沖擊礦壓的影響因素及防治

【摘 要】沖擊礦壓是煤礦重大災害之一，隨著煤礦采深的增加，礦井發生沖擊地壓的機率也大大增加，沖擊礦壓是巖石力學中的疑難問題，通常是由煤巖體的原巖應力受采掘活動破壞，在受場周圍的巖體積聚能量達到極限強度后突然釋放，導致煤巖層瞬時破壞，產生的壓力將煤巖拋向巷道或采場，同時發生強烈聲響，造成煤巖體振動和煤巖體破壞，同時破壞巷道支護，引發或可能引發其他礦井災害，如瓦斯、煤塵爆炸、火災以及水災，干擾通風系統，嚴重時，嚴重時造成人員傷亡，地面震動或建筑物破壞等。因此，加大對沖擊地壓的研究，優化開采設計，是礦井安全管理的一項重要內容。

【關鍵詞】沖擊礦壓；影響因素；防治措施

一、沖擊地壓的突出特點

1.突然性。沖擊地壓發生前，一般沒有明顯預兆，突然發生過程短暫，很難在事發前確定發生的地點、強度和時間。

2.沖擊強度大。煤巖體內所積聚的彈性因突然釋放所產生沖擊波非常強大。伴有巨大的聲響和強烈的震動，造成電機車等重型設備被移動或歪斜，人員站立不穩被彈起或被沖擊波沖倒，震動波及范圍可達幾千米甚至幾十千米，一般震動持續時間不會超過幾十秒。

3.破壞嚴重。沖擊地壓發生時，常導致頂板下沉、底板突起或兩幫煤巖體塌落。據事故現場觀測，沖擊地壓造成煤幫拋射性塌落，多發生在煤幫上部到頂板的一段，越靠近頂板塌落越深，強烈沖擊時，塌落深度可達1.5m～2.0m。在煤巖體淺部發生沖擊時煤體發生移動，煤體移動時在頂板接觸面上留有明顯的沖擊擦痕。底板鼓起導致導軌扭曲變形。沖擊地壓發生后，沖擊源附近巷道會變形嚴重時，甚至被堵死。

4.復雜性。在煤層賦存條件上，除褐煤以外的各煤種均沖擊記錄，開采深度在200m以下，地質條件劃分從簡單到復雜，煤層厚度從薄到厚，煤層傾角從水平到急傾斜，頂板巖性砂巖、灰巖、頁巖等都發生過沖擊礦壓。回采工藝不論水平、炮采、機采、綜采全部垮落法或水力充填等各種采煤工藝都發生過沖擊地壓。

隨著，開采深度的增加，礦井的開采條件越來越復雜，沖擊地壓所造成的礦井災害也日趨嚴重。所以深入探討發生沖擊地壓的影響因素，有針對性地采取預測和預防措施是十分必要的。

二、發生沖擊礦壓的影響因素

1.開采深度因素。隨著采深的延伸，煤層承受上部巖層的壓力越來越大，煤層及其圍巖的應力越來越高，沖擊地壓的發生頻率逐漸增加。就開采技術條件而論，任何一個發生沖擊地壓的礦井都存在發臨界深度的問題，不同地質與開采條件的沖擊地壓其臨界深度不同，我國煤礦的條件下，發生沖擊礦壓的最小采深為200m～540m，平均380m。700m時發生沖擊礦壓的次數大大高于400m時的次數。

2.開采條件因素。頂板巖層結構，特別是煤層上方堅硬，厚層砂巖頂板是影響沖擊礦壓發生的主要因素之一，其主要原因是堅硬厚層砂巖頂板容易聚積大量的彈性能。在堅硬頂板破斷過程中或滑移過程中，大量的彈性能突然釋放，形成強烈震動，導致沖擊礦壓發生。煤層厚度對發生沖擊礦壓也有影響，煤層越厚，發生沖擊礦壓越多，越強烈。煤的濕度也有影響作用。因為煤層含水后，可使煤層的彈性減小，強度降低。塑性增加，能減緩發生沖擊礦壓的危險。煤巖結構及性能也是沖擊地壓影響的主要因素。堅硬、厚層、整體性強的頂板（老頂），易形成沖擊地壓；直接頂厚度適中、與老頂組合性好、不易冒落，沖擊危險較大；煤的強度高、彈性模量大、含水量低、變質程度高、暗煤比例大，一般沖擊傾向較強。

3.地質構造因素。實踐證明，地質構造如褶曲、斷裂、煤層傾角及厚度突然變化等也影響沖擊地壓的發生。寬緩向斜軸部易于形成沖擊地壓；斷裂如是一個開采邊界，若回采方向朝向斷層面，則沖擊危險增加；煤層傾角和厚度局部突然變化地帶，實際是局部地質構造應力積聚地帶，因而極易發生沖擊地壓。

4.開采技術對沖擊礦壓的影響。沖擊礦壓大多數發生在巷道（72.6%），采場則較少（27.4%）。殘采區和停采線對沖擊礦壓發生影響較大。從統計結果看，89%的沖擊礦壓發生在殘采區，停采線，斷層區域或煤層超采的地方。（1）開采設計和開采順序。當在幾個煤層中同時布置幾個采面時，采面的布置方式和開采順序將強烈影響煤巖體內的應力分布。沖擊礦壓經常出現在采面向采空區推進時；在距采空區15m～40m的應力集中區內掘進巷道；兩個采面相向推進時及兩個近距離煤層中的兩個采面同時開采時。（2）上覆煤層工作面停采線和煤柱的影響。上覆煤層工作面的停采線和煤柱形成的應力集中對下部煤層造成了很大的威脅，是沖擊礦壓得危險性有很大的增加。（3）采空區的影響。當工作面接近已有的采空區，其距離為20m～30m時，沖擊礦壓危險性隨之增加。（4）開采區域的影響。在煤層開采面積增加的情況下，巖體的震動能量也隨之增加。研究表明，當開采面積為3萬m2時，釋放的單位面積的震動能量為最大。

三、沖擊礦壓的防治

1.合理的開拓布置和開采方式。實踐證明，合理的開拓布置和開采方式對于避免應力集中和疊加，防止沖擊礦壓關系極大。大量實例證明多數沖擊地壓是由于開采技術不合理而造成的。不正確的開拓開采方式一經形成就難以改變，臨到煤層開采時，只能采取局部措施，而且耗費很大，效果有限。故合理的開拓布置和開采方式是防治沖擊礦壓得根本措施。（1）劃分采區時，應保證合理的開采順序，最大限度地避免形成煤柱等應力集中區。因為煤柱承受的壓力很高，特別是島形或半島形煤柱，要承受幾個方面的疊加應力，最容易產生沖擊礦壓，因此應盡量避孤島工作面的形成。（2）采用鉆粉率指標法、地音法、微震法等方法進行監測監控，加強預測預報制度。（3）采區或盤區的采面應朝一個方向推進，避免相向開采，以免應力疊加。因為相向采煤時上山煤柱逐漸減小，支撐壓力逐漸增大，很容易引起沖擊礦壓，應避免在高應力狀態下掘進。在向斜和背斜構造區，應從軸部開始回采，在構造盆地應從盆地開始回采；在有斷層和采空區的條件下應從采用斷層或采空區開始回采的開采程序。（4）有沖擊危險的煤層的開拓或準備巷道、永久硐室、主要上（下）山、主要溜煤巷和回風巷應布置在底板巖層或無沖擊危險煤層中，以利于維護和減小沖擊危險。回采巷道應盡可能避開支撐壓力峰值范圍，采用寬巷掘進，少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進。（5）開采有沖擊危險的煤層，應采用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開采法。回采線應盡量是直線且有規律地推進。（6）在地質構造等特殊部位，應采取能避免或減緩應力集中和疊加的開采程序。（7）頂板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。按照煤炭安全規程要求對有沖擊地壓的煤層，應根據頂板巖性掘進寬巷或沿采空區邊緣掘進巷道，巷道支護應采用可縮性支架，嚴禁采用混凝土、金屬等剛性支架。有嚴重沖擊地壓的厚煤層中，所有巷道都應布置在應力集中圈外。煤巷雙巷掘進時，2條平行巷道之間的煤柱不得小于8m，聯絡巷道應與2條平行巷道成直角。

2.開采解放層。一個煤層（或分層）先采，能使臨近煤層的礦壓在一定程度上得到緩解。這種卸載開采稱之為開采解放層。先采的解放層必須根據煤層賦存條件選擇無沖擊傾向或弱沖擊傾向的煤層。實施時必須保證開采的時間和空間有效性。先采煤層要盡量避免留設煤柱，使被卸載煤層得到最大限度的“解放”。

四、沖擊危險的解危措施

1.鉆孔卸壓。在應力集中區煤巖層中施工鉆孔，使鉆孔周圍的煤體受力狀態發生變化，破壞應力集中區的煤、巖層整體性，使煤體卸載，讓煤層支承壓力的分布發生變化，壓力峰值會向煤體深部轉移，釋放積聚在煤、巖層中的彈性能。卸壓效果可根據應力及巖性具體情況，通過采用不同直徑鉆桿或控制卸壓區鉆孔的疏密程度來控制。支承壓力愈高，鉆孔的破壞范圍愈大，煤層積聚的應力愈高，直徑卸壓的效果越理想。

2.煤層注水。煤層預注水的目的主要是降低煤體的彈性和強度。通過注水，人為的在煤巖內部造成一系列的弱面，使相鄰巷道、采煤工作面的煤巖層邊緣區內部粘結力降低，使其軟化，降低了煤的強度，增加塑性變形能量，降低巖層其彈性，減少其潛能。注水后，煤的濕度平均增加1.0%～2.2%時，可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3%～14.5%。

3.爆破卸壓。爆破卸壓是一種特殊爆破，它是在確保安全的條件下，用爆破方法使煤層產生裂隙松動，釋放煤層積聚的應力能量。爆破卸壓的主要任務是爆破炸藥，形成強烈的沖擊波，使得煤、巖體產生裂隙破壞，分為卸載爆破和誘發爆破兩種方式：一是卸載爆破。是在高應力積聚區附近施工鉆孔，鉆孔深度一般在大于5m，在鉆孔中裝藥爆破，爆破后壓力峰值區的形狀被產生位移、壓力被分散、減小。爆破深度越接近支承壓力帶峰值位置，效果越好。二是誘發爆破。目的是在有沖擊地壓危險的高應力集中區域，進行預先設計的大藥量、高強度的爆破，誘發沖擊地壓。誘發沖擊地壓跟在采掘活動時產生沖擊地壓的危害程度是不同的，誘發沖擊能避免對人員安全的威脅。

4.強制放頂。當煤層上部為灰巖、砂巖等堅硬厚層老頂時，懸頂面積大容易聚積大量的彈性能。為防止頂板巖層達到跨度和應力極限時，彈性能突然釋放，導致沖擊礦壓發生。在頂板采取注水或施工鉆孔的方式，強制放頂卸壓控制頂板，也是有效防治沖擊地壓發生的措施。

五、結論

經過長時間開采，煤礦面臨的開采條件越來越復雜，在開采邊角煤或各類保護煤柱，甚至在設計不合理的工作面開采或巷道掘進中都容易發生沖擊礦壓，造成嚴重的自然災害。所以，對沖擊地壓進行深入的研究和探索，積累寶貴經驗，掌握其成因和發生機理和影響因素，針對具體情況采取有效的防治手段，是消除或減少沖擊礦壓事故，礦井實現安全生產的重要保障。

參 考 文 獻

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