大采深厚煤層復(fù)雜條件下沖擊地壓防治技術(shù)

劉恒

摘 要：深部礦山開(kāi)采時(shí)，的礦井動(dòng)力災(zāi)害對(duì)安全生產(chǎn)的影響范圍逐漸增大，動(dòng)力災(zāi)害事故的方式頻率和危害程度也相應(yīng)增加。礦山動(dòng)態(tài)災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式是沖擊地壓，充分認(rèn)識(shí)其機(jī)理，并采取有效預(yù)防措施對(duì)礦山的安全發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：煤礦；沖擊地壓；防治技術(shù)

1 前言

煤礦沖擊地壓是指在開(kāi)采過(guò)程中大量彈性能的煤或巖體的積聚而瞬間產(chǎn)生的巨大能量，產(chǎn)生破壞，與其他開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的災(zāi)害相比，沖擊地壓具有更大的破壞性和危險(xiǎn)性，并且為沒(méi)有明顯的災(zāi)害預(yù)兆，具有突發(fā)性和偶然性。對(duì)沖擊地壓產(chǎn)生的原因分析就顯得尤為重要，提出有效的預(yù)防措施也同樣變得極具現(xiàn)實(shí)意義。

2 沖擊地壓及其破壞機(jī)理

沖擊地壓又稱巖爆，是煤礦開(kāi)采過(guò)程中高壓力條件下巷道和采煤工作面周圍煤巖體變形能的釋放，導(dǎo)致煤巖體突然破壞、坍塌或拋擲。巨大的聲音和巖石振動(dòng)經(jīng)常導(dǎo)致支撐倒塌，巷道擁堵和人員傷亡，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成巨大威脅。沖擊地壓的特征是突然性，瞬態(tài)振動(dòng)，巨大的破壞性和復(fù)雜性。當(dāng)煤和巖石受采礦影響時(shí)，局部壓力狀態(tài)從原始?jí)毫顟B(tài)變?yōu)槎S或一維狀態(tài)，巷道或工作面周圍的壓力將減小，煤體逐漸變脆，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被打破。此時(shí)，煤巖體由于內(nèi)部損壞而具有弱表面，煤和巖體中積累的能量高度集中在這些弱表面上，壓力從平衡到動(dòng)態(tài)發(fā)展。一旦受到干擾，平衡就會(huì)被破壞，積累的能量被釋放，煤和巖石的破碎造成沖擊壓力事故。目前，對(duì)沖擊地壓機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要包括：強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊趨勢(shì)理論、剛度理論、沖擊巖壓力不穩(wěn)定理論和“三因素”理論。

3 沖擊地壓發(fā)生的條件

對(duì)地面壓力影響的外部原因是高壓力條件，地壓是強(qiáng)彈性勢(shì)能的積累。內(nèi)部原因是煤體可以儲(chǔ)存能量并在其受壓后立即釋放。

3.1 煤層沖擊傾向性

大多數(shù)影響地面壓力的煤層都有撞擊的傾向，但某些煤層中沒(méi)有撞擊傾向也會(huì)受到?jīng)_擊壓力。煤巖的影響趨勢(shì)受煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)異常條件、煤巖壓力狀態(tài)和開(kāi)采影響等因素的影響。

3.2 斷層和褶曲

導(dǎo)致地面壓力發(fā)生變化的另一個(gè)主要地質(zhì)因素是地質(zhì)構(gòu)造，例如斷層和褶皺。沖擊地壓發(fā)生受傾斜軸線的影響，特別是構(gòu)造帶、斷裂帶、煤層傾角帶、煤層褶皺和構(gòu)造壓力帶的影響。不同類型的斷層也與沖擊地壓的發(fā)生有關(guān)。地質(zhì)構(gòu)造控制的沖擊地壓分為加壓和減壓兩種類型。當(dāng)工作面發(fā)生反向故障時(shí)，工作面受壓，容易產(chǎn)生較強(qiáng)的地面壓力；當(dāng)表面超過(guò)正常值時(shí)，它被減壓并且沒(méi)有沖擊壓力。

3.3 上覆巖層狀況

覆蓋層的狀況也是影響沖擊地壓發(fā)生的重要因素。受采礦影響，由于硬頂無(wú)法及時(shí)坍塌，大面積的懸頂導(dǎo)致壓力和能量積聚，從而形成動(dòng)態(tài)載荷引起的沖擊壓力。

4 煤礦沖擊地壓的有效防治技術(shù)分析

4.1 煤礦壓力預(yù)測(cè)

煤礦預(yù)測(cè)主要是檢測(cè)煤炭?jī)A向壓力的預(yù)測(cè)，對(duì)周圍煤炭巖石的硬度進(jìn)行檢測(cè)，從煤炭?jī)?nèi)部所產(chǎn)生的各種介質(zhì)及其破壞能力、屬性上著手考慮，這也是目前應(yīng)用最廣的預(yù)防技術(shù)。北京巖石力學(xué)開(kāi)采實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)了，有一些煤礦本身就具有很強(qiáng)的沖擊地傾向性。煤礦沖擊傾向是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)出結(jié)果的，在開(kāi)采之前實(shí)地測(cè)繪，實(shí)驗(yàn)分析，能夠在后續(xù)的開(kāi)采作業(yè)中帶來(lái)很大的安全系數(shù)。通過(guò)鉆屑法[1]在煤體中鉆孔，根據(jù)煤粉量及其變化規(guī)律達(dá)到一系列的探測(cè)目的，降煤層中潛在的沖擊危險(xiǎn)劃分等級(jí)，為下個(gè)工作環(huán)節(jié)做鋪墊。

4.2 鉆孔卸壓技術(shù)

鉆孔卸壓是指在煤礦開(kāi)采的高應(yīng)力環(huán)境下，利用每層的彈性來(lái)破壞鉆孔附近的煤體或巖石。從而讓煤層能夠釋放能量，達(dá)到消除沖擊危險(xiǎn)的一種手段。鉆孔卸壓以釋放煤層壓力和高應(yīng)力為手段，適合煤礦開(kāi)采過(guò)程中操作，同時(shí)還能通過(guò)鉆孔轉(zhuǎn)移巖石的的高應(yīng)力向其他泄壓巖體。值得注意在于，鉆孔需要根據(jù)實(shí)際情況選擇鉆機(jī)，鉆桿的長(zhǎng)度和鉆頭的直徑都需要滿足做作業(yè)需求。打孔深度按照規(guī)定保持在有效距離，把握好孔深距離底板的有效距離，鉆孔需要排列成單排布局，嚴(yán)格把握各種鉆孔參數(shù)，既能達(dá)到泄壓的目的，又能保障鉆孔作業(yè)的安全。

4.3 卸壓爆破技術(shù)

卸壓爆破石指在高應(yīng)力的煤層中實(shí)施定點(diǎn)爆破，提前引發(fā)沖擊，以消除開(kāi)采過(guò)程中的沖擊危險(xiǎn)。卸壓爆破主要的作用還是使煤層爆炸產(chǎn)生大量的裂隙，使周圍煤層的力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低彈性強(qiáng)度和彈性能量，使沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度和能量都大大降低，擴(kuò)大應(yīng)力的釋放范圍，降低應(yīng)力的集中程度和釋放速度，使爆破局部避免沖擊地壓的危害。但是卸壓爆破技術(shù)需要事前事后都具有完善的準(zhǔn)備工作，事前調(diào)查是否需要爆破，然后進(jìn)行鉆屑法檢測(cè)，事后需要反饋，檢測(cè)是否達(dá)到泄壓效果，是否消除了安全隱患。爆破法使用方便、快捷。

4.4 煤層注水技術(shù)

煤層注水是一項(xiàng)非常有效的解決辦法。煤層本身就具有一定的孔隙和透水性，通過(guò)注水可以改變煤層物理學(xué)性質(zhì)，改變煤層結(jié)構(gòu)，降低煤層強(qiáng)度，降低煤層積蓄彈性，增大煤層塑性，同時(shí)還可以降塵，進(jìn)而解決沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)。頂板注水和壓注化學(xué)溶液是最常見(jiàn)的兩種方式，注水過(guò)程中要科學(xué)合理的安排注水時(shí)間，煤層是否適合注水卸壓也要做到檢測(cè)確定，以保證注水的泄壓效果。煤層注水最大程度上使用機(jī)械，在危險(xiǎn)區(qū)域外作業(yè)，極大限度的保障了工作人員的人身安全。

5 改善和加強(qiáng)防沖工作

5.1 積極開(kāi)展沖擊地壓基礎(chǔ)研究

目前，雖然沖擊地壓的機(jī)理還不是十分清楚，但評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的主要方法還是綜合指數(shù)法。綜合指數(shù)法中采用的地質(zhì)影響因素（煤礦開(kāi)采深度、上覆裂隙帶內(nèi)頂板堅(jiān)硬厚層巖層距煤層距離、開(kāi)采區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力集中程度、頂板巖層厚度特征參數(shù)、煤的單軸抗壓強(qiáng)度和煤的彈性能指數(shù)差別不大）和開(kāi)采技術(shù)影響因素（采煤方法與工藝）在同一礦區(qū)內(nèi)非常近似，行業(yè)主管部門或其它機(jī)構(gòu)牽頭主導(dǎo)，集中礦區(qū)的財(cái)力、物力、人力，以一個(gè)礦區(qū)為研究對(duì)象，聯(lián)合高校及科研院所，開(kāi)展地質(zhì)與開(kāi)采條件基礎(chǔ)研究，探索防治方法，提出防沖方案，既可節(jié)約研究成本，也可以將研究成果普遍推廣。

5.2 大力培養(yǎng)防沖專業(yè)技術(shù)人才

目前從事沖擊地壓工作人員的專業(yè)學(xué)術(shù)背景參差不齊，有的甚至是非煤礦專業(yè)學(xué)歷，提高全省煤礦防治沖擊地壓水平必須有一批掌握沖擊地壓理論和防治知識(shí)的人才隊(duì)伍。應(yīng)與國(guó)內(nèi)從事相關(guān)研究與教學(xué)的高等院校合作，選派基層從事沖擊地壓工作的、有事業(yè)心的人員脫產(chǎn)學(xué)習(xí)，協(xié)商教學(xué)計(jì)劃，從煤田地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)開(kāi)始，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)沖擊地壓相關(guān)理論，安排一定的實(shí)踐教學(xué)，儲(chǔ)備人才，選拔出一部分防沖專家。

5.3 勇于探索災(zāi)害耦合同防共治機(jī)制

隨著開(kāi)采深度的增大，煤礦災(zāi)害不再是以往熟悉的瓦斯、水、火，沖擊地壓事故起數(shù)逐年上升，誘發(fā)瓦斯事故起數(shù)也在增加，單打獨(dú)斗的災(zāi)害防治措施往往顧此失彼。例如，在確定區(qū)段煤柱寬度時(shí)就遇到這樣的矛盾，從防沖角度考慮，煤柱越小越好，甚至無(wú)煤柱開(kāi)采；從防止煤炭自燃、防水角度考慮，煤柱必須有一定的寬度。再如，在抽放本煤層瓦斯時(shí)，施工的瓦斯抽放孔能不能作為下一步的防沖卸壓孔，如何確定孔徑，如何銜接時(shí)間，才能事半功倍等等，鼓勵(lì)在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定范圍內(nèi)，探索多種災(zāi)害同防共治機(jī)制，提高災(zāi)害預(yù)防水平，保障煤礦安全生產(chǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

煤炭開(kāi)采過(guò)程中沖擊地壓造成的影響與危害都是巨大的。因此，要根據(jù)煤炭開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定出行之有效、具體、安全的計(jì)劃，科學(xué)合理的防止沖擊地壓事故發(fā)生，有效的保障煤炭開(kāi)采工程的安全，促進(jìn)煤炭開(kāi)采事業(yè)的順利進(jìn)行，創(chuàng)造煤炭開(kāi)采事業(yè)安全發(fā)展的局面。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉金海，楊偉利，姜福興等.先裂后注防治沖擊地壓的機(jī)制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).

[2] 李彭波，鄧強(qiáng)，孟令琪.煤礦井下沖擊地壓防治技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2017（4）：49～50+52+55.