礦井施工沖擊地壓所形成的特征及防治措施

黃 賀

（兗州煤業(yè)股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500）

基于增加采掘強度、擴大采掘范圍、增加采掘深度影響下，礦井工程沖擊地壓現(xiàn)象的形成概率大大增加。近年來我國持續(xù)形成的礦井沖擊地壓現(xiàn)象使人們的生命安全與社會財產(chǎn)受到嚴重威脅，這也引起社會的廣泛關(guān)注[1]。鑒于此，對礦井施工沖擊地壓問題的分析具備重大的實際作用。

1 礦井施工沖擊地壓特點

礦井采掘中的沖擊地壓具備顯著的特點及發(fā)作劇烈，一般在劃分其特征強度中根據(jù)弱沖擊、強沖擊、礦震、巖爆等作為級別。通常來講，礦井采掘時形成沖擊地壓會拋出礦體、巨響或聲浪等情況，形成這一系列情況時非常劇烈，以及形成的破壞性非常之大。沖擊地壓形成的同時顯著的動力情況形成于礦產(chǎn)，在礦井采掘時往往形成礦產(chǎn)資源爆破聲[2]。并且，還會顯著降低礦井巷道圍巖的可靠性，從而使巷道內(nèi)支架受到嚴重破壞，更加難以維護巷道。總之，沖擊地壓的特點表現(xiàn)為下面幾點：一是復雜性。基于各種采礦工藝技術(shù)以及地質(zhì)條件的制約，不管應(yīng)用怎樣的采掘技術(shù)都較難防范沖擊地壓的形成。二是礦井工程施工的爆破性。在沖擊地壓中，礦井施工的爆破性是非常多見的一種情況，一般礦井施工的爆破性會嚴重沖擊頂?shù)装濉⒌V層，甚至會形成巖爆的情況。三是瞬時性。形成沖擊地壓往往不存在任何預兆，以及形成的過程較短，一般維持在幾秒鐘的時間，以及往往都是剎那形成的。四是破壞性。在礦井采掘中形成沖擊地壓常常形成非常大的破壞性，從而損壞采掘設(shè)備，甚至對采掘工作者的人身安全形成嚴重威脅[3]。

2 礦井施工沖擊地壓形成因素

（1）井下資源地質(zhì)因素。一是采掘深度。理論界存在如下的認定指標：在采深為350m以內(nèi)時，不容易形成沖擊地壓；在采深為350m～500m 時，沖擊地壓可能性增加；在采深為500m 以上時，沖擊地壓的形成力度和幅度顯著增加。結(jié)合此指標我們能夠明確，采掘深度愈大，礦體愈加容易集中應(yīng)力，從而較易形成沖擊地壓。二是礦層構(gòu)造特性。之前形成沖擊地壓礦井的地質(zhì)構(gòu)造為礦層-薄軟層-硬頂及硬底-硬質(zhì)礦體-硬頂。如此結(jié)構(gòu)的特色在于具備沖擊地壓形成的潛在因素，在某種因素影響下，采掘沖擊危險性及可冒性較易形成。三是地質(zhì)結(jié)構(gòu)。除礦層構(gòu)造特性之外，通常在礦層傾角改變、褶曲、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)范圍形成沖擊地壓現(xiàn)象。形成的如此地質(zhì)結(jié)構(gòu)重點是基于非常大的應(yīng)力場存在于其周圍，基于應(yīng)力影響下構(gòu)造曼力形成，從而較易形成沖擊地壓現(xiàn)象。

（2）礦井采掘技術(shù)因素。沖擊地壓受到采掘技術(shù)的制約有兩種主導體現(xiàn)方式：一是由于采掘而迅速增加巖體應(yīng)力，在相應(yīng)的范圍或區(qū)域中高度集中應(yīng)力。二是在固有的高應(yīng)力集中區(qū)域的礦層基于采動影響下，沖擊地壓形成。無論是何種體現(xiàn)方式，采掘技術(shù)的應(yīng)用不當都會使沖擊地壓形成的幾率顯著增加。例如，針對采掘次序來講，單一礦層與多礦層的采掘次序存在差異性，倘若不合理采掘，那么會改變礦層壓力大小與布局，從而使沖擊地壓形成。針對采掘礦柱來講，其屬于較易形成沖擊地壓的情況，由于礦柱區(qū)域集中應(yīng)力，以及疊加了很多的應(yīng)力。并且，對于綜放采掘技術(shù)來講，其也存在相同的問題，由于其形成沖擊地壓的概率不如分層采掘或單一礦層采掘的大，然而，因為其波及面廣，從而持續(xù)提高危險性。

（3）礦產(chǎn)結(jié)構(gòu)組織管理因素。為了防范沖擊地壓情況的形成，往往應(yīng)用有效合理的組織管理措施。相同的，倘若組織管理措施不力，那么將較易形成沖擊地壓情況。在比較形成沖擊地壓之后能夠確定出，改區(qū)域不適當采掘時顯著的共性，并且組織管理措施不力是導致不當采掘的直接因素。例如，在工作面跟固有采空區(qū)相距2000m 左右時，較易形成沖擊地壓。這種情況下，倘若不斷進行采掘，那么會持續(xù)增加危險系數(shù)。倘若這種情況下缺少有效的組織管理，僅僅注重采掘，那么勢必造成事故的形成。

3 礦井施工沖擊地壓防治技術(shù)

在防治沖擊地壓時重點實施的模式是監(jiān)督、監(jiān)測、支護、卸壓等，其中，保障有效防治礦井施工沖擊地壓的中心環(huán)節(jié)在于卸壓，有補強卸壓和基本卸壓這兩種模式，其中，基本卸壓即對回采工作面和掘進區(qū)高應(yīng)力區(qū)執(zhí)行超前卸壓，而補強卸壓即立足于基本卸壓之上結(jié)合實際現(xiàn)狀對有關(guān)范圍實施加密卸壓。

（1）礦井施工沖擊地壓的防治原則。一是防范形成高應(yīng)力。在進行采掘時，需實現(xiàn)工作面布置與采掘次序的科學優(yōu)化，確保無礦柱采掘?qū)崿F(xiàn)，進而防范集中高應(yīng)力。二是確保最大應(yīng)力方向平行于采掘方向，在進行采掘時禁止避免兩者形成較大傾角或保持垂直，不然，沖擊地壓的風險將增加。三是實現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū)域的擴大。在進行采掘時，不但盡量防范集中應(yīng)力，而且盡量對固有形成的應(yīng)力進行釋放，在加速釋放應(yīng)力或減小應(yīng)力集中的基礎(chǔ)上防范沖擊地壓風險的形成。

（2）礦井開采工作面鉆孔斷頂卸壓技術(shù)。鉆孔斷頂卸壓技術(shù)指的是基于高應(yīng)力狀況下，結(jié)合礦層聚集的彈性勢能對鉆孔附近礦體形成破壞性作用，進而釋放礦層的能量和壓力，以使沖擊危險性消除的一種礦井施工沖擊地壓防治技術(shù)，鉆孔斷頂卸壓技術(shù)能夠使礦體聚集的彈性勢能釋放，從而使應(yīng)力消除。并且，鉆孔斷頂卸壓技術(shù)還能夠結(jié)合鉆孔確保固有的在附近圍巖作用的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至卸壓區(qū)外面的巖體深部。基于不斷推移回采工作面影響下，倘若礦層之上堅硬頂板存在面積較大懸頂情況，那么較大動載將形成，從而使范圍較大的沖擊地壓情況形成。為此，需要在進行回采之前，對兩巷相應(yīng)范圍的頂板實施斷頂爆破措施。結(jié)合斷頂施工，能夠推動實時垮落后面采空區(qū)頂板，進而減小未采空范圍和采空范圍頂板的連接性，以使頂板來壓強度顯著減小。另外，結(jié)合井下爆破作業(yè)可以使頂板理想特征改變，從而事先釋放其中聚集的彈性勢能，減小出現(xiàn)沖擊地壓的概率。例如可以在工作面開切眼位置順著巷道每間隔5m 設(shè)置斷頂爆破鉆孔，單個鉆孔深度在28m 以上，確保裝藥量在12kg 以上。如圖1 所示為礦井下斷頂爆破設(shè)置鉆孔圖。

圖1 斷頂爆破設(shè)置鉆孔圖

（3）超前松動爆破卸壓技術(shù)。根據(jù)相關(guān)理論研究可知，采用超前松動爆破卸壓的方式能夠改變礦層固有的物理特性，從而將其內(nèi)部集聚的大量勢能予以釋放或使其向深部轉(zhuǎn)移，避免回采中發(fā)生強烈的沖擊地壓現(xiàn)象。超前松動爆破卸壓技術(shù)如圖2 所示。

（4）礦層注水技術(shù)。礦層注水不但能夠?qū)崿F(xiàn)機械的最大可能應(yīng)用，而且能夠在危險范圍之外開展作業(yè)，礦層注水這種解危技術(shù)十分高效。井下礦層結(jié)構(gòu)的特點是具備相應(yīng)的親水性和孔隙率，結(jié)合注水能夠使礦層構(gòu)造、礦體聚集的彈性勢能、礦體強度等都發(fā)生改變，從而使沖擊地壓的危險系數(shù)減小。在實踐中經(jīng)常應(yīng)用壓注化學溶液或頂板注水這兩種技術(shù)手段，結(jié)合這兩種技術(shù)手段能夠很好地防范沖擊地壓危險。在進行注水時應(yīng)合理組織注水時間，確保時間在三分鐘以內(nèi)，由于基于時間的推移會減小注水的效果。

圖2 超前松動爆破卸壓鉆孔布設(shè)

（5）礦井施工安全風險與管控技術(shù)。一是兩道超前支護缺少足夠的強度與距離，會導致顯著的壓力顯現(xiàn)，在壓力顯現(xiàn)較大時需實現(xiàn)兩道超前單體支護距離的延長，以使單體支護密度增加。二是兩道采空區(qū)懸頂太長，冒落瞬間會導致沖擊地壓形成。回采過程中兩道采空區(qū)懸頂在10m 以上時務(wù)必打隔離墻，強化兩道退錨工作。三是打眼時的片幫和頂板會產(chǎn)生礦體掉落現(xiàn)象，這會出現(xiàn)施工人員導致現(xiàn)象。打眼前務(wù)必敲幫問頂，實時支護頂、幫。四是步規(guī)范應(yīng)用風礦鉆會導致傷人現(xiàn)象，在風礦鉆的操作過程中，工作者務(wù)必系緊袖口和禁止戴手套。五是在風礦鉆的應(yīng)用中，倘若其風管接頭不牢固，那么會導致傷人情況。因此務(wù)必確保風管接頭和風礦鉆接頭的牢固，且以鐵絲扎結(jié)實。六是場地工作者較多，不當操作會導致傷人事件，因此工作者之間應(yīng)彼此照應(yīng)和互相協(xié)調(diào)，確保互不傷害和互相保護。

4 礦井施工沖擊地壓治理成效的驗證方法

（1）電磁輻射的方法。出現(xiàn)破裂的井下礦層會往外輻射電磁，結(jié)合如此的特點，在進行采掘時重點以脈沖數(shù)和電磁輻射強度實現(xiàn)檢測，其中脈沖數(shù)體現(xiàn)了礦體微破裂和變形的次數(shù)，而電磁輻射強度體現(xiàn)了礦層的破裂變形輕度及受載情況。在綜合這兩項信息的基礎(chǔ)上，能夠?qū)_擊地壓的治理成效進行很好地驗證。

（2）鉆屑的方法。檢測沖擊地壓現(xiàn)狀的根據(jù)主要是礦井施工的支承應(yīng)力和沖擊傾向。鉆屑法能夠很好地驗證這兩個指標。倘若支承壓力指標為臨界值，以及礦層具備至少中等的沖擊傾向，那么會形成沖擊地壓。倘若檢測的礦產(chǎn)資源粉量為臨界指標以上，那么需判斷礦體的狀態(tài)為臨界危險，務(wù)必迅速實施化解策略。

5 結(jié)論

綜上所述，礦井施工沖擊地壓作為深部回采中越發(fā)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害類型，礦井管理者必須高度重視相關(guān)問題，在生產(chǎn)中結(jié)合實際實施有針對性的沖擊地壓防治技術(shù)措施，例如應(yīng)用鉆孔斷頂卸壓技術(shù)及注水技術(shù)等，從而為礦井生產(chǎn)的持續(xù)有效開展提供堅實保障。