礦井建設時期沖擊地壓防治程序與技術

潘俊鋒

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013)

沖擊地壓災害是沖擊危險性煤層開采過程中條件、技術、管理之間關系失衡的產物，由于對沖擊地壓發生的根本性機理認識不夠［1］，導致目前一些規律性的認識屢次被刷新，比如傳統的認識是深部開采發生沖擊地壓，而近幾年新疆、平莊、華亭等礦區打破這一認識;原有的教科書里稱除了褐煤，其他煤種都會發生沖擊地壓，而平莊礦區就是褐煤;原有的認識認為新礦井建設期不會發生沖擊地壓，只有充分采動或進入深部的生產礦井才會發生沖擊地壓，本文研究案例恰打破這一認識。

受認識程度及僥幸心理的影響，沖擊地壓防治一直處于被動狀態，幾乎所有礦井都是災害顯現了、制約生產了才采取應對措施，所以目前沖擊地壓防治研究幾乎都針對生產礦井，并且集中在局部解危系列技術上［2－6］。實踐證明，如果沒有在開采設計階段從根本上區域預防沖擊地壓，就會增大開采過程中局部防沖強度與難度，防沖失敗的概率自然增大。為此，理論認識的進步促使了政策法規的完善，新的安全法規對新礦井建設要求對沖擊地壓發生可能性進行論證，并依據論證結果進行符合防沖規定的初步設計，但是新批礦井如何在防治沖擊地壓技術指導下開展基本建設，是近幾年才開始探索的問題，尚無成熟范例，多數礦井因此拖延了建設工期，造成經濟損失。

本文以陜西某大型礦井為工程背景，分別從礦井設計階段區域防范及礦井掘進、回采階段局部解危兩個環節系統介紹礦井建設期間沖擊地壓的防治程序與技術，研究可為其他類似沖擊地壓礦井建設提供借鑒。

1 工程背景

礦井設計生產能力5Mt/a，井田可采煤層3層，其中4煤為大部分可采煤層。井田構造總體形態為一走向北東～北東東，傾向北西的單斜。采用盤區式開拓，一盤區為首建設區域，埋深1000m左右，主采4煤層厚度為10m左右，基本頂為255m厚中砂巖，底板為鋁土泥巖。煤層易自燃，瓦斯高。

礦井一盤區4條盤區大巷全部設計為全煤巷道，各巷已掘進700m左右，掘進施工過程中，截止到2014年11月25日，共發生動力現象6次，發生的位置也遍及當前的一盤區的所有掘進工作面。動力顯現的發生位置均在掘進迎頭及迎頭后方，每次發生后底鼓現象較為明顯，其次表現為兩幫變形和迎頭大塊煤崩出等特征。

2 礦井設計階段區域防范性工作

礦井設計階段區域防范性工作，應該是在初步設計時考慮的問題，由于缺乏規范性防沖程序指導，我國新批復的礦井，在交由設計院設計時，幾乎都不考慮沖擊地壓災害。后期在災害治理上，法規要求出現許多問題，導致審批等程序進退兩難。本文將以已經在建井開拓階段發生沖擊地壓的礦井為例，分析區域設計的防沖程序與技術。

2.1 沖擊地壓礦井識別

并非所有礦井都會發生沖擊地壓，在礦井井田范圍內發生過沖擊地壓的煤層，或經鑒定煤層或其頂板巖層具有沖擊傾向性，且評價具有沖擊危險性的煤層為沖擊地壓煤層;在礦井的開拓、生產過程中有沖擊地壓煤層的礦井為沖擊地壓礦井。確認為沖擊地壓礦井，在設計階段自然要考慮防沖要求。

因此，對于一個新建礦井，首先要對地質鉆探煤樣進行煤巖沖擊傾向性鑒定，然后根據井田地質動力條件和地質勘探部門提供的基礎資料進行沖擊危險性評估，從而辨別該礦井是否按照沖擊地壓礦井管理。

實質上，本文所指礦井在大巷開拓期間已經出現動力顯現，進一步進行煤巖沖擊傾向性鑒定，4煤具有強沖擊傾向性;4煤的頂、底板巖層具有弱沖擊傾向性。煤巖的沖擊傾向性表明，礦井開采4煤層已經具備發生沖擊地壓的內在因素，今后發生沖擊地壓與否，主要在于采掘空間載荷的集中程度，因此在設計階段就需要在開拓設計、采煤方法等方面開展載荷的疏導，從區域方面大范圍疏導應力，最大限度降低因不合理開拓造成的應力集中。

2.2 基于地應力測試的開拓巷道布置

基于地應力測試的開拓巷道布置，是指依據地應力分布方向設計開拓、準備巷道，避免局部應力集中。實測表明，井工開采的煤礦中，水平應力一般都大于垂直應力，沖擊地壓礦井往往是最大水平主應力明顯大于最小水平主應力，水平應力的大小及方向反映了地層運動能量的存儲狀況。實際煤礦開采過程中，防沖要求各條巷道交叉時，都是垂直交叉，因此，做到一條巷道軸線方向符合地應力要求，其他交叉巷道就難以滿足要求。因此，沖擊地壓礦井主要巷道及服務年限長的巷道應順應地應力分布規律，降低應力集中程度。

2017年隴西縣的“貧中之貧、堅中之堅”深度貧困鄉鎮還有5個、深度貧困村還有57個（建檔立卡貧困村31個、非建檔立卡貧困村26個），要解決貧困程度深、貧困面大的問題，還需動員更多的社會力量參與深度貧困村的結對幫扶協作。

基于地應力的角度進行巷道布置時，應該研究巷道軸線方向與最大水平主應力之間的夾角，最優的夾角應使作用在巷道圍巖邊界上的法向應力比值(σn/σv)等于1，最優夾角隨原巖應力場型式的不同而不同［7］。

圖1為該礦井一盤區最大水平主應力分布方向。測試結果表明，在量值上，最大水平主應力σH與最小水平主應力σh的比值為4.48～5.25，約為垂直主應力σv的1.61～1.81倍，地應力場類型屬σHV型。由文獻［7］中提供的公式計算最佳巷道布置夾角為42.5°。最大水平主應力方向與盤區大巷近似平行，盤區大巷作為應保護巷道，根據該區地應力類型，其軸線方向與最佳角度相差約42.5°，建議后期巷道設計時，參考這一數值。

圖1 水平主應力方向

2.3 沖擊地壓煤層合理采煤方法選擇

沖擊地壓煤層合理采煤方法選擇，是指在合理開拓巷道布置基礎上，從有利于高集中應力疏導角度選擇合理采煤方法。不可否認，無論采用哪一種采煤方法，都不能解決巷道沖擊的問題。理論與實踐證明，厚及特厚煤層采用分層綜采時，頂分層開采不僅兩巷存在沖擊，工作面也是沖擊隱患點，而采用綜放開采，頂煤作為墊層，緩沖層，迫使高應力向煤壁深處轉移，超前支承壓力由峰值點轉變為峰值區域，并且量值減小，有利于緩解工作面沖擊地壓災害。圖2為厚煤層采用不同采煤方法時，工作面超前支承壓力分布對比。

圖2 采煤方法與工作面超前支承壓力

上世紀90年代煤科總院北京開采所論證將新汶華豐煤礦4煤層分層開采，改為一次采全厚的綜放開采，2013年鶴崗峻德煤礦“3.15”沖擊地壓事故，均說明綜采分層開采頂分層沖擊地壓的危險性。但是有些礦區為了覆巖保水開采，初步設計采用分層綜采，將增大發生沖擊地壓的危險性。建議開展綜采放頂煤采煤方法論證。

2.4 合理煤柱寬度留設

此環節，是在鑒定為沖擊地壓煤層時，需要研究合理的區段煤柱尺寸，從而降低生產過程中沖擊地壓災害程度及巷道維修成本。區段煤柱尺寸受煤體強度、煤層傾角、自然發火、開采方式、頂板條件等各種因素影響，對于單巷掘進，七臺河礦區采用沿空留巷巷旁充填寬度為2.5m左右;兗州礦區近水平煤層綜放面一般留4.5m煤柱;義馬礦區及濟寧礦區綜放面一般留6m;而平莊特厚煤層大傾角工作面一般留8m。但是對于高瓦斯礦井，雙巷掘進間的隔離煤柱，潞安礦區煤層較軟留35m發生過動力顯現，彬長礦區留20m也不合理，因此需要根據自身條件從理論及實際監測數據分析方面進行摸索。

2.5 煤層開采順序

沖擊地壓礦井，應優先選擇無沖擊地壓煤層作為保護層。礦井中所有煤層都有沖擊地壓危險時，應選擇沖擊危險性較弱的煤層作保護層。

針對同層煤，確定沿煤層傾向順序開采。圖3為不合理開采順序，導致孤島煤柱的形成。礦井受多種災害制約，因此建議為了達產，需要多采區布置的礦井，嚴禁跳采，孤島開采。

3 礦井掘進、回采階段局部解危性工作

沖擊地壓礦井應堅持“區域先行、局部跟進”的防沖原則，本文研究礦井，由于沒有盡早地識別出礦井類型，導致初步設計、基建工程都沒有考慮防沖要求，加之條件特殊，因此大巷開拓就發生動力顯現，實質已經進入掘進工作面局部沖擊地壓解危的環節。發生沖擊地壓后，采用局部性解危措施，國內外在此環節作了大量的研究工作。由于監測、防治方法復雜多變，涉及資本投入、工程量、人力成本及效果的問題。作者在大量理論與實踐驗證基礎上，建立了采掘空間局部防治沖擊地壓的理論與技術體系，見圖4。

圖3 孤島煤柱的形成

圖4 局部防治沖擊地壓的理論與技術體系

(1)如圖4所示，首先確定礦井沖擊地壓啟動條件［8］，即摸清采動圍巖近場集中靜載荷源有哪些;遠場集中動載荷源有哪些;哪種載荷源起主導作用。

(2)開展沖擊啟動載荷源分源監測。對集中靜載荷采用巖石力學方法進行監測，具體可采用應力監測法和煤粉鉆屑法;對集中動載荷采用地球物理方法進行監測，具體在井田范圍開展微震監測;在重點工作面范圍開展地音監測。

(3)根據沖擊地壓載荷源分源監測結果，開展有針對性地防治。針對巖石力學方法監測到靜載荷的高度集聚，采用“卸”、“支”耦合方法進行沖擊地壓防治，具體為在沖擊地壓危險區域以深孔區間疏壓為主，以強力支護圍巖為輔，通過圍巖近場的“卸”、“支”耦合結構促使圍巖極限平衡區協調變形，控制沖擊地壓災害發生;對于地球物理方法監測到的集中動載源的產生，采用逐一消源法進行沖擊地壓預防，具體為依據監測定位結果，預先進行頂板、底板的預裂爆破，并減少同一時間、同一區域的爆破工程量。

由沖擊啟動理論可知［8］，沖擊地壓發生過程經歷3個階段，依次為沖擊啟動階段—沖擊能量傳遞階段—沖擊地壓顯現階段。沖擊地壓顯現以人員傷亡、設備損壞等表征其災害本質。因此，對于沖擊地壓的防治，本體系主要針對前兩個階段。

第1階段:針對沖擊啟動階段，阻止沖擊啟動。

第2階段:如果沖擊啟動條件具備了，針對沖擊能量傳遞階段，降低能量總量和減小剩余能量釋放速度。

在礦井一盤區大巷出現動力顯現之后，課題組受邀進入現場，經過充分論證與沖擊危險性評價，礦井已按照圖4所示體系啟動沖擊地壓防治工作。自2014年11月25日至本文截稿沒有發生破壞性動力顯現。

4 結論

沖擊地壓的產生是有原因的，沖擊地壓的消失也是有原因的。礦井建設階段的開拓活動與后期采掘空間沖擊地壓發生密切相關。考慮防沖要求的基本建設不但降低了礦井后期沖擊地壓防治強度、難度;而且從根本上節省了防沖成本，降低了勞動強度。本文所述案例有力證明了新建礦井合理的初步設計對防沖工作的重要性，只有提高認識，超前意識，規范部署，才能沉著應對災害。

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

［2］潘俊鋒，毛德兵，藍 航，等.我國煤礦沖擊地壓防治技術研究現狀及展望［J］.煤炭科學技術，2013，41(6):21－25.

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