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煤礦沖擊地壓災(zāi)害的預(yù)防與治理論文
關(guān)鍵詞：沖擊地壓 防治 災(zāi)害治理 措施
摘要：本文在分析華豐礦區(qū)地質(zhì)開采環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，探討了沖擊地壓形成的內(nèi)外因和內(nèi)在斑裂產(chǎn)生的機(jī)理。建立健全了災(zāi)害預(yù)測防治體系，提出了開采解放層、煤層注水、爆破卸壓等治理防護(hù)措施。
0 引言
沖擊地壓是采場周圍煤巖體，在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時，由于彈性變形能的瞬間釋放而產(chǎn)生一種以突然、急劇、猛烈破壞為特征的動力現(xiàn)象。沖擊地壓是一種特殊的礦山壓力顯現(xiàn)。其顯現(xiàn)強(qiáng)度特征一般為弱沖擊、強(qiáng)沖擊、彈射、礦震、巖爆、煤炮、沖擊波、彈性振動等，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象;其發(fā)生突然劇烈，沖擊波力量巨大，瞬間摧毀巷道、采煤工作面和設(shè)備，傷擊人員。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東省從1996年至2005年3月份，先后有13處煤礦發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，發(fā)生破壞性沖擊地壓353次，死亡28人，重傷65人，摧毀巷道8 000余米。
新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦是一個具有水、火、瓦斯、煤塵、沖擊地壓等多種自然災(zāi)害的老礦井，開采歷史長，生產(chǎn)條件較為復(fù)雜。隨著生產(chǎn)水平的下移，第5水平(-1 100m水平)是目前的主要生產(chǎn)水平，礦井地面表高+130m，回采工作面采深達(dá)1 140m，開拓深度達(dá)1 200余米。礦井煤巖層為單一傾伏向斜構(gòu)造，地層走向由NW—NNE漸變?yōu)镹E—E，傾向由E變?yōu)镹及NW，傾角32°~35°。華豐煤礦首次沖擊地壓發(fā)生在1992年3月8日2406(1)工作面上平巷，標(biāo)高為-538m。首次沖擊以來共發(fā)生0.5級以上沖擊地壓28000余次，1.0級以上沖擊地壓2900余次，1.5級以上沖擊地壓490余次， >2.0級以上的7次，最大震級2.9級。其中共發(fā)生破壞性沖擊地壓107次，造成工作面停產(chǎn)11次，累計(jì)造成41人重傷， 7人死亡，摧毀巷道2 000余米，平均頂?shù)装逡七M(jìn)1. 2m，兩幫移進(jìn)0.8m，摧毀巷道500余米，斷面收縮率75%以上，其中大部分頂?shù)装彘]合，需要停產(chǎn)大修;累計(jì)破壞工作面長度400余米，平均底鼓1.1m，煤壁向老空區(qū)移進(jìn)0.5m，共損壞單體液支柱407根，鉸接頂梁503根，嚴(yán)重?fù)p壞了多臺設(shè)備、設(shè)施及多道通防設(shè)施，累計(jì)造成直接經(jīng)濟(jì)損失850萬元。因此，加強(qiáng)煤礦沖擊地壓災(zāi)害的預(yù)防與治理工作是煤礦安全生產(chǎn)工作當(dāng)中急需解決的重大問題。
1 沖擊地壓發(fā)生的原因
沖擊地壓發(fā)生原因有內(nèi)因、外因2種因素：內(nèi)因包括煤層本身的物理屬性、煤層原巖應(yīng)力狀態(tài);外因包括采深、采動集中應(yīng)力(主要為超前支承壓力、煤柱集中應(yīng)力等)、放炮誘發(fā)等。
1.1 沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)因
(1)煤層具有沖擊傾向性
沖擊地壓的發(fā)生與煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)有直接關(guān)系。煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所對華豐煤礦4層煤沖擊傾向性試驗(yàn)結(jié)果表明，華豐煤礦4層煤具有強(qiáng)烈沖擊傾向性，其直接頂具有中等沖擊傾向性[1]。
(2)礫巖活動是發(fā)生沖擊地壓的主要力源
華豐煤礦4層煤上方基本頂為70余米厚的砂巖層，隨著工作面的推進(jìn)周期性跨落;其上為40余米厚的紅土層，隨基本頂?shù)目缏涠鴱澢鲁?再上部為500~800 m的巨厚礫巖層，礫巖層完整性較強(qiáng)，抗壓及抗拉強(qiáng)度均較大，采后不易冒落下沉，導(dǎo)致礫巖層與紅土層之間產(chǎn)生離層空間。隨著采空面積的加大，巨厚礫巖層形成板狀懸空巖梁，礫巖層原來的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而增加了未采4層煤的應(yīng)力水平。當(dāng)板狀礫巖層懸露面積達(dá)到一定程度后，開始緩慢下沉并周期性斷裂跨落，礫巖層的斷裂跨落對下部的煤巖體產(chǎn)生沖擊載荷，從而加劇了4層煤工作面煤體的應(yīng)力集中程度，導(dǎo)致4層煤工作面沖擊危險增強(qiáng)，因此，巨厚礫巖層是發(fā)生沖擊地壓的主要力源。
1.2 沖擊地壓發(fā)生外因
(1)采深大應(yīng)力高
華豐煤礦首次沖擊地壓發(fā)生在-538 m水平，垂深為668 m，即沖擊地壓發(fā)生臨界深度為668m，開采大于該深度就有可能發(fā)生沖擊地壓。目前礦井最大開采深度為1 230m， 4層煤工作面開采深度已達(dá)970m，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該深度。隨著4層煤工作面采深的加大，自重應(yīng)力已超過4層煤的抗壓強(qiáng)度，較高的原巖應(yīng)力易使煤體產(chǎn)生應(yīng)力集中而破壞。
(2)煤柱集中應(yīng)力的影響
為滿足煤層防火的要求，相鄰采區(qū)之間和上下階段之間留有采區(qū)和階段隔離煤柱，現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明， 4層煤柱應(yīng)力集中峰值范圍為7~12m，當(dāng)煤柱尺寸>12 m后，在煤柱內(nèi)部將產(chǎn)生疊加應(yīng)力，從而為煤柱沖擊提供了基礎(chǔ)應(yīng)力條件。
(3)工作面采動集中應(yīng)力和周期來壓的影響
觀測結(jié)果表明， 4層煤工作面超前支承壓力集中范圍為5~35m，應(yīng)力集中系數(shù)為2. 5，但上方礫巖層的超前壓力影響范圍達(dá)120m。因此， 4層煤工作面采動集中應(yīng)力對工作面影響較為明顯。4層煤分層開采時上分層工作面周期來壓強(qiáng)度最大達(dá)510 kn/m2，來壓較為強(qiáng)烈。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 4層煤沖擊地壓83%發(fā)生在頂板來壓期間，且對工作面超前壓力影響范圍破壞最為嚴(yán)重。
(4)工作面推采速度的影響
回采工作面推采過大后，工作面煤體集中應(yīng)力得不到及時釋放，容易造成應(yīng)力集中，因此工作面推采速度也是影響沖擊地壓發(fā)生的因素之一。
(5)放炮誘發(fā)
回采工作面放炮容易造成煤巖體能量釋放，因此工作面放炮是誘發(fā)沖擊地壓的主要工序，據(jù)統(tǒng)計(jì)，華豐煤礦放炮誘發(fā)沖擊地壓占75%以上。
2 沖擊地壓災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)及治理
2.1 沖擊地壓災(zāi)害預(yù)測方法
(1)經(jīng)驗(yàn)類比法
經(jīng)驗(yàn)類比法是預(yù)測采區(qū)或工作面沖擊危險程度和區(qū)域的常用方法。工作面開采或巷道掘進(jìn)前，利用經(jīng)驗(yàn)類比法對工作面進(jìn)行沖擊危險程度劃分，采空區(qū)邊緣、斷層附近、煤柱區(qū)等均為沖擊危險程度相對較高的部位，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行防沖治理。
(2)煤粉監(jiān)測法
煤粉監(jiān)測是操作方便、效果明顯的一種沖擊危險監(jiān)測措施。監(jiān)測方法：使用MSZ 12電煤鉆、42套節(jié)麻花釬子配42鉆頭打眼，從孔口開始每米收集1次煤粉，并用彈簧秤稱其重量記錄在記錄表上，每打完1個孔，必須立即將結(jié)果填入記錄表，當(dāng)監(jiān)測煤粉量超過危險煤粉量時，預(yù)報(bào)有沖擊危險。再利用電磁輻射法進(jìn)行校核監(jiān)測，當(dāng)兩種監(jiān)測手段均有沖擊危險時，應(yīng)及時實(shí)施卸壓爆破，炮后再打1~2個煤粉監(jiān)測孔，校驗(yàn)卸壓效果，如不能消除沖擊危險，必須繼續(xù)實(shí)施卸壓爆破，直至消除沖擊危險。
(3)電磁輻射監(jiān)測法
電磁輻射監(jiān)測是近幾年由中國礦業(yè)大學(xué)發(fā)展研究的一種新型沖擊危險監(jiān)測方法，利用KBD 5型流動電磁輻射儀和KBD 7電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)對工作面進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測。操作簡便，實(shí)用性較強(qiáng)。
(4)工作面礦壓監(jiān)測法
每班對上、下平巷超前支柱進(jìn)行阻力監(jiān)測，找出工作面超前支承壓力影響范圍及應(yīng)力集中系數(shù)，確定超前支護(hù)距離及方式。根據(jù)阻力大小預(yù)報(bào)工作面頂板來壓及應(yīng)力集中區(qū)域。在工作面中部布置2個測區(qū)，測區(qū)間距20m，每個測區(qū)包括2個支架，重點(diǎn)對工作面支架阻力進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測，然后畫出監(jiān)測曲線，預(yù)測工作面頂板來壓情況，結(jié)合其他監(jiān)測手段預(yù)報(bào)工作面沖擊危險度。同時對每個支架都安設(shè)自動測壓表，一方面可以對支架初撐力進(jìn)行監(jiān)控，另一方面可以對工作面頂板來壓情況進(jìn)行全面預(yù)報(bào)分析。
(5)微震監(jiān)測法
利用短周期地震儀監(jiān)測記錄0. 5級以上沖擊發(fā)生的次數(shù)及沖擊地壓釋放的能量。利用此趨勢預(yù)測預(yù)報(bào)近期沖擊地壓發(fā)生的趨勢及應(yīng)力釋放情況。在定位系統(tǒng)建成之前，采用現(xiàn)在的地震儀現(xiàn)行監(jiān)測①。
(6)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測法
在工作面上、下平巷超前100 m均勻埋設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，對巷道煤體應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測。鉆孔應(yīng)力計(jì)設(shè)在上平巷下幫、下平巷上幫，孔口距底板0. 5m，沿煤層傾角布置，孔距20 m，孔深10 m。每小班監(jiān)測2次，畫出每臺應(yīng)力計(jì)的監(jiān)測結(jié)果，找出應(yīng)力集中地點(diǎn)及集中范圍，配合其他手段實(shí)現(xiàn)工作面沖擊危險的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)①。
2.2 沖擊地壓災(zāi)害治理
(1)開采解放層
為從根本上治理沖擊地壓，華豐煤礦實(shí)施了開采解放層方案，首先開采弱沖擊傾向且沒有出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象的6層煤，然后在解放范圍內(nèi)開采4層煤。研究結(jié)果表明，在保護(hù)角內(nèi)4層煤頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力得到較大范圍和幅度的降低，直接底、直接頂、基本頂應(yīng)力降低幅度約35%。實(shí)施解放層開采后，沖擊現(xiàn)象明顯降低。
(2)合理開采
各煤層、水平、階段、采區(qū)應(yīng)按合理順序開采，避免相向回采和形成孤島煤柱。采用長壁開采方法，冒落法管理頂板。厚層堅(jiān)硬砂巖頂板大面積懸頂時，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)行放頂。采用無煤柱護(hù)巷，盡量不留煤柱，少掘巷道。開拓巷道及永久峒室，應(yīng)布置在巖層或無沖擊地壓危險的煤層中。
(3)煤層注水
有沖擊傾向的工作面開采前進(jìn)行超前注水可以提前改善煤層結(jié)構(gòu)，降低煤體的沖擊傾向性，是一種主動治理措施[2]。
(4)爆破卸壓
工作面開采期間，可對工作面煤體進(jìn)行超前松動爆破和卸壓爆破。松動爆破是一種超前治理措施，卸壓爆破是一種被動卸壓治理措施，當(dāng)監(jiān)測到有沖擊危險后，應(yīng)立即實(shí)施卸壓爆破。卸壓孔深7~10m，孔間距不>5 m，每次引爆4~5個卸壓孔，以提高卸壓效果。另外，還可在切眼掘進(jìn)期間應(yīng)用過大鉆孔卸壓措施;在煤柱集中應(yīng)力區(qū)應(yīng)用巷道卸壓等措施。
參考文獻(xiàn)：
[1] 郭惟嘉，沈光寒，閏強(qiáng)剛.華豐煤礦采動覆巖移動變形與治理的研究[J].山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 1995， 12(4)： 359 364.
[2] 王利，許興勝，肖尚紅.科學(xué)治理重大災(zāi)害實(shí)現(xiàn)礦井長治久安[J].科學(xué)與管理， 2004， (5)： 63 64.
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