煤層深部開采沖擊地壓危害防治

摘要：從沖擊地壓發生的機理，分析沖擊地壓的防治措施及采掘過程中的應對方案，利用鉆探卸壓和微地震監測等多種方法綜合治理，有效的減少了沖擊地壓的危害。

關鍵詞：沖擊地壓防治 揭煤措施 微震觀測及電磁輻射儀

鉆孔卸壓 斷底及斷頂 煤層注水

0 前言

沖擊礦壓是礦山開采中發生的煤巖動力現象之一。這種動力災害通常是在巖體力學系統達到極限強度時，聚積在巖體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形式釋放，在井巷發生爆炸性事故，造成巖體振動和破壞，動力將巖體拋向井巷，同時發出強烈聲響，造成支架與設備、井巷的破壞，人員的傷亡等。

1 沖擊地壓現象、發生條件和機理

沖擊地壓是采場周圍煤巖體，在其力學平衡狀態破壞時，由于彈性變形能的瞬間釋放而產生一種以突然、急劇、猛烈破壞為特征的動力現象。沖擊地壓發生的過程是煤巖的流變到突變的過程，產生的脆性破壞是載荷發生跳躍、應力總和超過極限，發生立即破壞（突變)。

沖擊地壓發生主要取決于：煤巖體的沖擊傾向性、開采區的應力水平和關鍵巖層的運動以及構造活化等因素的綜合作。

沖擊地壓發生的機理：①沖擊應力場機理：應力是否達到能夠發生沖擊地壓的應力水平、高應力差水平以及分布規律。②關鍵巖層運動機理：關鍵巖層是指運動可能引發沖擊地壓的巖層或巖層組，也可稱為沖擊性巖層。③沖擊性構造活化應力場機理：構造活化是誘發沖擊地壓的重要因素。

2 沖擊地壓的防治措施及管理

2.1 沖擊地壓的預測和檢測。沖擊地壓的預測方法，大致可以分為兩類：一類是區域預測方法，包括經驗類比法；第二類是局部檢測法，主要包括鉆屑法，電磁輻射檢測法，還有煤巖體變形觀測法（頂板動態、圍巖變形）、煤巖體應力測量法（相對應力測量，絕對應力測量）、流動地音檢測法、巖餅法等；此外還有地音系統監測法和微震系統監測法，以及其它地球物理方法（地溫、地磁等）。

采掘工作面根據地質構造、物探資料和采掘過程中發現有異常、檢測超標和數據異常的地區應進行超前預報和超期探測，并制定出有效的治理方案和措施。

2.2 沖擊地壓煤層揭露煤層措施。根據《沖擊地壓煤層安全開采暫行規定》，“當巷道接近有沖擊危險性煤層或應力集中區時，必須制定防沖措施，進行卸壓處理”之規定，當巷道即將揭露具有沖擊危險性的煤層時，必須嚴格按相關措施施工。

2.3 掘進工作面的一般卸壓措施。掘進工作面在掘進前必須進行卸壓，卸壓分為工作面和兩幫正常卸壓。

2.3.1 掘進工作面防沖措施。在掘進工作面打卸壓鉆孔，每次施工三個孔，斷面中心距巷道底板不小于1m的位置，孔距1.0m。工作面卸壓鉆孔必須保證超前卸壓深度不小于10m（根據煤層的采深，沖擊傾向不同，超前卸壓的深度進行調整），鉆孔直徑不小于75mm。卸壓鉆孔的方向要平行于層面，垂直于煤壁（特殊構造地段平行于煤層傾斜方向）。

2.3.2 巷道兩幫防沖措施。巷道兩幫每隔5m各打一個直徑不小于75mm卸壓鉆孔，孔深不小于12m，布置在距巷道底板不小于0.5m的位置，兩幫卸壓孔距迎頭最大距離不得超過7m。巷道兩幫所有卸壓鉆孔的方向都要平行于層面，垂直于煤壁（特殊構造地段平行于煤層傾向）。

2.3.3 卸壓效果檢測。采用煤粉檢測法檢驗卸壓效果，根據打鉆過程中的壓力顯現程度和煤粉量是否超過臨界值決定是否采用二次或多次卸壓，具體的方法如下：

工作面每掘進15～20m（即上次檢測孔距迎頭距離達到30～40m）或距上次施工的檢測孔時間達到一周必須在巷幫距工作面15～20m施工一對檢測孔，距工作面50m施工一對檢測孔，檢測孔位于為兩卸壓鉆孔中間。如果煤粉量超標必須在檢測孔附近打大直徑鉆孔進行二次卸壓。

工作面和兩幫卸壓后，在工作面前方和巷幫兩側形成保護帶，在掘進過程中減少了沖擊地壓發生的危害。

2.4 掘進工作面的壓力集中區域的卸壓和壓力釋放措施。對于高應力區，一般采取的方法是大直徑深部卸壓和深孔爆破兩種措施。

大直徑鉆孔孔徑不低于110mm，孔深不低于20m（可依據煤層的沖擊傾向性鑒定和煤層埋深、頂底板特性等多種因素，酌情調整）。在這里特別強調一下，大直徑深孔卸壓不能緩解沖擊壓力時，方可進行深孔爆破，深孔爆破一定要制定專門的措施和具體的規定。

2.5 掘進工作面留底煤或在煤層頂板掘進巖柱厚度不超過3米時的斷底措施。掘進工作面在掘進過程中留有底煤時（一般以厚度超過1米為原則），或底板巖柱為3米時，為了防止發生沖擊地壓事故，發生底板鼓起和彈射等事故，必須進行斷底。斷底的通常采用放斷底炮，具體方法如下：

2.5.1 爆破斷底前，首先加強頂板和幫部支護，錨桿、錨索支護到位。

2.5.2 打眼要求：在底板與幫部底角交界處，向下打45°鉆孔，直徑不小于40mm，間距一般3m，深度達到底板巖石。

2.5.3 放斷底炮安全技術措施：①工作面留底煤斷底爆破鉆孔實行正反向并聯聯合裝藥方式，至少使用兩個同段毫秒電雷管，分別裝在炸藥兩端，每次起爆一個炮眼。②根據鉆孔深度來決定裝藥量，原則上裝藥量一般取鉆孔深度的一半（以爆破后底煤不爆出為準），封泥要用與鉆孔直徑相適應的二寸管子封實。③當巷道底板至煤層頂板巖柱厚度達到3m時，方可停止斷底。

2.6 煤層注水：利用煤層注水增加煤層含水率，增加其可塑性，降低煤層強度，可消除或減弱沖擊。利用井上靜壓水池進行注水，煤層注水孔可與卸壓鉆孔并用，注水壓力一般為6-12Mpa，注水時間20天以上，超前注水距離為80米以外，注水量按照《煤層預注水試行技術規范》要求進行計算。

另外利用專用封孔器按照現場條件進行封孔，杜絕漏水現象發生，注水孔掛牌管理，并建立注水臺賬，注水后在回采過程中利用鉆屑法檢測并取樣測定含水率。

2.7 回采工作面初采前的老頂初次來壓前的斷頂措施。根據堅硬頂板的分布情況和斷裂步距的預計，在工作面開采之前進行深孔爆破。爆破的位置一般在老頂初次來壓附近。鉆孔向開切眼方向傾斜，角度盡可能垂直巖層面。終孔深度根據揭露底老頂的深度而定。要求進入老頂的深度不少于5m。布置方式見下圖（以斷裂步距60米為例）：

2.8 沖擊地壓防治管理。沖擊地壓煤層防治的管理流程一般先進行危險區域劃分及評價，對煤層及頂底板進行沖擊傾向性鑒定，被認定是沖擊地壓礦井的，必須成立專門的防沖機構，建立沖擊地壓制度、崗位責任制、制定解危措施和研究方案，對沖擊地壓煤層進行專項治理。

2.9 深部煤層開采沖擊地壓綜合防治措施

2.9.1 沖擊地壓煤層的開拓和開采方法的選擇首要考慮的是能夠整齊、干凈地進行回采，不留或少留煤柱，盡可能保證工作面成直線，不使煤層有向采空區突出的地段，在煤層中掘巷量最少，限制采場和巷道附近的應力集中。

2.9.2 采區（工作面）設計必須遵循以下原則：①同一采區內的工作面應按順序進行開采，盡量避免形成孤島工作面。如果由于村莊搬遷影響形成孤島工作面，最多只能形成一個。②回采工作面之間的隔離煤柱不應超過3.5m。采區隔離煤柱留設應結合考慮煤層賦存條件等因素，應盡量避開應力高峰區，但不得小于50m。③合理確定工作面切眼和停采線位置。相鄰工作面切眼、停采線位置盡可能對齊，避免出現梯形、三角形或鋸齒形等不規則煤柱。多煤層開采時，下層工作面不應越過上層工作面的切眼或停采線，上層煤開采不應留下給下層煤開采帶來困難的煤柱區。④避開斷層而在采空區側留下煤柱的工作面開采時，必須編制防治沖擊地壓的專門措施。

2.9.3 避免同一條順槽相向同時掘進，如確因接續緊張需相向同時掘進時，兩掘進迎頭相距50米時必須停止其中一個迎頭的掘進。停掘的迎頭要加固，繼續掘進的迎頭除加強支護外，沖擊危險嚴重時，還必須采取解危措施。

2.9.4 回采工作面應背向采空區及煤柱區開采，避免面向采空區或煤柱區開采而產生應力集中。斷層附近的回采工作面應背向斷層方向推進或面向斷層的斜交方向推進。

2.9.5 工作面向采空區、斷層帶、向斜軸、應力集中區回采時，應先進行沖擊危險性監測，有沖擊危險必須先采取卸壓措施，解危后方準回采。

2.9.6 沖擊地壓危險區內掘進和回采時，必須在保護帶內進行，保護帶寬度不小于3.5倍的采高或巷道高度。

2.9.7 采煤工作面必須加強端頭支護和超前支護，提高上下端頭和切頂線的強度，加大兩巷超前支護范圍。沿空順槽的超前支護長度不小于60m，非沿空順槽超前支護長度一般不小于40m，遇斷層、向背斜軸等構造時應加大超前支護長度。兩順槽斷面不低于設計斷面的70％。

2.9.8 有沖擊危險的采煤工作面移動變電站布置在沿空順槽時，應加大移動變電站距工作面煤壁的距離，不得小于100m。

2.9.9 在沖擊地壓特別危險區段進行爆破作業時，必須保證躲炮距離和躲炮時間，躲炮半徑不小于150m，躲炮時間不小于30分鐘。

3 沖擊地壓防治及管理存在的問題

3.1 鉆屑法只能進行局部性監測，監測范圍小，有效期短，準確，但勞動強度高、施工速度慢，監測范圍小。

3.2 在應力集中程度非常高時，采用鉆孔卸壓和小直徑鉆孔爆破卸壓不能完全釋放應力或改變煤、巖體物理力學性質，需要進行反復處理才能緩解應力集中，需要研究新的更為可靠的解危方法。

3.3 在高應力集中區進行解危作業時，鉆孔施工難度大，卡鉆、吸鉆頻繁，鉆進非常困難、施工速度慢，并危及作業人員安全，現有施工機具難以滿足施工的需要。

3.4 由于井田內斷層多、構造復雜，為避開斷層影響，在工作面內留設了許多不規則煤柱，回收煤柱時將給沖擊地壓防治帶來很大困難，而且也為臨近煤層的開采留下了很大的隱患。

3.5 對重力型或頂板型大范圍沖擊地壓防治任務較重的礦井，因大量的防治沖擊地壓工作要隨時隨地的施工，對生產影響較大，生產和防沖治理時常相互干擾，防沖治理時間有時難以保證。

4 小結

深部開采是今后煤礦開采的趨勢和研究的重點，深部開采存在著防滅火、防治沖擊地壓和支護難等各方面的難題，沖擊地壓的防治更是今后礦壓研究的重點，從理論到現場，這方面的技術都一直根據不同礦井煤層的開采方式、地質條件、煤層特征及多種綜合因素耦合在一塊，有諸多問題亟待解決。解決沖擊地壓問題，需要立足現場，分析其成因和危害區域劃分，利用在線預警、微地震、電磁輻射儀等多種監測儀器和手段，逐步掌握其變化規律和防治方案，以壓力釋放和轉移為目的，最終實現“有震無災”，安全生產。