深部開采沖擊礦壓的機理分析及防治對策

李冀+雷武林

摘 要：針對某礦深部開采沖擊礦壓日益凸顯，嚴重威脅正常生產機工人人身安全的現狀，極有必要開展針對性的研究工作，以把握沖擊礦壓顯現的形成機制及關鍵影響因素，對當前重點工作面的安全狀態做出危險區域、危險程度的評價，采用科學手段進行解危、防護，最終實現礦井的正常采掘接替，保障安全高效。結合現場的實際情況，提出該礦沖擊礦壓的防治措施，扭轉了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動管理局面，有效地保護了職工的生命安全，最大限度降低了財產損失，有力地保障了礦井的安全生產。

關鍵詞：沖擊礦壓；深部礦井；綜合防治；治理

引言

沖擊礦壓是礦井巷道和采場周圍煤巖體由于變形能的釋放而產生以突然、急劇、猛烈破壞為特征的特殊的礦山壓力現象[1]。顯然，沖擊礦壓是威脅礦山開采安全的一大隱患，直接威脅著煤礦的生產和人員及財產的安全，并隨開采深度的增加，此類災害有加重的趨勢。因此，揭示煤層開采后采場出現強烈礦山壓力顯現的形成機制，采取有效措施弱化和控制礦山壓力顯現強度，對礦井安全采煤具有十分深遠的意義[2-3]。

1 概況

該礦井設計生產能力500萬t/a，主采4號煤層。采掘工作面主要布置在大巷南北兩翼，其中，首采工作面埋深約640m，為該礦井埋深最大的回采工作面，工作面全長約1500m，傾向約170m，兩側均為雙巷布置。該工作面回采巷道掘進期間，“煤炮”頻繁發生，響聲巨大、煤塵飛揚，多次造成巷道迎頭及已支護段出現大面積頂板瞬間下沉或切頂，下沉量可達300-700mm，厚度達2000mm的支護體整體冒落，頂板錨索頻繁破斷，局部顯著底臌，嚴重時期甚至導致皮帶架、掘進機發生顯著位移。由于巷道動力顯現強烈，導致已掘巷道圍巖破壞嚴重，無法繼續正常作業，迫使將精力集中于巷道的擴修、維護，部分區段反復擴修2-3次仍無法抵抗“煤炮”的沖擊作用而再次破壞，繁重的擴修工程嚴重制約了礦井的采掘接替。鑒于該礦沖擊礦壓的高危險性，研究其發生規律與治理方法， 是一個非常重要的課題。

2 沖擊礦壓發生的地質影響因素

2.1 開采深度

研究表明，從500m開始，隨著開采深度的增加，沖擊地壓的危險性急劇增長。而該礦首采區開采深度達640m，掘進巷道期間就多次發生“煤炮”、頂板急劇下沉等典型動力現象。這種現象表明沖擊礦壓與地應力相關。

2.2 煤層沖擊性

根據試驗結果，首采區煤層的上、下分層均鑒定為具有強沖擊傾向性的煤層。其中上分層煤樣的4個沖擊傾向性指標：動態破壞時間DT、沖擊能量指數KE、彈性能量指數WET和單軸抗壓強度Rc等測定值均處于強沖擊危險性區間[4]。下分層的4個沖擊傾向性指標中，僅有彈性能指數KE為4.45，極為接近強沖擊傾向性區間（1.5≤KE<5）。對于首采區全煤巷道而言，巷道頂板、兩幫和底板均為具有強沖擊傾向性的煤體，在一定應力條件下，巷道四周均具備發生沖擊破壞的可能性。當水平構造應力作用為主時，頂底板沖擊危險相對嚴重；當垂直應力過度集中時（如煤柱應力集中），則兩幫沖擊危險相對嚴重。

2.3 頂板巖層結構

該礦首采區相關參數：α=3°，割煤厚度3.5m，放煤厚度10m，總采高∑M=13.5m。由周邊鉆孔柱狀圖1可知，頂板巖層多為砂巖，從測試數據看，強度處于軟弱（f=0～3）至中硬（f=3～6）之間，因此，K取1.4。代入以上參數：

由計算結果可知，該礦4號煤層首采區上分層開采后，采空區煤層上方約34m左右范圍內的巖層將由下往上逐層彎曲、斷裂、垮落，在頂板懸臂彎曲，直至運移過程中，產生的靜、動載荷將對采掘空間周圍煤巖體的應力水平和能量積聚水平產生重要影響[6]。

2.4 褶曲構造

根據該礦首采區三維地震勘探資料，該采區整體表現為向南西緩斜的單斜構造。局部地段呈波狀起伏，在區內發現了大于5m的褶曲6個。對于動力顯現較為顯著的4203工作面，其地層整體向NW及NNE方向傾斜，傾角+3°～+9°，一般+5°左右。該4203 工作面內發育兩條向斜（A4 和A5）、一條背斜構造A6，如圖2所示。由褶曲基本參數可知，該工作面受A4 背斜和A5 向斜影響較大。

3 沖擊礦壓發生的開采技術因素

3.1 掘進擾動

為考察該礦掘進工作面對沖擊地壓的影響規律，采用FLAC有限差分軟件對掘進工作面圍巖應力分布規律進行模擬研究。結果表明：在沿巷道軸向上，垂直應力集中主要集中在掘進迎頭前方，且煤層應力變化較頂、底板更為顯著，如圖3所示。水平應力在掘進迎頭前方和后方均有集中現象，但后方應力集中程度顯著大于前方，且水平應力峰值處于迎頭上方距頂板表面3m處的層位，如圖4所示。該礦最大主應力為水平應力，水平應力影響程度顯著大于垂直應力影響。巷道掘出后，將一直受到頂底板高水平應力的影響。由于胡家河煤礦工作面順槽均為全煤巷道，在巷道四周圍巖結構及強度相同的條件下，沖擊破壞將在頂、底板顯現為主[5]。

圖3 沿巷道軸向垂直應力分布圖

圖4 沿巷道軸向垂直應力分布圖

3.2 回采擾動

研究表明，工作面回采過程中具有顯著的周期來壓現象，且具有大、小周期的特點。大周期來壓即高位老頂周期來壓，來壓步距在60m左右，來壓期間主要表現為支架工作阻力大幅度增加，安全閥頻繁開啟，且持續時間較長，約3-5天，影響范圍大，平均18m；而在部分大周期來壓之間出現了規律性的小周期來壓，來壓期間同樣具有支架工作阻力增大，安全閥開啟的現象，但持續時間較短，一般為1-2天，之后壓力迅速下降。

（1）沖擊地壓的發生與頂板周期來壓在時間上往往具有密切聯系。

（2）在空間上，沖擊地壓的發生生受超前支承壓力的影響顯著，沖擊地壓發生地點和超前支承壓力峰值位置有很大的相關性，大部分沖擊地壓的發生在超前支承壓力峰值范圍，有少數沖擊地壓發生在峰值區域外，但仍然與該區域微震活動有關[7]。

3.3 采掘速度

根據回采工作面日推進度的統計，在沖擊地壓危險工作面，采掘速度與動力顯現有非常明顯的關系。采掘速度與煤巖體的能量釋放有一定關系，采掘速度太快可能造成煤巖體應力和能量不能及時釋放而逐漸積累，直至超過其強度極限后以大能量震動事件的形式集中釋放，從而誘發沖擊地壓。工作面推進度的確定應根據工作面的危險期和微震或地音監測進行確定。工作面合理的推進度在不同時期、不同危險區域將有所不同。

4 沖擊礦壓總體防治對策

針對該礦引起沖擊礦壓的因素，采取以下針對性防治措施：

（1）成立沖擊礦壓防沖機構，并制定相應的制度，并負責實施各項解危方案。

（2）采取沖擊地壓區域性防范措施，提出調整巷道方向，優化接工作面接替順序，調整巷道布置方式，調整大巷布置層位等適合于現場開采、地質條件的初步方案。

（3）形成沖擊地壓危險源層次化監測的初步方案：利用微震法對全礦井、利用地音法對重點工作面監測煤巖破裂產生的動載荷。利用應力在線監測、鉆屑法抽樣檢測局部危險區域煤體靜載荷。

（4）根據微震、地音、鉆屑法等監測數據，分析總結適應該礦的預警預報參數和解危方案。

（5）適當加大采掘工作面間距，適當控制采掘速度，并保證采掘速度的均勻性。

（6）做好采掘工作面的安全防護，實行大件捆扎、小件裝箱，限制進入人員人數，穿防沖服、戴防沖帽。

5 結束語

通過以上針對性防治措施的實施，該礦的沖擊地壓危害程度顯著的減輕，沖擊地壓隱患基本得到了良好的控制，基本未出現大的沖擊地壓顯現，說明上述沖擊地壓防治對策是科學有效的，它扭轉了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動管理局面，有效地保護了職工的生命安全，最大限度降低了財產損失，有力地保障了礦井的安全生產。

參考文獻

[1]李永杰，陳喜恩，王唐龍，等.平煤集團十二礦三水平沖擊礦壓原因分析及防治對策[J].煤礦安全，2007（4）：33-35.

[2]周英，顧明，李化敏，等.硯北煤礦動力現象的發生及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（2）：91-93.

[3]王國法，李前，趙志禮，等.強礦壓沖擊工作面巷道沖擊傾向性測試與超前支護系統研究[J].山東科技大學學報，2011，30（4）：1-9.

[4]王文婕.煤層沖擊傾向性對沖擊地壓的影響機制研究[D].北京：中國礦業大學，2013.

[5]宋繼臣，竇林名，何江，等.峻德煤礦104掘進工作面沖擊礦壓防治技術[J].煤礦安全與環保，2010，37（5）：49-58.

[6]王慧明.三河尖煤礦沖擊礦壓的特點及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，竇林名，賀虎，等.綜放面覆巖運動誘發沖擊礦壓機制研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（9）：3920-3927.

作者簡介：李冀（1988-），男，陜西安康人，畢業于西安科技大學，工程師，主要從事煤礦生產技術和安全管理工作。

3.3 采掘速度

根據回采工作面日推進度的統計，在沖擊地壓危險工作面，采掘速度與動力顯現有非常明顯的關系。采掘速度與煤巖體的能量釋放有一定關系，采掘速度太快可能造成煤巖體應力和能量不能及時釋放而逐漸積累，直至超過其強度極限后以大能量震動事件的形式集中釋放，從而誘發沖擊地壓。工作面推進度的確定應根據工作面的危險期和微震或地音監測進行確定。工作面合理的推進度在不同時期、不同危險區域將有所不同。

4 沖擊礦壓總體防治對策

針對該礦引起沖擊礦壓的因素，采取以下針對性防治措施：

（1）成立沖擊礦壓防沖機構，并制定相應的制度，并負責實施各項解危方案。

（2）采取沖擊地壓區域性防范措施，提出調整巷道方向，優化接工作面接替順序，調整巷道布置方式，調整大巷布置層位等適合于現場開采、地質條件的初步方案。

（3）形成沖擊地壓危險源層次化監測的初步方案：利用微震法對全礦井、利用地音法對重點工作面監測煤巖破裂產生的動載荷。利用應力在線監測、鉆屑法抽樣檢測局部危險區域煤體靜載荷。

（4）根據微震、地音、鉆屑法等監測數據，分析總結適應該礦的預警預報參數和解危方案。

（5）適當加大采掘工作面間距，適當控制采掘速度，并保證采掘速度的均勻性。

（6）做好采掘工作面的安全防護，實行大件捆扎、小件裝箱，限制進入人員人數，穿防沖服、戴防沖帽。

5 結束語

通過以上針對性防治措施的實施，該礦的沖擊地壓危害程度顯著的減輕，沖擊地壓隱患基本得到了良好的控制，基本未出現大的沖擊地壓顯現，說明上述沖擊地壓防治對策是科學有效的，它扭轉了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動管理局面，有效地保護了職工的生命安全，最大限度降低了財產損失，有力地保障了礦井的安全生產。

參考文獻

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[4]王文婕.煤層沖擊傾向性對沖擊地壓的影響機制研究[D].北京：中國礦業大學，2013.

[5]宋繼臣，竇林名，何江，等.峻德煤礦104掘進工作面沖擊礦壓防治技術[J].煤礦安全與環保，2010，37（5）：49-58.

[6]王慧明.三河尖煤礦沖擊礦壓的特點及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，竇林名，賀虎，等.綜放面覆巖運動誘發沖擊礦壓機制研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（9）：3920-3927.

作者簡介：李冀（1988-），男，陜西安康人，畢業于西安科技大學，工程師，主要從事煤礦生產技術和安全管理工作。

3.3 采掘速度

根據回采工作面日推進度的統計，在沖擊地壓危險工作面，采掘速度與動力顯現有非常明顯的關系。采掘速度與煤巖體的能量釋放有一定關系，采掘速度太快可能造成煤巖體應力和能量不能及時釋放而逐漸積累，直至超過其強度極限后以大能量震動事件的形式集中釋放，從而誘發沖擊地壓。工作面推進度的確定應根據工作面的危險期和微震或地音監測進行確定。工作面合理的推進度在不同時期、不同危險區域將有所不同。

4 沖擊礦壓總體防治對策

針對該礦引起沖擊礦壓的因素，采取以下針對性防治措施：

（1）成立沖擊礦壓防沖機構，并制定相應的制度，并負責實施各項解危方案。

（2）采取沖擊地壓區域性防范措施，提出調整巷道方向，優化接工作面接替順序，調整巷道布置方式，調整大巷布置層位等適合于現場開采、地質條件的初步方案。

（3）形成沖擊地壓危險源層次化監測的初步方案：利用微震法對全礦井、利用地音法對重點工作面監測煤巖破裂產生的動載荷。利用應力在線監測、鉆屑法抽樣檢測局部危險區域煤體靜載荷。

（4）根據微震、地音、鉆屑法等監測數據，分析總結適應該礦的預警預報參數和解危方案。

（5）適當加大采掘工作面間距，適當控制采掘速度，并保證采掘速度的均勻性。

（6）做好采掘工作面的安全防護，實行大件捆扎、小件裝箱，限制進入人員人數，穿防沖服、戴防沖帽。

5 結束語

通過以上針對性防治措施的實施，該礦的沖擊地壓危害程度顯著的減輕，沖擊地壓隱患基本得到了良好的控制，基本未出現大的沖擊地壓顯現，說明上述沖擊地壓防治對策是科學有效的，它扭轉了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動管理局面，有效地保護了職工的生命安全，最大限度降低了財產損失，有力地保障了礦井的安全生產。

參考文獻

[1]李永杰，陳喜恩，王唐龍，等.平煤集團十二礦三水平沖擊礦壓原因分析及防治對策[J].煤礦安全，2007（4）：33-35.

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[4]王文婕.煤層沖擊傾向性對沖擊地壓的影響機制研究[D].北京：中國礦業大學，2013.

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[6]王慧明.三河尖煤礦沖擊礦壓的特點及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，竇林名，賀虎，等.綜放面覆巖運動誘發沖擊礦壓機制研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（9）：3920-3927.

作者簡介：李冀（1988-），男，陜西安康人，畢業于西安科技大學，工程師，主要從事煤礦生產技術和安全管理工作。