煤礦沖擊地壓防治技術討論

＊常秋鵬 劉更慶 葛祥吉

（兗礦能源集團股份有限公司東灘煤礦 山東 272000）

現代煤礦開采工作會受到多種因素的影響，比如人員、開采技術、環境等等，沖擊地壓屬于常見問題之一，可以影響煤礦開采質量與效率。當前沖擊傾向存在于我國絕大多數礦山煤層與巖層之間，伴隨煤礦開采工作不斷深入，沖擊地壓災害發生可能性也就越高，對我國礦山開采生產安全性造成了嚴重影響。因此要如何降低沖擊地下形成概率，保證井下人員作業安全成為了行業重點關注內容。即應以煤礦沖擊地壓形成原因為切入點，結合礦井所在位置信息展開深度分析，并提出科學合理預防手段，保證作業人員人身安全，確保開采工作順利完成。

1.煤礦沖擊地壓類型

結合不同切入點，可將煤礦沖擊地壓劃分為不同類型，常見劃分習慣如下：

（1）根據誘發因素，可將煤礦沖擊地壓劃分為重力型、構造應力型以及構造重力型三類。其中重力型沖擊地壓出現的原因為伴隨開采深度不斷增加，礦井上部巖石層所受重力增加；構造應力型沖擊地壓出現的原因為斷層與褶曲等區域受構造應力影響產生較高彈性勢能；構造重力型沖擊地壓出現的原因為開采區域存在應力與重力雙重作用。

（2）根據發生位置不同，可將煤礦沖擊地壓劃分為煤體沖擊與巖體沖擊兩類。其中煤體沖擊根據發生位置不同，被劃分為淺層沖擊與深層沖擊兩類；巖體沖擊根據發生位置不同，被劃分為頂板沖擊與底板沖擊。

（3）根據破壞力度不同，可將煤礦沖擊地壓劃分為弱沖擊、中強度沖擊以及嚴重沖擊。其中弱沖擊會導致巷道20m以內破壞；中強度沖擊會導致巷道出現20～50m破壞；嚴重沖擊會導致巷道出現50m以上破壞[1]。

2.煤礦沖擊地壓特征

結合現有資料研究發現，煤礦沖擊地壓具備以下特征：

（1）如果沖擊地壓強度較小，發生頻率較高，威力較小，通常只是在礦井中發生了彈跳，不會對后續采礦工作產生太大的影響。

（2）如果是由煤體引起的，則破壞情況會比較嚴重，一般發生在煤層較深位置。盡管地震強度很大，地表也會有強烈的震動，但是對地下工作面沖擊較少，對工作面的損害較輕。

（3）如果在巷道附近發生該情況，則不論沖擊地壓具體級別，都會對巷道造成較大壓力，這種壓力會造成巷道損壞，甚至還會引發底鼓現象，對后續工作造成影響。

（4）絕大多數沖擊地壓情況發生時間較短，最多也就十幾秒鐘。因此在沖擊地壓發生之前，一般沒有預警信號。

3.煤礦沖擊地壓理論及產生因素

(1)煤礦沖擊地壓理論

綜合現有研究成果可知，與煤礦沖擊地壓形成問題有關的理論主要有以下四項。

①強度理論：該理論為最早出現的理論，理論表明采場周邊存在明顯的應力集中情況，煤巖體達到最大承載壓力時，如果巖體遭受破壞，則會引發沖擊地壓。當前研究理論表明：應力在突然增加或受到阻力下降時，煤巖體都將出現運動破壞，此時煤巖體將出現拋射情況，即當煤巖體自身應力不小于系統強度時，會出現沖擊地壓情況[2]。

②能量理論：該理論表明礦體與圍巖所釋放能力是形成沖擊地壓的主要能量源。伴隨企業不斷發展，系統整體平衡將被破壞，釋放能力遠高于消耗能量，此時完全具備形成煤礦沖擊地壓的條件。

③沖擊傾向理論：沖擊傾向是指煤巖介質自身破壞力，在工作中，借助相應數據完成沖擊傾向度確定。

圖1 煤的強度與參數應力之間的關系

④組合理論：沖擊傾向理論與強度理論同時滿足沖擊地壓要求，是形成沖擊地壓的必要條件。

(2)煤礦沖擊地壓產生因素

①地質因素。沖擊地壓結束后，煤層將被劃分為“硬頂—硬煤—硬頂”與“硬頂—薄軟層—煤層”兩種不同結構，這兩大結構構造形成沖擊地壓的潛在風險，當斷層、褶渠、煤層傾角發生變化時可能出現開采后沖擊危險[3]。如果開采區域地質結構具備復雜性特點，則其附近必然存在較為強大的應力場，而構造曼力會伴隨應力場形成，此時將可能出現反沖擊地壓事故。假設開采區域效應力較為集中，則在開采過程中也可能引發沖擊地壓事故。結合上述內容可知，地質方面，煤礦沖擊地壓形成原因主要有三點，第一，煤層或圍巖存在沖擊傾向；第二，周邊聚集有大量能量；第三，能量具備可釋放條件。

②技術因素。所使用開采技術也可以決定是否會造成沖擊地壓。開采工作會導致煤巖體應力迅速增加，當某區域內出現集中應力時，將極易引發沖擊地壓事故。對現有開采技術進行分析發現，綜合式開采技術對煤巖體應力影響最為嚴重，使用危險性遠高于單一煤層開采技術與分層煤炭開采技術。除此之外，地質條件不同，所選擇開采方式也存在一定差異。如果存在方法使用不當，開采順序與規定不符等情況，都將造成沖擊地壓事故的出現。

③管理因素。選擇煤礦沖擊傾向技術不僅可以有效提高管理組織科學性，還可以控制沖擊地壓事故發生概率。如果管理組織存在問題，也可能引發沖擊地壓事故。如工作面布設、開采順序有待優化、煤柱開采作業未規避應力集中問題等等[4]。

企業不應為追求經濟效益而忽略完全管理，組織管理人員為考慮工作危險性，使得實際工作計劃存在漏洞，會增加沖擊地壓事故發生概率。

4.煤礦沖擊地壓防治技術分析

（1）煤礦壓力預測。礦井預測的重點為煤炭傾向性預測，完成周邊煤巖硬度測量，從煤炭中所形成的多種介質以及它們的破壞能力和屬性來進行分析，這也是當前使用最廣泛的一種防范技術。通過北京巖體機械采煤室內實驗，確認了某些礦井自身存在較大的沖擊傾向。礦井的沖擊傾向性可以用試驗來驗證，在采礦前對礦井進行現場勘測及試驗研究，為以后的采礦工作提供了較大的安全保障。本項目擬采用鉆屑方法對煤巖進行鉆進，依據煤巖粉含量和含量變化特征，實現一系列檢測目標，對煤巖層中可能發生的沖擊災害進行分級，為下一步工作奠定基礎[5]。

圖2 鉆屑法原理

（2）鉆孔卸壓技術。鉆孔卸壓就是在礦井高應力條件下，通過各地層的彈性變形，使井眼周圍的煤巖發生破壞。這樣，就可以讓煤炭釋放出自己的力量，來減少爆炸的風險。鉆井卸壓是一種將煤層中的高應力和壓力進行卸壓的方法，適用于在礦井中進行作業，也可以利用鉆井將高應力轉化為其它的卸壓巖體。需要注意的是，開展鉆井工作時，必須結合現場實際情況完成相關工具選擇，比如鉆機型號、鉆桿長度、鉆頭直徑等等。對可能發生沖擊地壓災害的煤層進行開采時，必須慎重選擇開采技術，并制定具體開采方案，其主要目的為：減小煤層應力集中情況或將其轉移至煤層深處；改變煤巖體機械性質，降低其儲藏與突然釋放彈性的能力；降低沖擊地壓危害程度。根據要求，在一定范圍內將孔深與底板之間的有效距離控制好，將鉆孔布置為單行，并對各項鉆孔參數進行控制，不僅可以實現泄壓，還可以保證鉆孔作業的安全性。

（3）卸壓爆破技術。卸壓法是在煤礦高應力條件下，對其進行定向爆破，使其在采礦時產生沖擊波，從而達到消除沖擊波危害的目的。卸壓法最主要的作用是將煤層引爆，使其內部產生大量的裂隙，進而使鄰近煤層的機械構造發生變化，使其彈性強度和彈性能量下降，進而使發生沖擊地壓的強度和能量大大減少，降低了其彈性強度和彈性能量，以及大幅度地降低了出現沖擊地壓的強度和能量，從而增大了應力的釋放范圍，減少了其集中程度和釋放速度，在一定程度上避免了沖擊地壓的危害[6]。

（4）煤層注水技術。對煤層進行注水處理是一種十分有效的方法。由于煤的自身存在著一定的孔隙和透水性，所以在注水的過程中，能夠對煤的物理特性進行改造，使煤的結構發生變化，煤的強度下降，煤的蓄力變小，提高了煤的塑性，并且還能夠起到降塵的作用，消除了沖擊地壓的風險。最常用的兩種方法就是將頂板注水和壓注化學溶液，在注水的時候，要對注水的時機進行科學、合理的規劃，同時要對煤層進行檢驗，確認其適合進行卸壓，確保注水的泄壓效果。水驅的目的在于通過改變煤的構造，降低煤的力學強度、儲存彈性以及沖擊傾向性。大部分的煤層在進行水壓處理后，其沖擊力會下降一級。通過水驅作用，可以有效地減小支撐壓力的峰值，并將其傳遞至煤體內深處，進而實現對煤（或部分）應力場的調控。采煤技術采用了最大限度的機械化，并在危險區域以外進行操作，從而保證了采煤工人的生命安全[7]。

（5）加強支護與管理。對于有沖擊危險性的煤層區，應保證足夠的支護力，全方位地增強其抵抗沖擊的能力。在采礦、開挖過程中，必須進行噴絲網。在采礦過程中，為了保持井巷的剖面形狀，必須采用單個水力柱來強化井巷的支護，以減少井巷的沖撞風險和損害。在進行采礦作業的時候，要重視對現場管理人員、生產作業人員的安全培訓，制定出一系列完善的煤層管理制度，強化技術管理，以及對風險煤層和風險等級的識別與預報。

（6）制訂合理的開采計劃。伴隨煤礦開采深度增加，礦井發生沖擊地壓可能性增大，危險性增大，給礦井生產帶來了很大的難度。因此，要制定出一套科學的采礦方案，才能保證礦井的正常生產。回風平巷是現代煤炭開采中比較重要的一環，關系到煤炭開采的整體安全。在回采時，要沿回采方向進行，并要對回采全過程進行監測和觀測。如果風平巷存在問題，不能滿足礦井下的工作需要，就要根據具體條件進行合理的布置，通常布置在煤柱周圍，這樣可以有效地抑制礦井下的支撐作用，同時也可以防止它給煤柱帶來過大的壓力。在礦井安全程度較高的情況下，可以不設置煤柱。如果采空區沒有煤柱，則需合理選擇開采區域，不能在高應力地方進行開采，否則會因為高應力的影響而發生垮塌等問題。

（7）保護層的科學開采。在礦井中，安全層起到了舉足輕重的作用，是保證礦井施工安全的關鍵。在實際的采礦作業中，一般選擇沒有沖擊地壓或輕微沖擊地壓的地區完成安全區搭建。借助安全區，可以有效地控制巖體之間的相互作用，避免巖體中的能量累積，減少巖體壓力。在采煤過程中，不管是頂板，還是底板，都會產生一定應力場，為了防止沖擊礦壓，采取了防護措施，將這些應力場控制在一定范圍之內。

5.結束語

煤炭開采過程中沖擊地壓造成的影響與危害都是巨大的。因此，以煤礦采礦現場的具體狀況為依據，制訂出有效的、具體的、安全的計劃，使其達到科學、合理的預防沖擊礦壓的目的，從而有效的保證煤礦采礦工程的安全，推動煤礦采礦事業的正常開展，營造煤礦采礦事業安全發展的良好氛圍。