李星亮

（陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西 渭南 714000）

沖擊地壓的本質是煤巖體在高應力狀態(tài)作用下其結構突然失穩(wěn)破壞，產生的動力將煤巖體拋向巷道的一種煤礦動壓現(xiàn)象。其發(fā)生的突然性和破壞的劇烈性對礦山安全生產構成很大的威脅，發(fā)生沖擊地壓時有時還會誘發(fā)其他重大礦井災害，如頂板突水、煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸等重大惡性事故。

煤層上方堅硬厚砂巖頂板是誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的主要因素之一，主要原因在于堅硬頂板不易垮落，頂板懸空距離大，容易聚積大量的彈性能。在堅硬頂板斷裂的過程中，急劇釋放大量的彈性能，同時發(fā)出強烈聲響，形成強烈震動，引起巷道嚴重變形，導致頂板煤巖體發(fā)生沖擊地壓。

1 影響因素

影響沖擊地壓發(fā)生的因素主要有煤巖體物理力學性質、開采深度、堅硬巖層結構及厚度、地質構造、開采技術條件和組織管理措施等[1-3]。本文主要分析堅硬頂板誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的原因、機理及防治措施。

1.1 頂板彎曲彈性能

根據前蘇聯(lián)學者阿維爾申的能量理論，沖擊地壓現(xiàn)象發(fā)生的實質就是礦山開采活動打破了礦體和圍巖系統(tǒng)的力學平衡，引起應力的重新分布，從而引起巷道周圍巖體中彈性能的積聚和突然釋放的過程。當?shù)V井發(fā)生沖擊地壓時，如果井下支護系統(tǒng)能夠及時吸收煤巖體沖擊時所產生的全部或部分動能，使產生的動能達不到觸發(fā)沖擊地壓的臨界值，就有可能減弱或者消除沖擊災害，有效防止沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生。

研究表明，頂板彎曲彈性能Uw與頂板巖層懸伸長度L的五次方成正比[4]。頂板的來壓步距與頂板的巖性密切相關，一般來說頂板越堅硬來壓步距越大，聚集的彈性能越多；頂板巖層厚度越大，聚集的彈性能也越多，發(fā)生沖擊地壓的危險性也越高。

式中：

q-頂板重量及上覆巖層附加載荷的單位長度折算載荷，N/m；

L-頂板懸伸長度，m；

E-頂板巖層彈性模量，MPa；

J-頂板的斷面慣性矩，m4。

1.2 頂板巖層厚度特征參數(shù)

采用以巖體強度大、厚度大的砂巖層為標準的頂板巖層厚度特征參數(shù)Lst作為沖擊地壓危險判別系數(shù)，即對煤層上方100m范圍內的上覆巖層按照其相對弱面系數(shù)進行累加，最終得到頂板巖層厚度特征參數(shù)，以此來判定頂板巖層對誘發(fā)沖擊地壓的影響程度。當頂板巖層厚度參數(shù)值Lst≥50時，就很有可能誘發(fā)沖擊地壓[5]。

式中：

hi-100m范圍內頂板上覆巖層第i層的總厚度，m；

ri-所給巖層的弱面遞減系數(shù)。

1.3 頂板初次來壓和周期來壓步距

頂板內破壞位置距離煤壁越遠，初次破斷步距就越小；破壞位置在工作面煤壁正上方時，初次垮落步距最大。對于堅硬直接頂工作面，超前工作面一定距離對直接頂進行預裂可縮小初次垮落步距，從而減小直接頂初次垮落時對工作面的動載影響。

基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄啾戎苯禹數(shù)闹芷谄茢嗖骄嘁蟮枚?，但由于直接頂距離煤層近，直接頂超前工作面破斷位置距離煤壁較近。當直接頂與基本頂同一時刻或同一位置破斷時，堅硬頂板的周期破斷引起的動載增大了回采工作面沖擊地壓危險。據不完全統(tǒng)計，一般沖擊地壓現(xiàn)象發(fā)生在頂板周期來壓后很短一段時間內，有些礦井在頂板周期來壓2到3天后就發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。

1.4 頂板關鍵層

堅硬巖層對采場上覆巖層移動破壞引起的冒裂帶的發(fā)育高度的控制作用是暫時的和有限的。因為堅硬厚巖層不可能一直懸空，一旦達到其臨界跨度，堅硬就會發(fā)生斷裂，覆巖冒裂帶高度就迅速向上一個巖層組發(fā)展。在堅硬厚巖層條件礦井，上覆巖層在豎直方向破裂運動高度并不會隨著采空區(qū)寬度的增加而不斷增加，而是在一定的條件下破裂高度會出現(xiàn)短暫“停滯”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為“平臺效應”。這主要是由于堅硬厚巖層具有強度高、厚度大、整體性好、距離煤層遠和影響范圍廣等特點。堅硬厚巖層能夠在其自身強度和底部煤巖體的共同作用下形成大面積的懸頂結構，并對采場周圍的圍巖應力分布和轉移產生重要影響。

覆巖關鍵層破斷以前，煤柱支承壓力隨采出寬度增大逐漸增大，煤柱支承壓力在關鍵巖層初次破斷時達到最大值；關鍵層發(fā)生初次破斷后，煤柱支承壓力隨采出寬度增大反而有所降低并最終趨于穩(wěn)定。支承壓力集中系數(shù)k在采寬達一定程度后會基本保持不變。覆巖關鍵層破斷前后工作面煤柱上支承壓力分布規(guī)律對誘發(fā)沖擊地壓起著重要的作用。

2 防治措施

（1）注水軟化頂板。采用高壓注水或注水，通過注水增加頂板巖層含水量，進而降低巖石的強度。親水性礦物成分與水發(fā)生物理、化學作用，改變巖體的物理力學特性，降低其彈性能，減小頂板初次來壓步距和周期來壓步距。

（2）在堅硬頂板巖層中形成定向裂縫。采用定向水力裂縫法或定向爆破裂縫法使巖體沿預先制造的裂縫形成預裂面，提前對頂板進行預裂，同時增大頂板破斷位置距工作面煤壁的水平距離。

（3）強制放頂技術。在煤層上方的堅硬厚砂巖頂板內實施鉆孔爆破，使其提前預裂、降低強度，盡可能地減小頂板懸露長度，減少彈性能的聚集，降低工作面前面煤壁支承壓力峰值，從而避免或減少沖擊地壓災害的發(fā)生。

（4）鉆孔卸壓技術。垂直巷道向煤壁打大孔徑鉆孔可以釋放煤體中集聚的彈性能，并能給煤巖體變形提供補償空間，同時也使煤體的應力狀態(tài)發(fā)生變化，應力升高區(qū)轉移到煤體的深部，從而達到卸壓效果。鉆孔施工的過程中可根據出現(xiàn)的煤炮聲和卡鉆等現(xiàn)象，及時掌握能量釋放情況，采取相應措施，從而做到有效卸壓。

3 工程應用

3.1 工程概況

華亭礦區(qū)硯北煤礦二采區(qū)250205工作面主采煤層為5#煤，煤層厚度為20.5～38.0m，平均厚度30m。直接頂為粉砂質泥巖，平均厚度4.5m，易垮落，穩(wěn)定性較差；基本頂為粉砂巖，平均厚度18.28m,不易垮落。工作面采用走向長壁分層綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

3.2 沖擊地壓綜合治理措施

根據礦井統(tǒng)計的沖擊地壓發(fā)生區(qū)域結果可知，250205工作面沖擊地壓類型是以構造型沖擊為主的沖擊壓力型沖擊地壓，主要發(fā)生在回采巷道，尤其是運輸順槽，運輸順槽沖擊地壓主要發(fā)生在轉載機段，距離60m左右；回采工作面發(fā)生的次數(shù)較少。沖擊地壓發(fā)生后，巷道頂板和兩幫破壞較小，底鼓嚴重，破壞范圍和破壞強度都較大，影響達300m以上。因此，礦井生產時主要在回采巷道內采用煤層頂板注水軟化和鉆孔卸壓技術防治沖擊地壓，必要時采用巷道頂板卸壓爆破技術或者強制放頂技術。

根據250205工作面現(xiàn)場條件、沖擊地壓顯現(xiàn)特點和礦井統(tǒng)計的沖擊地壓發(fā)生頻率及范圍，確定工作面前方100m范圍為重點防治區(qū)域，采取爆破卸載措施；工作面前方100～200m范圍為一般防治區(qū)域，采用煤巖體注水和鉆孔爆破聯(lián)合卸載；200m外頂板采用高壓注水軟化頂板?；仫L順槽超前工作面60m采取切頂爆破進行卸壓。具體措施如下：

（1）在工作面200m范圍內回風巷和運輸巷每隔10m一組布置注水孔。距巷道底板1.5m處以3～5°仰角施工65m長鉆孔；距巷道底板2.5m處以7～9°仰角施工45m短鉆孔。長短鉆孔交替布置，采用雙向動壓注水，每孔每次注水時間不小于30h。

（2）在工作面前方運輸巷和回風巷兩幫距巷道底板1.5m處以3～5°仰角施工20m深大孔徑鉆孔，每孔間距5m；在距巷道兩幫0.8m處以85°俯角施工15m深大孔徑鉆孔。鉆孔隨著工作面的推進不斷向前施工，并且保證工作面前方鉆孔范圍不少于150m。

（3）工作面實施頂板注水軟化和施工大孔徑深孔后，如果井下礦壓監(jiān)測結果顯示工作面前方應力集中仍然十分嚴重，需對煤巖體進行卸壓爆破。在工作面前方300m范圍內距離巷道底板1.2m處平行煤層方向每隔3m施工深度不小于15m的鉆孔實施爆破,對爆破過程中產生的瞎炮及時進行處理。

3.3 防治效果

硯北煤礦二采區(qū)250205工作面自上分層開采以來發(fā)生大大小小沖擊地壓達61次之多，其中有54次發(fā)生在運輸順槽，占總數(shù)的85%以上。綜合采用煤層頂板注水軟化、鉆孔卸壓技術和卸壓爆破技術后，工作面后期回采過程中沖擊地壓發(fā)生頻率和強度明顯降低，僅發(fā)生幾次低強度的沖擊地壓現(xiàn)象。頂板注水軟化和鉆孔卸壓技術作為礦井治理沖擊地壓的常規(guī)手段，治理效果良好；當工作面煤壁中應力集中十分嚴重的時候必須對煤巖體采取卸壓爆破技術，卸壓爆破能快速釋放煤巖體中集聚的彈性能，使高應力區(qū)向煤巖體深部轉移，但是爆破作業(yè)時可能會出現(xiàn)啞炮，處理不當對工作面生產會產生安全隱患。最后采用鉆屑法和電磁輻射法檢驗治理效果。監(jiān)測結果表明，電磁輻射強度和脈沖數(shù)均明顯降低，鉆屑量值下降明顯，現(xiàn)場應用情況良好。

4 結論

要消除沖擊地壓災害現(xiàn)象發(fā)生的根源，必須對工作面上方的堅硬頂板進行處理?？梢圆捎米⑺浕?、鉆孔卸壓、爆破卸壓和強制放頂?shù)燃夹g對煤層上方堅硬老頂進行處理，破壞其完整性，降低其強度，縮小其垮落步距，使堅硬頂板和煤巖體中所集聚的彈性能提前在深部最大程度的釋放，從而使煤巖體和堅硬頂板中聚集的彈性能的值小于誘發(fā)沖擊地壓的臨界值；同時可以降低工作面前方煤體的沖擊危險性，使煤巖體的沖擊地壓危險性等級達到一個安全級別；也可使應力升高區(qū)由煤壁轉移到煤巖體深部，在煤體中形成松動帶和卸壓區(qū)，降低煤體的應力集中程度，最終達到降低或消除沖擊地壓災害發(fā)生的目的。

硯北煤礦二采區(qū)250205工作面通過井下劃分防治區(qū)域等級，針對性地采用注水軟化、鉆孔卸壓、爆破卸壓和強制放頂?shù)燃夹g進行卸載、泄壓，最后結合鉆屑法和電磁輻射法監(jiān)測從而實現(xiàn)沖擊地壓動態(tài)防治，保證了礦井的安全生產，大大提升了礦井的日均產煤量，取得良好的社會經濟效益。