煤矿冲击地压综合防治技术及工程实践分析

煤矿冲击地压综合防治技术及工程实践分析

姚雄雄

陕西华彬雅店煤业有限公司 陕西 咸阳 713500

摘要：在煤矿开采过程中，容易受到多种因素影响，产生一些安全隐患，严重威胁着工作人员生命财产安全。冲击地压是在煤矿开采过程中，受煤岩性质、地质构造、采掘布置、煤柱留设等因素影响，在原岩应力和采动应力的作用下，巷道或工作面周围煤岩体积累的弹性能瞬时释放而产生剧烈破坏的一种动力现象。冲击地压发生伴随着巨大声响和震动，可以将几米至几百米的工作面或巷道瞬间摧毁，造成支护失效、设备损坏、巷道堵塞和人员伤亡。冲击地压防治是煤矿安全生产领域亟待解决的当务之急，受到众多专家学者，尤其是从事上述相关领域工程实践的学者们高度关注。

关键词：煤矿；冲击地压；综合防治技术

引言

近年来，随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，冲击矿压等岩层动力现象日益加剧，冲击矿压已成为深部资源开采领域面临的主要灾害之一。据统计，目前我国已有冲击地压矿井300余座。冲击地压的发生条件较为复杂，发生时没有明显的宏观前兆，具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性的特征，极大地增加了冲击地压灾害的防治难度。

1工程概括

某地区矿井地形中高四周低，最高标高+1426.6m，最低标高+1190m，矿区总面积约为63km2。8502采区位于矿井西南侧，主采2#煤，煤层厚度约为2.1～2.8m，煤层倾角2°～6°，采区内存在复式褶曲地质构造，沿走向发育有次级褶曲，向斜轴和背斜轴部南北向通过850208工作面，背斜轴向从北向南由155°转向140°，向南东倾伏。在掘进工作面推进过程中，地质构造导致的高地应力和集中开采产生的集中应力对工作面巷道围岩稳定性产生较大威胁，一旦应力作用超过岩体极限强度，巷道岩体失稳会出现弹性变形能的瞬间释放，造成巷道变形甚至坍塌。

2煤矿冲击地压影响因素

2.1构造

煤矿井田范围内赋存的褶曲、断层等构造较多，部分断层落差达到10m以上，受构造应力影响较大，冲击危险性较高。

2.2覆岩特性

煤矿上覆厚硬岩层以3种形式存在，一是赋存在高位的厚度从几十米到几百米不等的砂岩或砾岩层；二是2与2-1煤层上方100m范围内单层厚度超过10m的砂岩层；三是2与2-1煤层上方100m范围内虽单层厚度未超过10m，但岩性相近且连续分布的薄层砂岩或砾岩层（总厚十几米到几十米不等，可能以岩层组形式整体运动）。2与2-1煤层上方100m范围内厚层坚硬岩层对掘进工作面冲击危险性影响较小，但对回采工作面存在较大影响。高位赋存的厚层坚硬岩层冲击危险性影响较小，但对连续开采的接续工作面冲击危险产生影响。

3煤矿冲击地压综合防治技术及工程实践策略

3.1冲击地压和矿震协同防治技术

矿震和冲击地压是煤矿开采中的两种动力现象，矿震是上覆岩层积累的弹性能瞬时释放而产生的动力现象。冲击地压是井巷或工作面周围煤岩体积累的弹性能瞬时释放而产生的动力现象。矿震和冲击地压二者既相互区别又相互联系和相互作用，增加了煤矿动力灾害发生的多样性和不确定性。矿震和冲击地压的相互联系和相互作用主要表现为：诱发因素相同，即矿震和冲击地压都由于煤矿采掘活动相关；动力特征相同，即矿震和冲击地压都表现为煤岩体累积的弹性能瞬态释放，产生震动；震源空间具有重叠性，上覆岩层变形破裂既可能诱发矿震，也可能诱发顶板断裂型冲击地压，断层滑动既可能诱发矿震，也可能诱发断层滑移型冲击地压；相互作用表现为矿震产生动载诱发冲击地压，冲击地压引起上覆岩层变形破断诱发矿震。目前煤监部门和地震部门形成共享机制，矿震威胁公共安全，引发社会关注，冲击地压威胁煤矿井下安全，造成财产设备损失。冲击地压与矿震在动静载荷孕育过程中，会不断相伴而生。准确掌握诱发高能量矿震的关键岩层层位，研究矿震发生地应力场变化规律，科学客观判识矿震的致灾风险。转变观念，顺应国家形势，从以往防冲击地压观念转变为冲击地压与矿震的协同调控。

3.2大直径钻孔卸压技术

在利用大直径钻孔卸压技术进行煤矿采煤生产过程中冲击地压卸压解危时，首先需要确定钻孔区域，根据文中上述内容划定冲击危险区域后，将冲击危险等级为Ⅲ的区域作为钻孔施工区域。然后确定钻孔施工的相关参数：一是钻孔直径，该参数直接影响到卸压质量，结合煤矿实际地质条件，选用直径为150mm的钻孔；二是钻孔的深度，只有达到煤柱内部高应力区域的钻孔深度，才能达到预期的卸压效果，所以本文通过求解煤体峰值点距离煤巷帮的距离D，来确定钻孔深度，其计算公式如下：

（1）

式中，α表示煤矿的侧压指数；H表示煤矿中煤层的采高；表示煤矿中煤层的摩擦角；表示煤矿的应力集中指数；g表示煤矿岩体的容重平均值；h表示煤矿煤层的埋深平均值；f1、f2分别表示煤矿中煤体的粘聚力和支护阻力。将煤矿实际采煤生产数据代入式（1）即可求得煤矿煤体峰值点与巷帮之间的距离，在进行大直径钻孔施工时，保证钻孔深度大于距离D即可。三是大直径钻孔之间的排距，一般来说，在大直径钻孔施工时，受钻应力集中的影响，孔周围会出现破碎区与塑性区，所以为保障钻孔卸压效果，以钻孔周围塑性破坏区的半径孔周围作为孔间距，这样可以在最大减小煤矿岩体冲击倾向性的同时，避免出现冲击地压，其计算公式如下：

（2）

式中，表示钻孔周围破坏区的煤矿岩体破涨系数；r表示大直径钻孔的半径。最后，根据上述钻孔施工参数，确定大直径钻孔的布置方式进行钻孔施工。采用双排布孔的方式，各钻孔呈“三花”交错的形式，且底排钻孔的倾角和煤矿煤层的倾角保持一致。大直径钻孔卸压完成后，用黄泥封堵钻孔，避免钻孔漏风，再严格按照相关措施对解危效果进行检验，检验合格后方可继续进行采煤生产作业。

3.3自解放保护层开采技术

开采保护层是指一个煤层(岩层或分层)先采，能使邻近岩体应力得到一定程度的卸载。开采保护层是防治冲击地压最有效的、带有根本性的一种方法，但开采保护层是有条件的，首先是要多煤层开采；其次是多煤层间的层间距符合保护层开采条件才能实施。而对于单一煤层或多煤层间距太大起不到保护作用的情况下，不具备保护层开采条件。有些矿区在特厚煤层条件下进行分层开采进行本层解放，造成两顺槽全巷道留有厚底煤，增加了冲击地压危险和治理难度。本煤层自解放保护层开采技术解决了分层开采冲击地压的威胁，适用于所有煤层，是一种新的自保护层开采的概念和方法，即在煤层中切割出一条具有一定深度和高度的扁平缝槽，形成一定尺寸的缝隙，相当于在本煤层中开采一定厚度的保护层，从而使本煤层得到解放。本煤层自解放保护层开采技术实现可以通过3个方法：一是高压水射流切槽方法实现本煤层自解放保护开采。在工作面上下顺槽布置高压水射流钻孔，孔深为工作面长度的1/2，打孔完成后进行高压水射流水力切缝，从喷嘴射出的高压水射流冲击煤层表面，煤屑从表面剥落，形成缝隙，露出新表面。随着射流对煤层打击，缝隙加深，射流进入煤层缝隙中，使钻孔两边形成1m深，0.1～0.2m高的缝。沿着巷道每隔1m打一个钻孔，重复射流切割过程，最后所有钻孔缝连接起来，形成了一个人造保护层，实现本煤层自解放保护层开采。二是利用薄煤层智能化无人开采技术实现本煤层自解放保护开采。在层煤上部首先开采0.8～1.0m厚的保护层，使其下部煤层卸载，实现本煤层自保护。为解决分层开采巷道留有厚底煤冲击地压风险高的问题，利用成熟的薄煤层智能化无人开采技术，保证安全生产。三是通过采煤工作面采超前切底实现本煤层自解放保护开采。在采煤工作面超前区域，沿煤层底板切割出一定尺寸的煤体，工作面和巷道围岩将形成一定尺度的无应力区，无应力区将减缓应力和能量累积，防治冲击地压发生。

结语

我国煤矿冲击地压防治工作的整体格局体现为：冲击地压矿井情况基本清楚，冲击地压发生机制基本清晰，理论不断完善，开采前冲击地压危险性评价预测基本可行，开采中冲击地压危险性监测预警基本准确，冲击地压防治方法和技术基本有效，冲击地压法规文件及管理体系基本完备，冲击地压防治能力和效果稳步提升，冲击地压工程学体系形成并快速发展。

参考文献

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