矿井深部开采冲击地压研究与防治

杨涛

【 摘要】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。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，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。

【关键词】冲击地压、深部矿井、研究与防治

一、前言

随着吕家坨煤矿开采深度的增加，以及开采条件越来越复杂，该矿工作面面临的冲击地压带来的威胁越来越大，必须及早引起重视。冲击地压会造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道破坏等，冲击地压还会引发或可能引发其他灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等。近年来，国内外许多学者和煤矿技术人员从冲击地压的发生机理、危险性预测等方面进行了卓有成效的研究，并提出了许多行之有效的冲击地压预防措施。本文结合现场的实际情况，提出了吕家坨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。

二、概况

吕家坨矿井设计生产能力300万t/a，主采7、8、9、12号煤层。采掘工作面主要布置在大巷东西两翼，其中四采外5476Yd工作面埋深约-800m，为该矿井埋深5水平的回采工作面，工作面全长约1000m，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。

三、冲击矿压发生的地质影响因素

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。而吕家坨矿四采外5476Yd工作面开采深度达-800m，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、煤层冲击性

根据试验结果，四采外煤层的上、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。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）。对于四采外5476Yd工作面全煤巷道而言，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。

3、顶板岩层结构

吕家坨矿四采外5476Yd工作面相关参数：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，吕家坨矿7煤层5476Yd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。

四、冲击矿压发生的开采技术因素

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。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。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。由于吕家坨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。

2、回采扰动

研究表明，5476Yd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。

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巖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。

五、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。

六、结束语

近年来我国的煤矿的深度开采工作正在逐年的加强，深部开采冲击地压作为开采过程中一种常见的自然灾害，已经引起了国内外专家的高度重视。对冲击地压这一典型的开采灾害，应从生产条件、影响因素、预测技术以及防止措施等方面加以深入的研究，尽量减少或是避免冲击地压的发生，为煤矿深部开采工作营造一个安全、稳定的开采环境，促进我国煤矿开采事业的安全发展。

参考文献：

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