大同忻州窑矿冲击地压成因分析与防治措施探讨

乔元栋，徐青云

（山西大同大学工学院，山西大同 037003）

大同忻州窑矿冲击地压成因分析与防治措施探讨

乔元栋，徐青云

（山西大同大学工学院，山西大同 037003）

针对大同忻州窑煤矿多次发生冲击地压严重影响煤矿安全生产的问题，分析了冲击地压形成的原因与影响因素.提出忻州窑矿冲击地压主要是由构造应力和采动应力叠加，及上层煤柱和煤厚是导致冲击地压发生的重要原因，为防治矿井冲击地压灾害提供了依据.

冲击地压 构造应力 坚硬顶版 煤厚变化 防治措施

1 概况

冲击矿压又称岩爆，属矿井动力现象，是影响煤矿安全生产的重大灾害之一.通常是指井巷或工作面周围岩体，由于系统达到极限强度，积聚的变形能突然猛烈的释放，从而造成巷道内支架折损，片帮冒顶，甚至巨大的气浪将煤岩体被抛向采掘空间，伤及人员、设备等[1-3].

忻州窑矿位于大同煤田东北端，大同市南75°西，直线距离17.5 km.井田位于大同煤田向斜东翼的东北部，煤层为侏罗纪大同组，井田内断层大约280余条，其中有8条落差3.2～18.7 m的正断层.忻州窑矿是一个冲击地压灾害多发矿井,近年来,随着开采深度、范围的不断扩展,冲击地压灾害日趋严重.自1981年10月至94年,忻州窑矿已先后发生过35次冲击地压,破坏巷道2 635 m,造成3人死亡,9人重伤,多人轻伤的事故,严重影响了安全生产的正常进行.仅2005年前两季度,共发生冲击地压22次,破坏巷道2 500 m左右,造成两人死亡,多人受伤.

2 忻州窑矿冲击地压成因分析

由于忻州窑矿井所处的地质条件特殊,导致该矿冲击地压频繁发生,经过分析和探讨,引发冲击地压的主要因素为煤层冲击危险性、地质因素和开采技术条件等密切相关,分述如下：

2.1 煤的冲击倾向性

煤的冲击倾向性是指煤体具有的积聚变形能并产生冲击破坏的性质,是煤体所具有的一种内在力学属性.煤体自身的冲击倾向性强弱是煤层冲击危险性影响因素之一.目前在我国国内常用的指标主要有：弹性能指标WET、冲击能指标WCF和动态破坏时间DT[4].忻州窑煤矿对9＃,10＃,11＃号煤层的冲击倾向性进行了研究,试验结果如表1所示.

表1 忻州窑矿煤层冲击倾向性

由试验结果可知,忻州窑矿煤层本身具有较强的弹性,表现为脆性破坏,属中等以上冲击倾向煤层.

2.2 地质因素

煤层冲击危险性与开采深度、煤岩自身物理力学性质、结构、顶板岩层厚度、顶板来压的时空特征、断层等地质构造等因素有关.

2.2.1 煤层采深

冲击地压发生的能量为煤层和岩层内积聚的应变能之和,煤体中单位体积内积聚的弹性能,由体积应变能和形变能两部分组成[5]：

式中：u为泊松比；E为弹性模量；γ为煤层上覆岩层的容重；H为开采深度；G为剪切弹性模量.

由式（1）可知,随着开采深度的增加,煤岩体内积聚的能量在增加,且冲击地压发生时释放的动能与采深的平方成正比.因此,开采深度的增加必然会导致冲击地压发生的频率和强度的增加.忻州窑煤矿开采深度正在以每年平均10～15 m的速度向深部增加,目前的开采深度为550多米.深部开采将会遇到上覆岩层所引起的矿山压力的严重干扰,冲击地压的危险性也随着开采深度的增加而增加.

2.2.2 厚层坚硬老顶

根据前苏联阿维尔申的观点,煤层内的弹性能是由体变弹性能、形变弹性能和顶板弯曲弹性能三部分组成,而顶板弯曲弹性能在顶板初次来压和周期来压时,分别为：

式中：q为顶板及上覆岩层附加载荷的单位长度载荷；L为顶板来压步距；E为顶板岩层弹性模量；J为顶板断面惯矩.

从公式（2）和（3）可知,顶板弯曲弹性能与顶板来压步距的5次方成正比,因此,来压步距越大,聚集能量也越多.同时,顶板岩层越厚,聚集的弹性能越多.

顶板岩层厚度的影响程度可以用顶板岩层厚度特征参数来表示.定义砂岩的强度系数和弱面系数为1.0[6],顶板岩层厚度特征参数定义为：

式中：hi为顶板在100 m范围内第i种岩层的总厚度；ri为所给岩层的弱面递减系数.

忻州窑矿井发生冲击地压的统计分析结果,冲击地压发生在具有坚硬顶板岩层的顶板条件下时,顶板岩层参数值为Lst≥50.而忻州窑矿井煤层上方100m范围内的岩层,其中主要是砂岩层,这使冲击地压产生的可能性增大.

2.2.3 构造应力引起冲击地压

在断层和向斜轴附近是发生冲击地压的相对集中区,主要原因是在煤体中形成的残余构造应力.忻州窑矿井位于大同煤田向斜东翼的东北部,井田呈一对称向斜构造,向斜轴位于井田中部,向斜两翼岩层有波状起伏,形成平缓的低次序褶曲.在向斜轴的两侧,伴生一系列正断层,形成一宽约500 m的构造断裂带,井田内现已揭露大小断层280条以上.

忻州窑矿发生的60多次冲击地压的位置,全部位于忻州窑向斜西翼的小向斜内.而该向斜正好处于构造应力升高区,加上开采引起的集中应力,两者相互叠加以后的应力值远远超过了煤的抗压强度,煤层失去了原有的平衡,变形能量会瞬间释放,进而形成了冲击地压.因此,高构造应力和采动引起的集中应力是形成忻州窑矿冲击地压的一个重要因素.

2.3 开采技术条件

煤层冲击危险性也与采掘顺序、采煤方法、巷道布置、煤柱留设等开采因素有关.

2.3.1 上层残留煤柱应力集中

忻州窑矿煤层间距为11 m～22 m的近距离煤层.实践表明,当煤层间距小于40 m时,开采上分层所引起的集中应力,对下分层巷道的稳定性产生严重的影响.随着上分层工作面的推进,工作面前方的应力不断的升高,此时工作面顶板压力明显增大,处于应力集中范围内的巷道会明显地出现下沉、片帮、裂隙和顶板离层现象.近距煤层上层残留煤柱所引起的集中压力,是下层煤体产生冲击地压的又一重要因素.

2.3.2 邻空古塘煤柱产生的应力集中

经过实地分析,回采工作面冲击地压,绝大部分发生在工作面与邻空顺槽交接处往外65 m之间的巷道内.试验表明,回采工作面与邻空古塘隔离煤柱小于20 m时,邻空古塘煤柱产生的应力会加大,当应力值超过煤层的强度极限时,煤岩体内积聚的弹性能会猛烈的释放出来,进而引发冲击地压.

3 忻州窑矿冲击地压防治措施

只要采取合理的预防措施,冲击地压的发生率可以降低甚至可以避免发生.根据忻州窑冲击地压的成因,采用以下措施进行预防和治理：

3.1 优化盘区设计、合理巷道布置

冲击地压的形成本质是由于应力超过煤岩体的强度形成的.因此,应优化盘区设计,选择合理的开拓方式、巷道布置方式、开采顺序、推进方向和煤柱留设.

1)盘区内新开煤层必须进行煤岩层地质力学测试,根据测试结果进行巷道布置设计,主要巷道布置方向尽量与最大主应力方向平行,尽量避开高应力集中区.

2)有回采巷道应尽可能避开支承压力峰值范围,采用宽巷掘进,少用或不用双巷或多巷同时平行掘进.

3)选择合理的开采顺序,盘区开采必须坚持后退式开采,严禁跳采；生产盘区为双翼布置的,严禁两个工作面同时相向开采；近距离煤层下层煤开采时,应至少间隔1年以上.

4)在地质构造等特殊部位应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序.即在向斜和背斜构造区,应从轴部开始回采,在构造盆地应从盆底开始回采,在有断层和采空区的条件下应从采用断层或采空区开始回采的开采程序.

3.2 开采冲击地压煤层

1)开采冲击地压煤层,必须编制专门措施,如工作面煤层注水设计、卸压孔及卸压爆破孔设计等,并将防治冲击地压的安全技术措施编入采掘作业规程中.

2)有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道,永久峒室,主要上（下）山,主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中,以利于维护和减小冲击危险.

3)开采有冲击危险的煤层,应采用全部垮落法管理顶板的长壁开采法.工作面注水应于开采前一个月进行煤层预注水.

4)加强巷道支护,盘区巷道和回采顺槽的支护要具备防冲抗冲能力.

3.3 加强监测与预报

研究表明[7],煤岩在压缩变形的过程中会不断向外辐射电磁波,如图1所示.并且,电磁辐射比声发射对破坏过程更为敏感.

图1 煤岩破坏过程中原始信号

煤炭科学研究总院重庆分院和和中国矿业大学利用这一原理研制了冲击矿压和煤、瓦斯突出监测仪.该仪器先后在焦作矿务局、平顶山矿务局、邢台矿务局、徐州矿务局和新汶矿务局等应用,取得了较明显的效果.如图2为KBD5型电磁辐射仪监测仪布置方式.

图2 回采工作面或巷道电磁辐射监测

忻州窑煤矿于2005年5月购买了电磁辐射仪,并对有冲击危险的工作面和掘进面进行了观测. 8518回风巷掘进期间曾发生多次冲击矿压事故.为此,2005年11月份在8518回风巷进行了长时间的电磁辐射监测,监测结果如图3所示.

图3 采取防治措施前后电磁辐射幅值变化

从图中可以看出,工作面回风巷11月3～26日电磁辐射强度值偏大,脉冲数较高,同时在该段电磁辐射强度和脉冲数呈现出明显的大小交替变化的规律性.这充分反应出煤岩体在高应力作用下的变形破坏规律,即深部煤岩体能量聚集、转移和释放的过程,同时也说明巷道该段存在有冲击危险性[8].

3.4 布置卸压孔

从1986年开始,先后在东二采区9＃,10＃,11＃, 12＃煤层,对有冲压地压危险的工作面巷道煤柱采取了施工卸压孔的方法,消除冲击地击危险,解决了忻州窑矿冲击地压问题,实现了安全生产.

3.5 煤层注水

为了防治冲击地压的发生,忻州窑煤矿采取了煤层注水措施,并取得了较好的效果.综采队组负责具体注水工作并要求采用动压注水,由防尘区进行技术指导和注水效果检验,必要时进行底板注水,以降低和减缓煤层的冲击危险程度.打钻注水超前工作面作业50 m进行施工.煤层注水后总含水率不小于4%.注水孔布置形式应有利于煤层均匀湿润.

4 结论

忻州窑煤矿冲击矿压形成的主要原因是,厚层坚硬顶板大面积悬顶和断层附近残余构造力的影响.因此,防止冲击矿压时一方面可以向煤层内注水,降低煤层的冲击倾向和改变煤体的力学性质,另一方面,可以采取松动爆破卸压措施,将大面积顶板悬顶的能量提前释放出来,从而降低冲击地压发生的可能性.此外,大直径卸压措施可以在每一个钻孔周围形成一定范围的破碎区.当这些破碎区相互贯通后,形成一个较大的松动区释放能量,从而消除或减缓煤岩体冲击危险性.现场实践表明,煤层注水、大直径卸压和深孔预爆破均取得了良好的效果.

[1]赵本均.冲击地压及其防治[M].北京:煤炭工业出版社,1995.

[2]邹德蕴,姜福兴.煤岩体中储存能量与冲击地压孕育机理及预测方法的研究[J].煤炭学报,2004(4):159-163.

[3]金立平.冲击地压的发生条件及预测方法的研究[D].重庆：重庆大学,1992:2-28.

[4]陈轶平.综采工作面超前支护支承压力观测与分析;山西大同大学学报:自然科学版.2009,25(3):63-65.

[5]章梦涛.我国冲击地压的预测和防治[J].辽宁工程技术大学学报,2001,20(4):434-435.

[6]姚精明,窦林名.巷道冲击矿压的锚杆支护机理及实践[J].煤炭科学技术,2004(4):10-13.

[7]窦林名,何学秋.冲击地压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[8]杨小彬.矿震与天然地震相关性的研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2002.

The Study of Coal Burst Causes in Xin Zhouyao Coalm ine and Prevention M easures

Q IAO Yuan－dong，X U Qing－yun
（School of Engineering,ShanxiDatong University,Datong Shanxi，037003）

Analyse the formation reason of rockburst and the effection for the problem ofXinzhouyao coalmine where rockbust have seriously effected the coalmine security.Offer that important reason for rockburst ismainly because of the nestification of thetectonic stress，mine pressure，upper bed coalwedge and coal heightand get the basis of guarding themine rockburst.

rock burst；tectonic stress；hard roof；modification of coal height；preventionmeasures

TD 324.2

A

〔编辑 石白云〕

1674-0874(2010)04-0071-04

2010-04-21

乔元栋（1978-），男，山西浑源人，硕士，讲师.研究方向：煤矿开采与矿山压力.