周明杰，徐 濤，鄭樹良，張立新

(1.七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院，黑龍江 七臺(tái)河 154600;2.雞西大學(xué)，黑龍江 雞西 158100)

一 沖擊地壓概述

沖擊地壓屬礦井動(dòng)力現(xiàn)象，是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式?？梢远x為:沖擊地壓是煤礦開采過程中，井巷和采場(chǎng)周圍煤、巖體在一定高應(yīng)力條件下釋放變形能而產(chǎn)生的煤巖體突然破壞、垮落或拋出現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)威脅巨大。簡(jiǎn)單地講，沖擊地壓就是煤(巖)體的突然破壞現(xiàn)象。

由此可見沖擊地壓對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有強(qiáng)烈的破壞作用:首先，沖擊地壓會(huì)造成礦山井巷的破壞，甚至危及作業(yè)人員的生命，維修過程中不僅會(huì)耗費(fèi)大量的資金而且還會(huì)導(dǎo)致工作面停產(chǎn)，影響礦井的生產(chǎn)效益;其次，發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊地壓時(shí)，還可能破壞地表設(shè)施或地面建筑物。所以，沖擊地壓不但破壞了礦井的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，還會(huì)產(chǎn)生一系列的社會(huì)問題。

沖擊地壓發(fā)生的區(qū)域十分廣泛:多數(shù)發(fā)生在煤層中，以煤層沖擊地壓為主，在深部礦井開采時(shí)，或在礦井頂板堅(jiān)硬的條件下，頂板不易冒落處的頂、底板也極易發(fā)生沖擊地壓;在傾斜和急傾斜煤層礦井中，或在急轉(zhuǎn)向背斜軸處因構(gòu)造應(yīng)力大而在底板產(chǎn)生沖擊地壓的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生;在有通達(dá)地表的斷層處，或在有堅(jiān)硬頂板的遠(yuǎn)距離煤層群的礦井中各煤層間的活動(dòng)斷層上，也時(shí)常會(huì)發(fā)生斷層錯(cuò)動(dòng)型的沖擊地壓?？傊瑳_擊地壓的發(fā)生區(qū)域十分廣泛。這給沖擊地壓的防治工作帶來了很大的困難。

而由于我國(guó)煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，所以沖擊地壓的防治工作一直以來就是困擾采礦工作者的一個(gè)難題。經(jīng)過采礦工作者的長(zhǎng)期實(shí)踐研究，總結(jié)出的防治沖擊地壓的主要措施有:開采保護(hù)層;合理選擇開采順序和支護(hù)方法;消除孤立煤柱，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象;合理布置巷道位置;向巖層注水或軟化劑;對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理，降低煤柱支承壓力;用水力沖刷或震動(dòng)爆破，擴(kuò)大鉆孔破巖效果等。其中開采保護(hù)層能很好地防止沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生，其防治效果較為明顯。下面就開采保護(hù)層防治沖擊地壓的機(jī)理與開采保護(hù)層的常用方案作一理論上的探討。

二 開采保護(hù)層防治沖擊地壓的機(jī)理

由于煤層開采，導(dǎo)致上覆巖層變形、破斷和向已采空間移動(dòng)。根據(jù)巖層移動(dòng)的觀測(cè)研究，采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)情況見圖1所示。一般情況下，可把巖層的排列情況分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。緊靠采空區(qū)上方巖層劇烈移動(dòng)和冒落，冒落高度多數(shù)情況下不超過采高的4～6倍。冒落帶以上為裂隙帶，巖層產(chǎn)生大量裂隙并使天然裂隙張開。雖然巖層在采空區(qū)已破斷，但仍然是排列整齊的巖層。裂隙帶以上至地表的巖層，由于采動(dòng)后裂隙不發(fā)育，為彎曲下沉帶。如果從采煤工作面開始分析，則采空區(qū)上巖層的移動(dòng)形態(tài)如圖2所示。一般情況下從Ⅰ－Ⅰ線開始移動(dòng)，但變形量很小，待工作面通過時(shí)，Ⅱ－Ⅱ線產(chǎn)生離層和劇烈移動(dòng)，而到Ⅲ－Ⅲ線后才進(jìn)入穩(wěn)定移動(dòng)區(qū)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)，一般情況下，上覆巖層下沉始于工作面前方30～40m，終止于工作面后方100～150m，而劇烈移動(dòng)在工作面后方10～40m。

圖1 開采保護(hù)層卸壓帶示意圖

處于采空區(qū)下部煤層的變形和應(yīng)力變化特征，取決于地質(zhì)條件和開采工藝條件。經(jīng)歷著變形、應(yīng)力的擴(kuò)散和衰減過程，受到復(fù)雜的加載和卸載作用。升高應(yīng)力區(qū)中遭到壓實(shí)，而在卸載區(qū)中受到松動(dòng)。其作用半徑一般可達(dá)幾十米到上百米。如果層間距超過上方采空的作用半徑，則下部煤層實(shí)際上就不受什么影響了。但是上方采空的作用是不固定的，隨著上層工作面的推進(jìn)或時(shí)間的延長(zhǎng)而周期性變化，可以引起各種不同的變形，在升高應(yīng)力區(qū)和卸載區(qū)鄰接處可使已有裂隙張開或產(chǎn)生新的裂隙。試驗(yàn)表明，下部煤巖層中支承壓力擴(kuò)展范圍，可近似地用ω=55°的角度線圈定，如圖3所示。在ω角度線以外應(yīng)力增加相當(dāng)小，近于γH。而且在一定條件下可以改變下部煤層的聚合狀態(tài)和層間巖層性質(zhì)(裂隙度、透氣性等)。但是，對(duì)下部煤層開采時(shí)影響最大的是上層開采過程中遺留的煤柱，影響深度可達(dá)50～100m，影響寬度將比煤柱寬度大一倍多。

圖2 回采工作面上方巖層移動(dòng)狀態(tài)

圖3 上保護(hù)層開采后卸壓帶示意圖

在《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》中規(guī)定的開采設(shè)計(jì)原則第一條就是首先開采保護(hù)層。所謂開采保護(hù)層是指一個(gè)煤層(或分層)先開采，能使臨近煤層內(nèi)的壓力得到一定時(shí)間的卸載。先開采的作為保護(hù)層的煤層必須選擇無沖擊傾向或弱沖擊傾向的煤層。施工時(shí)必須保證開采的時(shí)間和空間同步。不得在采空區(qū)內(nèi)留設(shè)煤柱，以使每一個(gè)先采煤層的卸載作用能依次地使后采煤層得到最大限度的保護(hù)。保護(hù)層被擾動(dòng)之后，其圍巖內(nèi)部必然會(huì)產(chǎn)生裂隙，引起圍巖向采掘空間的移動(dòng)，使采空區(qū)上下方的巖層應(yīng)力卸載，形成“卸壓帶”，引起附近巖層的內(nèi)部產(chǎn)生破壞。剛開始時(shí)巖層破裂移動(dòng)是很劇烈的，特別是離保護(hù)層較近的地方，隨著與保護(hù)層的距離增大而減弱。采空區(qū)一側(cè)垮落的矸石或采用充填法管理頂板時(shí)使用的充填料，隨著開采時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸被頂板壓實(shí)，同時(shí)采空區(qū)和圍巖中的應(yīng)力相應(yīng)地逐漸增加，趨于原巖應(yīng)力水平。所以保護(hù)層的作用是有時(shí)間性的，卸壓作用和效果會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。因此開采保護(hù)層的時(shí)間間隔不能太久。安排保護(hù)層和被保護(hù)層中的采掘工作時(shí)，首先要確定保護(hù)層的卸壓范圍和卸壓程度，卸壓帶的結(jié)構(gòu)尺寸，其參數(shù)可以根據(jù)具體條件計(jì)算，或根據(jù)各礦井的實(shí)際情況確定。

開采保護(hù)層的常用方案如圖4所示。為了有效利用保護(hù)層的作用，可以采用開采上保護(hù)層、開采下保護(hù)層或混合開采形式。煤層群開采時(shí)可以采用上行、下行或混合的順序進(jìn)行開采。

三 開采保護(hù)層的常用方案

圖4 保護(hù)層開采方案

［1］竇林名.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［2］孫學(xué)會(huì).復(fù)雜開采條件下沖擊地壓及其防治技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.