煤矿冲击地压发生机理与防治技术研究

陈帅　任邓君

【摘 要】煤矿作为重要的能源来源，加强其安全生产管理具有非常重要的意义。为了实现煤矿的安全生产，加强冲击地压的防治技术研究显得尤为重要。冲击地压属于矿井动力现象，也是矿山压力的一种特殊显现形式，时常会伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象发生。因此，为了保证开采人员的安全和采矿作业的顺利进行，就必须要加强安全管理，做好灾害的防治工作。基于此，文章对煤矿冲击地压发生机理与防治技术进行分析，并提出解决对策，以期能够提供一个借鉴。

【关键词】煤矿冲击地压；发生机理；防治技术

1.煤矿冲击地压的发生机理分析

冲击地压，是矿山井巷和采场周围煤岩体，在受外界扰动失稳时，由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然剧烈震动破坏的动力现象。冲击地压是矿山压力的一种显现形式，其特点是：时间断、速度快、能量大。造成瞬间破坏大，防护难度大等。

1.1开采深度

高家堡煤矿为彬长矿区埋深最大的矿井，设计首采工作面埋深达800m，据调研，临近胡家河煤矿埋深640m，主采4煤层具有强冲击倾向性，投产不久即面临着冲击地压的威胁。高家堡煤矿与胡家河煤矿同属彬长矿区，地质条件类似，且埋深远大于胡家河煤矿，在一盘区开拓大巷掘进过程中，就发生了明显的动力现象。过大的深度会加大煤岩体的荷载，在开采的过程中巷道周围煤岩体要承受过大的压力，一旦压力超过岩体或煤体所能承载的弹性极限，很容易在瞬间发生能量释放，最终发生冲击地压。

1.2地质动力因素

主要包括采深、地质构造及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。总的趋势是随采深增加，冲击危险性增加。高家堡煤矿一盘区存在两处较大范围的凹陷构造（西园凹陷），水平构造应力作用更为显著，对于冲击地压影响较大。断层附近构造应力变化较大，采掘扰动可能带来断层的活化，发生冲击地压的危险也会明显增加。煤层局部含水量大，硬度较大，钻进过程中，排粉困难，易发生卡钻、抱钻、断钻杆等现象，严重制约卸压孔钻进速度。宽缓向斜轴部易于形成冲击地压断裂犹如一个开采边界，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。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。

1.3顶板岩层特点

对于掘进巷道而言，工程尺寸较小，因此直接顶的性质是影响顶板稳定的主要因素。对于回采工作面，在4煤煤层上方300m范围内，厚度超过10m的岩层达到了10层之多，且均为细砂岩与中砂岩顶板，个别为粉砂岩顶板，为冲击地压发生提供力源条件。顶板根据GB/T25217.2-2010规定了煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法，经鉴定，高家堡矿井4煤属于III类，具有强冲击倾向性的煤层；4煤的顶、底板岩层均属于II类，为弱冲击倾向性的顶、底板岩层。

1.4开采及技术因素

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，壁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并下生产过程的某些工序如爆破、冒顶、只煤等而发生。这些因素称为诱导因素，诱导因素本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压的放力作用是可观的。因而，诱導因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。

2.煤矿冲击地压的防治技术

2.1建立健全冲击地压防治责任体系

科学完善的采煤工作，不仅要引进先进的采煤技术，提高生产质量和效率，更重要的是提高安全防范意识，重视专业防冲责任体系的建设。煤矿企业应该根据煤矿开采的实际情况制定相应的防治冲击地压防止责任体系。

2.2煤矿冲击地压预测方法

（1）巷道变形量。在距工作面煤壁50～100m处两顺槽巷道两帮以及顶底部量取初始数值，然后每天进行观测记录。根据观测数据分析巷道变形量的大小，巷道变形报警参数设置为30cm。

（2）矿压在线监测。监测仪器型号及数量：如表1所示：

监测内容：支架的初撑力和支架的工作阻力。

监测测点布置：工作面的矿压监测布置应按常规进行，即三个测区（端头测区和中间基本测区）。

（3）锚杆应力监测。在距工作面煤壁50～80m处，两顺槽巷道两帮及顶部锚杆露头处安装型号为MYJ-30-B锚杆测力计，锚杆测力计最大报警参数设定为80kN，安排专人每天每班进行观测记录，根据观测数据分析巷道两帮及顶部应力情况。

（4）钻屑法。监测孔布置：在两顺槽距工作面煤壁60m范围内布置钻孔，钻孔直径42mm，孔深10m，间距20m，孔距巷底高度为1.2m，单排布置，钻孔方向垂直巷帮与煤层水平，待工作面推进20m后延续上述方案布孔，达到重复检测目的；在工作面煤壁不同煤层处，垂直于煤壁，施工钻屑孔，钻孔直径42mm，孔深10m，工作面每推进2天施工一次（大概5m）检测孔。

检测内容：主要检测每m钻孔的钻屑量，单位kg，另外还需记录卡钻、孔内冲击等钻孔动力现象。如果检测到的煤粉量超过临界指标，或出现卡钻、吸钻、异响等动力现象，应认为煤体处于临界危险状态，必须立即采取解危措施。

钻屑量指标确定：在不受采动影响工作面顺槽在巷帮打眼，距工作面煤壁60m以外，施工5个钻孔，间距10m，钻孔深度10m，孔距巷底高度为1.2m，单排布置，钻孔方向垂直巷帮与煤层水平，记录每孔每m煤粉量，画出正常煤粉量曲线，然后用加权平均法对其进行处理，作为标准煤粉量（正常值），在此基础上，确定矿压危险的煤粉量的临界值，参照表2的规定执行：

应按煤层、采区分别测定煤粉量的临界指标，煤粉量的临界指标通过钻粉率指数来确定（见表2）。

2.3卸压爆破

多级爆破卸压防冲技术包括深孔断顶爆破、底板卸压爆破和煤层爆破3个方面，其中深孔断顶爆破和底板卸压爆破主要是切断力源，使原本可以通过顶板或底板传递来的应力不会再作用在煤层中；煤层卸压爆破主要是使煤层中的应力得以释放和转移，使之不再积聚到足以引发冲击地压的程度。多级卸压技术防冲原理体现在以下3个方面。

1）通过深孔断顶爆破，人为切断顶板，促使采空区顶板冒落，削弱采空区与待采区之间的顶板连续性，减小顶板来压时的强度和冲击性。同时，深孔断顶爆破通过爆破产生的动压“震裂”效应及静压爆生气体的“气楔”作用，改变顶板的力学特性，弱化煤岩力学性质的同时改变高应力区附近的煤岩体结构，使其不具备积聚高应力和储存高弹性变形能量的能力，达到降低应力集中程度，破坏冲击地压发生的应力条件和能量传递条件。

2）在较高的水平构造应力作用下，巷道底板中主承力层产生较大的压缩弯曲变形，内部积聚大量弹性能量，在一定条件下容易发生屈曲破坏，进而诱发冲击地压的发生。沿着巷道方向实施断底爆破，通过振动爆破的方法使巷道底板主承力层中积聚的弹性能得到释放，同时阻隔上覆岩层的高应力通过底板岩层传递到煤层中，破坏水平应力及能量在底板岩层中的连续传递，并降低其再次积聚弹性能的效率，在巷道两帮底角处形成卸压破坏区，使压力升高区向煤体深部转移，从而消除冲击地压发生的条件。

3）煤层卸压爆破防冲实质是从改变冲击地压发生的应力（或者能量）和煤岩物理力学性质2个角度进行冲击地压的防治。煤层卸压爆破一般有煤层松动爆破、煤层卸载爆破和煤层诱发爆破3种形式。煤层松动爆破是指在煤层尚未形成高应力集中或目前不具有冲击危险但预测采煤过程中可能出现冲击危险的区域实施爆破，改变煤体的物理力学性质，从而使煤体的冲击危险性降低，避免煤体中弹性能集聚，防止冲击地压的发生；煤层卸压爆破是指在煤层已形成冲击危险的区域进行爆破，使煤体中的应力集中程度下降，煤体中支承压力峰值位置向煤体深部转移，从而防止冲击地压的发生；诱发爆破是在特殊情况下，对具有较高冲击危险的煤体，利用较多的药量进行爆破，进一步增加煤体中的应力集中程度，人为引发冲击地压，使冲击地压发生在限定的时间和地点，从而避免灾害性较大的冲击地压发生。

2.4大直径卸压钻孔

采用大直径钻孔、爆破、断底综合卸压方式进行卸压解危工作。

在掘进迎头采用大直径钻孔卸压或爆破卸压方式进行超前卸压，并优先采用大直径钻孔卸压方式进行卸压。大直径钻孔卸压时，原则上超前卸压30m，安全掘进20m，留10m卸压保护带。当采用爆破卸压方式进行超前卸压时，原则上卸压15m，安全掘进7m，留8m卸压保护带。

对一盘区所有煤巷迎头、帮部及底板，均采用大直径钻孔进行卸压，钻孔直径不得小于Ф108mm，钻孔间距1.6m。迎头卸压钻孔布置3个，在底板以上1.2-1.6m，垂直于巷道迎头，水平钻孔，间距1.3m，深度16m。帮部卸压钻孔布置在底板以上1.2-1.6m，垂直于巷道幫部，水平钻孔，卸压孔位置滞后迎头不得超过40m。待钻孔施工完毕，验收合格后，采用水泥浆与煤粉混合浆液进行封孔，帮部封孔长度2m，底脚孔封孔长度为0.5m。迎头卸压钻孔部封孔。

2.5组织专门的防冲队伍

科学完善的采煤工作，不仅要引进先进的采煤技术，提高生产质量和效率，更重要的是提高安全防范意识，重视专业防冲人才的培养。煤矿企业应该根据员工的实际情况制定相应的防治冲击地压培训计划，提高他们的综合素质。同时，工程技术人员要加强冲击地压防治技术的研究和应用，加强对现场作业人员的监督和管理，培养安全意识和防范技能，从而通过提高人的素质来减少冲击地压造成的危害。

2.6冲击地压的其他防护措施

防护措施相比较其他的措施具有预见性，具体措施如设备和物料捆绑在棚腿上、设置防护罩防止螺丝崩出、采掘工作面限员管理等，个人防护方面需要戴防冲帽和穿防冲衣，采掘作业中贯穿防冲技术的运用等，通过采取防护措施降低危害程度。深井采掘最容易引发冲击地压，但是目前使用的防治技术还不能明确冲击地压的地点、时间和规模，因此在日常的工作中一定要研究和积累经验，通过不断探索新的防治措施达到防治效果，从而提高煤矿采掘工作的安全性。

结束语

在煤矿中，冲击地压是经常会有的灾害，所以，做好防治工程是非常有必要的。针对冲击地压问题，要做好预警防范，在出现问题是，要针对具体的原因采取相应的解决对策。此外，还应当加强对施工人员的培训工作，提高人员的自身防范意识。

参考文献：

[1]陈鹏，李学龙，陈学习，庞招辉.冲击地压对人体的伤害及防护对策分析[J].华北科技学院学报，2014，08：76-79.

[2]徐德生.煤矿冲击地压防治技术的应用[J].中国高新技术企业，2014，21：35-36.

[3]李孝胜，李凤义.集贤煤矿冲击地压发生机理及治理措施研究[J].煤炭技术，2014，08：19-21.