冲击矿压形成及预测技术研究

朱希平

(同煤集团马道头煤业有限责任公司，山西大同037001）

我国是一个煤炭大国，煤炭是我国最主要的能源，在一次能源消费中占70%以上。近年来，随着国内煤炭事业的不断发展，各行各业对于煤炭资源的需求不断增加，进而促使不少煤炭开采由浅部趋于深部发展，国内现平均开采深度已达650m[1]。煤炭开采这一现状的不断发展，使得不少深部采空区形成，加上上覆岩层的垂直应力、构造应力和其他复杂应力的扰动，增加了矿井冲击地压发生的几率，其主要表现为顶板突出、两帮内挤，更甚至直接引起地表岩层的大面积塌陷，进而严重影响矿区居民的生活，带来较大的生态破坏[2]。因此，如何采取有效合理的开采和预测方式才能从根本上解决实际生产中带来的诸多问题。已达到在开采活动展开的同时，实现真正的文明矿区、和谐稳定的生态环境。

1 冲击矿压成因

煤矿生产过程中诱导冲击矿压发生的因素有多个方面，因此，国内考虑其诱导因素多从矿井开采范围内的地质特性、开采规划和其他非客观性因素[3]。

1.1 开采地质特性

在煤矿实际生产过程中，不同的煤矿其开采地质构造、构造应力和其围岩组成成分虽不尽相同，但矿井冲击矿压的发生的本质并没有这些原因而不同，大多是在人为地开采活动破坏了地下岩层本已经稳定的原岩应力，进而使得地下应力重新进行分配，以达到新的平衡，然而在这个构造应力稳定的过程中，人们所开采的巷道必然在不同程度上受到影响，以至于部分区域发生较为严重的冲击矿压。在生产过程中发现煤岩体内的弹性能W主要由冲击弹性能WT、形变弹性能WL和顶板动态弯曲弹性能WW三部分组成，即：

对于顶板初垮落来压情况下：

顶板周期垮落来压情况下：

在现有公式的基础上，经过实验室科学的分析可以得出：巷道顶板岩性在一定程度上对于诱发冲击矿压事故极为重要，当顶板岩性硬度较为强时，对于能量的集聚极为有利，此时如不能采取有效的泄压方式，则会诱导较为大的冲击矿压发生。此外，煤岩体本身的冲击倾向性、强度和脆性也在一定程度上决定了煤矿冲击矿压发生的可能性。

1.2 开采规划

在实际生产过程中，不少煤矿在开采前期开采规划不足，对冲击矿压认知不清楚，导致国内煤炭事业发展初期发生了诸多由于矿井冲击矿压引起的煤炭事故。在井下巷道开挖初期，原有的应力平衡被破坏，随之而来的就是支承压力的形成，而且主要以切向应力表现，它是诱导煤炭事故的主要原因，因此，如何设计和控制巷道的开挖方式和开挖形式在一定程度上能够减缓其造成的影响，但是单单的考虑巷道开挖形式和成型形式是不能满足正常的生产需要，需要在巷道的开挖速度上加以控制，以保证巷道开挖、支护及成型与支承压力的移动速度形成一定的相关性，保证巷道掘进和成型过程中避开支承压力的强烈作用，并且在适当的时候可以采取必要的人为泄压，以尽量避免诱导矿井冲击矿压的发生；同时，在生产过程中应当尽量避免应力集中区域的产生和应力集中区域的开采活动。

1.3 其他非客观因素

在生产过程中除了我们无法避免的客观因素外，还有许多由于非客观因素造成的煤矿事故，在现实生产过程时有发生由于煤矿监管不严、矿工操作不规范引起的煤矿事故，这其中不乏冲击矿压事故，最为突出的便是在违反开采原则，盲目加快巷道和工作面的掘进速度，使生产区域正处在支承压力危险区域，从而造成不必要的冲击矿压事故[4]。因此，如何建立和完善各种规章制度、如何确保合理地开采方案正常进行也是避免冲击矿压发生的一个重要方面。

2 冲击矿压预测

在煤矿生产过程中防治冲击矿压灾害发生是保障安全生产的前提。冲击矿压的预测主要从冲击矿压可能发生的时间、地点和发生的规模3个方面，其具体方法可以分为人工法和地球物理法2大类。人工法在现场主要采用钻屑法、煤岩体冲击倾向性测定、顶底板围岩压力及位移变形观测法3种方法预测；而地球物理法的预测结果准确性较高，主要靠声发射(AE)及微震技术监测、地应力及煤岩体应力监测和电磁辐射监测技术等[5]。由于冲击矿压的突发性原因，在时间方面想要做出较为准确地预报几乎难以实现，但冲击矿压潜在的发生区域是可以通过现有技术准确预测。在国内大部分生产煤矿中主要采用电磁辐射仪和钻屑法来预测冲击矿压的发生。大量实践数据表明，这2种方法以其简单、实用的优势在煤炭生产中得到了广泛的应用。

2.1 电磁辐射仪监测预报法

掘进巷道或回采空间形成以后，采煤工作面前方的煤岩体内应力平衡被打破，应力处于失稳定状态。煤壁中的煤岩体发生变形或破坏，以达到新的应力平衡状态。在此破坏过程中，煤岩体中的基本微元之间的电引力场也随着发生变化，并以电磁波的形式向外界辐射[6]。研究数据表明，煤岩流变破坏与电磁辐射之间存在一定的相关性。电磁辐射的频率随着应力载荷及煤岩体变形破裂强度的变化而变化；电磁辐射的强度及脉冲数也随着载荷大小的增大而增强。煤炭科学研究总院重庆分院利用这一原理自主研发冲击矿压和煤、瓦斯突出监测仪。其研制的KBD5型电磁辐射仪，操作简便，可以较为精确地检测出煤岩体内7.20～23.00m范围内的煤岩体破裂情况，并支持长时间的动态连续监测。该仪器先后在焦煤集团、神火和神华部分矿井得到了较好的应用，并取得了一定了研究成果。

2.2 钻屑监测预报法

20世纪60年代由德国和苏联的学者提出钻屑法的基本理论并通过试验验证。国内从20世纪70年代才逐步开始钻屑法的现场试验研究。钻屑法主要通过在煤岩体中打直径540～550mm的钻孔，监测钻孔周围岩体向极限应力状态过渡的过程，并监测打钻过程的响声和微冲击的强度升高，钻孔孔径的扩大，钻屑量的异常增多，钻屑粒度的增大现象，当预测有冲击危险地点通过钻屑法测定的煤粉量结果与标准煤粉量的差值超过50%以上时，表明该区域具有较为可能的冲击危险，必须采用必要的卸压处理。

3 结论

煤矿冲击矿压预测强度在中等以上的区域，必须从防冲的角度设计采区内区段工作面的布置及其接替顺序，严禁禁止跳采或同时在一翼同时开采，更不能采用两翼对采的方式；同时，工作面推进速度要尽量保持匀速推进，避免忽快忽慢，采采停停的现象。其中，采用电磁辐射监测和煤粉钻屑法检测能够较为准确地预测冲击矿压发生的可能性。

参考文献：

[1] 窦林名，赵从国，杨思光.煤矿开采冲击矿压灾害防治[D].中国矿业大学，2006.

[2] 张银亮.跃进矿采煤面下巷冲击地压的形成及防治技术[J].煤炭工程，2007（10）.

[3] 王卫军，李树清，欧阳广斌.深井煤层巷道围岩控制技术及实验研究[J].岩石力学与工程学报，2006,25(10)：2102-2107.

[4] 窦林名，何学秋，王恩元.冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用[J].煤炭学报，2004（4）.

[5] 张万斌，王淑坤，腾学军.我国冲击地压研究与防治的进展[J].煤炭学报，1992，17(2)：29-35.

[6] 李青锋，周泽，朱川曲.采动压力对锚杆支护结构渐进损伤的数值模拟和实验研究[J].采矿与安全工程学报，2015，32（6）：950-954.