深井煤礦沖擊地壓及防治措施機(jī)理研究

趙西坡 劉引召

摘要：沖擊地壓是采掘空洞圍巖積聚的彈性勢(shì)能的突然釋放，常導(dǎo)致圍巖拋射、工程結(jié)構(gòu)破壞，甚至人員傷亡。在較強(qiáng)的應(yīng)力作用下伴隨沖擊波及震動(dòng)，也稱(chēng)為煤爆。礦井沖擊地壓發(fā)生有明顯特征，需要及時(shí)進(jìn)行防護(hù)措施。鑒于此，本文分析探討了深井煤礦沖擊地壓及防治措施機(jī)理，以供參閱。

關(guān)鍵詞：深井煤礦；沖擊地壓；防治措施

隨著開(kāi)采深度的加深，深井煤礦開(kāi)采中的沖擊地壓現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)增多。沖擊地壓是指在一定條件下，由于煤巖的動(dòng)力釋放現(xiàn)象，在巷道或工作面周?chē)a(chǎn)生的高彈應(yīng)力，由于彈性能量瞬間的釋放從而對(duì)礦井造成極大的破壞，其往往伴隨巨響，拋起煤巖，對(duì)開(kāi)采空間和配套開(kāi)采設(shè)備造成極大破壞，導(dǎo)致礦井部分坍塌，從而在深井表面造成局部地震。

1礦井發(fā)生沖擊地壓時(shí)的特點(diǎn)

（1）危險(xiǎn)性。沖擊地壓根據(jù)破壞程度可分為三類(lèi)：①輕型，采掘設(shè)備輕度破壞，可不停產(chǎn)同時(shí)維修設(shè)備；②中型，采掘設(shè)備損壞嚴(yán)重，支護(hù)構(gòu)建完全破壞，必須中斷生產(chǎn)；③重型，工程結(jié)構(gòu)完全破壞，需更換新的支架，并影響到其他工程結(jié)構(gòu)。（2）普遍性。自然條件下，沖擊地壓發(fā)生在除褐煤以外其他所有煤種。地質(zhì)構(gòu)造上，煤層薄厚、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單復(fù)雜、傾角大小和煤層開(kāi)采深度大小都會(huì)發(fā)生沖擊地壓。生產(chǎn)技術(shù)條件上，長(zhǎng)壁式采煤法等大量開(kāi)采工藝都出現(xiàn)過(guò)沖擊地壓。（3）多樣性。沖擊地壓表現(xiàn)的現(xiàn)象都有深部沖擊、淺部沖擊和煤爆等。深部沖擊出現(xiàn)在煤層深部，聲音沉悶；淺部沖擊出現(xiàn)在煤層淺部煤壁6m以內(nèi)；煤爆表現(xiàn)為煤壁破裂并拋射出小塊煤體。（4）突發(fā)性。無(wú)預(yù)兆且時(shí)間短暫，一般幾十秒以內(nèi)。

2沖擊地壓防治措施

目前，我國(guó)礦井的沖擊地壓防治措施主要包括：鉆孔卸壓技術(shù)、爆破卸壓技術(shù)、煤層注水技術(shù)、SOS微震監(jiān)測(cè)和支架載荷監(jiān)測(cè)。（1）鉆孔卸壓技術(shù)。當(dāng)煤礦在高地應(yīng)力環(huán)境下回采時(shí)，通過(guò)向煤層及頂?shù)装邈@孔的方式，破壞鉆孔附近的煤巖體，釋放煤層及頂板內(nèi)所積聚的彈性勢(shì)能。同時(shí)，鉆孔還可以將巖體內(nèi)的高應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)移，降低沖擊地壓的危險(xiǎn)性。在井下進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇相適應(yīng)的鉆機(jī)，按照規(guī)定進(jìn)行打孔，鉆孔呈單排分布，控制孔深到頂?shù)装宓挠行Ь嚯x，既達(dá)到了卸壓要求，由能保證鉆孔作業(yè)安全。（2）爆破卸壓技術(shù)。爆破卸壓技術(shù)就是在高應(yīng)力煤層中進(jìn)行定點(diǎn)爆破，當(dāng)煤層中的彈性勢(shì)能還不高的情況下，提前誘發(fā)沖擊。卸壓爆破后還會(huì)使煤層內(nèi)產(chǎn)生大量的裂隙，改變了附近的力學(xué)結(jié)構(gòu)，降低了附近煤體的彈性能量和彈性強(qiáng)度。爆破卸壓后，可以通過(guò)鉆屑法進(jìn)行檢測(cè)，判斷卸壓是否達(dá)到要求。（3）煤層注水技術(shù)。煤層注水技術(shù)是一種有效的沖擊地壓防止措施，由于煤層本身就存在一定的透水性和孔隙，對(duì)煤層進(jìn)行注水后，改變了煤層的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，降低了煤層的強(qiáng)度和繼續(xù)彈性勢(shì)能的能力，增加煤層附近塑性區(qū)范圍，同時(shí)還能起到工作面降塵的效果。（4）SOS微震監(jiān)測(cè)。SOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井上、井下監(jiān)測(cè)硬件和后處理軟件構(gòu)成，通過(guò)之間的相互配合，監(jiān)測(cè)井下動(dòng)壓情況。當(dāng)井下的煤巖體受到采動(dòng)影響之后，會(huì)釋放一定的能量，即煤巖體在破壞的過(guò)程中通過(guò)較低頻率（f<90Hz）振動(dòng)波釋放能量所造成的震動(dòng)效應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)8km范圍內(nèi)的危險(xiǎn)源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。微震監(jiān)測(cè)法的主要優(yōu)點(diǎn)有：監(jiān)測(cè)范圍廣，且定位精度較高；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，節(jié)約了相應(yīng)的人力物力。主要缺點(diǎn)是前期投資較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置受開(kāi)采位置影響較大。（5）支架載荷監(jiān)測(cè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，研發(fā)出一套液壓支架載荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)了解液壓支架的受力情況，并繪制支架受力曲線圖，當(dāng)受力出現(xiàn)異常時(shí)，則沖擊地壓發(fā)生的概率較大，應(yīng)提前采取措施，避免造成沖擊地壓事故。（6）合理部署開(kāi)采。井下開(kāi)采尤其是深井開(kāi)采中，新工作面或新區(qū)段要注意優(yōu)化開(kāi)采順序，避免形成多側(cè)采空區(qū)煤柱再回收。合理有效地將回風(fēng)平巷建設(shè)成沿空掘巷，若回風(fēng)平巷滿足不了生產(chǎn)需求時(shí)，應(yīng)在煤體邊緣掘進(jìn)新巷，不能在應(yīng)力集中峰值的位置進(jìn)行補(bǔ)掘。采煤時(shí)多采首煤層和上部煤層，盡量不留或少留煤柱。沒(méi)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)措施前，不能在壓力峰值區(qū)域開(kāi)掘巷道或在同組煤層底部開(kāi)掘巷道。在深井開(kāi)采中，上下山開(kāi)采多用跨采并布置巖石上下山，避免留設(shè)采空煤柱，而且兩側(cè)同時(shí)開(kāi)采是沖擊地壓易產(chǎn)生的重要應(yīng)力條件。柱式體系開(kāi)采法尤其是房柱式回收煤柱，是深井開(kāi)采不宜使用的開(kāi)采方法。（7）減少作業(yè)空間的應(yīng)力集中。一些具體的措施可以減少?zèng)_擊地壓對(duì)工作環(huán)境及設(shè)施的破壞，如加強(qiáng)工作面以增加開(kāi)采強(qiáng)度，減少重操作部分和采取可折疊支撐設(shè)備以提高支撐應(yīng)力集中系數(shù)，同時(shí)加強(qiáng)控制周?chē)鷰r層的變形并降低巖爆，以使底板巷道破壞速度減慢。嚴(yán)格檢測(cè)安全措施，實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)格，以防止在爆破時(shí)引發(fā)出沖擊地壓，產(chǎn)生巖爆。

3沖擊地壓的防治機(jī)理研究

沖擊地壓的防治問(wèn)題是巖石力學(xué)研究的內(nèi)容，這是國(guó)內(nèi)外許多科研人員的重要工作，特別是沖擊地壓的形成過(guò)程，是近幾十年眾多科學(xué)家研究的焦點(diǎn)性問(wèn)題。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家們將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了生產(chǎn)實(shí)踐。通過(guò)多年的努力，我國(guó)在沖擊地壓有限部分的數(shù)值模擬、非線性沖擊的控制機(jī)制、綜合預(yù)防和控制深孔爆破的方法措施等領(lǐng)域取得重大發(fā)展，結(jié)合煤巖破裂應(yīng)力測(cè)試、分析有限部分回聲發(fā)射技術(shù)及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等國(guó)際頂尖技術(shù)，我國(guó)對(duì)沖擊地壓的控制研究與應(yīng)用已有了長(zhǎng)足發(fā)展。我國(guó)對(duì)沖擊地壓的防治機(jī)理一是優(yōu)化采礦技術(shù)進(jìn)行，運(yùn)用先進(jìn)的采礦技術(shù)，盡量避免沖擊地亞的發(fā)生；二是對(duì)已經(jīng)發(fā)生的沖擊地壓破壞的地區(qū)進(jìn)行整改，改變巖層的物理性質(zhì)，加大彈性，減少?zèng)_擊；三是加大支護(hù)力量強(qiáng)度，進(jìn)而提高支護(hù)體抵抗沖擊的能力。

4結(jié)束語(yǔ)

防治沖擊地壓產(chǎn)生的根本措施是改變產(chǎn)生沖擊地壓的條件，然而由于礦井煤巖復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和生產(chǎn)技術(shù)條件的限制，我們還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間地點(diǎn)，因此總會(huì)出現(xiàn)發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域。所以，解除沖擊地壓危險(xiǎn)的措施和防護(hù)措施尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝濤.煤礦沖擊地壓的特點(diǎn)與防治策略[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì).2018（16）.

[2]張智勇.煤礦沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及治理方案研究[J].山東煤炭科技.2017（11）.

[3]于正興，姜福興，李峰，朱權(quán)潔，魏全德.深井復(fù)雜條件下沖擊地壓主動(dòng)防治技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù).2015（03）.

（作者單位：兗州煤業(yè)股份有限公司南屯煤礦）