深部开采冲击矿压的机理分析及防治对策

李冀+雷武林

摘 要：针对某矿深部开采冲击矿压日益凸显，严重威胁正常生产机工人人身安全的现状，极有必要开展针对性的研究工作，以把握冲击矿压显现的形成机制及关键影响因素，对当前重点工作面的安全状态做出危险区域、危险程度的评价，采用科学手段进行解危、防护，最终实现矿井的正常采掘接替，保障安全高效。结合现场的实际情况，提出该矿冲击矿压的防治措施，扭转了该矿冲击地压不可防、不可控的被动管理局面，有效地保护了职工的生命安全，最大限度降低了财产损失，有力地保障了矿井的安全生产。

关键词：冲击矿压；深部矿井；综合防治；治理

引言

冲击矿压是矿井巷道和采场周围煤岩体由于变形能的释放而产生以突然、急剧、猛烈破坏为特征的特殊的矿山压力现象[1]。显然，冲击矿压是威胁矿山开采安全的一大隐患，直接威胁着煤矿的生产和人员及财产的安全，并随开采深度的增加，此类灾害有加重的趋势。因此，揭示煤层开采后采场出现强烈矿山压力显现的形成机制，采取有效措施弱化和控制矿山压力显现强度，对矿井安全采煤具有十分深远的意义[2-3]。

1 概况

该矿井设计生产能力500万t/a，主采4号煤层。采掘工作面主要布置在大巷南北两翼，其中，首采工作面埋深约640m，为该矿井埋深最大的回采工作面，工作面全长约1500m，倾向约170m，两侧均为双巷布置。该工作面回采巷道掘进期间，“煤炮”频繁发生，响声巨大、煤尘飞扬，多次造成巷道迎头及已支护段出现大面积顶板瞬间下沉或切顶，下沉量可达300-700mm，厚度达2000mm的支护体整体冒落，顶板锚索频繁破断，局部显著底臌，严重时期甚至导致皮带架、掘进机发生显著位移。由于巷道动力显现强烈，导致已掘巷道围岩破坏严重，无法继续正常作业，迫使将精力集中于巷道的扩修、维护，部分区段反复扩修2-3次仍无法抵抗“煤炮”的冲击作用而再次破坏，繁重的扩修工程严重制约了矿井的采掘接替。鉴于该矿冲击矿压的高危险性，研究其发生规律与治理方法， 是一个非常重要的课题。

2 冲击矿压发生的地质影响因素

2.1 开采深度

研究表明，从500m开始，随着开采深度的增加，冲击地压的危险性急剧增长。而该矿首采区开采深度达640m，掘进巷道期间就多次发生“煤炮”、顶板急剧下沉等典型动力现象。这种现象表明冲击矿压与地应力相关。

2.2 煤层冲击性

根据试验结果，首采区煤层的上、下分层均鉴定为具有强冲击倾向性的煤层。其中上分层煤样的4个冲击倾向性指标：动态破坏时间DT、冲击能量指数KE、弹性能量指数WET和单轴抗压强度Rc等测定值均处于强冲击危险性区间[4]。下分层的4个冲击倾向性指标中，仅有弹性能指数KE为4.45，极为接近强冲击倾向性区间（1.5≤KE<5）。对于首采区全煤巷道而言，巷道顶板、两帮和底板均为具有强冲击倾向性的煤体，在一定应力条件下，巷道四周均具备发生冲击破坏的可能性。当水平构造应力作用为主时，顶底板冲击危险相对严重；当垂直应力过度集中时（如煤柱应力集中），则两帮冲击危险相对严重。

2.3 顶板岩层结构

该矿首采区相关参数：α=3°，割煤厚度3.5m，放煤厚度10m，总采高∑M=13.5m。由周边钻孔柱状图1可知，顶板岩层多为砂岩，从测试数据看，强度处于软弱（f=0～3）至中硬（f=3～6）之间，因此，K取1.4。代入以上参数：

由计算结果可知，该矿4号煤层首采区上分层开采后，采空区煤层上方约34m左右范围内的岩层将由下往上逐层弯曲、断裂、垮落，在顶板悬臂弯曲，直至运移过程中，产生的静、动载荷将对采掘空间周围煤岩体的应力水平和能量积聚水平产生重要影响[6]。

2.4 褶曲构造

根据该矿首采区三维地震勘探资料，该采区整体表现为向南西缓斜的单斜构造。局部地段呈波状起伏，在区内发现了大于5m的褶曲6个。对于动力显现较为显著的4203工作面，其地层整体向NW及NNE方向倾斜，倾角+3°～+9°，一般+5°左右。该4203 工作面内发育两条向斜（A4 和A5）、一条背斜构造A6，如图2所示。由褶曲基本参数可知，该工作面受A4 背斜和A5 向斜影响较大。

3 冲击矿压发生的开采技术因素

3.1 掘进扰动

为考察该矿掘进工作面对冲击地压的影响规律，采用FLAC有限差分软件对掘进工作面围岩应力分布规律进行模拟研究。结果表明：在沿巷道轴向上，垂直应力集中主要集中在掘进迎头前方，且煤层应力变化较顶、底板更为显著，如图3所示。水平应力在掘进迎头前方和后方均有集中现象，但后方应力集中程度显著大于前方，且水平应力峰值处于迎头上方距顶板表面3m处的层位，如图4所示。该矿最大主应力为水平应力，水平应力影响程度显著大于垂直应力影响。巷道掘出后，将一直受到顶底板高水平应力的影响。由于胡家河煤矿工作面顺槽均为全煤巷道，在巷道四周围岩结构及强度相同的条件下，冲击破坏将在顶、底板显现为主[5]。

图3 沿巷道轴向垂直应力分布图

图4 沿巷道轴向垂直应力分布图

3.2 回采扰动

研究表明，工作面回采过程中具有显著的周期来压现象，且具有大、小周期的特点。大周期来压即高位老顶周期来压，来压步距在60m左右，来压期间主要表现为支架工作阻力大幅度增加，安全阀频繁开启，且持续时间较长，约3-5天，影响范围大，平均18m；而在部分大周期来压之间出现了规律性的小周期来压，来压期间同样具有支架工作阻力增大，安全阀开启的现象，但持续时间较短，一般为1-2天，之后压力迅速下降。

（1）冲击地压的发生与顶板周期来压在时间上往往具有密切联系。

（2）在空间上，冲击地压的发生生受超前支承压力的影响显著，冲击地压发生地点和超前支承压力峰值位置有很大的相关性，大部分冲击地压的发生在超前支承压力峰值范围，有少数冲击地压发生在峰值区域外，但仍然与该区域微震活动有关[7]。

3.3 采掘速度

根据回采工作面日推进度的统计，在冲击地压危险工作面，采掘速度与动力显现有非常明显的关系。采掘速度与煤岩体的能量释放有一定关系，采掘速度太快可能造成煤岩体应力和能量不能及时释放而逐渐积累，直至超过其强度极限后以大能量震动事件的形式集中释放，从而诱发冲击地压。工作面推进度的确定应根据工作面的危险期和微震或地音监测进行确定。工作面合理的推进度在不同时期、不同危险区域将有所不同。

4 冲击矿压总体防治对策

针对该矿引起冲击矿压的因素，采取以下针对性防治措施：

（1）成立冲击矿压防冲机构，并制定相应的制度，并负责实施各项解危方案。

（2）采取冲击地压区域性防范措施，提出调整巷道方向，优化接工作面接替顺序，调整巷道布置方式，调整大巷布置层位等适合于现场开采、地质条件的初步方案。

（3）形成冲击地压危险源层次化监测的初步方案：利用微震法对全矿井、利用地音法对重点工作面监测煤岩破裂产生的动载荷。利用应力在线监测、钻屑法抽样检测局部危险区域煤体静载荷。

（4）根据微震、地音、钻屑法等监测数据，分析总结适应该矿的预警预报参数和解危方案。

（5）适当加大采掘工作面间距，适当控制采掘速度，并保证采掘速度的均匀性。

（6）做好采掘工作面的安全防护，实行大件捆扎、小件装箱，限制进入人员人数，穿防冲服、戴防冲帽。

5 结束语

通过以上针对性防治措施的实施，该矿的冲击地压危害程度显著的减轻，冲击地压隐患基本得到了良好的控制，基本未出现大的冲击地压显现，说明上述冲击地压防治对策是科学有效的，它扭转了该矿冲击地压不可防、不可控的被动管理局面，有效地保护了职工的生命安全，最大限度降低了财产损失，有力地保障了矿井的安全生产。

参考文献

[1]李永杰，陈喜恩，王唐龙，等.平煤集团十二矿三水平冲击矿压原因分析及防治对策[J].煤矿安全，2007（4）：33-35.

[2]周英，顾明，李化敏，等.砚北煤矿动力现象的发生及治理[J].矿山压力与顶板管理，2004（2）：91-93.

[3]王国法，李前，赵志礼，等.强矿压冲击工作面巷道冲击倾向性测试与超前支护系统研究[J].山东科技大学学报，2011，30（4）：1-9.

[4]王文婕.煤层冲击倾向性对冲击地压的影响机制研究[D].北京：中国矿业大学，2013.

[5]宋继臣，窦林名，何江，等.峻德煤矿104掘进工作面冲击矿压防治技术[J].煤矿安全与环保，2010，37（5）：49-58.

[6]王慧明.三河尖煤矿冲击矿压的特点及治理[J].矿山压力与顶板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，窦林名，贺虎，等.综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（9）：3920-3927.

作者简介：李冀（1988-），男，陕西安康人，毕业于西安科技大学，工程师，主要从事煤矿生产技术和安全管理工作。

3.3 采掘速度

根据回采工作面日推进度的统计，在冲击地压危险工作面，采掘速度与动力显现有非常明显的关系。采掘速度与煤岩体的能量释放有一定关系，采掘速度太快可能造成煤岩体应力和能量不能及时释放而逐渐积累，直至超过其强度极限后以大能量震动事件的形式集中释放，从而诱发冲击地压。工作面推进度的确定应根据工作面的危险期和微震或地音监测进行确定。工作面合理的推进度在不同时期、不同危险区域将有所不同。

4 冲击矿压总体防治对策

针对该矿引起冲击矿压的因素，采取以下针对性防治措施：

（1）成立冲击矿压防冲机构，并制定相应的制度，并负责实施各项解危方案。

（2）采取冲击地压区域性防范措施，提出调整巷道方向，优化接工作面接替顺序，调整巷道布置方式，调整大巷布置层位等适合于现场开采、地质条件的初步方案。

（3）形成冲击地压危险源层次化监测的初步方案：利用微震法对全矿井、利用地音法对重点工作面监测煤岩破裂产生的动载荷。利用应力在线监测、钻屑法抽样检测局部危险区域煤体静载荷。

（4）根据微震、地音、钻屑法等监测数据，分析总结适应该矿的预警预报参数和解危方案。

（5）适当加大采掘工作面间距，适当控制采掘速度，并保证采掘速度的均匀性。

（6）做好采掘工作面的安全防护，实行大件捆扎、小件装箱，限制进入人员人数，穿防冲服、戴防冲帽。

5 结束语

通过以上针对性防治措施的实施，该矿的冲击地压危害程度显著的减轻，冲击地压隐患基本得到了良好的控制，基本未出现大的冲击地压显现，说明上述冲击地压防治对策是科学有效的，它扭转了该矿冲击地压不可防、不可控的被动管理局面，有效地保护了职工的生命安全，最大限度降低了财产损失，有力地保障了矿井的安全生产。

参考文献

[1]李永杰，陈喜恩，王唐龙，等.平煤集团十二矿三水平冲击矿压原因分析及防治对策[J].煤矿安全，2007（4）：33-35.

[2]周英，顾明，李化敏，等.砚北煤矿动力现象的发生及治理[J].矿山压力与顶板管理，2004（2）：91-93.

[3]王国法，李前，赵志礼，等.强矿压冲击工作面巷道冲击倾向性测试与超前支护系统研究[J].山东科技大学学报，2011，30（4）：1-9.

[4]王文婕.煤层冲击倾向性对冲击地压的影响机制研究[D].北京：中国矿业大学，2013.

[5]宋继臣，窦林名，何江，等.峻德煤矿104掘进工作面冲击矿压防治技术[J].煤矿安全与环保，2010，37（5）：49-58.

[6]王慧明.三河尖煤矿冲击矿压的特点及治理[J].矿山压力与顶板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，窦林名，贺虎，等.综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（9）：3920-3927.

作者简介：李冀（1988-），男，陕西安康人，毕业于西安科技大学，工程师，主要从事煤矿生产技术和安全管理工作。

3.3 采掘速度

根据回采工作面日推进度的统计，在冲击地压危险工作面，采掘速度与动力显现有非常明显的关系。采掘速度与煤岩体的能量释放有一定关系，采掘速度太快可能造成煤岩体应力和能量不能及时释放而逐渐积累，直至超过其强度极限后以大能量震动事件的形式集中释放，从而诱发冲击地压。工作面推进度的确定应根据工作面的危险期和微震或地音监测进行确定。工作面合理的推进度在不同时期、不同危险区域将有所不同。

4 冲击矿压总体防治对策

针对该矿引起冲击矿压的因素，采取以下针对性防治措施：

（1）成立冲击矿压防冲机构，并制定相应的制度，并负责实施各项解危方案。

（2）采取冲击地压区域性防范措施，提出调整巷道方向，优化接工作面接替顺序，调整巷道布置方式，调整大巷布置层位等适合于现场开采、地质条件的初步方案。

（3）形成冲击地压危险源层次化监测的初步方案：利用微震法对全矿井、利用地音法对重点工作面监测煤岩破裂产生的动载荷。利用应力在线监测、钻屑法抽样检测局部危险区域煤体静载荷。

（4）根据微震、地音、钻屑法等监测数据，分析总结适应该矿的预警预报参数和解危方案。

（5）适当加大采掘工作面间距，适当控制采掘速度，并保证采掘速度的均匀性。

（6）做好采掘工作面的安全防护，实行大件捆扎、小件装箱，限制进入人员人数，穿防冲服、戴防冲帽。

5 结束语

通过以上针对性防治措施的实施，该矿的冲击地压危害程度显著的减轻，冲击地压隐患基本得到了良好的控制，基本未出现大的冲击地压显现，说明上述冲击地压防治对策是科学有效的，它扭转了该矿冲击地压不可防、不可控的被动管理局面，有效地保护了职工的生命安全，最大限度降低了财产损失，有力地保障了矿井的安全生产。

参考文献

[1]李永杰，陈喜恩，王唐龙，等.平煤集团十二矿三水平冲击矿压原因分析及防治对策[J].煤矿安全，2007（4）：33-35.

[2]周英，顾明，李化敏，等.砚北煤矿动力现象的发生及治理[J].矿山压力与顶板管理，2004（2）：91-93.

[3]王国法，李前，赵志礼，等.强矿压冲击工作面巷道冲击倾向性测试与超前支护系统研究[J].山东科技大学学报，2011，30（4）：1-9.

[4]王文婕.煤层冲击倾向性对冲击地压的影响机制研究[D].北京：中国矿业大学，2013.

[5]宋继臣，窦林名，何江，等.峻德煤矿104掘进工作面冲击矿压防治技术[J].煤矿安全与环保，2010，37（5）：49-58.

[6]王慧明.三河尖煤矿冲击矿压的特点及治理[J].矿山压力与顶板管理，2004（3）：115-117.

[7]何江，窦林名，贺虎，等.综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（9）：3920-3927.

作者简介：李冀（1988-），男，陕西安康人，毕业于西安科技大学，工程师，主要从事煤矿生产技术和安全管理工作。