礦井深部開采沖擊地壓研究與防治

楊濤

【 摘要】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。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，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。

【關鍵詞】沖擊地壓、深部礦井、研究與防治

一、前言

隨著呂家坨煤礦開采深度的增加，以及開采條件越來越復雜，該礦工作面面臨的沖擊地壓帶來的威脅越來越大，必須及早引起重視。沖擊地壓會造成煤巖體振動和煤巖體破壞，支架與設備損壞，人員傷亡，部分巷道破壞等，沖擊地壓還會引發或可能引發其他災害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災以及水災，干擾通風系統，嚴重時造成地面震動和建筑物破壞等。近年來，國內外許多學者和煤礦技術人員從沖擊地壓的發生機理、危險性預測等方面進行了卓有成效的研究，并提出了許多行之有效的沖擊地壓預防措施。本文結合現場的實際情況，提出了呂家坨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。

二、概況

呂家坨礦井設計生產能力300萬t/a，主采7、8、9、12號煤層。采掘工作面主要布置在大巷東西兩翼，其中四采外5476Yd工作面埋深約-800m，為該礦井埋深5水平的回采工作面，工作面全長約1000m，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。

三、沖擊礦壓發生的地質影響因素

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。而呂家坨礦四采外5476Yd工作面開采深度達-800m，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、煤層沖擊性

根據試驗結果，四采外煤層的上、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。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）。對于四采外5476Yd工作面全煤巷道而言，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。

3、頂板巖層結構

呂家坨礦四采外5476Yd工作面相關參數：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，呂家坨礦7煤層5476Yd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。

四、沖擊礦壓發生的開采技術因素

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。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。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。由于呂家坨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。

2、回采擾動

研究表明，5476Yd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。

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。

五、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。

六、結束語

近年來我國的煤礦的深度開采工作正在逐年的加強，深部開采沖擊地壓作為開采過程中一種常見的自然災害，已經引起了國內外專家的高度重視。對沖擊地壓這一典型的開采災害，應從生產條件、影響因素、預測技術以及防止措施等方面加以深入的研究，盡量減少或是避免沖擊地壓的發生，為煤礦深部開采工作營造一個安全、穩定的開采環境，促進我國煤礦開采事業的安全發展。

參考文獻：

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