沖擊礦壓的影響因素及防治

【摘 要】沖擊礦壓是煤礦重大災(zāi)害之一，隨著煤礦采深的增加，礦井發(fā)生沖擊地壓的機率也大大增加，沖擊礦壓是巖石力學(xué)中的疑難問題，通常是由煤巖體的原巖應(yīng)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(dǎo)致煤巖層瞬時破壞，產(chǎn)生的壓力將煤巖拋向巷道或采場，同時發(fā)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(fā)或可能引發(fā)其他礦井災(zāi)害，如瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)重時，嚴(yán)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(yōu)化開采設(shè)計，是礦井安全管理的一項重要內(nèi)容。

【關(guān)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(fā)生前，一般沒有明顯預(yù)兆，突然發(fā)生過程短暫，很難在事發(fā)前確定發(fā)生的地點、強度和時間。

2.沖擊強度大。煤巖體內(nèi)所積聚的彈性因突然釋放所產(chǎn)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(shè)備被移動或歪斜，人員站立不穩(wěn)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(xù)時間不會超過幾十秒。

3.破壞嚴(yán)重。沖擊地壓發(fā)生時，常導(dǎo)致頂板下沉、底板突起或兩幫煤巖體塌落。據(jù)事故現(xiàn)場觀測，沖擊地壓造成煤幫拋射性塌落，多發(fā)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(fā)生沖擊時煤體發(fā)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(dǎo)致導(dǎo)軌扭曲變形。沖擊地壓發(fā)生后，沖擊源附近巷道會變形嚴(yán)重時，甚至被堵死。

4.復(fù)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(zhì)條件劃分從簡單到復(fù)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?guī)r、頁巖等都發(fā)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(fā)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(fù)雜，沖擊地壓所造成的礦井災(zāi)害也日趨嚴(yán)重。所以深入探討發(fā)生沖擊地壓的影響因素，有針對性地采取預(yù)測和預(yù)防措施是十分必要的。

二、發(fā)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(yīng)力越來越高，沖擊地壓的發(fā)生頻率逐漸增加。就開采技術(shù)條件而論，任何一個發(fā)生沖擊地壓的礦井都存在發(fā)臨界深度的問題，不同地質(zhì)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(fā)生沖擊礦壓的最小采深為200m～540m，平均380m。700m時發(fā)生沖擊礦壓的次數(shù)大大高于400m時的次數(shù)。

2.開采條件因素。頂板巖層結(jié)構(gòu)，特別是煤層上方堅硬，厚層砂巖頂板是影響沖擊礦壓發(fā)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(dǎo)致沖擊礦壓發(fā)生。煤層厚度對發(fā)生沖擊礦壓也有影響，煤層越厚，發(fā)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(fā)生沖擊礦壓的危險。煤巖結(jié)構(gòu)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(zhì)程度高、暗煤比例大，一般沖擊傾向較強。

3.地質(zhì)構(gòu)造因素。實踐證明，地質(zhì)構(gòu)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(fā)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(zhì)構(gòu)造應(yīng)力積聚地帶，因而極易發(fā)生沖擊地壓。

4.開采技術(shù)對沖擊礦壓的影響。沖擊礦壓大多數(shù)發(fā)生在巷道（72.6%），采場則較少（27.4%）。殘采區(qū)和停采線對沖擊礦壓發(fā)生影響較大。從統(tǒng)計結(jié)果看，89%的沖擊礦壓發(fā)生在殘采區(qū)，停采線，斷層區(qū)域或煤層超采的地方。（1）開采設(shè)計和開采順序。當(dāng)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?qū)娏矣绊懨簬r體內(nèi)的應(yīng)力分布。沖擊礦壓經(jīng)常出現(xiàn)在采面向采空區(qū)推進時；在距采空區(qū)15m～40m的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)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(yīng)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(qū)的影響。當(dāng)工作面接近已有的采空區(qū)，其距離為20m～30m時，沖擊礦壓危險性隨之增加。（4）開采區(qū)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(dāng)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(yīng)力集中和疊加，防止沖擊礦壓關(guān)系極大。大量實例證明多數(shù)沖擊地壓是由于開采技術(shù)不合理而造成的。不正確的開拓開采方式一經(jīng)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(qū)時，應(yīng)保證合理的開采順序，最大限度地避免形成煤柱等應(yīng)力集中區(qū)。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(yīng)力，最容易產(chǎn)生沖擊礦壓，因此應(yīng)盡量避孤島工作面的形成。（2）采用鉆粉率指標(biāo)法、地音法、微震法等方法進行監(jiān)測監(jiān)控，加強預(yù)測預(yù)報制度。（3）采區(qū)或盤區(qū)的采面應(yīng)朝一個方向推進，避免相向開采，以免應(yīng)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(yīng)避免在高應(yīng)力狀態(tài)下掘進。在向斜和背斜構(gòu)造區(qū)，應(yīng)從軸部開始回采，在構(gòu)造盆地應(yīng)從盆地開始回采；在有斷層和采空區(qū)的條件下應(yīng)從采用斷層或采空區(qū)開始回采的開采程序。（4）有沖擊危險的煤層的開拓或準(zhǔn)備巷道、永久硐室、主要上（下）山、主要溜煤巷和回風(fēng)巷應(yīng)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(yīng)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(yīng)采用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開采法。回采線應(yīng)盡量是直線且有規(guī)律地推進。（6）在地質(zhì)構(gòu)造等特殊部位，應(yīng)采取能避免或減緩應(yīng)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(guī)程要求對有沖擊地壓的煤層，應(yīng)根據(jù)頂板巖性掘進寬巷或沿采空區(qū)邊緣掘進巷道，巷道支護應(yīng)采用可縮性支架，嚴(yán)禁采用混凝土、金屬等剛性支架。有嚴(yán)重沖擊地壓的厚煤層中，所有巷道都應(yīng)布置在應(yīng)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(lián)絡(luò)巷道應(yīng)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(jù)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(shè)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(yīng)力集中區(qū)煤巖層中施工鉆孔，使鉆孔周圍的煤體受力狀態(tài)發(fā)生變化，破壞應(yīng)力集中區(qū)的煤、巖層整體性，使煤體卸載，讓煤層支承壓力的分布發(fā)生變化，壓力峰值會向煤體深部轉(zhuǎn)移，釋放積聚在煤、巖層中的彈性能。卸壓效果可根據(jù)應(yīng)力及巖性具體情況，通過采用不同直徑鉆桿或控制卸壓區(qū)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(yīng)力愈高，直徑卸壓的效果越理想。

2.煤層注水。煤層預(yù)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(nèi)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(qū)內(nèi)部粘結(jié)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(chǎn)生裂隙松動，釋放煤層積聚的應(yīng)力能量。爆破卸壓的主要任務(wù)是爆破炸藥，形成強烈的沖擊波，使得煤、巖體產(chǎn)生裂隙破壞，分為卸載爆破和誘發(fā)爆破兩種方式：一是卸載爆破。是在高應(yīng)力積聚區(qū)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(qū)的形狀被產(chǎn)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(fā)爆破。目的是在有沖擊地壓危險的高應(yīng)力集中區(qū)域，進行預(yù)先設(shè)計的大藥量、高強度的爆破，誘發(fā)沖擊地壓。誘發(fā)沖擊地壓跟在采掘活動時產(chǎn)生沖擊地壓的危害程度是不同的，誘發(fā)沖擊能避免對人員安全的威脅。

4.強制放頂。當(dāng)煤層上部為灰?guī)r、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(yīng)力極限時，彈性能突然釋放，導(dǎo)致沖擊礦壓發(fā)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(fā)生的措施。

五、結(jié)論

經(jīng)過長時間開采，煤礦面臨的開采條件越來越復(fù)雜，在開采邊角煤或各類保護煤柱，甚至在設(shè)計不合理的工作面開采或巷道掘進中都容易發(fā)生沖擊礦壓，造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害。所以，對沖擊地壓進行深入的研究和探索，積累寶貴經(jīng)驗，掌握其成因和發(fā)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(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障。

參 考 文 獻

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