沖擊礦壓形成及預測技術(shù)研究

朱希平

(同煤集團馬道頭煤業(yè)有限責任公司，山西大同037001）

我國是一個煤炭大國，煤炭是我國最主要的能源，在一次能源消費中占70%以上。近年來，隨著國內(nèi)煤炭事業(yè)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對于煤炭資源的需求不斷增加，進而促使不少煤炭開采由淺部趨于深部發(fā)展，國內(nèi)現(xiàn)平均開采深度已達650m[1]。煤炭開采這一現(xiàn)狀的不斷發(fā)展，使得不少深部采空區(qū)形成，加上上覆巖層的垂直應力、構(gòu)造應力和其他復雜應力的擾動，增加了礦井沖擊地壓發(fā)生的幾率，其主要表現(xiàn)為頂板突出、兩幫內(nèi)擠，更甚至直接引起地表巖層的大面積塌陷，進而嚴重影響礦區(qū)居民的生活，帶來較大的生態(tài)破壞[2]。因此，如何采取有效合理的開采和預測方式才能從根本上解決實際生產(chǎn)中帶來的諸多問題。已達到在開采活動展開的同時，實現(xiàn)真正的文明礦區(qū)、和諧穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境。

1 沖擊礦壓成因

煤礦生產(chǎn)過程中誘導沖擊礦壓發(fā)生的因素有多個方面，因此，國內(nèi)考慮其誘導因素多從礦井開采范圍內(nèi)的地質(zhì)特性、開采規(guī)劃和其他非客觀性因素[3]。

1.1 開采地質(zhì)特性

在煤礦實際生產(chǎn)過程中，不同的煤礦其開采地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造應力和其圍巖組成成分雖不盡相同，但礦井沖擊礦壓的發(fā)生的本質(zhì)并沒有這些原因而不同，大多是在人為地開采活動破壞了地下巖層本已經(jīng)穩(wěn)定的原巖應力，進而使得地下應力重新進行分配，以達到新的平衡，然而在這個構(gòu)造應力穩(wěn)定的過程中，人們所開采的巷道必然在不同程度上受到影響，以至于部分區(qū)域發(fā)生較為嚴重的沖擊礦壓。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)煤巖體內(nèi)的彈性能W主要由沖擊彈性能WT、形變彈性能WL和頂板動態(tài)彎曲彈性能WW三部分組成，即：

對于頂板初垮落來壓情況下：

頂板周期垮落來壓情況下：

在現(xiàn)有公式的基礎(chǔ)上，經(jīng)過實驗室科學的分析可以得出：巷道頂板巖性在一定程度上對于誘發(fā)沖擊礦壓事故極為重要，當頂板巖性硬度較為強時，對于能量的集聚極為有利，此時如不能采取有效的泄壓方式，則會誘導較為大的沖擊礦壓發(fā)生。此外，煤巖體本身的沖擊傾向性、強度和脆性也在一定程度上決定了煤礦沖擊礦壓發(fā)生的可能性。

1.2 開采規(guī)劃

在實際生產(chǎn)過程中，不少煤礦在開采前期開采規(guī)劃不足，對沖擊礦壓認知不清楚，導致國內(nèi)煤炭事業(yè)發(fā)展初期發(fā)生了諸多由于礦井沖擊礦壓引起的煤炭事故。在井下巷道開挖初期，原有的應力平衡被破壞，隨之而來的就是支承壓力的形成，而且主要以切向應力表現(xiàn)，它是誘導煤炭事故的主要原因，因此，如何設(shè)計和控制巷道的開挖方式和開挖形式在一定程度上能夠減緩其造成的影響，但是單單的考慮巷道開挖形式和成型形式是不能滿足正常的生產(chǎn)需要，需要在巷道的開挖速度上加以控制，以保證巷道開挖、支護及成型與支承壓力的移動速度形成一定的相關(guān)性，保證巷道掘進和成型過程中避開支承壓力的強烈作用，并且在適當?shù)臅r候可以采取必要的人為泄壓，以盡量避免誘導礦井沖擊礦壓的發(fā)生；同時，在生產(chǎn)過程中應當盡量避免應力集中區(qū)域的產(chǎn)生和應力集中區(qū)域的開采活動。

1.3 其他非客觀因素

在生產(chǎn)過程中除了我們無法避免的客觀因素外，還有許多由于非客觀因素造成的煤礦事故，在現(xiàn)實生產(chǎn)過程時有發(fā)生由于煤礦監(jiān)管不嚴、礦工操作不規(guī)范引起的煤礦事故，這其中不乏沖擊礦壓事故，最為突出的便是在違反開采原則，盲目加快巷道和工作面的掘進速度，使生產(chǎn)區(qū)域正處在支承壓力危險區(qū)域，從而造成不必要的沖擊礦壓事故[4]。因此，如何建立和完善各種規(guī)章制度、如何確保合理地開采方案正常進行也是避免沖擊礦壓發(fā)生的一個重要方面。

2 沖擊礦壓預測

在煤礦生產(chǎn)過程中防治沖擊礦壓災害發(fā)生是保障安全生產(chǎn)的前提。沖擊礦壓的預測主要從沖擊礦壓可能發(fā)生的時間、地點和發(fā)生的規(guī)模3個方面，其具體方法可以分為人工法和地球物理法2大類。人工法在現(xiàn)場主要采用鉆屑法、煤巖體沖擊傾向性測定、頂?shù)装鍑鷰r壓力及位移變形觀測法3種方法預測；而地球物理法的預測結(jié)果準確性較高，主要靠聲發(fā)射(AE)及微震技術(shù)監(jiān)測、地應力及煤巖體應力監(jiān)測和電磁輻射監(jiān)測技術(shù)等[5]。由于沖擊礦壓的突發(fā)性原因，在時間方面想要做出較為準確地預報幾乎難以實現(xiàn)，但沖擊礦壓潛在的發(fā)生區(qū)域是可以通過現(xiàn)有技術(shù)準確預測。在國內(nèi)大部分生產(chǎn)煤礦中主要采用電磁輻射儀和鉆屑法來預測沖擊礦壓的發(fā)生。大量實踐數(shù)據(jù)表明，這2種方法以其簡單、實用的優(yōu)勢在煤炭生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。

2.1 電磁輻射儀監(jiān)測預報法

掘進巷道或回采空間形成以后，采煤工作面前方的煤巖體內(nèi)應力平衡被打破，應力處于失穩(wěn)定狀態(tài)。煤壁中的煤巖體發(fā)生變形或破壞，以達到新的應力平衡狀態(tài)。在此破壞過程中，煤巖體中的基本微元之間的電引力場也隨著發(fā)生變化，并以電磁波的形式向外界輻射[6]。研究數(shù)據(jù)表明，煤巖流變破壞與電磁輻射之間存在一定的相關(guān)性。電磁輻射的頻率隨著應力載荷及煤巖體變形破裂強度的變化而變化；電磁輻射的強度及脈沖數(shù)也隨著載荷大小的增大而增強。煤炭科學研究總院重慶分院利用這一原理自主研發(fā)沖擊礦壓和煤、瓦斯突出監(jiān)測儀。其研制的KBD5型電磁輻射儀，操作簡便，可以較為精確地檢測出煤巖體內(nèi)7.20～23.00m范圍內(nèi)的煤巖體破裂情況，并支持長時間的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測。該儀器先后在焦煤集團、神火和神華部分礦井得到了較好的應用，并取得了一定了研究成果。

2.2 鉆屑監(jiān)測預報法

20世紀60年代由德國和蘇聯(lián)的學者提出鉆屑法的基本理論并通過試驗驗證。國內(nèi)從20世紀70年代才逐步開始鉆屑法的現(xiàn)場試驗研究。鉆屑法主要通過在煤巖體中打直徑540～550mm的鉆孔，監(jiān)測鉆孔周圍巖體向極限應力狀態(tài)過渡的過程，并監(jiān)測打鉆過程的響聲和微沖擊的強度升高，鉆孔孔徑的擴大，鉆屑量的異常增多，鉆屑粒度的增大現(xiàn)象，當預測有沖擊危險地點通過鉆屑法測定的煤粉量結(jié)果與標準煤粉量的差值超過50%以上時，表明該區(qū)域具有較為可能的沖擊危險，必須采用必要的卸壓處理。

3 結(jié)論

煤礦沖擊礦壓預測強度在中等以上的區(qū)域，必須從防沖的角度設(shè)計采區(qū)內(nèi)區(qū)段工作面的布置及其接替順序，嚴禁禁止跳采或同時在一翼同時開采，更不能采用兩翼對采的方式；同時，工作面推進速度要盡量保持勻速推進，避免忽快忽慢，采采停停的現(xiàn)象。其中，采用電磁輻射監(jiān)測和煤粉鉆屑法檢測能夠較為準確地預測沖擊礦壓發(fā)生的可能性。

參考文獻：

[1] 竇林名，趙從國，楊思光.煤礦開采沖擊礦壓災害防治[D].中國礦業(yè)大學，2006.

[2] 張銀亮.躍進礦采煤面下巷沖擊地壓的形成及防治技術(shù)[J].煤炭工程，2007（10）.

[3] 王衛(wèi)軍，李樹清，歐陽廣斌.深井煤層巷道圍巖控制技術(shù)及實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006,25(10)：2102-2107.

[4] 竇林名，何學秋，王恩元.沖擊礦壓預測的電磁輻射技術(shù)及應用[J].煤炭學報，2004（4）.

[5] 張萬斌，王淑坤，騰學軍.我國沖擊地壓研究與防治的進展[J].煤炭學報，1992，17(2)：29-35.

[6] 李青鋒，周澤，朱川曲.采動壓力對錨桿支護結(jié)構(gòu)漸進損傷的數(shù)值模擬和實驗研究[J].采礦與安全工程學報，2015，32（6）：950-954.