礦井深部開采沖擊地壓研究與防治

楊濤

【 摘要】沖擊礦壓是礦井巷道和采場(chǎng)周圍煤巖體由于變形能的釋放而產(chǎn)生以突然、急劇、猛烈破壞為特征的特殊的礦山壓力現(xiàn)象。顯然，沖擊礦壓是威脅礦山開采安全的一大隱患，直接威脅著煤礦的生產(chǎn)和人員及財(cái)產(chǎn)的安全，并隨開采深度的增加，此類災(zāi)害有加重的趨勢(shì)。因此，極有必要開展針對(duì)性的研究工作，以把握沖擊礦壓顯現(xiàn)的形成機(jī)制及關(guān)鍵影響因素，對(duì)當(dāng)前重點(diǎn)工作面的安全狀態(tài)做出危險(xiǎn)區(qū)域、危險(xiǎn)程度的評(píng)價(jià)，采用科學(xué)手段進(jìn)行解危、防護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)礦井的正常采掘接替，保障安全高效。

【關(guān)鍵詞】沖擊地壓、深部礦井、研究與防治

一、前言

隨著呂家坨煤礦開采深度的增加，以及開采條件越來越復(fù)雜，該礦工作面面臨的沖擊地壓帶來的威脅越來越大，必須及早引起重視。沖擊地壓會(huì)造成煤巖體振動(dòng)和煤巖體破壞，支架與設(shè)備損壞，人員傷亡，部分巷道破壞等，沖擊地壓還會(huì)引發(fā)或可能引發(fā)其他災(zāi)害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)造成地面震動(dòng)和建筑物破壞等。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和煤礦技術(shù)人員從沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理、危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究，并提出了許多行之有效的沖擊地壓預(yù)防措施。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提出了呂家坨礦沖擊礦壓的防治措施，扭轉(zhuǎn)了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動(dòng)管理局面，有效地保護(hù)了職工的生命安全，最大限度降低了財(cái)產(chǎn)損失，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

二、概況

呂家坨礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬t/a，主采7、8、9、12號(hào)煤層。采掘工作面主要布置在大巷東西兩翼，其中四采外5476Yd工作面埋深約-800m，為該礦井埋深5水平的回采工作面，工作面全長(zhǎng)約1000m，傾向約170m，兩側(cè)均為雙巷布置。該工作面回采巷道掘進(jìn)期間，“煤炮”頻繁發(fā)生，響聲巨大、煤塵飛揚(yáng)，多次造成巷道迎頭及已支護(hù)段出現(xiàn)大面積頂板瞬間下沉或切頂，下沉量可達(dá)300-700mm，厚度達(dá)2000mm的支護(hù)體整體冒落，頂板錨索頻繁破斷，局部顯著底臌，嚴(yán)重時(shí)期甚至導(dǎo)致皮帶架、掘進(jìn)機(jī)發(fā)生顯著位移。由于巷道動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，導(dǎo)致已掘巷道圍巖破壞嚴(yán)重，無法繼續(xù)正常作業(yè)，迫使將精力集中于巷道的擴(kuò)修、維護(hù)，部分區(qū)段反復(fù)擴(kuò)修2-3次仍無法抵抗“煤炮”的沖擊作用而再次破壞，繁重的擴(kuò)修工程嚴(yán)重制約了礦井的采掘接替。鑒于該礦沖擊礦壓的高危險(xiǎn)性，研究其發(fā)生規(guī)律與治理方法， 是一個(gè)非常重要的課題。

三、沖擊礦壓發(fā)生的地質(zhì)影響因素

1、開采深度

研究表明，從500m開始，隨著開采深度的增加，沖擊地壓的危險(xiǎn)性急劇增長(zhǎng)。而呂家坨礦四采外5476Yd工作面開采深度達(dá)-800m，掘進(jìn)巷道期間就多次發(fā)生“煤炮”、頂板急劇下沉等典型動(dòng)力現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表明沖擊礦壓與地應(yīng)力相關(guān)。

2、煤層沖擊性

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，四采外煤層的上、下分層均鑒定為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層。其中上分層煤樣的4個(gè)沖擊傾向性指標(biāo)：動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT、沖擊能量指數(shù)KE、彈性能量指數(shù)WET和單軸抗壓強(qiáng)度Rc等測(cè)定值均處于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性區(qū)間。下分層的4個(gè)沖擊傾向性指標(biāo)中，僅有彈性能指數(shù)KE為4.45，極為接近強(qiáng)沖擊傾向性區(qū)間（1.5≤KE<5）。對(duì)于四采外5476Yd工作面全煤巷道而言，巷道頂板、兩幫和底板均為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤體，在一定應(yīng)力條件下，巷道四周均具備發(fā)生沖擊破壞的可能性。當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主時(shí)，頂?shù)装鍥_擊危險(xiǎn)相對(duì)嚴(yán)重；當(dāng)垂直應(yīng)力過度集中時(shí)（如煤柱應(yīng)力集中），則兩幫沖擊危險(xiǎn)相對(duì)嚴(yán)重。

3、頂板巖層結(jié)構(gòu)

呂家坨礦四采外5476Yd工作面相關(guān)參數(shù)：α=3°，割煤厚度3.5m，放煤厚度10m，總采高∑M=13.5m。由周邊鉆孔柱狀圖1可知，頂板巖層多為砂巖，從測(cè)試數(shù)據(jù)看，強(qiáng)度處于軟弱（f=0～3）至中硬（f=3～6）之間，因此，K取1.4。代入以上參數(shù)：

由計(jì)算結(jié)果可知，呂家坨礦7煤層5476Yd開采后，采空區(qū)煤層上方約34m左右范圍內(nèi)的巖層將由下往上逐層彎曲、斷裂、垮落，在頂板懸臂彎曲，直至運(yùn)移過程中，產(chǎn)生的靜、動(dòng)載荷將對(duì)采掘空間周圍煤巖體的應(yīng)力水平和能量積聚水平產(chǎn)生重要影響。

四、沖擊礦壓發(fā)生的開采技術(shù)因素

1、掘進(jìn)擾動(dòng)

為考察該礦掘進(jìn)工作面對(duì)沖擊地壓的影響規(guī)律，采用FLAC有限差分軟件對(duì)掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明：在沿巷道軸向上，垂直應(yīng)力集中主要集中在掘進(jìn)迎頭前方，且煤層應(yīng)力變化較頂、底板更為顯著。水平應(yīng)力在掘進(jìn)迎頭前方和后方均有集中現(xiàn)象，但后方應(yīng)力集中程度顯著大于前方，且水平應(yīng)力峰值處于迎頭上方距頂板表面3m處的層位。該礦最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，水平應(yīng)力影響程度顯著大于垂直應(yīng)力影響。巷道掘出后，將一直受到頂?shù)装甯咚綉?yīng)力的影響。由于呂家坨煤礦工作面順槽均為全煤巷道，在巷道四周圍巖結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度相同的條件下，沖擊破壞將在頂、底板顯現(xiàn)為主。

2、回采擾動(dòng)

研究表明，5476Yd工作面回采過程中具有顯著的周期來壓現(xiàn)象，且具有大、小周期的特點(diǎn)。大周期來壓即高位老頂周期來壓，來壓步距在60m左右，來壓期間主要表現(xiàn)為支架工作阻力大幅度增加，安全閥頻繁開啟，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約3-5天，影響范圍大，平均18m；而在部分大周期來壓之間出現(xiàn)了規(guī)律性的小周期來壓，來壓期間同樣具有支架工作阻力增大，安全閥開啟的現(xiàn)象，但持續(xù)時(shí)間較短，一般為1-2天，之后壓力迅速下降。

3、采掘速度

根據(jù)回采工作面日推進(jìn)度的統(tǒng)計(jì)，在沖擊地壓危險(xiǎn)工作面，采掘速度與動(dòng)力顯現(xiàn)有非常明顯的關(guān)系。采掘速度與煤巖體的能量釋放有一定關(guān)系，采掘速度太快可能造成煤巖體應(yīng)力和能量不能及時(shí)釋放而逐漸積累，直至超過其強(qiáng)度極限后以大能量震動(dòng)事件的形式集中釋放，從而誘發(fā)沖擊地壓。工作面推進(jìn)度的確定應(yīng)根據(jù)工作面的危險(xiǎn)期和微震或地音監(jiān)測(cè)進(jìn)行確定。工作面合理的推進(jìn)度在不同時(shí)期、不同危險(xiǎn)區(qū)域?qū)⒂兴煌?/p>

五、沖擊礦壓總體防治對(duì)策

針對(duì)該礦引起沖擊礦壓的因素，采取以下針對(duì)性防治措施：

（1）成立沖擊礦壓防沖機(jī)構(gòu)，并制定相應(yīng)的制度，并負(fù)責(zé)實(shí)施各項(xiàng)解危方案。

（2）采取沖擊地壓區(qū)域性防范措施，提出調(diào)整巷道方向，優(yōu)化接工作面接替順序，調(diào)整巷道布置方式，調(diào)整大巷布置層位等適合于現(xiàn)場(chǎng)開采、地質(zhì)條件的初步方案。

（3）形成沖擊地壓危險(xiǎn)源層次化監(jiān)測(cè)的初步方案：利用微震法對(duì)全礦井、利用地音法對(duì)重點(diǎn)工作面監(jiān)測(cè)煤巖破裂產(chǎn)生的動(dòng)載荷。利用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)、鉆屑法抽樣檢測(cè)局部危險(xiǎn)區(qū)域煤體靜載荷。

六、結(jié)束語

近年來我國(guó)的煤礦的深度開采工作正在逐年的加強(qiáng)，深部開采沖擊地壓作為開采過程中一種常見的自然災(zāi)害，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外專家的高度重視。對(duì)沖擊地壓這一典型的開采災(zāi)害，應(yīng)從生產(chǎn)條件、影響因素、預(yù)測(cè)技術(shù)以及防止措施等方面加以深入的研究，盡量減少或是避免沖擊地壓的發(fā)生，為煤礦深部開采工作營(yíng)造一個(gè)安全、穩(wěn)定的開采環(huán)境，促進(jìn)我國(guó)煤礦開采事業(yè)的安全發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋繼臣，竇林名，何江，等.峻德煤礦104掘進(jìn)工作面沖擊礦壓防治技術(shù)[J].煤礦安全與環(huán)保，2010，37（5）：49-58.

[2]李化敏，袁瑞甫，李剛鋒.綜合指數(shù)法中地質(zhì)條件影響沖擊危險(xiǎn)指數(shù)的探討[J].煤礦安全學(xué)報(bào)，2011，42（11），119–122.

[3]王文婕.煤層沖擊傾向性對(duì)沖擊地壓的影響機(jī)制研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013.