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(jī)率也大大增加，沖擊礦壓是巖石力學(xué)中的疑難問(wèn)題，通常是由煤巖體的原巖應(yīng)力受采掘活動(dòng)破壞，在受場(chǎng)周圍的巖體積聚能量達(dá)到極限強(qiáng)度后突然釋放，導(dǎo)致煤巖層瞬時(shí)破壞，產(chǎn)生的壓力將煤巖拋向巷道或采場(chǎng)，同時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈聲響，造成煤巖體振動(dòng)和煤巖體破壞，同時(shí)破壞巷道支護(hù)，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(shí)，嚴(yán)重時(shí)造成人員傷亡，地面震動(dòng)或建筑物破壞等。因此，加大對(duì)沖擊地壓的研究，優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)，是礦井安全管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容?！娟P(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(diǎn)突然性。沖擊地壓發(fā)生前，一般沒(méi)有明顯預(yù)兆，突然發(fā)生過(guò)程短暫，很難在事發(fā)前確定發(fā)生的地點(diǎn)、強(qiáng)度和時(shí)間。沖擊強(qiáng)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(qiáng)大。伴有巨大的聲響和強(qiáng)烈的震動(dòng)，造成電機(jī)車等重型設(shè)備被移動(dòng)或歪斜，人員站立不穩(wěn)被彈起或被沖擊波沖倒，震動(dòng)波及范圍可達(dá)幾千米甚至幾十千米，一般震動(dòng)持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過(guò)幾十秒。破壞嚴(yán)重。沖擊地壓發(fā)生時(shí)，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(chǎng)觀測(cè)，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(qiáng)烈沖擊時(shí)，塌落深度可達(dá)1.5m?2.0m。在煤巖體淺部發(fā)生沖擊時(shí)煤體發(fā)生移動(dòng)，煤體移動(dòng)時(shí)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(huì)變形嚴(yán)重時(shí)，甚至被堵死。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(kāi)采深度在200m以下，地質(zhì)條件劃分從簡(jiǎn)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(yè)巖等都發(fā)生過(guò)沖擊礦壓。回采工藝不論水平、炮采、機(jī)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(guò)沖擊地壓。隨著，開(kāi)采深度的增加，礦井的開(kāi)采條件越來(lái)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(duì)性地采取預(yù)測(cè)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開(kāi)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(lái)越大，煤層及其圍巖的應(yīng)力越來(lái)越高，沖擊地壓的發(fā)生頻率逐漸增加。就開(kāi)采技術(shù)條件而論，任何一個(gè)發(fā)生沖擊地壓的礦井都存在發(fā)臨界深度的問(wèn)題，不同地質(zhì)與開(kāi)采條件的沖擊地壓其臨界深度不同，我國(guó)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(shí)發(fā)生沖擊礦壓的次數(shù)大大高于400m時(shí)的次數(shù)。開(kāi)采條件因素。頂板巖層結(jié)構(gòu)，特別是煤層上方堅(jiān)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(jiān)硬厚層砂巖頂板容易聚積大量的彈性能。在堅(jiān)硬頂板破斷過(guò)程中或滑移過(guò)程中，大量的彈性能突然釋放，形成強(qiáng)烈震動(dòng)，導(dǎo)致沖擊礦壓發(fā)生。煤層厚度對(duì)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(qiáng)烈。煤的濕度也有影響作用。因?yàn)槊簩雍螅墒姑簩拥膹椥詼p小，強(qiáng)度降低。塑性增加，能減緩發(fā)生沖擊礦壓的危險(xiǎn)。煤巖結(jié)構(gòu)及性能也是沖擊地壓影響的主要因素。堅(jiān)硬、厚層、整體性強(qiáng)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(xiǎn)較大；煤的強(qiáng)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(qiáng)。地質(zhì)構(gòu)造因素。實(shí)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(gè)開(kāi)采邊界，若回采方向朝向斷層面，則沖擊危險(xiǎn)增加；煤層傾角和厚度局部突然變化地帶，實(shí)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。開(kāi)采技術(shù)對(duì)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(chǎng)則較少（27.4%）。殘采區(qū)和停采線對(duì)沖擊礦壓發(fā)生影響較大。從統(tǒng)計(jì)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(kāi)采設(shè)計(jì)和開(kāi)采順序。當(dāng)在幾個(gè)煤層中同時(shí)布置幾個(gè)采面時(shí)，采面的布置方式和開(kāi)采順序?qū)?qiáng)烈影響煤巖體內(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(jìn)時(shí)；在距采空區(qū)15m?40m的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道；兩個(gè)采面相向推進(jìn)時(shí)及兩個(gè)近距離煤層中的兩個(gè)采面同時(shí)開(kāi)采時(shí)。（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(duì)下部煤層造成了很大的威脅，是沖擊礦壓得危險(xiǎn)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(shí)，沖擊礦壓危險(xiǎn)性隨之增加。（4）開(kāi)采區(qū)域的影響。在煤層開(kāi)采面積增加的情況下，巖體的震動(dòng)能量也隨之增加。研究表明，當(dāng)開(kāi)采面積為3萬(wàn)m2時(shí)，釋放的單位面積的震動(dòng)能量為最大。三、沖擊礦壓的防治合理的開(kāi)拓布置和開(kāi)采方式。實(shí)踐證明，合理的開(kāi)拓布置和開(kāi)采方式對(duì)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(shí)例證明多數(shù)沖擊地壓是由于開(kāi)采技術(shù)不合理而造成的。不正確的開(kāi)拓開(kāi)采方式一經(jīng)形成就難以改變，臨到煤層開(kāi)采時(shí)，只能采取局部措施，而且耗費(fèi)很大，效果有限。故合理的開(kāi)拓布置和開(kāi)采方式是防治沖擊礦壓得根本措施。（1）劃分采區(qū)時(shí)，應(yīng)保證合理的開(kāi)采順序，最大限度地避免形成煤柱等應(yīng)力集中區(qū)。因?yàn)槊褐惺艿膲毫芨?，特別是島形或半島形煤柱，要承受幾個(gè)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(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，加強(qiáng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)制度。（3）采區(qū)或盤區(qū)的采面應(yīng)朝一個(gè)方向推進(jìn)，避免相向開(kāi)采，以免應(yīng)力疊加。因?yàn)橄嘞虿擅簳r(shí)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(jìn)。在向斜和背斜構(gòu)造區(qū)，應(yīng)從軸部開(kāi)始回采，在構(gòu)造盆地應(yīng)從盆地開(kāi)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(kāi)始回采的開(kāi)采程序。（4）有沖擊危險(xiǎn)的煤層的開(kāi)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(wú)沖擊危險(xiǎn)煤層中，以利于維護(hù)和減小沖擊危險(xiǎn)?；夭上锏缿?yīng)盡可能避開(kāi)支撐壓力峰值范圍，采用寬巷掘進(jìn)，少用或不用雙巷或多巷同時(shí)平行掘進(jìn)。（5）開(kāi)采有沖擊危險(xiǎn)的煤層，應(yīng)采用不留煤柱垮落法管理頂板的長(zhǎng)壁開(kāi)采法?；夭删€應(yīng)盡量是直線且有規(guī)律地推進(jìn)。（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(kāi)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(hù)能力的可縮性支架。按照煤炭安全規(guī)程要求對(duì)有沖擊地壓的煤層，應(yīng)根據(jù)頂板巖性掘進(jìn)寬巷或沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道，巷道支護(hù)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(jìn)時(shí)，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(kāi)采解放層。一個(gè)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(kāi)采稱之為開(kāi)采解放層。先采的解放層必須根據(jù)煤層賦存條件選擇無(wú)沖擊傾向或弱沖擊傾向的煤層。實(shí)施時(shí)必須保證開(kāi)采的時(shí)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(xiǎn)的解危措施鉆孔卸壓。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(huì)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(guò)采用不同直徑鉆桿或控制卸壓區(qū)鉆孔的疏密程度來(lái)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。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(qiáng)度。通過(guò)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(qiáng)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(shí)，可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3%?14.5%。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(dòng)，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(qiáng)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(xiǎn)的高應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)的大藥量、高強(qiáng)度的爆破，誘發(fā)沖擊地壓。誘發(fā)沖擊地壓跟在采掘活動(dòng)時(shí)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(duì)人員安全的威脅。強(qiáng)制放頂。當(dāng)煤層上部為灰?guī)r、砂巖等堅(jiān)硬厚層老頂時(shí)，懸頂面積大容易聚積大量的彈性能。為防止頂板巖層達(dá)到跨度和應(yīng)力極限時(shí)，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(qiáng)制