復雜地質(zhì)條件下煤礦沖擊地壓機理與控制技術

摘要：復雜地質(zhì)條件下，煤礦沖擊地壓問題嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。通過系統(tǒng)分析煤層賦存環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造特征等因素對沖擊地壓的影響，構(gòu)建一個綜合性的沖擊地壓危險性評估模型?；诖四Ｐ?，提出優(yōu)化采礦方法、加強巷道支護、實施預防性卸壓等防治策略。研究結(jié)果表明，采用所提出的控制技術，能夠顯著降低復雜地質(zhì)條件下煤礦沖擊地壓的發(fā)生頻率和強度。相關結(jié)論為提高礦井安全生產(chǎn)水平提供了重要的技術支撐，同時為深部煤礦開采中的地壓控制提供了新的思路和方法。

關鍵詞：復雜地質(zhì)條件；煤礦；沖擊地壓；發(fā)生機理；控制技術

中圖分類號：TD324 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）09-00-03

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Mechanism and Control Technology of Coal Mine Rockburst under Complex Geological Conditions

MA Wei， CHEN Huiyan， ZHANG Wenmeng， LIU Mingxian， LIU Xudong， ZHAN Zhongyao

（Zaozhuang Mining （Group） Jining Seven Five Coal Industry Co.， Ltd.， Jining 277699， China）

Abstract： The problem of coal mine rockburst under complex geological conditions poses a serious threat to mine safety production. By systematically analyzing the impact of factors such as coal seam occurrence environment and geological structure characteristics on rockburst， a comprehensive rockburst risk assessment model is constructed. Based on this model， propose prevention and control strategies such as optimizing mining methods， strengthening roadway support， and implementing preventive pressure relief. The research results indicate that the proposed control technology can significantly reduce the frequency and intensity of coal mine rockburst under complex geological conditions. The relevant conclusions provide important technical support for improving the safety production level of mines， and at the same time provide new ideas and methods for ground pressure control in deep coal mining.

Keywords： complex geological conditions; coal mine; impact ground pressure; mechanism of occurrence; control technology

沖擊地壓是煤礦開采過程中遇到的嚴重地質(zhì)災害之一，尤其在復雜地質(zhì)條件下，其發(fā)生的頻率和強度更高，給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。隨著采礦深度的不斷增加和地質(zhì)條件的日益復雜化，沖擊地壓問題日益突出。因此，深入研究復雜地質(zhì)條件下煤礦沖擊地壓的發(fā)生機理，并探索有效的控制技術，對于保障礦工生命安全、提高礦井生產(chǎn)效率具有重要的理論意義和實踐價值。從地質(zhì)因素、采礦因素等多個角度分析沖擊地壓的形成機制，建立危險性評估模型，并在此基礎上提出相應的防治措施。通過理論分析與實際案例相結(jié)合的方法，為復雜地質(zhì)條件下煤礦沖擊地壓的有效防控提供科學依據(jù)和技術支持。

1 復雜地質(zhì)條件下煤礦沖擊地壓的發(fā)生機理

煤礦沖擊地壓是一種在復雜地質(zhì)條件下常見的動力災害，其發(fā)生機理涉及多個因素的相互作用，如圖1所示。了解這些因素及其影響對于制定有效的防控策略至關重要。從地質(zhì)因素、采礦因素兩個方面探討沖擊地壓的發(fā)生機理，并在此基礎上提出一個綜合性的危險性評估模型。

1.1 地質(zhì)因素對沖擊地壓的影響

地質(zhì)因素是煤礦沖擊地壓發(fā)生的基礎條件，主要包括煤層賦存環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造特征和巖層物理力學性質(zhì)。地質(zhì)構(gòu)造特征，如斷層、褶皺等，也是引發(fā)沖擊地壓的重要因素。在斷層附近，應力集中現(xiàn)象明顯，容易形成高應力區(qū)，增加了沖擊地壓的發(fā)生率。褶皺構(gòu)造可能導致煤層應力分布不均，在某些區(qū)域形成應力集中，成為沖擊地壓的潛在源[1]。巖層物理力學性質(zhì)，特別是煤層頂?shù)装宓膹姸群蛣偠?，會直接導致沖擊地壓的發(fā)生。硬質(zhì)頂板具有較高的彈性模量和強度，在開采過程中易形成懸頂，積累大量彈性能，一旦失穩(wěn)會引發(fā)強烈的沖擊地壓[2]。地質(zhì)因素對沖擊地壓影響的定量分析如表1所示。

1.2 采礦因素對沖擊地壓的影響

采礦深度與沖擊地壓的發(fā)生頻率和強度呈正相關。隨著開采深度的增加，原巖應力增大，巖體更易積累高應力，增加了沖擊地壓的發(fā)生率[3]。研究表明，當開采深度超過800 m時，沖擊地壓的發(fā)生風險明顯增加。采礦順序?qū)υ诜植歼^程有重要影響。不合理的采礦順序可能導致某些區(qū)域應力集中，成為沖擊地壓的高發(fā)區(qū)。采礦因素對沖擊地壓的影響如表2所示。

1.3 沖擊地壓危險性評估模型的建立

通過深入分析地質(zhì)因素和采礦因素，提出一個綜合性的沖擊地壓危險性評估模型。該模型采用了多因素加權(quán)評分方法，考慮了煤層埋深、厚度、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装逍再|(zhì)及采礦方法等多個參數(shù)。評估模型可以表示為

R=∑（Wi×Fi）（1）

式中：R為沖擊地壓危險性指數(shù)，Wi為各因素的權(quán)重，F(xiàn)i為各因素的評分。各因素的權(quán)重通過專家打分和層次分析法確定，評分則基于實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗判斷。最終得到的R值可分為低風險（R＜50）、中等風險（50≤R＜70）和高風險（R≥70）3個等級。

2 復雜地質(zhì)條件下煤礦沖擊地壓的控制技術

2.1 優(yōu)化采礦方法

優(yōu)化采礦方法是控制沖擊地壓的重要措施。在復雜地質(zhì)條件下，應根據(jù)具體情況選擇合適的開采技術。分區(qū)開采技術是一種有效的沖擊地壓控制方法[4]。通過將礦區(qū)劃分為若干獨立開采單元，實現(xiàn)應力的逐步釋放，避免大范圍應力集中。緩進開采技術是另一種重要的控制措施。通過控制工作面推進速度，給予圍巖足夠的時間進行應力調(diào)整，減少應力的突然釋放。研究表明，將工作面推進速度控制在3～5 m/d，可顯著降低沖擊地壓的發(fā)生頻率。

2.2 加強巷道支護

在沖擊地壓易發(fā)區(qū)，加強巷道支護是保障礦井安全的關鍵措施，一般采用高強度支護技術和柔性支護技術。高強度支護技術旨在提高巷道的承載能力，抵抗沖擊荷載[5]。常用的方法包括高強度錨桿（索）支護、混凝土噴射加固等。研究表明，采用高強度錨桿（索）支護可將巷道的承載能力提高50%以上，顯著降低沖擊地壓導致的巷道變形。柔性支護技術注重增強支護系統(tǒng)的變形能力，吸收沖擊能量。常用的柔性支護措施包括高強度錨桿、讓壓支架、混凝土噴射等。這些技術可以在沖擊發(fā)生時，通過控制變形來消耗能量，減輕沖擊對巷道的破壞。不同支護方式的效果如表3所示。

2.3 實施預防性卸壓

預防性卸壓是主動控制沖擊地壓的有效手段，主要包括鉆孔卸壓技術和爆破卸壓技術。鉆孔卸壓技術通過在煤體或巖層中鉆設壓力釋放孔，改變應力分布，避免局部應力集中。研究表明，合理布置的壓力釋放孔可使周圍煤體的應力降低20%～30%。

2.4 建立完善的監(jiān)測預警系統(tǒng)

建立完善的監(jiān)測預警系統(tǒng)是實現(xiàn)沖擊地壓動態(tài)控制的關鍵，主要包括微震監(jiān)測和應力監(jiān)測。微震監(jiān)測技術通過布設傳感器網(wǎng)絡，實時捕捉巖體的微小震動信號，分析巖體破裂過程和能量釋放規(guī)律。微震監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖2所示。通過分析微震事件的位置、能量及頻率，可以預測可能發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域和時間。

3 控制技術的應用效果分析

為驗證所提控制技術的有效性，選取位于華北某深部高應力礦區(qū)的A煤礦作為案例進行分析。該礦區(qū)的地質(zhì)條件復雜，煤層埋深為1 000～1 200 m，屬于典型的沖擊地壓高風險區(qū)域。

在實施控制技術之前，該礦區(qū)年均發(fā)生沖擊地壓事件15次，其中3次造成嚴重的巷道破壞和設備損失。通過采用本研究提出的綜合控制技術，包括優(yōu)化采礦方法、加強支護、實施預防性卸壓及建立監(jiān)測預警系統(tǒng)，對沖擊地壓進行了系統(tǒng)性防控。第一，采用分區(qū)開采技術，將工作面長度控制在120 m以內(nèi)；第二，實施高強度錨桿支護，錨桿長度設置為4.5 m，間距縮小至0.8 m；第三，在高風險區(qū)域進行預防性鉆孔卸壓，鉆孔直徑為120 mm，長度為25 m，間距為3 m；第四，布設微震監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器覆蓋全礦區(qū)，實現(xiàn)24 h實時監(jiān)測。

通過為期2年的跟蹤監(jiān)測，全面評估控制技術的應用效果?？刂萍夹g實施前后的效果如表4所示。結(jié)果顯示，沖擊地壓發(fā)生頻率顯著降低，年均發(fā)生次數(shù)從15次減少到4次，降幅達73.3%；沖擊地壓強度明顯減弱，二級及以上沖擊地壓事件從每年3次降低到0次；巷道變形量減小，由40 cm減少為22 cm，平均收斂量降低了45%，有效延長了巷道的使用壽命；礦井安全生產(chǎn)水平不斷提升，因沖擊地壓導致的停產(chǎn)時間從年均15 d減少到3 d。

這些數(shù)據(jù)充分證明所提控制技術的有效性。采取系統(tǒng)性的防控措施，不僅顯著降低沖擊地壓的發(fā)生頻率和強度，還大幅提高礦井的安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟效益。這種綜合性控制技術體系為復雜地質(zhì)條件下煤礦沖擊地壓的防治提供可復制、可推廣的成功范例。

4 結(jié)論

通過深入分析復雜地質(zhì)條件下的煤礦沖擊地壓機理，建立了沖擊地壓危險性評估模型，并提出了一系列針對性的控制技術。研究表明，地質(zhì)因素和采礦因素是影響沖擊地壓發(fā)生的關鍵因素，通過優(yōu)化采礦方法、加強巷道支護、實施預防性卸壓等綜合措施，可以有效降低沖擊地壓的發(fā)生風險。

參考文獻

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