煤礦井下防沖擊地壓技術的應用研究

陳旭，張朋，張金寶

（兗礦能源集團股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272072）

煤礦作為重要的能源產業，在現代工業中不可替代。然而，煤礦開采過程中常常面臨著嚴峻的地壓問題，給礦山安全和工人的生命財產造成了巨大威脅。因此，研究和應用煤礦井下防沖擊地壓技術具有重要的現實意義。

1 煤礦井下頂板斷頂預裂技術

1.1 放頂高度確定

在煤礦井下開采過程中，為了保證礦井頂板的穩定性，減少礦山災害的發生，需要確定適當的放頂高度。放頂高度的確定需要考慮礦層的厚度、地質條件、礦井的開采方式以及礦井的結構等因素。放頂高度的確定主要通過地質勘探和力學分析來進行。首先，通過對礦層地質結構的詳細調查和勘探，獲取礦層的厚度、傾角、斷裂情況等信息。然后，利用地質力學理論和數值模擬方法，對礦層的穩定性進行分析和評估。根據分析結果，確定適當的放頂高度，以保證礦井的安全開采。

1.2 綜采面垂直和側向切頂技術

在煤礦井下綜采面的開采過程中，為了防止頂板斷裂和坍塌，需要采用垂直和側向切頂技術。垂直切頂是指在綜采面上方進行垂直方向的切割，減小礦井頂板的壓力。側向切頂是指在綜采面兩側進行水平方向的切割，減小礦井頂板的跨距。垂直切頂技術主要包括沖孔爆破和切縫爆破2種方法。沖孔爆破是通過在礦井頂板上方鉆孔，然后注入爆破藥劑，使頂板發生破碎和剝離，減小對綜采面的壓力。切縫爆破是通過在礦井頂板上方鉆孔，并沿頂板方向布置爆破藥包，使頂板形成切縫狀的破碎帶，進一步減小對綜采面的壓力。側向切頂技術主要包括側向抽采和側向放頂兩種方法。側向抽采是在綜采面兩側設置排水巷道或抽采巷道，通過抽采礦井周圍的地下水，減小頂板的水分含量，提高頂板的穩定性。側向放頂是在綜采面兩側進行頂板切割，減小頂板的跨距，減輕對綜采面的壓力。

1.3 超前深孔斷頂

超前深孔斷頂技術是一種常用的煤礦井下頂板斷頂預裂技術。該技術通過在綜采面上方鉆探深孔，并注入高壓水或高壓氣體，使礦井頂板發生裂隙和破碎，預先破壞頂板的連續性，減小對綜采面的壓力，保證礦井的安全開采。超前深孔斷頂技術的優點在于能夠預先破壞頂板，減小對綜采面的壓力，提高礦井的穩定性。同時，該技術可以通過控制注入水或氣的壓力和流量，靈活調整破碎范圍和破碎程度，適應不同地質條件下的礦井開采需求。

2 煤礦井下防沖擊地壓控制方法

2.1 預控措施

（1）圍巖支護設計。圍巖支護是煤礦井下防沖擊地壓的基本措施之一。通過合理的圍巖支護設計，可以增強礦井巷道的穩定性，減少沖擊地壓對巷道的影響。圍巖支護設計應考慮礦層的地質條件、構造特征、應力狀態等因素，選擇適當的支護方式和材料，以提高圍巖的強度和穩定性。常用的圍巖支護方式包括鋼拱支護、錨桿支護、網片支護等。其中，鋼拱支護是一種常見且有效的支護方式，可以通過設置鋼拱和鋼梁等結構體，提高巷道的強度和穩定性。錨桿支護則是通過在巷道周圍鉆孔并注入錨桿，增加圍巖的抗拉強度，提高巷道的抗沖擊能力。網片支護則是在巷道周圍安裝鋼網片，防止圍巖的剝落和坍塌。

（2）鉆孔預裂爆破技術。鉆孔預裂爆破技術是一種常用的防沖擊地壓控制方法。通過在井下巷道周圍鉆孔并注入爆破藥劑，使圍巖發生裂隙和破碎，減小低壓力對巷道的影響。鉆孔預裂爆破技術可以調整爆破參數，如孔距、孔深、裝藥量等，以適應不同地質條件下的礦井開采需求。鉆孔預裂爆破技術的優點在于能夠預先破壞圍巖，減小沖擊地壓對巷道的影響，提高巷道的穩定性。同時，該技術可以通過控制爆破參數，靈活調整破碎范圍和破碎程度，適應不同地質條件下的礦井開采需求。

（3）預加固技術。預加固技術是一種在礦井開采前進行圍巖加固的方法。通過在井下巷道周圍進行加固工程，提前增強圍巖的強度和穩定性，減少沖擊地壓對巷道的影響。預加固技術可以采用注漿加固、錨桿加固、鋼筋網加固等方式，以提高圍巖的抗沖擊能力和抗變形能力。注漿加固是一種常用的預加固技術，通過在井下巷道周圍注入硬化劑或聚合物材料，增加圍巖的強度和穩定性。錨桿加固則是通過在巷道周圍鉆孔并注入錨桿，增加圍巖的抗拉強度，提高巷道的抗沖擊能力。鋼筋網加固則是在巷道周圍安裝鋼筋網片，增加圍巖的抗剪強度，防止圍巖的剝落和坍塌。

2.2 緊急控制措施

（1）應急支護。應急支護是在發生地壓突出或其他突發情況時采取的緊急措施。在這種情況下，迅速采取適當的應急支護措施可以有效控制沖擊地壓的危害，保護工人的安全。常見的應急支護措施包括立即搭設支架、加固巷道周圍圍巖、設置鋼拱和鋼撐桿等。支架的搭設可以通過緊急搭設木枋、鋼架或混凝土塊等材料來增強巷道的穩定性。加固巷道周圍圍巖可以通過噴射混凝土、注漿、錨桿加固等方式來提高圍巖的強度和穩定性。鋼拱和鋼撐竿的設置可以增加巷道的承載能力和抗沖擊能力。

（2）應急排水。應急排水是在地壓突出或其他突發情況下迅速采取的緊急措施之一。當礦井發生地壓突出時，地下水的涌出會加劇地壓的危害，因此需要迅速進行應急排水。應急排水的方式可以采用抽水機、抽水管道、排水井等設備和設施。通過迅速設置抽水機進行抽水，將地下水排出礦井，可以減小地壓對巷道的影響，保護工人的安全。

（3）應急加固。應急加固是在地壓突出或其他突發情況下迅速采取的緊急措施之一。當礦井發生地壓突出時，及時采取應急加固措施可以增強巷道的穩定性，降低沖擊地壓的危害。應急加固的方法包括迅速進行圍巖加固、設置臨時支柱、加裝支架等。圍巖加固可以通過噴射混凝土、注漿、錨桿加固等方式來提高圍巖的強度和穩定性。設置臨時支柱或加裝支架可以增加巷道的承載能力和抗沖擊能力。

3 煤礦井下防沖擊地壓填充與排放

3.1 鋼渣填充

鋼渣填充是一種常用的煤礦井下地壓控制填充技術。鋼渣是指冶金工業生產過程中產生的含鐵、含硅等成分的固體廢棄物。通過將鋼渣注入礦井巷道中，可以填充巷道的空隙，增加圍巖的支撐力和穩定性。鋼渣填充的優點在于鋼渣具有較高的硬度和抗壓強度，可以提供較好的支撐效果。此外，鋼渣還具有良好的耐水性和耐腐蝕性，適用于潮濕環境下的填充作業。然而，鋼渣填充需要考慮鋼渣的供應和處理問題，以及可能帶來的環境污染風險。

3.2 砂漿充填

砂漿充填是一種常用的煤礦井下地壓控制填充技術。砂漿由水泥、砂子和水按一定比例混合而成，具有較高的黏結強度和耐久性。通過將砂漿注入礦井巷道中，可以填充巷道的空隙，提高圍巖的強度和穩定性。砂漿充填的優點在于砂漿具有良好的流動性，可以充分填滿巷道的空隙。此外，砂漿具有較好的硬化性和耐水性，適用于潮濕環境下的填充作業。然而，砂漿充填需要進行現場調配和施工，需要相應的設備和人力，并且充填后需要一定時間進行硬化。

3.3 煤矸石填充

煤矸石填充是一種常用的煤礦井下地壓控制填充技術。煤矸石是指在煤礦開采和煤炭處理過程中產生的固體廢棄物。通過將煤矸石注入礦井巷道中，可以填充巷道的空隙，提高圍巖的支撐力和穩定性。煤矸石填充的優點在于煤矸石具有豐富的資源，易于獲取和利用。同時，煤矸石的顆粒形狀和粒度分布適合填充作業，可以提供較好的支撐效果。然而，煤矸石填充需要對煤矸石進行預處理，如破碎、篩分等，以滿足填充要求，并且需要考慮煤矸石可能含有的有害物質和對環境的影響。填充技術在煤礦井下防沖擊地壓中起到重要的作用。通過選擇適當的填充材料和施工方法，可以有效地填充巷道空隙，提高圍巖的穩定性，減小沖擊地壓對巷道的影響。然而，在填充過程中，需要注意材料的選用、施工的合理性和環境的保護，以確保填充工作的安全和可持續發展。

3.4 排放技術

（1）廢棄巷道排放。廢棄巷道排放是一種常用的煤礦井下地壓控制排放技術。在巷道開采過程中，產生的固體廢棄物和廢水可以通過廢棄巷道進行排放。廢棄巷道是指在煤礦巷道開采完畢后，不再使用的巷道，通過將廢棄物和廢水排入廢棄巷道，實現安全、高效的處理和排放。廢棄巷道排放的優點在于可以利用已有的巷道資源，減少對環境的影響。同時，廢棄巷道通常位于煤礦井下較深處，利用重力作用可以實現廢棄物和廢水的自然排放，無須額外的能源消耗。然而，廢棄巷道排放需要考慮巷道的結構和穩定性，以確保排放過程的安全性。

（2）煤與瓦斯共排放。煤與瓦斯共排放是一種常用的煤礦井下地壓控制排放技術。在煤礦開采過程中，煤與瓦斯是同時產生的，通過將煤和瓦斯共同排放出礦井，可以減少地壓危害和瓦斯爆炸的風險。煤與瓦斯共排放的原理是將瓦斯抽出礦井，同時將煤巖順次從巷道中排出，實現煤與瓦斯的共同排放。通過煤與瓦斯共排放，可以減小煤巖對巷道的支撐力，降低沖擊地壓的危害。此外，共排放還可以有效控制瓦斯的積聚，降低瓦斯爆炸的風險。

（3）建設排放巷道。建設排放巷道是一種常用的煤礦井下地壓控制排放技術。通過專門建設排放巷道，將產生的固體廢棄物和廢水直接排出礦井，實現安全、高效的處理和排放。建設排放巷道的優點在于可以專門設計和建造符合排放要求的巷道系統。通過合理布置巷道的位置和施工方式，可以方便地進行廢棄物和廢水的集中排放。此外，建設排放巷道還可以提供方便的通道，使巷道維修和管理更加便捷。

4 煤礦井下防沖擊地壓數值模擬與監測

4.1 數值模擬方法

（1）有限元方法。有限元方法是一種常用的數值模擬方法，用于煤礦井下地壓分析和預測。該方法將巷道和圍巖劃分為離散的有限元單元，通過求解彈性力學方程和邊界條件，得到巷道和圍巖的應力、變形和位移等參數。有限元方法能夠考慮多因素的耦合作用，如地質結構、巷道形狀、圍巖特性等，可以模擬復雜的地壓變化和分布規律。

（2）邊界元方法。邊界元方法是一種基于邊界積分方程的數值模擬方法，用于煤礦井下地壓分析和預測。該方法將巷道和圍巖劃分為邊界單元，通過求解邊界積分方程，得到巷道和圍巖的應力和位移等參數。邊界元方法適用于邊界條件較為復雜的問題，如巷道與煤巖交界面的接觸問題，可以準確地模擬地壓的傳遞和分布規律。

（3）細觀模擬方法。細觀模擬方法是一種基于微觀結構特征的數值模擬方法，用于煤礦井下地壓分析和預測。該方法將煤巖劃分為細小的微觀單元，通過求解微觀單元的應力和變形，得到宏觀尺度下的地壓參數。細觀模擬方法能夠考慮煤巖內部的裂隙、層理和各向異性等特性，可以準確地模擬地壓的局部變化和煤巖的破壞過程。

4.2 監測技術

（1）應力監測。應力監測是一種常用的煤礦井下地壓監測技術。通過在巷道和圍巖中布置應力傳感器，可以實時監測巷道和圍巖的應力變化，從而了解地壓的大小和分布情況。應力監測可以采用壓力傳感器、壓力繼電器等設備，可以提供地壓變化的定量數據，對地壓控制和礦山安全管理具有重要意義。

（2）變形監測。變形監測是一種常用的煤礦井下地壓監測技術。通過在巷道和圍巖中布置變形傳感器，可以實時監測巷道和圍巖的變形情況，從而了解地壓對巷道的影響和穩定性。變形監測可以采用位移傳感器、測斜儀、水準儀等設備，可以提供巷道和圍巖的變形數據，對地壓控制和巷道支護的設計和評估具有重要意義。

5 結語

綜上，煤礦井下防沖擊地壓技術的應用仍面臨一些挑戰，如復雜的地質條件、變化多樣的工況環境和巷道形狀等。因此，未來需要進一步加強煤礦井下防沖擊地壓技術的研究和創新，不斷優化和完善技術方案，提高礦山安全管理水平。只有這樣，才能夠有效地保障煤礦的安全生產，實現煤礦行業的可持續發展。