報(bào)相結(jié)合，采用多種方法進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)。

【參考文獻(xiàn)】

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