煤礦沖擊地壓災(zāi)害及防治技術(shù)分析

魏宏斌

（天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

沖擊地壓在煤礦開(kāi)采作業(yè)中具有高發(fā)性，屬于動(dòng)力災(zāi)害，而且破壞性較強(qiáng)。一旦發(fā)生沖擊地壓，必然會(huì)對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全造成較大的威脅，還會(huì)破壞井下各種構(gòu)筑物及儀器設(shè)備，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此針對(duì)沖擊地壓災(zāi)害應(yīng)做好預(yù)防工作。針對(duì)沖擊地壓產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并采取具體的措施做好防范工作，降低或避免沖擊地壓發(fā)生的機(jī)率，為煤礦安全生產(chǎn)作業(yè)提供重要的保障。

1 煤礦沖擊地壓災(zāi)害的特征及破壞機(jī)理

在當(dāng)前煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，由于存在較多的不安全因素，沖擊地壓是其中較為常見(jiàn)的災(zāi)害。沖擊地壓發(fā)生時(shí)，煤巖內(nèi)部會(huì)積聚大量的能量，當(dāng)其達(dá)到最大臨界承載強(qiáng)度時(shí)，巷道和采煤工作面周邊巖體會(huì)釋放出變形能，巖體被破壞，導(dǎo)致煤礦地下支架塌坍，出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。沖擊地壓發(fā)生后會(huì)造成較大的損害，比較嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致煤或是巖石從巷道兩側(cè)爆裂開(kāi)來(lái)，出現(xiàn)煤巖彈射的情況，導(dǎo)致巷道直接被摧毀或是產(chǎn)生巨大的能量，威脅井下作業(yè)人員的安全，破壞地下的設(shè)備和設(shè)施。而且沖擊地壓發(fā)生時(shí)，還易引發(fā)一些基礎(chǔ)潛藏的礦井災(zāi)害，在巨大震動(dòng)下巷道頂板出現(xiàn)冒落，影響通風(fēng)和運(yùn)輸，特大沖擊地壓發(fā)生時(shí)，還易激起井下煤層或瓦斯爆炸、出現(xiàn)地表河流湖軟質(zhì)泥巖等二次威脅，造成地面構(gòu)筑物的破壞和倒塌。沖擊地壓對(duì)礦井的威脅性大，發(fā)生的機(jī)理復(fù)雜和多變，這也導(dǎo)致無(wú)法找到一套治理沖擊地壓的既定理論，需要針對(duì)不同問(wèn)題不同對(duì)待，從而針對(duì)不同問(wèn)題以基礎(chǔ)理論為依據(jù)，制定具有針對(duì)性的措施，及時(shí)解決問(wèn)題。作為一種特殊的礦壓顯現(xiàn)形式，存在較多的影響因素，顯現(xiàn)形式也更具多樣性，會(huì)帶來(lái)十分嚴(yán)重的后果，因此在煤礦開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，需要對(duì)沖擊地壓給予充分的重視。

2 煤礦沖擊地壓的分類

2.1 依據(jù)應(yīng)力狀態(tài)分類

沖擊地壓分類時(shí)，當(dāng)根據(jù)煤體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行劃分時(shí)，以重力型、構(gòu)造應(yīng)力型和重力構(gòu)造型3 類沖擊地壓為主，具體要以構(gòu)造應(yīng)力誘發(fā)沖擊地壓形成的強(qiáng)弱程度及是否是由于主體承重力與構(gòu)造力聯(lián)合而引發(fā)的沖擊地壓，以此來(lái)對(duì)沖擊地壓的類型進(jìn)行判定。

2.2 依據(jù)沖擊地壓破壞程度分類

根據(jù)沖擊地壓破壞程度可以將其劃分為拋射型沖擊地壓、震動(dòng)型沖擊地壓、輕微型沖擊地壓和強(qiáng)烈型沖擊地壓4 種。拋射型沖擊地壓是在高強(qiáng)度應(yīng)力下煤體及巖石拋射情況，具有嚴(yán)重響聲。震動(dòng)型沖擊地壓在煤體內(nèi)部沖擊地壓中時(shí)常發(fā)生，發(fā)生時(shí)煤體和巖體深處出現(xiàn)嚴(yán)重的破損現(xiàn)象，煤壁也易出現(xiàn)坍塌和片幫等情況，煤體會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重晃動(dòng)，聲音如雷鳴且伴有礦塵四起的現(xiàn)象，這種地區(qū)屬于相對(duì)微弱的沖擊地壓。輕微型沖擊地壓震級(jí)通常在2 級(jí)以下，而且伴有大量的塊狀煤，巖石由煤巖壁中向采空區(qū)射出，不會(huì)對(duì)支撐體和工作人員帶來(lái)嚴(yán)重侵害，但礦塵飛起高度和聲音都較大，瓦斯煤層中易出現(xiàn)瓦斯氣體大量擴(kuò)散的情況，因此要加大管控和預(yù)防的力度。強(qiáng)烈型沖擊地壓發(fā)生時(shí)，部分區(qū)域的煤體和巖體會(huì)快速分裂和破碎，而且具有一定程度的殺傷力，通常會(huì)飛射向采空區(qū)域，液壓支柱易出現(xiàn)傾斜和折斷的情況，大面積巖體和煤體易出現(xiàn)震動(dòng)的情況。

2.3 依據(jù)煤巖拋出量分類

根據(jù)拋射煤體和巖體總量來(lái)對(duì)沖擊地壓進(jìn)行分級(jí)和分類，具體可以分為輕微沖擊地壓、中型沖擊地壓和強(qiáng)烈型沖擊地壓。輕微沖擊地壓拋射量為10 t 以下且震級(jí)強(qiáng)度低于1 級(jí)。拋射量在10~50 t 之間且震級(jí)強(qiáng)度低于2 級(jí)時(shí)，則為中型沖擊地壓。而強(qiáng)烈型沖擊地壓則為拋射量在50 t 以上且震級(jí)強(qiáng)度在3 級(jí)及以上。

2.4 依據(jù)災(zāi)害發(fā)生位置分類

根據(jù)災(zāi)害發(fā)生位置對(duì)沖擊地壓災(zāi)害分類可以分為煤壁沖擊地壓和圍巖沖擊地壓。煤壁沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生在工作面煤壁處，具體分為表面沖擊地壓、淺部沖擊地壓及深部沖擊地壓。圍巖沖擊地壓多發(fā)生在頂板和底板等區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)深處。另外，根據(jù)災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)還可以將沖擊地壓劃分為底板沖擊地壓和頂板沖擊地壓。

3 煤礦沖擊地壓災(zāi)害產(chǎn)生的主要條件

3.1 煤層和圍巖具有沖擊傾向

煤礦采煤過(guò)程中，由于易破壞煤巖的受力情況，具體以亮煤和鏡煤破壞類型為主。對(duì)于硬度較大、溫度較小且抗壓強(qiáng)度較高的煤層，則易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。中硬度煤層和硬煤層，當(dāng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到200 kg/cm2以上時(shí)，也易引發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。當(dāng)頂巖為厚層形式的砂巖或是石灰?guī)r時(shí)，頂板則具有較強(qiáng)的沖擊傾向，在這種圍巖條件下，頂板易出現(xiàn)懸空板，積聚大量彎曲能量，提高回采面前方彈性，一旦此時(shí)發(fā)生沖擊地壓，必然會(huì)因?yàn)?zāi)害帶來(lái)嚴(yán)重的破壞。

3.2 回采工作面附近有大量的能量集中情況

采煤作業(yè)過(guò)程中回采工作面前沿是沖擊地壓最易發(fā)生的部位，往往與回采工作面之間的距離在15～50 m左右，屬于回采工作面前方壓力支承區(qū)域。通常情況下回采工作面周圍的煤層中會(huì)有大量的彈性形變能積聚，當(dāng)積聚到一定量時(shí)，煤層無(wú)法承受則會(huì)引起沖擊地壓發(fā)生。特別是傾向支承和走向支承存在壓力疊加現(xiàn)象時(shí)，沖擊地壓的強(qiáng)度等級(jí)也會(huì)更大。在實(shí)際煤礦井下工作面掘進(jìn)過(guò)程中，存在多種能量來(lái)源會(huì)引起沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生，如掘進(jìn)面位置應(yīng)力集中或是原巖構(gòu)造存在較大的應(yīng)力，這都是沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的重要因素。在實(shí)際煤礦開(kāi)采作業(yè)時(shí)，無(wú)論是地質(zhì)和構(gòu)造等都具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，同時(shí)還存在較多的斷層，隨著開(kāi)采強(qiáng)度和開(kāi)采深度的加大，開(kāi)采區(qū)域范圍內(nèi)必然會(huì)出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力較大的情況，煤巖內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生能量積聚的現(xiàn)象，這也易引發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。

3.3 采場(chǎng)中有能量釋放空間存在

彈性形變能量是井下開(kāi)采過(guò)程中必然存在的現(xiàn)象，這種能量在工作面和巷道等空間位置較為常見(jiàn)，一旦煤體達(dá)到自身臨界極限時(shí)，在這種能量作用下會(huì)發(fā)生沖擊地壓。當(dāng)不存在這些能量釋放空間的情況下，通過(guò)移動(dòng)采場(chǎng)或是轉(zhuǎn)變受力條件，也會(huì)使所積聚的彈性變形力得到一定程度的緩解，并恢復(fù)至常態(tài)。因此在需要挖掘多條巷道或是作業(yè)過(guò)程中存在較大切割量的情況下，則需要防范沖擊地壓的發(fā)生。

4 沖擊地壓災(zāi)害的主要影響因素分析

4.1 受地質(zhì)構(gòu)造影響

當(dāng)工作面和斷層十分接近或是向斜軸位置方向開(kāi)采作業(yè)的情況下，易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，而且會(huì)產(chǎn)生較大的破壞。這也能夠看出來(lái)，沖擊地壓災(zāi)害受地質(zhì)構(gòu)造影響較大。

4.2 受開(kāi)采順序和方式影響

煤柱預(yù)留是井下作業(yè)時(shí)較為常見(jiàn)的開(kāi)采作業(yè)方式，但在支承壓力不斷增加時(shí)，這也會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生概率提升。當(dāng)煤柱預(yù)留較多的情況下，或是巷道掘進(jìn)處于應(yīng)力高度集中區(qū)域、對(duì)頭或是平行進(jìn)行兩條巷道掘進(jìn)時(shí)，沖擊地壓災(zāi)害都會(huì)處于高發(fā)狀態(tài)。

4.3 受開(kāi)采深度影響

煤礦開(kāi)采作業(yè)深度的增加，圍巖中的彈性能也會(huì)隨之增大，一旦達(dá)到應(yīng)力破壞條件時(shí)，則會(huì)發(fā)生沖擊地壓。實(shí)際沖擊地壓災(zāi)害多發(fā)生在地下530 m 以下，這也能夠看出，在實(shí)際井下開(kāi)采作業(yè)時(shí)，隨著開(kāi)采深度的增加，沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢(shì)。

5 煤礦沖擊地壓災(zāi)害的防治技術(shù)分析

5.1 煤礦壓力預(yù)測(cè)技術(shù)

利用煤礦壓力預(yù)測(cè)技術(shù)可以對(duì)煤炭?jī)A向壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，并科學(xué)檢測(cè)煤炭巖石硬度，在實(shí)際應(yīng)用煤礦壓力預(yù)測(cè)技術(shù)時(shí)，能夠綜合考慮到煤巖內(nèi)部的各種因素，這也使該技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。當(dāng)前在煤礦開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，一些煤礦沖擊地壓具有較強(qiáng)的傾向性，這種傾向性可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。一般會(huì)在煤炭開(kāi)采前做好實(shí)地測(cè)繪和分析，以此來(lái)保證后續(xù)井下作業(yè)的安全。也可以利用鉆屑法，通過(guò)在煤體內(nèi)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，以此來(lái)獲得煤粉量，并掌握具體的變化規(guī)律，科學(xué)地對(duì)煤層潛在沖擊危險(xiǎn)的等級(jí)進(jìn)行劃分，并借助于儀器設(shè)備對(duì)煤礦沖擊地壓開(kāi)展有效的預(yù)測(cè)。一般會(huì)以10 m 為一個(gè)間隔，合理進(jìn)行測(cè)點(diǎn)設(shè)置和合理控制測(cè)量檢測(cè)時(shí)間。詳細(xì)記錄煤礦破壞期間的各種數(shù)值，并合理運(yùn)用相應(yīng)的方法對(duì)煤礦沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。具體可以采用靜態(tài)臨界值法和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)值法。針對(duì)工作面實(shí)施檢測(cè)過(guò)程中，具體可以使用便攜式電磁輻射儀，根據(jù)獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)防沖擊地壓災(zāi)害。

5.2 大直徑鉆孔卸壓

通過(guò)減弱煤巖應(yīng)力集中的情況也可以降低沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。通常會(huì)針對(duì)應(yīng)力集中或是巷道采煤較深的情況設(shè)置卸壓孔，或是采用無(wú)煤柱、消除鄰近層煤柱相互作用及優(yōu)化開(kāi)采順序等方式來(lái)進(jìn)行減壓，降低沖擊地壓發(fā)生的概率。

具體卸壓時(shí)，對(duì)于沖擊地壓爆發(fā)位置，通過(guò)設(shè)置大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓。大直徑鉆孔設(shè)置后，會(huì)破壞巷道內(nèi)的圍巖結(jié)構(gòu)，這樣可以將其轉(zhuǎn)化為弱化帶，促進(jìn)一些部位的高應(yīng)力不斷向深度位置擴(kuò)散，使巷道位置處的圍巖應(yīng)力下降。而且大直徑鉆孔在沖擊地壓發(fā)生時(shí)，還有利于吸收沖擊煤粉，卸壓區(qū)內(nèi)的頂?shù)装逶跊_擊地壓發(fā)生時(shí)能夠構(gòu)建起閉合楔形阻力帶，對(duì)煤體沖擊起到一定的阻擋作用，降低其帶來(lái)的損失。在針對(duì)高應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)時(shí)，利用鉆孔卸壓能夠?qū)︺@孔周邊的煤體和巖石起到有效的破壞作用，釋放出煤層中的能量，以此來(lái)削弱沖擊應(yīng)力。具體作業(yè)過(guò)程中，以煤層壓力和高壓力的釋放作為主要方式，更符合煤層開(kāi)采作業(yè)的具體要求。通過(guò)應(yīng)用鉆孔方式將巖石高應(yīng)力向其他巖體轉(zhuǎn)移，達(dá)到卸壓的目的。具體作業(yè)時(shí)應(yīng)與實(shí)際情況相結(jié)合，合理選擇鉆機(jī)型號(hào)，鉆桿長(zhǎng)度和鉆頭直徑也要與實(shí)際情況相符，打孔深度還要與標(biāo)準(zhǔn)距離相符，合理控制孔身與底板的距離。實(shí)際鉆孔施工時(shí)，采取單排鉆孔方式進(jìn)行布局，并對(duì)鉆孔參數(shù)實(shí)施有效控制，使其在起到卸壓作用的同時(shí)，進(jìn)一步保證鉆孔作業(yè)的安全性。

5.3 爆破卸壓技術(shù)

在高應(yīng)力煤層中卸壓爆破技術(shù)更具適用性，也可以采用定點(diǎn)爆破提前沖擊，這樣可以對(duì)開(kāi)采作業(yè)的沖擊影響降至最低或是消除。通過(guò)實(shí)施卸壓爆破，爆破過(guò)程中煤層結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)一些裂隙，這會(huì)對(duì)煤層力學(xué)結(jié)構(gòu)帶來(lái)相應(yīng)的改變，使煤層彈性強(qiáng)度和能量下降，破壞沖擊地壓發(fā)生的條件，并有效地?cái)U(kuò)展應(yīng)力釋放范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力集中度和釋放速度的有效控制。而且通過(guò)爆破作業(yè)，也能夠降低沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，即使發(fā)生沖擊地壓，其所帶來(lái)的破壞也能夠降至最低程度。但在爆破卸壓技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，宜提前對(duì)爆破的必要性進(jìn)行調(diào)查，并利用鉆屑法進(jìn)行檢測(cè)。爆破完成后，還要及時(shí)進(jìn)行反饋，以此來(lái)保證達(dá)到良好的卸壓效果，消除安全隱患。

5.4 煤層注水技術(shù)

利用優(yōu)化煤巖力學(xué)性能進(jìn)行卸壓過(guò)程中，可以將高壓水注入到煤層中，通過(guò)弱化煤層，消除圍巖位置能量聚集的問(wèn)題。也可以將應(yīng)力計(jì)設(shè)置在應(yīng)力集中位置處，在具體操作過(guò)程中，需要以工程試驗(yàn)為指導(dǎo)，降低應(yīng)力集中的問(wèn)題。也可以選擇噴漿錨索錨網(wǎng)實(shí)施支護(hù)，以此來(lái)提高支護(hù)的效果。通過(guò)煤層注水來(lái)改變煤層物理特性，這樣可以對(duì)沖擊地壓起到有效的防范作用，也能夠起到良好的防塵效果。由于鉆孔位置處會(huì)出現(xiàn)一定量的煤粉，同時(shí)煤體中還會(huì)出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生應(yīng)力計(jì)松弛的情況，在補(bǔ)壓處理后仍會(huì)存在一定的松弛現(xiàn)象，從而達(dá)到較好的卸壓效果。通常情況下煤層不僅具有一定的透水性，而且還存在孔隙，利用煤層注水技術(shù)，能夠?qū)γ簩游锢硇再|(zhì)和煤層結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改善，進(jìn)一步提升煤層的塑性水平，并達(dá)到較好的降塵效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)的有效防范。在具體進(jìn)行該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，通常以壓注化學(xué)溶液及頂板注水等方式為主。注水作業(yè)過(guò)程中，需要合理控制注水時(shí)間，分析煤層注水減壓的必要性，并選擇適宜的注水機(jī)械，實(shí)際操作過(guò)程中要避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，這樣不僅能夠達(dá)到較好的注水卸壓效果，而且還有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員人身安全的有效保護(hù)。

5.5 頂板預(yù)裂技術(shù)

多用于強(qiáng)制放頂和鄰面斷頂、定向水力致裂頂板。強(qiáng)度理論認(rèn)為，沖擊地壓的發(fā)生是由于煤巖強(qiáng)度不夠造成的。煤層頂板是導(dǎo)致沖擊地壓最重要的因素之一。放頂就是將頂板切斷，盡可能地減小頂板懸露長(zhǎng)度，這樣就可以減小工作面超前支承壓力峰值。減小工作面鄰空順槽煤柱另一側(cè)的懸板，可以降低煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度。采用小煤柱掘進(jìn)護(hù)巷技術(shù)時(shí)，垂直向鄰空一側(cè)工作面隔離煤柱上方施工深孔，而后采用頂板水力壓裂或爆破預(yù)裂的方式，使鄰空煤柱一側(cè)懸臂梁破斷，從而減小鄰空順槽煤柱側(cè)集中應(yīng)力。

5.6 加強(qiáng)支護(hù)與管理

一些煤層巷道具有較大的沖擊危險(xiǎn)，對(duì)于這類巷道，需要做好支護(hù)保護(hù)工作，進(jìn)一步增強(qiáng)巷道支護(hù)的強(qiáng)度，提高巷道抵御沖擊的整體水平。在實(shí)際巷道掘進(jìn)和開(kāi)采作業(yè)時(shí)，還要重視噴射錨索網(wǎng)的應(yīng)用。具體在強(qiáng)化巷道支護(hù)作業(yè)時(shí)，可以采用單體液壓支柱，并針對(duì)巷道斷面實(shí)施有效維護(hù)，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的機(jī)率。特別是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，宜提前開(kāi)展安全教育，并建立健全完善的安全管理制度，確保制度能夠落實(shí)到位，并通過(guò)加大技術(shù)管控力度，估好危險(xiǎn)煤層和危險(xiǎn)程度的鑒定和預(yù)測(cè)工作，以此來(lái)保證生產(chǎn)作業(yè)的安全，降低沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的可能性。

5.7 控制開(kāi)采工藝

煤礦開(kāi)采工藝與沖擊地壓之間存在緊密的聯(lián)系，因此對(duì)于煤礦開(kāi)采作業(yè)而言，需要選擇適宜的開(kāi)采工藝。并針對(duì)煤礦開(kāi)采進(jìn)度進(jìn)行有效控制，避免出現(xiàn)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題，從而對(duì)能量揮發(fā)的平衡性造成不利影響，有效地防范能量分布過(guò)于聚集的情況發(fā)生，降低煤礦沖擊地壓發(fā)生的可能性。另外，在具體底煤處置開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，還要對(duì)所用的開(kāi)采工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證工藝的合理性和可靠性，做好沖擊地壓災(zāi)害釋放的防范工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

煤礦井下開(kāi)采作業(yè)具有高危性，沖擊地壓災(zāi)害是其中較為嚴(yán)重的安全隱患。一旦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生，必然會(huì)直接傷害到井下作業(yè)設(shè)施和作業(yè)人員的安全。因此在煤礦開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，需要全面對(duì)沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的條件、影響因素進(jìn)行了解，并制定切實(shí)可行的防治措施，避免沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，確保煤礦井下作業(yè)的安全性，為煤礦企業(yè)的健康發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。