冲击地压防治技术在煤矿采掘中的应用.docx

冲击地压防治技术在煤矿采掘中的应用.docx

《冲击地压防治技术在煤矿采掘中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冲击地压防治技术在煤矿采掘中的应用.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

冲击地压防治技术在煤矿采掘中的应用

冲击地压防治技术在煤矿采掘中的应用

摘要：

冲击地压是矿山井巷或者采场周围矿体和围岩由于变形能的释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。

是一种复杂的矿山动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式。

冲击地压在国内外主要煤矿开采中都属于一种普遍的现象，每年的发生率都比较高。

国外，德国、南非、前苏联、波兰、美国、加拿大等20多个国家和地区都受到冲击地压灾害的威胁。

国内，最早的记录是在1933年发生在抚顺胜利煤矿的冲击地压。

随后，北京矿务局的门头沟、房山煤矿，开滦矿务局的唐山等两个煤矿，抚顺的龙凤、老虎台等几十个地方煤矿都相继发生了严重的冲击地压事故。

徐州矿务局集团自1991年7月在权台煤矿3127材料巷发生冲击地压现象，至目前已累计发生冲击地压40余次。

近年来，随着新汶华丰、孙村煤矿，徐州三剑河、旗山、张集、权台煤矿，东滩煤矿等矿井相继成为新的冲击地压矿井，我国发生冲击地压的矿井已达70余个。

关键词：

冲击地压特征机理防治技术卸压应用

1我国煤矿冲击地压特征

1、突发性。

发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间为几秒到几十秒。

2、一般表现为煤爆（煤壁爆裂、小块抛射）。

浅部冲击（发生在煤壁2m～6m范围内，破坏性大）和深部冲击（发生在煤体深处，声如闷雷，破坏程度不同）。

最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生了岩爆。

在煤层冲击中，多数表现为煤块抛出，少数为数十平方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波。

3、具有破坏性。

往往造成煤壁片帮、顶板下沉、底鼓、支架折损、巷道堵塞、人员伤亡。

4、具有复杂性。

在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深从200m～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等，都发生过冲击地压；在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面，不论水采、炮采、普采或是综采，采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法，是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采，都发生过冲击地压。

只是无煤柱长壁开采法冲击次数较少。

2冲击地压的分类

冲击地压可根据应力状态、显现强度和发生的不同地点和位置进行分类。

2.1根据原岩（煤）体的应力状态分类

（1）重力应力型冲击地压。

主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击地压。

如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击地压。

（2）构造应力型冲击地压。

主要受构造应力（构造应力远远超过岩层自重应力）的作用引起的冲击地压，如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。

　　（3）中间型或重力构造型冲击地压。

主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。

2.2根据冲击的显现强度分类

（1）弹射。

一些单个碎块从处于高应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。

（2）矿震。

它是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤、岩并不向已采空间抛出，只有片带或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。

较弱的矿震称为微震，也称为煤炮。

　　（3）弱冲击。

煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏；围岩产生震动，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响；产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。

　　（4）强冲击。

部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。

2.3根据震级强度和抛出的煤量分类

（1）轻微冲击：

抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击地压。

（2）中等冲击：

抛出煤量在10t～50t以下，震级在1级～2级的冲击地压。

　　（3）强烈冲击：

抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击地压。

　　一般面波震级Ms=1时，矿区附近部分居民有震感；Ms=2时，对井上下有不同程度的破坏；Ms>2时，地面建筑物将出现明显裂缝破坏。

2.4根据发生的地点和位置分类

（1）煤体冲击。

发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击。

（2）围岩冲击。

发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。

3冲击地压成因的机理

对冲击地压成因和机理的解释主要有强度理论、能量理论、冲击倾向理论和失稳理论。

　　1、强度理论

　　该理论认为，冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体——围岩力学系统的综合强度。

　　其机理为：

较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤体——围岩交界处的变形。

由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。

从极限平衡和弹性能释放的意义上来看，夹持起了闭锁作用。

在煤体夹持带内，压力高、并储存有相当高的弹性能，高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。

一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击地压。

　　2、能量理论

　　该理论认为：

当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。

刚性理论也是一种能量理论，它认为发生冲击地压的条件是：

矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷系（围岩）的刚度，即系统内所储存的能量大于消耗于破坏和运动的能量时，将发生冲击地压。

但这种理论并未得到充分证实，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。

　　3、冲击倾向理论

　　该理论认为：

发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。

可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。

其条件是：

介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。

　　这些指标主要有：

弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。

　　上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。

其中强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。

三个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分必要条件。

　　4、失稳理论

　　近年我国一些学者认为：

根据岩石全应力——应变曲线，在上凸硬化阶段，煤、岩抗变形（包括裂纹和裂缝）的能力是增大的，介质是稳定的；在下凹软化阶段，由于外载超过其峰值强度，裂纹迅速传播和扩展，发生微裂纹密集而连通的现象，使其抗变形能力降低，介质是非稳定的。

在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲击地压。

由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。

虽然有时外载未达到峰值强度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。

这种静疲劳现象，可以使介质处于不稳定状态。

在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩从静态变为动态过程，即发生急剧、猛烈的破坏。

4冲击地压的影响因素

1、地质因素

　　主要包括开采深度、地质构造、煤岩结构和力学特性等。

　　开采深度的加大使地应力值增加。

一般在达到一定开采深度后才开始发生冲击地压，此深度称为冲击地压临界深度。

临界深度值随条件不同而异，一般大于200m，总的趋势是随采深增加，冲击危险性增加。

这主要是由于随采深增加，原岩应力增大的缘故。

地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等也影响冲击地压的发生。

宽缓向斜轴部易于形成冲击地压；断裂如是一个开采边界，若回采方向朝向断层面，则冲击危险增加；煤层倾角和厚度局部突然变化地带，实际是局部地质构造应力积聚地带，因而极易发生冲击地压。

　　煤岩结构及性能也是冲击地压影响的主要因素。

坚硬、厚层、整体性强的顶板（老顶），易形成冲击地压；直接顶厚度适中、与老顶组合性好、不易冒落，冲击危险较大；煤的强度高、弹性模量大、含水量低、变质程度高、暗煤比例大，一般冲击倾向较强。

　　2、开采技术因素

　　开采多煤层时，任何造成应力集中的因素，如开采程序不合理、本层回采不干净、相邻两层开采错距不合适等，均对防治冲击地压不利。

从防治冲击地压的角度而言，璧式开采优于柱式开采，旱采优于水采，直线工作面优于曲线工作面，冒落法优于充填法。

煤柱和开采边界是最主要的应力集中因素，应尽量避免和减少这些因素的有害影响。

　　国内外大量实践表明，冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序（如爆破、冒顶、采煤等）而发生，这些因素称为诱导因素。

诱导因素本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压而释放的能量及其破坏性却很大。

因而，诱导因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。

5冲击地压治理技术

1、开采保护层

控制冲击地压实现的应力条件，是控制煤矿冲击地压发生的关

键。

合理的开采布置和开采方法可以避免形成高应力集中和能量大量积聚，防止冲击地压的发生。

在进行多层开采时，先开采没有冲击危险的煤层（保护层），目

的是解放有冲击危险的煤层，从而降低冲击地压的潜在危险性。

2、煤层注水

煤层预注水的目的是通过水的物理化学作用改变冲击煤层的物

理力学性质，降低煤层的冲击倾向性和应力状态。

3、厚层坚硬顶板预处理

厚层坚硬顶板极易引起冲击地压，目前较为有效的处理方法是顶

板注水软化及爆破断顶。

4、卸压爆破

爆破诱发是在宏观判断存在冲击危险或监测到有冲击危险的情

况下，利用较多药量进行煤层爆破，人为主动诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免被动受冲击地压损害的一种解危措施。

卸压爆破是对具有冲击地压危险的局部区域用爆破方法减缓应

力集中程度的一种解危措施，是主要的措施之一。

5、钻孔卸压是利用钻孔方法消除或减缓冲击地压危险的一种解

危措施。

钻孔卸压的实质是利用高应力条件下煤层中积聚的弹性能来破坏钻孔周围的煤体，使煤层卸压、释放能量，消除冲击危险。

6卸压爆破和卸压钻孔在耿村煤矿的应用

12220工作面掘进期间卸压爆破及卸压钻孔在防治冲击地压中的

应用（以12220下巷卸压工程为例）

6.1工作面概况

（1）煤层情况

该工作面所采煤层为2-3煤，黑色，煤岩成分以亮煤为主，沥青光泽，条带状构造，裂隙被方解石脉充填。

上部煤质较好，下部次之灰分较高，煤层结构复杂，含夹矸3～5层，均为泥岩，不稳定，累厚0.5～2米，其标志不明显，煤层厚度平均为14.5米。

（2）顶板情况

上部为泥岩，砂质泥岩，细粒砂岩。

下部为灰色、深灰色细砂岩。

底部夹有薄层黑灰色粉砂岩，近煤处变为灰黑色、黑色泥岩，中夹煤线含植物化石碎片。

（3）底板情况

上部为煤矸互叠层，灰褐色易碎镜面发育，下面为细砂岩粉砂岩互层，灰色灰黑色局部含煤屑。

（4）地质构造

该工作面地质构造条件简单，煤层整体呈一向南东倾斜的单斜构造，但煤层结构较复杂，层理紊乱，煤层酥软，掘进过程中揭露一条逆断层F16，倾角35o～71o倾向210o，对工作面初采有一定影响。

（5）工作面位置及参数

12220工作面上下巷位于西二采区西翼，2-3煤轨道下山西侧，其上部的1-2煤均已回采完毕，该面北临已回采的（2-3）12200工作面下巷，二者隔一个6m宽的煤柱，西至耿杨矿区边界断层，南部为未开采的2-3煤实体。

上巷标高+184～+188m，下巷标高+144～+155m，地面标高：

＋620～＋651m，平均采深近500m。

走向长度933m，倾斜长192m，煤层倾角8°～12°。

6.2卸压工程实施

下巷掘进期间巷道正头利用深孔卸压爆破卸压，上帮利用深孔卸压爆破、大直径钻孔联合卸压，下帮利用深孔卸压爆破、大直径钻孔联合卸压。

（一）掘进正头深孔卸压爆破

1、爆破孔布置：

迎头布置爆破孔3个，呈正三角布置，孔深均为20m。

下面2个水平剖面呈扇形，与巷道掘进方向的夹角为30，孔口距底板1.0～1.5m，距上、下帮各1.0m；上面1孔位于巷道断面上部，沿巷道方向向上+30钻进，孔口距底板1.5～2.0m。

掘进正头深孔卸压爆破后用钻屑法进行检验，眼深12m，检验范围4-12m，临界值暂定5kg并根据动力监测情况及时修正优化，无冲危险后可掘进10m，以此循环。

2、钻机采用手持式气动钻机，钻孔采用Φ76mm钻头、Φ69mm钻杆。

20m深孔每孔装被筒炸药4节（7.2kg），装药长度2.4m，两发毫秒电雷管（靠炮眼口、眼中各一个）正向装药，封孔时先用6节水泡泥封填，再用水泥药卷封孔，水泥封孔长度不小于6.5m（26节），其余部分用黄土泥封填（大于3m）。

3、深钻孔里面的引药使用短脚线雷管，用角质线接线引出，每个接头必须连接牢靠，并用绝缘胶布包扎。

4、装药前用钻杆将钻孔内煤粉掏净，防止隔爆。

（二）巷道两帮卸压爆破

1、爆破孔布置：

巷道两帮爆破孔间距3m，深度20m，滞后掘进正头不大于15m。

2、钻机采用手持式气动钻机，钻孔采用Φ76mm钻头、Φ69mm钻杆。

20m深孔每孔装被筒炸药4节（7.2kg），装药长度为2.4m，两发毫秒电雷管（靠炮眼口、眼中各一个）正向装药，封孔时先用6节水泡泥封填，再用水泥药卷封孔，水泥封孔长度不小于6.5m（26节），其余部分用黄土泥封填（大于3m）。

3、深钻孔里面的引药使用短脚线雷管，用角质线接线引出，每个接头必须连接牢靠，并用绝缘胶布包扎。

4、装药前用钻杆将钻孔内煤粉掏净，防止隔爆。

5、一次起爆孔数最多不超过4个。

（三）巷道两帮卸压钻孔

在巷道上下帮每1.0～1.5米施工1个深30m（过断层时，孔深加大至45m，孔间距严格按1.0m执行）、孔径125mm的大直径卸压钻孔，用黄泥封孔（大于2m）。

7结语

目前，冲击地压危害已经成为煤矿开采特别是深部开采矿井的主要灾害，严重威胁煤矿的安全生产。

因冲击地压发生机理的复杂性，世界范围内的冲击地压问题还没有得到解决，冲击地压发生机理的研究进展仍然缓慢。

因此，进一步从理论和实践两方面对冲击地压问题加强研究，以减少冲击地压的发生及最大限度的降低冲击地压带来的损失是摆在我们面前刻不容缓的任务。