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煤礦沖擊地壓災害的預防與治理論文
關鍵詞：沖擊地壓 防治 災害治理 措施
摘要：本文在分析華豐礦區(qū)地質開采環(huán)境特征的基礎上，探討了沖擊地壓形成的內外因和內在斑裂產生的機理。建立健全了災害預測防治體系，提出了開采解放層、煤層注水、爆破卸壓等治理防護措施。
0 引言
沖擊地壓是采場周圍煤巖體，在其力學平衡狀態(tài)破壞時，由于彈性變形能的瞬間釋放而產生一種以突然、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)強度特征一般為弱沖擊、強沖擊、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、采煤工作面和設備，傷擊人員。據(jù)統(tǒng)計，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害的老礦井，開采歷史長，生產條件較為復雜。隨著生產水平的下移，第5水平(-1 100m水平)是目前的主要生產水平，礦井地面表高+130m，回采工作面采深達1 140m，開拓深度達1 200余米。礦井煤巖層為單一傾伏向斜構造，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11次，累計造成41人重傷， 7人死亡，摧毀巷道2 000余米，平均頂?shù)装逡七M1. 2m，兩幫移進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，需要停產大修;累計破壞工作面長度400余米，平均底鼓1.1m，煤壁向老空區(qū)移進0.5m，共損壞單體液支柱407根，鉸接頂梁503根，嚴重損壞了多臺設備、設施及多道通防設施，累計造成直接經濟損失850萬元。因此，加強煤礦沖擊地壓災害的預防與治理工作是煤礦安全生產工作當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)生原因有內因、外因2種因素：內因包括煤層本身的物理屬性、煤層原巖應力狀態(tài);外因包括采深、采動集中應力(主要為超前支承壓力、煤柱集中應力等)、放炮誘發(fā)等。
1.1 沖擊地壓發(fā)生的內因
(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性質有直接關系。煤炭科學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結果表明，華豐煤礦4層煤具有強烈沖擊傾向性，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，抗壓及抗拉強度均較大，采后不易冒落下沉，導致礫巖層與紅土層之間產生離層空間。隨著采空面積的加大，巨厚礫巖層形成板狀懸空巖梁，礫巖層原來的應力狀態(tài)發(fā)生改變，從而增加了未采4層煤的應力水平。當板狀礫巖層懸露面積達到一定程度后，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生沖擊載荷，從而加劇了4層煤工作面煤體的應力集中程度，導致4層煤工作面沖擊危險增強，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970m，已遠遠超過該深度。隨著4層煤工作面采深的加大，自重應力已超過4層煤的抗壓強度，較高的原巖應力易使煤體產生應力集中而破壞。
(2)煤柱集中應力的影響
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)場實測和數(shù)值計算結果表明， 4層煤柱應力集中峰值范圍為7~12m，當煤柱尺寸>12 m后，在煤柱內部將產生疊加應力，從而為煤柱沖擊提供了基礎應力條件。
(3)工作面采動集中應力和周期來壓的影響
觀測結果表明， 4層煤工作面超前支承壓力集中范圍為5~35m，應力集中系數(shù)為2. 5，但上方礫巖層的超前壓力影響范圍達120m。因此， 4層煤工作面采動集中應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度最大達510 kn/m2，來壓較為強烈。據(jù)不完全統(tǒng)計， 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，工作面煤體集中應力得不到及時釋放，容易造成應力集中，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，華豐煤礦放炮誘發(fā)沖擊地壓占75%以上。
2 沖擊地壓災害預測預報及治理
2.1 沖擊地壓災害預測方法
(1)經驗類比法
經驗類比法是預測采區(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前，利用經驗類比法對工作面進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，應優(yōu)先進行防沖治理。
(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，必須立即將結果填入記錄表，當監(jiān)測煤粉量超過危險煤粉量時，預報有沖擊危險。再利用電磁輻射法進行校核監(jiān)測，當兩種監(jiān)測手段均有沖擊危險時，應及時實施卸壓爆破，炮后再打1~2個煤粉監(jiān)測孔，校驗卸壓效果，如不能消除沖擊危險，必須繼續(xù)實施卸壓爆破，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)對工作面進行電磁輻射監(jiān)測。操作簡便，實用性較強。
(4)工作面礦壓監(jiān)測法
每班對上、下平巷超前支柱進行阻力監(jiān)測，找出工作面超前支承壓力影響范圍及應力集中系數(shù)，確定超前支護距離及方式。根據(jù)阻力大小預報工作面頂板來壓及應力集中區(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，重點對工作面支架阻力進行循環(huán)監(jiān)測，然后畫出監(jiān)測曲線，預測工作面頂板來壓情況，結合其他監(jiān)測手段預報工作面沖擊危險度。同時對每個支架都安設自動測壓表，一方面可以對支架初撐力進行監(jiān)控，另一方面可以對工作面頂板來壓情況進行全面預報分析。
(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。利用此趨勢預測預報近期沖擊地壓發(fā)生的趨勢及應力釋放情況。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)鉆孔應力計監(jiān)測法
在工作面上、下平巷超前100 m均勻埋設鉆孔應力計，對巷道煤體應力變化情況進行監(jiān)測。鉆孔應力計設在上平巷下幫、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，畫出每臺應力計的監(jiān)測結果，找出應力集中地點及集中范圍，配合其他手段實現(xiàn)工作面沖擊危險的準確預報①。
2.2 沖擊地壓災害治理
(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，然后在解放范圍內開采4層煤。研究結果表明，在保護角內4層煤頂?shù)装鍑鷰r應力得到較大范圍和幅度的降低，直接底、直接頂、基本頂應力降低幅度約35%。實施解放層開采后，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。厚層堅硬砂巖頂板大面積懸頂時，應進行強行放頂。采用無煤柱護巷，盡量不留煤柱，少掘巷道。開拓巷道及永久峒室，應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行超前注水可以提前改善煤層結構，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，當監(jiān)測到有沖擊危險后，應立即實施卸壓爆破。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，還可在切眼掘進期間應用過大鉆孔卸壓措施;在煤柱集中應力區(qū)應用巷道卸壓等措施。
參考文獻：
[1] 郭惟嘉，沈光寒，閏強剛.華豐煤礦采動覆巖移動變形與治理的研究[J].山東礦業(yè)學院學報， 1995， 12(4)： 359 364.
[2] 王利，許興勝，肖尚紅.科學治理重大災害實現(xiàn)礦井長治久安[J].科學與管理， 2004， (5)： 63 64.
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