喬元棟，徐青云

（山西大同大學工學院，山西大同 037003）

大同忻州窯礦沖擊地壓成因分析與防治措施探討

喬元棟，徐青云

（山西大同大學工學院，山西大同 037003）

針對大同忻州窯煤礦多次發(fā)生沖擊地壓嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)的問題，分析了沖擊地壓形成的原因與影響因素.提出忻州窯礦沖擊地壓主要是由構(gòu)造應力和采動應力疊加，及上層煤柱和煤厚是導致沖擊地壓發(fā)生的重要原因，為防治礦井沖擊地壓災害提供了依據(jù).

沖擊地壓 構(gòu)造應力 堅硬頂版 煤厚變化 防治措施

1 概況

沖擊礦壓又稱巖爆，屬礦井動力現(xiàn)象，是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災害之一.通常是指井巷或工作面周圍巖體，由于系統(tǒng)達到極限強度，積聚的變形能突然猛烈的釋放，從而造成巷道內(nèi)支架折損，片幫冒頂，甚至巨大的氣浪將煤巖體被拋向采掘空間，傷及人員、設(shè)備等[1-3].

忻州窯礦位于大同煤田東北端，大同市南75°西，直線距離17.5 km.井田位于大同煤田向斜東翼的東北部，煤層為侏羅紀大同組，井田內(nèi)斷層大約280余條，其中有8條落差3.2～18.7 m的正斷層.忻州窯礦是一個沖擊地壓災害多發(fā)礦井,近年來,隨著開采深度、范圍的不斷擴展,沖擊地壓災害日趨嚴重.自1981年10月至94年,忻州窯礦已先后發(fā)生過35次沖擊地壓,破壞巷道2 635 m,造成3人死亡,9人重傷,多人輕傷的事故,嚴重影響了安全生產(chǎn)的正常進行.僅2005年前兩季度,共發(fā)生沖擊地壓22次,破壞巷道2 500 m左右,造成兩人死亡,多人受傷.

2 忻州窯礦沖擊地壓成因分析

由于忻州窯礦井所處的地質(zhì)條件特殊,導致該礦沖擊地壓頻繁發(fā)生,經(jīng)過分析和探討,引發(fā)沖擊地壓的主要因素為煤層沖擊危險性、地質(zhì)因素和開采技術(shù)條件等密切相關(guān),分述如下：

2.1 煤的沖擊傾向性

煤的沖擊傾向性是指煤體具有的積聚變形能并產(chǎn)生沖擊破壞的性質(zhì),是煤體所具有的一種內(nèi)在力學屬性.煤體自身的沖擊傾向性強弱是煤層沖擊危險性影響因素之一.目前在我國國內(nèi)常用的指標主要有：彈性能指標WET、沖擊能指標WCF和動態(tài)破壞時間DT[4].忻州窯煤礦對9＃,10＃,11＃號煤層的沖擊傾向性進行了研究,試驗結(jié)果如表1所示.

表1 忻州窯礦煤層沖擊傾向性

由試驗結(jié)果可知,忻州窯礦煤層本身具有較強的彈性,表現(xiàn)為脆性破壞,屬中等以上沖擊傾向煤層.

2.2 地質(zhì)因素

煤層沖擊危險性與開采深度、煤巖自身物理力學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、頂板巖層厚度、頂板來壓的時空特征、斷層等地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān).

2.2.1 煤層采深

沖擊地壓發(fā)生的能量為煤層和巖層內(nèi)積聚的應變能之和,煤體中單位體積內(nèi)積聚的彈性能,由體積應變能和形變能兩部分組成[5]：

式中：u為泊松比；E為彈性模量；γ為煤層上覆巖層的容重；H為開采深度；G為剪切彈性模量.

由式（1）可知,隨著開采深度的增加,煤巖體內(nèi)積聚的能量在增加,且沖擊地壓發(fā)生時釋放的動能與采深的平方成正比.因此,開采深度的增加必然會導致沖擊地壓發(fā)生的頻率和強度的增加.忻州窯煤礦開采深度正在以每年平均10～15 m的速度向深部增加,目前的開采深度為550多米.深部開采將會遇到上覆巖層所引起的礦山壓力的嚴重干擾,沖擊地壓的危險性也隨著開采深度的增加而增加.

2.2.2 厚層堅硬老頂

根據(jù)前蘇聯(lián)阿維爾申的觀點,煤層內(nèi)的彈性能是由體變彈性能、形變彈性能和頂板彎曲彈性能三部分組成,而頂板彎曲彈性能在頂板初次來壓和周期來壓時,分別為：

式中：q為頂板及上覆巖層附加載荷的單位長度載荷；L為頂板來壓步距；E為頂板巖層彈性模量；J為頂板斷面慣矩.

從公式（2）和（3）可知,頂板彎曲彈性能與頂板來壓步距的5次方成正比,因此,來壓步距越大,聚集能量也越多.同時,頂板巖層越厚,聚集的彈性能越多.

頂板巖層厚度的影響程度可以用頂板巖層厚度特征參數(shù)來表示.定義砂巖的強度系數(shù)和弱面系數(shù)為1.0[6],頂板巖層厚度特征參數(shù)定義為：

式中：hi為頂板在100 m范圍內(nèi)第i種巖層的總厚度；ri為所給巖層的弱面遞減系數(shù).

忻州窯礦井發(fā)生沖擊地壓的統(tǒng)計分析結(jié)果,沖擊地壓發(fā)生在具有堅硬頂板巖層的頂板條件下時,頂板巖層參數(shù)值為Lst≥50.而忻州窯礦井煤層上方100m范圍內(nèi)的巖層,其中主要是砂巖層,這使沖擊地壓產(chǎn)生的可能性增大.

2.2.3 構(gòu)造應力引起沖擊地壓

在斷層和向斜軸附近是發(fā)生沖擊地壓的相對集中區(qū),主要原因是在煤體中形成的殘余構(gòu)造應力.忻州窯礦井位于大同煤田向斜東翼的東北部,井田呈一對稱向斜構(gòu)造,向斜軸位于井田中部,向斜兩翼巖層有波狀起伏,形成平緩的低次序褶曲.在向斜軸的兩側(cè),伴生一系列正斷層,形成一寬約500 m的構(gòu)造斷裂帶,井田內(nèi)現(xiàn)已揭露大小斷層280條以上.

忻州窯礦發(fā)生的60多次沖擊地壓的位置,全部位于忻州窯向斜西翼的小向斜內(nèi).而該向斜正好處于構(gòu)造應力升高區(qū),加上開采引起的集中應力,兩者相互疊加以后的應力值遠遠超過了煤的抗壓強度,煤層失去了原有的平衡,變形能量會瞬間釋放,進而形成了沖擊地壓.因此,高構(gòu)造應力和采動引起的集中應力是形成忻州窯礦沖擊地壓的一個重要因素.

2.3 開采技術(shù)條件

煤層沖擊危險性也與采掘順序、采煤方法、巷道布置、煤柱留設(shè)等開采因素有關(guān).

2.3.1 上層殘留煤柱應力集中

忻州窯礦煤層間距為11 m～22 m的近距離煤層.實踐表明,當煤層間距小于40 m時,開采上分層所引起的集中應力,對下分層巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重的影響.隨著上分層工作面的推進,工作面前方的應力不斷的升高,此時工作面頂板壓力明顯增大,處于應力集中范圍內(nèi)的巷道會明顯地出現(xiàn)下沉、片幫、裂隙和頂板離層現(xiàn)象.近距煤層上層殘留煤柱所引起的集中壓力,是下層煤體產(chǎn)生沖擊地壓的又一重要因素.

2.3.2 鄰空古塘煤柱產(chǎn)生的應力集中

經(jīng)過實地分析,回采工作面沖擊地壓,絕大部分發(fā)生在工作面與鄰空順槽交接處往外65 m之間的巷道內(nèi).試驗表明,回采工作面與鄰空古塘隔離煤柱小于20 m時,鄰空古塘煤柱產(chǎn)生的應力會加大,當應力值超過煤層的強度極限時,煤巖體內(nèi)積聚的彈性能會猛烈的釋放出來,進而引發(fā)沖擊地壓.

3 忻州窯礦沖擊地壓防治措施

只要采取合理的預防措施,沖擊地壓的發(fā)生率可以降低甚至可以避免發(fā)生.根據(jù)忻州窯沖擊地壓的成因,采用以下措施進行預防和治理：

3.1 優(yōu)化盤區(qū)設(shè)計、合理巷道布置

沖擊地壓的形成本質(zhì)是由于應力超過煤巖體的強度形成的.因此,應優(yōu)化盤區(qū)設(shè)計,選擇合理的開拓方式、巷道布置方式、開采順序、推進方向和煤柱留設(shè).

1)盤區(qū)內(nèi)新開煤層必須進行煤巖層地質(zhì)力學測試,根據(jù)測試結(jié)果進行巷道布置設(shè)計,主要巷道布置方向盡量與最大主應力方向平行,盡量避開高應力集中區(qū).

2)有回采巷道應盡可能避開支承壓力峰值范圍,采用寬巷掘進,少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進.

3)選擇合理的開采順序,盤區(qū)開采必須堅持后退式開采,嚴禁跳采；生產(chǎn)盤區(qū)為雙翼布置的,嚴禁兩個工作面同時相向開采；近距離煤層下層煤開采時,應至少間隔1年以上.

4)在地質(zhì)構(gòu)造等特殊部位應采取能避免或減緩應力集中和疊加的開采程序.即在向斜和背斜構(gòu)造區(qū),應從軸部開始回采,在構(gòu)造盆地應從盆底開始回采,在有斷層和采空區(qū)的條件下應從采用斷層或采空區(qū)開始回采的開采程序.

3.2 開采沖擊地壓煤層

1)開采沖擊地壓煤層,必須編制專門措施,如工作面煤層注水設(shè)計、卸壓孔及卸壓爆破孔設(shè)計等,并將防治沖擊地壓的安全技術(shù)措施編入采掘作業(yè)規(guī)程中.

2)有沖擊危險的煤層的開拓或準備巷道,永久峒室,主要上（下）山,主要溜煤巷和回風巷應布置在底板巖層或無沖擊危險煤層中,以利于維護和減小沖擊危險.

3)開采有沖擊危險的煤層,應采用全部垮落法管理頂板的長壁開采法.工作面注水應于開采前一個月進行煤層預注水.

4)加強巷道支護,盤區(qū)巷道和回采順槽的支護要具備防沖抗沖能力.

3.3 加強監(jiān)測與預報

研究表明[7],煤巖在壓縮變形的過程中會不斷向外輻射電磁波,如圖1所示.并且,電磁輻射比聲發(fā)射對破壞過程更為敏感.

圖1 煤巖破壞過程中原始信號

煤炭科學研究總院重慶分院和和中國礦業(yè)大學利用這一原理研制了沖擊礦壓和煤、瓦斯突出監(jiān)測儀.該儀器先后在焦作礦務局、平頂山礦務局、邢臺礦務局、徐州礦務局和新汶礦務局等應用,取得了較明顯的效果.如圖2為KBD5型電磁輻射儀監(jiān)測儀布置方式.

圖2 回采工作面或巷道電磁輻射監(jiān)測

忻州窯煤礦于2005年5月購買了電磁輻射儀,并對有沖擊危險的工作面和掘進面進行了觀測. 8518回風巷掘進期間曾發(fā)生多次沖擊礦壓事故.為此,2005年11月份在8518回風巷進行了長時間的電磁輻射監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖3所示.

圖3 采取防治措施前后電磁輻射幅值變化

從圖中可以看出,工作面回風巷11月3～26日電磁輻射強度值偏大,脈沖數(shù)較高,同時在該段電磁輻射強度和脈沖數(shù)呈現(xiàn)出明顯的大小交替變化的規(guī)律性.這充分反應出煤巖體在高應力作用下的變形破壞規(guī)律,即深部煤巖體能量聚集、轉(zhuǎn)移和釋放的過程,同時也說明巷道該段存在有沖擊危險性[8].

3.4 布置卸壓孔

從1986年開始,先后在東二采區(qū)9＃,10＃,11＃, 12＃煤層,對有沖壓地壓危險的工作面巷道煤柱采取了施工卸壓孔的方法,消除沖擊地擊危險,解決了忻州窯礦沖擊地壓問題,實現(xiàn)了安全生產(chǎn).

3.5 煤層注水

為了防治沖擊地壓的發(fā)生,忻州窯煤礦采取了煤層注水措施,并取得了較好的效果.綜采隊組負責具體注水工作并要求采用動壓注水,由防塵區(qū)進行技術(shù)指導和注水效果檢驗,必要時進行底板注水,以降低和減緩煤層的沖擊危險程度.打鉆注水超前工作面作業(yè)50 m進行施工.煤層注水后總含水率不小于4%.注水孔布置形式應有利于煤層均勻濕潤.

4 結(jié)論

忻州窯煤礦沖擊礦壓形成的主要原因是,厚層堅硬頂板大面積懸頂和斷層附近殘余構(gòu)造力的影響.因此,防止沖擊礦壓時一方面可以向煤層內(nèi)注水,降低煤層的沖擊傾向和改變煤體的力學性質(zhì),另一方面,可以采取松動爆破卸壓措施,將大面積頂板懸頂?shù)哪芰刻崆搬尫懦鰜?從而降低沖擊地壓發(fā)生的可能性.此外,大直徑卸壓措施可以在每一個鉆孔周圍形成一定范圍的破碎區(qū).當這些破碎區(qū)相互貫通后,形成一個較大的松動區(qū)釋放能量,從而消除或減緩煤巖體沖擊危險性.現(xiàn)場實踐表明,煤層注水、大直徑卸壓和深孔預爆破均取得了良好的效果.

[1]趙本均.沖擊地壓及其防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1995.

[2]鄒德蘊,姜福興.煤巖體中儲存能量與沖擊地壓孕育機理及預測方法的研究[J].煤炭學報,2004(4):159-163.

[3]金立平.沖擊地壓的發(fā)生條件及預測方法的研究[D].重慶：重慶大學,1992:2-28.

[4]陳軼平.綜采工作面超前支護支承壓力觀測與分析;山西大同大學學報:自然科學版.2009,25(3):63-65.

[5]章夢濤.我國沖擊地壓的預測和防治[J].遼寧工程技術(shù)大學學報,2001,20(4):434-435.

[6]姚精明,竇林名.巷道沖擊礦壓的錨桿支護機理及實踐[J].煤炭科學技術(shù),2004(4):10-13.

[7]竇林名,何學秋.沖擊地壓防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2009.

[8]楊小彬.礦震與天然地震相關(guān)性的研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學,2002.

The Study of Coal Burst Causes in Xin Zhouyao Coalm ine and Prevention M easures

Q IAO Yuan－dong，X U Qing－yun
（School of Engineering,ShanxiDatong University,Datong Shanxi，037003）

Analyse the formation reason of rockburst and the effection for the problem ofXinzhouyao coalmine where rockbust have seriously effected the coalmine security.Offer that important reason for rockburst ismainly because of the nestification of thetectonic stress，mine pressure，upper bed coalwedge and coal heightand get the basis of guarding themine rockburst.

rock burst；tectonic stress；hard roof；modification of coal height；preventionmeasures

TD 324.2

A

〔編輯 石白云〕

1674-0874(2010)04-0071-04

2010-04-21

喬元棟（1978-），男，山西渾源人，碩士，講師.研究方向：煤礦開采與礦山壓力.