開采保護層防治沖擊地壓的機理分析

周明杰，徐 濤，鄭樹良，張立新

(1.七臺河職業學院，黑龍江 七臺河 154600;2.雞西大學，黑龍江 雞西 158100)

一 沖擊地壓概述

沖擊地壓屬礦井動力現象，是礦山壓力的一種特殊顯現形式。可以定義為:沖擊地壓是煤礦開采過程中，井巷和采場周圍煤、巖體在一定高應力條件下釋放變形能而產生的煤巖體突然破壞、垮落或拋出現象，對安全生產威脅巨大。簡單地講，沖擊地壓就是煤(巖)體的突然破壞現象。

由此可見沖擊地壓對煤礦的安全生產有強烈的破壞作用:首先，沖擊地壓會造成礦山井巷的破壞，甚至危及作業人員的生命，維修過程中不僅會耗費大量的資金而且還會導致工作面停產，影響礦井的生產效益;其次，發生強烈的沖擊地壓時，還可能破壞地表設施或地面建筑物。所以，沖擊地壓不但破壞了礦井的正常生產和經濟效益，還會產生一系列的社會問題。

沖擊地壓發生的區域十分廣泛:多數發生在煤層中，以煤層沖擊地壓為主，在深部礦井開采時，或在礦井頂板堅硬的條件下，頂板不易冒落處的頂、底板也極易發生沖擊地壓;在傾斜和急傾斜煤層礦井中，或在急轉向背斜軸處因構造應力大而在底板產生沖擊地壓的現象也時有發生;在有通達地表的斷層處，或在有堅硬頂板的遠距離煤層群的礦井中各煤層間的活動斷層上，也時常會發生斷層錯動型的沖擊地壓。總之，沖擊地壓的發生區域十分廣泛。這給沖擊地壓的防治工作帶來了很大的困難。

而由于我國煤礦生產地質條件的復雜性，所以沖擊地壓的防治工作一直以來就是困擾采礦工作者的一個難題。經過采礦工作者的長期實踐研究，總結出的防治沖擊地壓的主要措施有:開采保護層;合理選擇開采順序和支護方法;消除孤立煤柱，避免應力集中現象;合理布置巷道位置;向巖層注水或軟化劑;對厚層堅硬頂板進行處理，降低煤柱支承壓力;用水力沖刷或震動爆破，擴大鉆孔破巖效果等。其中開采保護層能很好地防止沖擊地壓現象的發生，其防治效果較為明顯。下面就開采保護層防治沖擊地壓的機理與開采保護層的常用方案作一理論上的探討。

二 開采保護層防治沖擊地壓的機理

由于煤層開采，導致上覆巖層變形、破斷和向已采空間移動。根據巖層移動的觀測研究，采空區上覆巖層的移動情況見圖1所示。一般情況下，可把巖層的排列情況分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。緊靠采空區上方巖層劇烈移動和冒落，冒落高度多數情況下不超過采高的4～6倍。冒落帶以上為裂隙帶，巖層產生大量裂隙并使天然裂隙張開。雖然巖層在采空區已破斷，但仍然是排列整齊的巖層。裂隙帶以上至地表的巖層，由于采動后裂隙不發育，為彎曲下沉帶。如果從采煤工作面開始分析，則采空區上巖層的移動形態如圖2所示。一般情況下從Ⅰ－Ⅰ線開始移動，但變形量很小，待工作面通過時，Ⅱ－Ⅱ線產生離層和劇烈移動，而到Ⅲ－Ⅲ線后才進入穩定移動區。根據國內外實測，一般情況下，上覆巖層下沉始于工作面前方30～40m，終止于工作面后方100～150m，而劇烈移動在工作面后方10～40m。

圖1 開采保護層卸壓帶示意圖

處于采空區下部煤層的變形和應力變化特征，取決于地質條件和開采工藝條件。經歷著變形、應力的擴散和衰減過程，受到復雜的加載和卸載作用。升高應力區中遭到壓實，而在卸載區中受到松動。其作用半徑一般可達幾十米到上百米。如果層間距超過上方采空的作用半徑，則下部煤層實際上就不受什么影響了。但是上方采空的作用是不固定的，隨著上層工作面的推進或時間的延長而周期性變化，可以引起各種不同的變形，在升高應力區和卸載區鄰接處可使已有裂隙張開或產生新的裂隙。試驗表明，下部煤巖層中支承壓力擴展范圍，可近似地用ω=55°的角度線圈定，如圖3所示。在ω角度線以外應力增加相當小，近于γH。而且在一定條件下可以改變下部煤層的聚合狀態和層間巖層性質(裂隙度、透氣性等)。但是，對下部煤層開采時影響最大的是上層開采過程中遺留的煤柱，影響深度可達50～100m，影響寬度將比煤柱寬度大一倍多。

圖2 回采工作面上方巖層移動狀態

圖3 上保護層開采后卸壓帶示意圖

在《沖擊地壓煤層安全開采暫行規定》中規定的開采設計原則第一條就是首先開采保護層。所謂開采保護層是指一個煤層(或分層)先開采，能使臨近煤層內的壓力得到一定時間的卸載。先開采的作為保護層的煤層必須選擇無沖擊傾向或弱沖擊傾向的煤層。施工時必須保證開采的時間和空間同步。不得在采空區內留設煤柱，以使每一個先采煤層的卸載作用能依次地使后采煤層得到最大限度的保護。保護層被擾動之后，其圍巖內部必然會產生裂隙，引起圍巖向采掘空間的移動，使采空區上下方的巖層應力卸載，形成“卸壓帶”，引起附近巖層的內部產生破壞。剛開始時巖層破裂移動是很劇烈的，特別是離保護層較近的地方，隨著與保護層的距離增大而減弱。采空區一側垮落的矸石或采用充填法管理頂板時使用的充填料，隨著開采時間的延長逐漸被頂板壓實，同時采空區和圍巖中的應力相應地逐漸增加，趨于原巖應力水平。所以保護層的作用是有時間性的，卸壓作用和效果會隨時間的延長而減小。因此開采保護層的時間間隔不能太久。安排保護層和被保護層中的采掘工作時，首先要確定保護層的卸壓范圍和卸壓程度，卸壓帶的結構尺寸，其參數可以根據具體條件計算，或根據各礦井的實際情況確定。

開采保護層的常用方案如圖4所示。為了有效利用保護層的作用，可以采用開采上保護層、開采下保護層或混合開采形式。煤層群開采時可以采用上行、下行或混合的順序進行開采。

三 開采保護層的常用方案

圖4 保護層開采方案

［1］竇林名.沖擊礦壓防治理論與技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2001.

［2］孫學會.復雜開采條件下沖擊地壓及其防治技術［M］.北京:冶金工業出版社，2009.