淺談沖擊礦壓防治技術及形成機理分析

遲德友

（龍煤集團雙鴨山分公司安泰煤礦，黑龍江 雙鴨山 155130）

1 沖擊礦壓概述

沖擊礦壓定義為：礦山井巷和采場周圍煤、巖體由于變形能釋放而產生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現象。沖擊礦壓是煤礦開采中典型的動力災害之一，通常是在煤、巖力學系統達到極限強度時，以突然、急劇、猛烈的形式釋放的彈性能，導致煤巖層瞬時破壞并伴隨有煤粉和巖石的沖擊，造成井巷的破壞及人身傷亡事故。隨著開采深度的增加，沖擊礦壓已經成為日益威脅煤礦的安全生產的要災害之一。

2 沖擊礦壓的機理分析

2.1 沖擊礦壓的影響因素

1）開采深度的影響

開采深度越大，沖擊礦壓發生的可能性也越大。根據統計資料分析，波蘭煤礦發生沖擊礦壓時的采深與沖擊次數之間的關系如圖1所示（縱坐標為沖擊指數Wt，即開采百萬噸煤炭的沖擊礦壓次數；橫坐標為采深H）。而我國各煤礦首次發生沖擊礦壓的采深為200m到600m之間不等。我國部分煤礦發生沖擊礦壓時的開采深度情況如表1所示。

圖1 波蘭采深與沖擊礦壓的關系

表1 我國部分煤礦發生沖擊礦壓時的采深

2 )易于發生沖擊礦壓的圍巖結構

易于發生沖擊礦壓的圍巖結構可歸納為：在煤層頂、底板至少有一層堅硬巖層。根據地層結構分析方法，易于發生沖擊礦壓的圍巖大致可以概括為七種力學結構類型（如圖3所示），分別為堅硬－堅硬－堅硬型、堅硬－堅硬－軟弱型、堅硬－軟弱－堅硬型、堅硬－軟弱－軟弱型、軟弱－堅硬－堅硬型、軟弱－堅硬－軟弱型、軟弱－軟弱－堅硬型。

圖2 易于發生沖擊的覆巖結構

2.2 沖擊礦壓的發生機理

1）強度理論

最早的強度理論從傳統的強度觀點出發，認為煤巖體強度達到應力極限時就會形成沖擊礦壓。近代強度理論著眼于"礦體-圍巖"力學系統極限平衡條件的分析與推斷，認為煤巖體的承載能力應是"礦體一圍巖"系統的強度，導致煤巖體破壞的決定性因素不僅僅是應力值的大小，而是應力與強度的比值。

2）能量理論

隨著采掘范圍的不斷擴大，礦（巖）體發生破壞，引起"礦體－圍巖"系統的力學平衡狀態破壞時，若其釋放的能量大于所消耗的能量，則產生沖擊礦壓。

3）沖擊傾向理論

該理論認為發生沖擊礦壓的介質都具有一些特殊的物理力學性質，即介質的沖擊傾向性，當其大于規定的極限時，就會發生沖擊礦壓。

4）煤巖失穩理論

該理論認為：根據巖石全應力-應變曲線（如圖4所示），在AC階段，煤、巖體抗變形的能力不斷增大，介質穩定；而CE階段，外界荷載的大小超過了其應力峰值，使得煤、巖體抗變形的能力迅速減小，介質處于非穩定的狀態，外界極小的擾動都可能使其失穩，導致大量的能量瞬間釋放而形成沖擊礦壓。

圖4 巖石應力-應變曲線

5）“三準則”理論

"三準則"理論是我國學者李玉生在總結強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論的基礎上，結合國外的研究結果所提出來的。該理論認為，強度理論是煤巖體的破壞準則，而能量準則和沖擊傾向性準則是突然破壞準則，因而只有當這三個準則同時滿足時，才能發生沖擊礦壓。

6）“三因素”機理

"三因素"機理是齊慶新從煤巖體結構特性的角度，研究沖擊礦壓發生的機理時提出來的。該理論認為，沖擊礦壓多發生在斷層、煤層變化等構造區域，沖擊礦壓與煤巖體結構具有密切關系。3沖擊礦壓的防治研究

3.1 沖擊礦壓防治原則

避免高應力的形成；保證與最大地應力方向平行采煤與掘進；擴大應力釋放范圍，以降低應力集中程度與應力釋放速度；控制煤層儲存能量的條件；控制頂板能量的突然釋放與加載；改善底板中的支承能力并加大煤層和頂板的變形；優先開采無沖擊傾向性的煤層和無沖擊危險煤層；最大限度的降低構造對沖擊礦壓的影響。

3.2 沖擊礦壓防治措施

1）整體防治

合理的開采技術。開拓布置、開采方法的合理布置對避免形成高應力集中和能量大量積聚，非常重要就，也是防治沖擊礦壓的關鍵。我國陶莊礦水采區開采方案的選擇與試驗是這方面較為典型的實例。該礦采區地質構造復雜，沖擊危險大，針對不同地質條件采取不同的采場布置形式（如水采常規布置方式、避峰跳采布置方式和多區段聯合開采方式），有效地控制了沖擊礦壓的發生。

開采保護層。在進行多煤層的井下開采時，每一層煤的開采工作都相互影響，因此，在設計階段就要規定煤層群的協調開采，先開采沒有沖擊危險的煤層，解放沖擊危險的煤層，達到降低沖擊礦壓潛在的危險性的目的。

煤層預注水方法。沖擊煤層物理力學特性變化的試驗和提高煤的濕度試驗，是研究煤層高壓注水工藝的基礎。波蘭上西里西亞礦井中的回采工作面主要采用兩種煤層注水工藝，短孔注水法和長孔注水法。目前該項技術日趨完善，歐美國家已將其廣泛用于降塵、沖擊礦壓防治和瓦斯突出。

厚層堅硬頂板處理。厚層堅硬頂板易引起沖擊礦壓，一是回采工作面上方厚層堅硬老頂的大面積懸頂和冒落，會引起煤層和頂板內的應力高度集中。二是工作面和上下平巷附近直接巖石的懸露，會引起不規則垮落和周期性增壓，給工作面頂板管理和巷道維護造成困難。目前較為有效的處理方法是頂板注水軟化、爆破斷頂。

2）局部防治

卸壓爆破：卸壓爆破是對具有沖擊礦壓危險的局部區域，用爆破方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。世界上幾乎所有國家在開采有沖擊危險的煤層時，都把卸壓爆破作為主要的解危措施之一。

誘發爆破：誘發爆破是在監測到有沖擊礦壓危險的情況，利用較多藥量進行爆破，人為誘發沖擊礦壓，從而避免更大損害。

鉆孔卸壓：采用大直徑鉆孔減緩沖擊危險，此法基于鉆孔沖擊。利用鉆孔周圍形成的破碎區的貫通作用，使煤層破裂卸壓。

3.3 沖擊礦壓技術展望

通過對沖擊礦壓影響因素、發生機理及防治措施的分析研究，其中一些不足的地方，比如說，應充分考慮地應力及采動應力的關系對沖擊礦壓的影響；對于沖擊礦壓煤巖體的物理力學性質的更深入研究；此外沖擊礦壓的有效預測、監測以及控制等等都應該作為今后進一步的研究方向。

結束語

隨著礦井開采范圍的擴大，開采深度的加深以及開采難度的加大，地質條件和開采條件越來越復雜，沖擊礦壓災害日趨嚴重。通過對沖擊礦壓發生機理的研究分析，采取綜合性的防治措施，在現有的技術水平下對沖擊礦壓認真地進行測定和預測工作，對具體情況采取有效地防治措施，從而有效降低沖擊礦壓發生的次數和強度，避免或減少沖擊礦壓帶來的傷害事故，保證礦井的安全生產。

[1]齊慶新，竇林名.沖擊礦壓理論與技術[M].徐州:中國礦業大學出版社，2008.

[2]韓恩利等.淺談沖擊地壓的發生規律與防治[J].煤礦安全，2007，38（11）.

[3]李玉龍，陳科.沖擊礦壓的產生機理及防治措施[J].山東煤炭科技，2009（2）.

[4]劉捷.沖擊礦壓的研究與控制[J.山西焦煤科技，2009（8）.

[5]竇林名，何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001.

[6]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003.