李冀+雷武林

摘 要：針對(duì)某礦深部開(kāi)采沖擊礦壓日益凸顯，嚴(yán)重威脅正常生產(chǎn)機(jī)工人人身安全的現(xiàn)狀，極有必要開(kāi)展針對(duì)性的研究工作，以把握沖擊礦壓顯現(xiàn)的形成機(jī)制及關(guān)鍵影響因素，對(duì)當(dāng)前重點(diǎn)工作面的安全狀態(tài)做出危險(xiǎn)區(qū)域、危險(xiǎn)程度的評(píng)價(jià)，采用科學(xué)手段進(jìn)行解危、防護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)礦井的正常采掘接替，保障安全高效。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提出該礦沖擊礦壓的防治措施，扭轉(zhuǎn)了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動(dòng)管理局面，有效地保護(hù)了職工的生命安全，最大限度降低了財(cái)產(chǎn)損失，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：沖擊礦壓；深部礦井；綜合防治；治理

引言

沖擊礦壓是礦井巷道和采場(chǎng)周圍煤巖體由于變形能的釋放而產(chǎn)生以突然、急劇、猛烈破壞為特征的特殊的礦山壓力現(xiàn)象[1]。顯然，沖擊礦壓是威脅礦山開(kāi)采安全的一大隱患，直接威脅著煤礦的生產(chǎn)和人員及財(cái)產(chǎn)的安全，并隨開(kāi)采深度的增加，此類災(zāi)害有加重的趨勢(shì)。因此，揭示煤層開(kāi)采后采場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)烈礦山壓力顯現(xiàn)的形成機(jī)制，采取有效措施弱化和控制礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度，對(duì)礦井安全采煤具有十分深遠(yuǎn)的意義[2-3]。

1 概況

該礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a，主采4號(hào)煤層。采掘工作面主要布置在大巷南北兩翼，其中，首采工作面埋深約640m，為該礦井埋深最大的回采工作面，工作面全長(zhǎng)約1500m，傾向約170m，兩側(cè)均為雙巷布置。該工作面回采巷道掘進(jìn)期間，“煤炮”頻繁發(fā)生，響聲巨大、煤塵飛揚(yáng)，多次造成巷道迎頭及已支護(hù)段出現(xiàn)大面積頂板瞬間下沉或切頂，下沉量可達(dá)300-700mm，厚度達(dá)2000mm的支護(hù)體整體冒落，頂板錨索頻繁破斷，局部顯著底臌，嚴(yán)重時(shí)期甚至導(dǎo)致皮帶架、掘進(jìn)機(jī)發(fā)生顯著位移。由于巷道動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，導(dǎo)致已掘巷道圍巖破壞嚴(yán)重，無(wú)法繼續(xù)正常作業(yè)，迫使將精力集中于巷道的擴(kuò)修、維護(hù)，部分區(qū)段反復(fù)擴(kuò)修2-3次仍無(wú)法抵抗“煤炮”的沖擊作用而再次破壞，繁重的擴(kuò)修工程嚴(yán)重制約了礦井的采掘接替。鑒于該礦沖擊礦壓的高危險(xiǎn)性，研究其發(fā)生規(guī)律與治理方法， 是一個(gè)非常重要的課題。

2 沖擊礦壓發(fā)生的地質(zhì)影響因素

2.1 開(kāi)采深度

研究表明，從500m開(kāi)始，隨著開(kāi)采深度的增加，沖擊地壓的危險(xiǎn)性急劇增長(zhǎng)。而該礦首采區(qū)開(kāi)采深度達(dá)640m，掘進(jìn)巷道期間就多次發(fā)生“煤炮”、頂板急劇下沉等典型動(dòng)力現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表明沖擊礦壓與地應(yīng)力相關(guān)。

2.2 煤層沖擊性

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，首采區(qū)煤層的上、下分層均鑒定為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層。其中上分層煤樣的4個(gè)沖擊傾向性指標(biāo)：動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT、沖擊能量指數(shù)KE、彈性能量指數(shù)WET和單軸抗壓強(qiáng)度Rc等測(cè)定值均處于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性區(qū)間[4]。下分層的4個(gè)沖擊傾向性指標(biāo)中，僅有彈性能指數(shù)KE為4.45，極為接近強(qiáng)沖擊傾向性區(qū)間（1.5≤KE<5）。對(duì)于首采區(qū)全煤巷道而言，巷道頂板、兩幫和底板均為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤體，在一定應(yīng)力條件下，巷道四周均具備發(fā)生沖擊破壞的可能性。當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主時(shí)，頂?shù)装鍥_擊危險(xiǎn)相對(duì)嚴(yán)重；當(dāng)垂直應(yīng)力過(guò)度集中時(shí)（如煤柱應(yīng)力集中），則兩幫沖擊危險(xiǎn)相對(duì)嚴(yán)重。

2.3 頂板巖層結(jié)構(gòu)

該礦首采區(qū)相關(guān)參數(shù)：α=3°，割煤厚度3.5m，放煤厚度10m，總采高∑M=13.5m。由周邊鉆孔柱狀圖1可知，頂板巖層多為砂巖，從測(cè)試數(shù)據(jù)看，強(qiáng)度處于軟弱（f=0～3）至中硬（f=3～6）之間，因此，K取1.4。代入以上參數(shù)：

由計(jì)算結(jié)果可知，該礦4號(hào)煤層首采區(qū)上分層開(kāi)采后，采空區(qū)煤層上方約34m左右范圍內(nèi)的巖層將由下往上逐層彎曲、斷裂、垮落，在頂板懸臂彎曲，直至運(yùn)移過(guò)程中，產(chǎn)生的靜、動(dòng)載荷將對(duì)采掘空間周圍煤巖體的應(yīng)力水平和能量積聚水平產(chǎn)生重要影響[6]。

2.4 褶曲構(gòu)造

根據(jù)該礦首采區(qū)三維地震勘探資料，該采區(qū)整體表現(xiàn)為向南西緩斜的單斜構(gòu)造。局部地段呈波狀起伏，在區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大于5m的褶曲6個(gè)。對(duì)于動(dòng)力顯現(xiàn)較為顯著的4203工作面，其地層整體向NW及NNE方向傾斜，傾角+3°～+9°，一般+5°左右。該4203 工作面內(nèi)發(fā)育兩條向斜（A4 和A5）、一條背斜構(gòu)造A6，如圖2所示。由褶曲基本參數(shù)可知，該工作面受A4 背斜和A5 向斜影響較大。

3 沖擊礦壓發(fā)生的開(kāi)采技術(shù)因素

3.1 掘進(jìn)擾動(dòng)

為考察該礦掘進(jìn)工作面對(duì)沖擊地壓的影響規(guī)律，采用FLAC有限差分軟件對(duì)掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明：在沿巷道軸向上，垂直應(yīng)力集中主要集中在掘進(jìn)迎頭前方，且煤層應(yīng)力變化較頂、底板更為顯著，如圖3所示。水平應(yīng)力在掘進(jìn)迎頭前方和后方均有集中現(xiàn)象，但后方應(yīng)力集中程度顯著大于前方，且水平應(yīng)力峰值處于迎頭上方距頂板表面3m處的層位，如圖4所示。該礦最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，水平應(yīng)力影響程度顯著大于垂直應(yīng)力影響。巷道掘出后，將一直受到頂?shù)装甯咚綉?yīng)力的影響。由于胡家河煤礦工作面順槽均為全煤巷道，在巷道四周圍巖結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度相同的條件下，沖擊破壞將在頂、底板顯現(xiàn)為主[5]。

圖3 沿巷道軸向垂直應(yīng)力分布圖

圖4 沿巷道軸向垂直應(yīng)力分布圖

3.2 回采擾動(dòng)

研究表明，工作面回采過(guò)程中具有顯著的周期來(lái)壓現(xiàn)象，且具有大、小周期的特點(diǎn)。大周期來(lái)壓即高位老頂周期來(lái)壓，來(lái)壓步距在60m左右，來(lái)壓期間主要表現(xiàn)為支架工作阻力大幅度增加，安全閥頻繁開(kāi)啟，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約3-5天，影響范圍大，平均18m；而在部分大周期來(lái)壓之間出現(xiàn)了規(guī)律性的小周期來(lái)壓，來(lái)壓期間同樣具有支架工作阻力增大，安全閥開(kāi)啟的現(xiàn)象，但持續(xù)時(shí)間較短，一般為1-2天，之后壓力迅速下降。

（1）沖擊地壓的發(fā)生與頂板周期來(lái)壓在時(shí)間上往往具有密切聯(lián)系。

（2）在空間上，沖擊地壓的發(fā)生生受超前支承壓力的影響顯著，沖擊地壓發(fā)生地點(diǎn)和超前支承壓力峰值位置有很大的相關(guān)性，大部分沖擊地壓的發(fā)生在超前支承壓力峰值范圍，有少數(shù)沖擊地壓發(fā)生在峰值區(qū)域外，但仍然與該區(qū)域微震活動(dòng)有關(guān)[7]。

3.3 采掘速度

根據(jù)回采工作面日推進(jìn)度的統(tǒng)計(jì)，在沖擊地壓危險(xiǎn)工作面，采掘速度與動(dòng)力顯現(xiàn)有非常明顯的關(guān)系。采掘速度與煤巖體的能量釋放有一定關(guān)系，采掘速度太快可能造成煤巖體應(yīng)力和能量不能及時(shí)釋放而逐漸積累，直至超過(guò)其強(qiáng)度極限后以大能量震動(dòng)事件的形式集中釋放，從而誘發(fā)沖擊地壓。工作面推進(jìn)度的確定應(yīng)根據(jù)工作面的危險(xiǎn)期和微震或地音監(jiān)測(cè)進(jìn)行確定。工作面合理的推進(jìn)度在不同時(shí)期、不同危險(xiǎn)區(qū)域?qū)⒂兴煌?/p>

4 沖擊礦壓總體防治對(duì)策

針對(duì)該礦引起沖擊礦壓的因素，采取以下針對(duì)性防治措施：

（1）成立沖擊礦壓防沖機(jī)構(gòu)，并制定相應(yīng)的制度，并負(fù)責(zé)實(shí)施各項(xiàng)解危方案。

（2）采取沖擊地壓區(qū)域性防范措施，提出調(diào)整巷道方向，優(yōu)化接工作面接替順序，調(diào)整巷道布置方式，調(diào)整大巷布置層位等適合于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采、地質(zhì)條件的初步方案。

（3）形成沖擊地壓危險(xiǎn)源層次化監(jiān)測(cè)的初步方案：利用微震法對(duì)全礦井、利用地音法對(duì)重點(diǎn)工作面監(jiān)測(cè)煤巖破裂產(chǎn)生的動(dòng)載荷。利用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)、鉆屑法抽樣檢測(cè)局部危險(xiǎn)區(qū)域煤體靜載荷。

（4）根據(jù)微震、地音、鉆屑法等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)適應(yīng)該礦的預(yù)警預(yù)報(bào)參數(shù)和解危方案。

（5）適當(dāng)加大采掘工作面間距，適當(dāng)控制采掘速度，并保證采掘速度的均勻性。

（6）做好采掘工作面的安全防護(hù)，實(shí)行大件捆扎、小件裝箱，限制進(jìn)入人員人數(shù)，穿防沖服、戴防沖帽。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上針對(duì)性防治措施的實(shí)施，該礦的沖擊地壓危害程度顯著的減輕，沖擊地壓隱患基本得到了良好的控制，基本未出現(xiàn)大的沖擊地壓顯現(xiàn)，說(shuō)明上述沖擊地壓防治對(duì)策是科學(xué)有效的，它扭轉(zhuǎn)了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動(dòng)管理局面，有效地保護(hù)了職工的生命安全，最大限度降低了財(cái)產(chǎn)損失，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李永杰，陳喜恩，王唐龍，等.平煤集團(tuán)十二礦三水平?jīng)_擊礦壓原因分析及防治對(duì)策[J].煤礦安全，2007（4）：33-35.

[2]周英，顧明，李化敏，等.硯北煤礦動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（2）：91-93.

[3]王國(guó)法，李前，趙志禮，等.強(qiáng)礦壓沖擊工作面巷道沖擊傾向性測(cè)試與超前支護(hù)系統(tǒng)研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（4）：1-9.

[4]王文婕.煤層沖擊傾向性對(duì)沖擊地壓的影響機(jī)制研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013.

[5]宋繼臣，竇林名，何江，等.峻德煤礦104掘進(jìn)工作面沖擊礦壓防治技術(shù)[J].煤礦安全與環(huán)保，2010，37（5）：49-58.

[6]王慧明.三河尖煤礦沖擊礦壓的特點(diǎn)及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，竇林名，賀虎，等.綜放面覆巖運(yùn)動(dòng)誘發(fā)沖擊礦壓機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（9）：3920-3927.

作者簡(jiǎn)介：李冀（1988-），男，陜西安康人，畢業(yè)于西安科技大學(xué)，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)和安全管理工作。

3.3 采掘速度

根據(jù)回采工作面日推進(jìn)度的統(tǒng)計(jì)，在沖擊地壓危險(xiǎn)工作面，采掘速度與動(dòng)力顯現(xiàn)有非常明顯的關(guān)系。采掘速度與煤巖體的能量釋放有一定關(guān)系，采掘速度太快可能造成煤巖體應(yīng)力和能量不能及時(shí)釋放而逐漸積累，直至超過(guò)其強(qiáng)度極限后以大能量震動(dòng)事件的形式集中釋放，從而誘發(fā)沖擊地壓。工作面推進(jìn)度的確定應(yīng)根據(jù)工作面的危險(xiǎn)期和微震或地音監(jiān)測(cè)進(jìn)行確定。工作面合理的推進(jìn)度在不同時(shí)期、不同危險(xiǎn)區(qū)域?qū)⒂兴煌?/p>

4 沖擊礦壓總體防治對(duì)策

針對(duì)該礦引起沖擊礦壓的因素，采取以下針對(duì)性防治措施：

（1）成立沖擊礦壓防沖機(jī)構(gòu)，并制定相應(yīng)的制度，并負(fù)責(zé)實(shí)施各項(xiàng)解危方案。

（2）采取沖擊地壓區(qū)域性防范措施，提出調(diào)整巷道方向，優(yōu)化接工作面接替順序，調(diào)整巷道布置方式，調(diào)整大巷布置層位等適合于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采、地質(zhì)條件的初步方案。

（3）形成沖擊地壓危險(xiǎn)源層次化監(jiān)測(cè)的初步方案：利用微震法對(duì)全礦井、利用地音法對(duì)重點(diǎn)工作面監(jiān)測(cè)煤巖破裂產(chǎn)生的動(dòng)載荷。利用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)、鉆屑法抽樣檢測(cè)局部危險(xiǎn)區(qū)域煤體靜載荷。

（4）根據(jù)微震、地音、鉆屑法等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)適應(yīng)該礦的預(yù)警預(yù)報(bào)參數(shù)和解危方案。

（5）適當(dāng)加大采掘工作面間距，適當(dāng)控制采掘速度，并保證采掘速度的均勻性。

（6）做好采掘工作面的安全防護(hù)，實(shí)行大件捆扎、小件裝箱，限制進(jìn)入人員人數(shù)，穿防沖服、戴防沖帽。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上針對(duì)性防治措施的實(shí)施，該礦的沖擊地壓危害程度顯著的減輕，沖擊地壓隱患基本得到了良好的控制，基本未出現(xiàn)大的沖擊地壓顯現(xiàn)，說(shuō)明上述沖擊地壓防治對(duì)策是科學(xué)有效的，它扭轉(zhuǎn)了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動(dòng)管理局面，有效地保護(hù)了職工的生命安全，最大限度降低了財(cái)產(chǎn)損失，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[6]王慧明.三河尖煤礦沖擊礦壓的特點(diǎn)及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，竇林名，賀虎，等.綜放面覆巖運(yùn)動(dòng)誘發(fā)沖擊礦壓機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（9）：3920-3927.

作者簡(jiǎn)介：李冀（1988-），男，陜西安康人，畢業(yè)于西安科技大學(xué)，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)和安全管理工作。

3.3 采掘速度

根據(jù)回采工作面日推進(jìn)度的統(tǒng)計(jì)，在沖擊地壓危險(xiǎn)工作面，采掘速度與動(dòng)力顯現(xiàn)有非常明顯的關(guān)系。采掘速度與煤巖體的能量釋放有一定關(guān)系，采掘速度太快可能造成煤巖體應(yīng)力和能量不能及時(shí)釋放而逐漸積累，直至超過(guò)其強(qiáng)度極限后以大能量震動(dòng)事件的形式集中釋放，從而誘發(fā)沖擊地壓。工作面推進(jìn)度的確定應(yīng)根據(jù)工作面的危險(xiǎn)期和微震或地音監(jiān)測(cè)進(jìn)行確定。工作面合理的推進(jìn)度在不同時(shí)期、不同危險(xiǎn)區(qū)域?qū)⒂兴煌?/p>

4 沖擊礦壓總體防治對(duì)策

針對(duì)該礦引起沖擊礦壓的因素，采取以下針對(duì)性防治措施：

（1）成立沖擊礦壓防沖機(jī)構(gòu)，并制定相應(yīng)的制度，并負(fù)責(zé)實(shí)施各項(xiàng)解危方案。

（2）采取沖擊地壓區(qū)域性防范措施，提出調(diào)整巷道方向，優(yōu)化接工作面接替順序，調(diào)整巷道布置方式，調(diào)整大巷布置層位等適合于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采、地質(zhì)條件的初步方案。

（3）形成沖擊地壓危險(xiǎn)源層次化監(jiān)測(cè)的初步方案：利用微震法對(duì)全礦井、利用地音法對(duì)重點(diǎn)工作面監(jiān)測(cè)煤巖破裂產(chǎn)生的動(dòng)載荷。利用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)、鉆屑法抽樣檢測(cè)局部危險(xiǎn)區(qū)域煤體靜載荷。

（4）根據(jù)微震、地音、鉆屑法等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)適應(yīng)該礦的預(yù)警預(yù)報(bào)參數(shù)和解危方案。

（5）適當(dāng)加大采掘工作面間距，適當(dāng)控制采掘速度，并保證采掘速度的均勻性。

（6）做好采掘工作面的安全防護(hù)，實(shí)行大件捆扎、小件裝箱，限制進(jìn)入人員人數(shù)，穿防沖服、戴防沖帽。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上針對(duì)性防治措施的實(shí)施，該礦的沖擊地壓危害程度顯著的減輕，沖擊地壓隱患基本得到了良好的控制，基本未出現(xiàn)大的沖擊地壓顯現(xiàn)，說(shuō)明上述沖擊地壓防治對(duì)策是科學(xué)有效的，它扭轉(zhuǎn)了該礦沖擊地壓不可防、不可控的被動(dòng)管理局面，有效地保護(hù)了職工的生命安全，最大限度降低了財(cái)產(chǎn)損失，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[4]王文婕.煤層沖擊傾向性對(duì)沖擊地壓的影響機(jī)制研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013.

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[6]王慧明.三河尖煤礦沖擊礦壓的特點(diǎn)及治理[J].礦山壓力與頂板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，竇林名，賀虎，等.綜放面覆巖運(yùn)動(dòng)誘發(fā)沖擊礦壓機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（9）：3920-3927.

作者簡(jiǎn)介：李冀（1988-），男，陜西安康人，畢業(yè)于西安科技大學(xué)，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)和安全管理工作。