煤矿冲击矿压预测和防治技术浅析

李建文

(西山煤电(集团)镇城底煤矿，山西 太原 030203)

0 引言

当工作面周围煤岩体长期处于较高应力的状况下，周围的煤岩体聚集着大量的能量，长期累积下去就会很快达到煤岩体承受应力的极限，造成煤岩体中的能量突然释放，就如同爆炸一样，将煤岩抛入工作面中并同时会发出巨大的响声。响声还很可能引起周围的煤岩体发生共振，从而引发工作面的破坏和人员的损伤。根据岩爆发生机理，从岩爆地质和开采技术条件出发，通过量化各种地质因素和开采技术条件，确定岩爆发生的危险性，主要有地球动力学区划方法、综合指数法、模糊数学方法和量化理论等方法[1]。其中，综合指数法具有区域性和局部性的特点，主要考虑冲击矿压发生的情况、开采深度、地质构造、坚硬顶板、顶板厚度特征参数、煤的冲击倾向性、煤的强度等7个因素，并通过量化分析进行危险性评级。

1 冲击矿压预测

1.1 危险性等级评价

冲击矿压的发生是煤与岩石在静态和动态载荷双重作用下的动态破坏，这是由于煤岩体极度不均匀导致的，煤岩体的这种不均匀性导致力在传导过程中逐渐减弱，受煤矿的地质条件、开采和技术条件、开采深度等诸多因素影响。冲击矿压的防治首先要根据监测出的结果进行危险性的评估，然后根据评估等级进行相对应的防治措施处理。常见的危险性等级评价包括4级。

A级：工作面无冲击危险，未发生冲击现象。

B级：工作面存在冲击危险，小煤爆不断，但是没有巷道底板向上隆起的现象。

C级：工作面存在冲击危险，煤爆频繁出现，底板向上隆起在0～400 mm之间。

D级：工作面存在严重冲击危险，底板向上隆起在400 mm以上，并造成巷道变形[2]。

1.2 煤矿冲击矿压预测技术

预测技术的分类及特点：目前应用最为广泛的岩石压力预测方法有应力预测法、钻屑法、地震检波器和微震法、电磁辐射法等。钻屑方法和应力检测方法是接触式检测方法，需要钻孔工作，耗时且劳动密集，受限于钻孔数量，检测范围非常有限。地震检波器、微地震方法和电磁辐射方法是非接触式方法，可以实时在线预测，近年来在我国得到了广泛应用。微地震方法具有远程接收应力波动力学和三维显示的特点，可以实时接收和储存煤岩体振动信号，为岩爆预测和预警提供基础数据。

电磁辐射预测：煤矿和岩石断裂是煤矿中极其复杂的动态现象，煤岩体受到压力就会产生形变，在产生形变的过程中电磁辐射也随之产生[3]。电磁辐射强度和载荷呈正相关，电磁辐射越强就能反映出载荷越大，煤岩体受到的压力越大。冲击矿压的发生虽然是一种突变行为，但会有明显的前兆。从宏观的角度看，随着煤岩体承受的压力越来越大，煤岩体之间的缝隙就会越来越大，电磁辐射强度也会随之增大。也可以说随着预测到的电磁辐射强度逐渐增强，其产生冲击矿压的概率就会增大。从微观角度来看，岩爆发生前后的应力应变状态和煤岩体的裂纹萌生和扩展都发生了变化。可以通过岩爆过程中电磁辐射的特点，来划分危险程度进而达到预测冲击矿压的目的[4]。

钻屑法预测：钻屑法是根据排出的煤粉量的多少来断定是否有发生冲击矿压危险的可能性。钻孔在进入正常状态下的煤岩体内时，应该是与孔径相同的煤体产生的煤粉。如果钻孔进入的是高应力区域的煤岩体，煤岩体由于已经承受了很高的压力，钻孔周围的煤体很可能就会挤进钻孔内，伴随着震动、声响和微冲击的现象，高应力区域煤岩体之间由于受到的压力过大产生较大的缝隙，钻具会很容易地向前推进。如果附近的煤岩体有一个向内部的压力，钻机的推进会变得很难，就会出现卡钻甚至是钻机直接卡死的情况[5]。

微震法预测：受到多个采掘工作面的影响，必须要将工作面进行分区，根据煤矿的巷道布置，最好选取停采线以外200 m附近的区域进行安装拾振器。统计各参数变化规律，确定危险区域和冲击矿压的危险指数[6]。微震系统监测一共把冲击矿压分为3个等级：矿压冲击危险指数0.25～0.5，为弱冲击，此时发生冲击矿压的概率大约是0.35；指数0.5～0.75，为中冲击，此时发生冲击矿压的概率大约是0.65；指数在0.75～0.95之间，为强冲击，发生冲击矿压的概率大约为0.85；若指数大于0.95，则认为该区域极度不安全。

2 煤矿冲击矿压防治技术

2.1 22605工作面采矿方法

工程背景：镇城底煤矿22605工作面所采煤层为2#、3#煤层，煤层稳定，厚度最大为3.16 m，最小为2.52 m，平均为2.80 m，结构1.86(0.36)0.58 m，结构复杂。煤质为肥煤，煤层普氏硬度2～3，比较坚硬。地质构造复杂，掘进过程皮带顺槽将揭露一条落差为3.0 m、4.0 m的FS179、FS36正断层，轨道顺槽揭露落差为4.9 m的FS180正断层。

采矿方法：采矿方法的合理安排是防治冲击矿压的有效措施，也避免了高应力集中和能量的形成。塔山矿区在开采前矿压显现方式预测。初采期间：采放厚度为16～20 m、工作面回收率86%、岩石冒落碎涨系数是1.4，顶煤不放。按照以上数据可以计算出初采时充满采空区需要冒落的高度。而顶煤的厚度是11.8～16.6 m，满足了采空后的高度，形不成冒落空洞。矿区地质构造复杂，影响风险较大。针对不同的地质条件，采用不同的采场布局(如多块联采，避峰跳顶)，有效控制冲击压力的发生。当矿址位置复杂时，采取合理的采场布置方式，会大大降低冲击矿压风险[7]。合理的部署和采矿方法可以避免大量能量的积累和高应力集中的形成，这对于防止冲击矿压的发生是非常重要的。根据冲击压力的综合分类结果，防止冲击矿压发生的关键是使煤岩体受到的应力可以得到相应的控制。在22605工作面的开采推进过程中，煤岩体之间所蕴含的弹性势能比其所能承受的能量要小。因此，在考虑采矿计划的设计时，应注意以下“防止冲击矿压”的时空原则。其影响条件见表1。

表1 影响回采的其它地质情况

采煤巷道和推进22605工作面应设置在原始应力场施工压应力峰值和采动应力场支护压力峰值处。最大限度地实现在采矿释放应力后保持稳定的“内应力场”(经受采矿失败的岩石覆盖的重力场)下的巷道掘进和维护[8]。

2.2 开采顺序优化

当地下煤层开采时，每个煤层的开采将受到影响。因此，有必要在采矿设计阶段规划每个煤层组的开采顺序。首先，为了降低安全性，必须开采不易造成危害的煤层。区域对危险煤层的影响，减少在危险区域撞击岩石压力的可能性。煤层注水是通过钻井，将压力水和水溶液注入煤体，增加水分，从而减少煤尘的产生，同时减少压力，煤和煤层气的影响突出和自燃。根据钻井深度将煤层注水分为深层注水和浅孔注水。深部注水是在采煤22605工作面前的近风巷或回风巷进行钻孔。防治体系由预防和临时解危双重防治措施。预防措施是在开采分区之间开采保护层，临时解危措施是根据监测预警结果指定相应的防控方案，主要是大直径钻孔卸压方法卸掉煤层之间的应力，从而达到解危措施，降低了危险区域的冲击危险。使用大直径钻井方法可以有效地消除或减轻地面压力的影响。钻孔深度越接近高应力区，积聚的能量就越多。钻井冲击频率越高，强度越大，粉煤量也会显着增加。每个钻孔周围形成一定的破碎区域。当这些破碎带开始相互靠近时，煤层会因压力而破裂。在煤层支护压力峰值区，煤层内高应力和聚集的弹性能量可以用来破坏钻孔周围的煤体。煤层释放能量以消除碰撞危险。

2.3 煤层处理

坚硬而厚实的屋顶容易爆裂。其中一个原因是22605工作面上方的大面积屋顶和悬挂在厚而坚硬的旧屋顶上，这将导致煤层和屋顶的应力集中过大。另一个原因是悬挂在巷道上方和下方的裸露岩石和22605工作面会导致不规则的塌陷和周期性的压力增加。爆破破碎屋顶位于煤柱一侧的采空区，与尚未开采的煤层隔开，造成排水沟宽度约7 m，深度约6～8 m的采空区。为了减少采空区与采空区之间屋顶的连续性，使煤层的应力集中减小，同时也将地面压力的影响降到最低。屋顶的高压预注是在厚砂岩硬顶条件下进行的，水通过裂缝、孔隙、层理、接缝等弱表面压入硬岩中坚硬的岩石，经过了很长时间的物理、化学作用扩大了岩石中的裂缝，溶解了部分岩石，增加了含水量，破坏了岩石的完整性，降低了岩石的强度，增加了岩石形成的风险，使屋顶难以变成屋顶。这种方法类似于喷煤。

3 结语

这些年来经过许多专家的理论分析和镇城底煤矿22605工作面的现场实践，冲击矿压的预测和防治已成为矿井安全生产的前提，冲击矿压的预测和防治也成为了一套完整的技术体系，完善的预测手段和合理的防治措施对矿井安全生产有着重要的意义。文章结合22605工作面的现场地质数据和资料，制定了整体-局部-点的监测预警体系。主要运用的监测手段有微震法监测、电磁辐射法和钻屑法。这种全方位的监测体系有着很好的监测效果。该套预测防治体系经过大量的工程实践可以应用于特厚煤层和地质环境复杂的煤矿生产中，保证了煤矿的安全生产和矿井工作人员的人身安全，达到了煤矿安全生产的目的。