煤礦沖擊地壓災害及防治技術分析

魏宏斌

（天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013）

沖擊地壓在煤礦開采作業中具有高發性，屬于動力災害，而且破壞性較強。一旦發生沖擊地壓，必然會對井下作業人員的生命安全造成較大的威脅，還會破壞井下各種構筑物及儀器設備，帶來巨大的經濟損失。因此針對沖擊地壓災害應做好預防工作。針對沖擊地壓產生的原因進行分析，并采取具體的措施做好防范工作，降低或避免沖擊地壓發生的機率，為煤礦安全生產作業提供重要的保障。

1 煤礦沖擊地壓災害的特征及破壞機理

在當前煤礦生產過程中，由于存在較多的不安全因素，沖擊地壓是其中較為常見的災害。沖擊地壓發生時，煤巖內部會積聚大量的能量，當其達到最大臨界承載強度時，巷道和采煤工作面周邊巖體會釋放出變形能，巖體被破壞，導致煤礦地下支架塌坍，出現冒頂現象。沖擊地壓發生后會造成較大的損害，比較嚴重的情況會導致煤或是巖石從巷道兩側爆裂開來，出現煤巖彈射的情況，導致巷道直接被摧毀或是產生巨大的能量，威脅井下作業人員的安全，破壞地下的設備和設施。而且沖擊地壓發生時，還易引發一些基礎潛藏的礦井災害，在巨大震動下巷道頂板出現冒落，影響通風和運輸，特大沖擊地壓發生時，還易激起井下煤層或瓦斯爆炸、出現地表河流湖軟質泥巖等二次威脅，造成地面構筑物的破壞和倒塌。沖擊地壓對礦井的威脅性大，發生的機理復雜和多變，這也導致無法找到一套治理沖擊地壓的既定理論，需要針對不同問題不同對待，從而針對不同問題以基礎理論為依據，制定具有針對性的措施，及時解決問題。作為一種特殊的礦壓顯現形式，存在較多的影響因素，顯現形式也更具多樣性，會帶來十分嚴重的后果，因此在煤礦開采作業過程中，需要對沖擊地壓給予充分的重視。

2 煤礦沖擊地壓的分類

2.1 依據應力狀態分類

沖擊地壓分類時，當根據煤體應力狀態進行劃分時，以重力型、構造應力型和重力構造型3 類沖擊地壓為主，具體要以構造應力誘發沖擊地壓形成的強弱程度及是否是由于主體承重力與構造力聯合而引發的沖擊地壓，以此來對沖擊地壓的類型進行判定。

2.2 依據沖擊地壓破壞程度分類

根據沖擊地壓破壞程度可以將其劃分為拋射型沖擊地壓、震動型沖擊地壓、輕微型沖擊地壓和強烈型沖擊地壓4 種。拋射型沖擊地壓是在高強度應力下煤體及巖石拋射情況，具有嚴重響聲。震動型沖擊地壓在煤體內部沖擊地壓中時常發生，發生時煤體和巖體深處出現嚴重的破損現象，煤壁也易出現坍塌和片幫等情況，煤體會出現嚴重晃動，聲音如雷鳴且伴有礦塵四起的現象，這種地區屬于相對微弱的沖擊地壓。輕微型沖擊地壓震級通常在2 級以下，而且伴有大量的塊狀煤，巖石由煤巖壁中向采空區射出，不會對支撐體和工作人員帶來嚴重侵害，但礦塵飛起高度和聲音都較大，瓦斯煤層中易出現瓦斯氣體大量擴散的情況，因此要加大管控和預防的力度。強烈型沖擊地壓發生時，部分區域的煤體和巖體會快速分裂和破碎，而且具有一定程度的殺傷力，通常會飛射向采空區域，液壓支柱易出現傾斜和折斷的情況，大面積巖體和煤體易出現震動的情況。

2.3 依據煤巖拋出量分類

根據拋射煤體和巖體總量來對沖擊地壓進行分級和分類，具體可以分為輕微沖擊地壓、中型沖擊地壓和強烈型沖擊地壓。輕微沖擊地壓拋射量為10 t 以下且震級強度低于1 級。拋射量在10~50 t 之間且震級強度低于2 級時，則為中型沖擊地壓。而強烈型沖擊地壓則為拋射量在50 t 以上且震級強度在3 級及以上。

2.4 依據災害發生位置分類

根據災害發生位置對沖擊地壓災害分類可以分為煤壁沖擊地壓和圍巖沖擊地壓。煤壁沖擊地壓災害發生在工作面煤壁處，具體分為表面沖擊地壓、淺部沖擊地壓及深部沖擊地壓。圍巖沖擊地壓多發生在頂板和底板等區域的巖體結構深處。另外，根據災害發生地點還可以將沖擊地壓劃分為底板沖擊地壓和頂板沖擊地壓。

3 煤礦沖擊地壓災害產生的主要條件

3.1 煤層和圍巖具有沖擊傾向

煤礦采煤過程中，由于易破壞煤巖的受力情況，具體以亮煤和鏡煤破壞類型為主。對于硬度較大、溫度較小且抗壓強度較高的煤層，則易發生沖擊地壓災害。中硬度煤層和硬煤層，當抗壓強度達到200 kg/cm2以上時，也易引發沖擊地壓災害。當頂巖為厚層形式的砂巖或是石灰巖時，頂板則具有較強的沖擊傾向，在這種圍巖條件下，頂板易出現懸空板，積聚大量彎曲能量，提高回采面前方彈性，一旦此時發生沖擊地壓，必然會因災害帶來嚴重的破壞。

3.2 回采工作面附近有大量的能量集中情況

采煤作業過程中回采工作面前沿是沖擊地壓最易發生的部位，往往與回采工作面之間的距離在15～50 m左右，屬于回采工作面前方壓力支承區域。通常情況下回采工作面周圍的煤層中會有大量的彈性形變能積聚，當積聚到一定量時，煤層無法承受則會引起沖擊地壓發生。特別是傾向支承和走向支承存在壓力疊加現象時，沖擊地壓的強度等級也會更大。在實際煤礦井下工作面掘進過程中，存在多種能量來源會引起沖擊地壓災害發生，如掘進面位置應力集中或是原巖構造存在較大的應力，這都是沖擊地壓災害發生的重要因素。在實際煤礦開采作業時，無論是地質和構造等都具有復雜性的特點，同時還存在較多的斷層，隨著開采強度和開采深度的加大，開采區域范圍內必然會出現構造應力較大的情況，煤巖內部會產生能量積聚的現象，這也易引發沖擊地壓災害。

3.3 采場中有能量釋放空間存在

彈性形變能量是井下開采過程中必然存在的現象，這種能量在工作面和巷道等空間位置較為常見，一旦煤體達到自身臨界極限時，在這種能量作用下會發生沖擊地壓。當不存在這些能量釋放空間的情況下，通過移動采場或是轉變受力條件，也會使所積聚的彈性變形力得到一定程度的緩解，并恢復至常態。因此在需要挖掘多條巷道或是作業過程中存在較大切割量的情況下，則需要防范沖擊地壓的發生。

4 沖擊地壓災害的主要影響因素分析

4.1 受地質構造影響

當工作面和斷層十分接近或是向斜軸位置方向開采作業的情況下，易發生沖擊地壓災害，而且會產生較大的破壞。這也能夠看出來，沖擊地壓災害受地質構造影響較大。

4.2 受開采順序和方式影響

煤柱預留是井下作業時較為常見的開采作業方式，但在支承壓力不斷增加時，這也會導致沖擊地壓災害發生概率提升。當煤柱預留較多的情況下，或是巷道掘進處于應力高度集中區域、對頭或是平行進行兩條巷道掘進時，沖擊地壓災害都會處于高發狀態。

4.3 受開采深度影響

煤礦開采作業深度的增加，圍巖中的彈性能也會隨之增大，一旦達到應力破壞條件時，則會發生沖擊地壓。實際沖擊地壓災害多發生在地下530 m 以下，這也能夠看出，在實際井下開采作業時，隨著開采深度的增加，沖擊地壓發生的風險也會呈現出增加的態勢。

5 煤礦沖擊地壓災害的防治技術分析

5.1 煤礦壓力預測技術

利用煤礦壓力預測技術可以對煤炭傾向壓力進行預測，并科學檢測煤炭巖石硬度，在實際應用煤礦壓力預測技術時，能夠綜合考慮到煤巖內部的各種因素，這也使該技術應用十分廣泛。當前在煤礦開采作業過程中，一些煤礦沖擊地壓具有較強的傾向性，這種傾向性可以通過實驗來進行檢驗。一般會在煤炭開采前做好實地測繪和分析，以此來保證后續井下作業的安全。也可以利用鉆屑法，通過在煤體內進行鉆孔作業，以此來獲得煤粉量，并掌握具體的變化規律，科學地對煤層潛在沖擊危險的等級進行劃分，并借助于儀器設備對煤礦沖擊地壓開展有效的預測。一般會以10 m 為一個間隔，合理進行測點設置和合理控制測量檢測時間。詳細記錄煤礦破壞期間的各種數值，并合理運用相應的方法對煤礦沖擊地壓風險進行預測。具體可以采用靜態臨界值法和動態趨勢值法。針對工作面實施檢測過程中，具體可以使用便攜式電磁輻射儀，根據獲取的檢測數據來預防沖擊地壓災害。

5.2 大直徑鉆孔卸壓

通過減弱煤巖應力集中的情況也可以降低沖擊地壓災害的發生。通常會針對應力集中或是巷道采煤較深的情況設置卸壓孔，或是采用無煤柱、消除鄰近層煤柱相互作用及優化開采順序等方式來進行減壓，降低沖擊地壓發生的概率。

具體卸壓時，對于沖擊地壓爆發位置，通過設置大直徑鉆孔進行卸壓。大直徑鉆孔設置后，會破壞巷道內的圍巖結構，這樣可以將其轉化為弱化帶，促進一些部位的高應力不斷向深度位置擴散，使巷道位置處的圍巖應力下降。而且大直徑鉆孔在沖擊地壓發生時，還有利于吸收沖擊煤粉，卸壓區內的頂底板在沖擊地壓發生時能夠構建起閉合楔形阻力帶，對煤體沖擊起到一定的阻擋作用，降低其帶來的損失。在針對高應力環境進行開采作業時，利用鉆孔卸壓能夠對鉆孔周邊的煤體和巖石起到有效的破壞作用，釋放出煤層中的能量，以此來削弱沖擊應力。具體作業過程中，以煤層壓力和高壓力的釋放作為主要方式，更符合煤層開采作業的具體要求。通過應用鉆孔方式將巖石高應力向其他巖體轉移，達到卸壓的目的。具體作業時應與實際情況相結合，合理選擇鉆機型號，鉆桿長度和鉆頭直徑也要與實際情況相符，打孔深度還要與標準距離相符，合理控制孔身與底板的距離。實際鉆孔施工時，采取單排鉆孔方式進行布局，并對鉆孔參數實施有效控制，使其在起到卸壓作用的同時，進一步保證鉆孔作業的安全性。

5.3 爆破卸壓技術

在高應力煤層中卸壓爆破技術更具適用性，也可以采用定點爆破提前沖擊，這樣可以對開采作業的沖擊影響降至最低或是消除。通過實施卸壓爆破，爆破過程中煤層結構會出現一些裂隙，這會對煤層力學結構帶來相應的改變，使煤層彈性強度和能量下降，破壞沖擊地壓發生的條件，并有效地擴展應力釋放范圍，實現對應力集中度和釋放速度的有效控制。而且通過爆破作業，也能夠降低沖擊地壓發生的風險，即使發生沖擊地壓，其所帶來的破壞也能夠降至最低程度。但在爆破卸壓技術應用過程中，宜提前對爆破的必要性進行調查，并利用鉆屑法進行檢測。爆破完成后，還要及時進行反饋，以此來保證達到良好的卸壓效果，消除安全隱患。

5.4 煤層注水技術

利用優化煤巖力學性能進行卸壓過程中，可以將高壓水注入到煤層中，通過弱化煤層，消除圍巖位置能量聚集的問題。也可以將應力計設置在應力集中位置處，在具體操作過程中，需要以工程試驗為指導，降低應力集中的問題。也可以選擇噴漿錨索錨網實施支護，以此來提高支護的效果。通過煤層注水來改變煤層物理特性，這樣可以對沖擊地壓起到有效的防范作用，也能夠起到良好的防塵效果。由于鉆孔位置處會出現一定量的煤粉，同時煤體中還會出現裂紋，產生應力計松弛的情況，在補壓處理后仍會存在一定的松弛現象，從而達到較好的卸壓效果。通常情況下煤層不僅具有一定的透水性，而且還存在孔隙，利用煤層注水技術，能夠對煤層物理性質和煤層結構進行一定的改善，進一步提升煤層的塑性水平，并達到較好的降塵效果，實現對沖擊地壓危險的有效防范。在具體進行該技術應用過程中，通常以壓注化學溶液及頂板注水等方式為主。注水作業過程中，需要合理控制注水時間，分析煤層注水減壓的必要性，并選擇適宜的注水機械，實際操作過程中要避開危險區域，這樣不僅能夠達到較好的注水卸壓效果，而且還有利于實現對作業人員人身安全的有效保護。

5.5 頂板預裂技術

多用于強制放頂和鄰面斷頂、定向水力致裂頂板。強度理論認為，沖擊地壓的發生是由于煤巖強度不夠造成的。煤層頂板是導致沖擊地壓最重要的因素之一。放頂就是將頂板切斷，盡可能地減小頂板懸露長度，這樣就可以減小工作面超前支承壓力峰值。減小工作面鄰空順槽煤柱另一側的懸板，可以降低煤柱內應力集中程度。采用小煤柱掘進護巷技術時，垂直向鄰空一側工作面隔離煤柱上方施工深孔，而后采用頂板水力壓裂或爆破預裂的方式，使鄰空煤柱一側懸臂梁破斷，從而減小鄰空順槽煤柱側集中應力。

5.6 加強支護與管理

一些煤層巷道具有較大的沖擊危險，對于這類巷道，需要做好支護保護工作，進一步增強巷道支護的強度，提高巷道抵御沖擊的整體水平。在實際巷道掘進和開采作業時，還要重視噴射錨索網的應用。具體在強化巷道支護作業時，可以采用單體液壓支柱，并針對巷道斷面實施有效維護，降低風險發生的機率。特別是對于現場作業人員，宜提前開展安全教育，并建立健全完善的安全管理制度，確保制度能夠落實到位，并通過加大技術管控力度，估好危險煤層和危險程度的鑒定和預測工作，以此來保證生產作業的安全，降低沖擊地壓災害發生的可能性。

5.7 控制開采工藝

煤礦開采工藝與沖擊地壓之間存在緊密的聯系，因此對于煤礦開采作業而言，需要選擇適宜的開采工藝。并針對煤礦開采進度進行有效控制，避免出現煤礦開采強度過大的問題，從而對能量揮發的平衡性造成不利影響，有效地防范能量分布過于聚集的情況發生，降低煤礦沖擊地壓發生的可能性。另外，在具體底煤處置開采作業過程中，還要對所用的開采工藝進行嚴格控制，保證工藝的合理性和可靠性，做好沖擊地壓災害釋放的防范工作。

6 結束語

煤礦井下開采作業具有高危性，沖擊地壓災害是其中較為嚴重的安全隱患。一旦沖擊地壓災害發生，必然會直接傷害到井下作業設施和作業人員的安全。因此在煤礦開采作業過程中，需要全面對沖擊地壓災害發生的條件、影響因素進行了解，并制定切實可行的防治措施，避免沖擊地壓災害的發生，確保煤礦井下作業的安全性，為煤礦企業的健康發展打下堅實的基礎。