李建文

(西山煤電(集團)鎮(zhèn)城底煤礦，山西 太原 030203)

0 引言

當工作面周圍煤巖體長期處于較高應力的狀況下，周圍的煤巖體聚集著大量的能量，長期累積下去就會很快達到煤巖體承受應力的極限，造成煤巖體中的能量突然釋放，就如同爆炸一樣，將煤巖拋入工作面中并同時會發(fā)出巨大的響聲。響聲還很可能引起周圍的煤巖體發(fā)生共振，從而引發(fā)工作面的破壞和人員的損傷。根據巖爆發(fā)生機理，從巖爆地質和開采技術條件出發(fā)，通過量化各種地質因素和開采技術條件，確定巖爆發(fā)生的危險性，主要有地球動力學區(qū)劃方法、綜合指數法、模糊數學方法和量化理論等方法[1]。其中，綜合指數法具有區(qū)域性和局部性的特點，主要考慮沖擊礦壓發(fā)生的情況、開采深度、地質構造、堅硬頂板、頂板厚度特征參數、煤的沖擊傾向性、煤的強度等7個因素，并通過量化分析進行危險性評級。

1 沖擊礦壓預測

1.1 危險性等級評價

沖擊礦壓的發(fā)生是煤與巖石在靜態(tài)和動態(tài)載荷雙重作用下的動態(tài)破壞，這是由于煤巖體極度不均勻導致的，煤巖體的這種不均勻性導致力在傳導過程中逐漸減弱，受煤礦的地質條件、開采和技術條件、開采深度等諸多因素影響。沖擊礦壓的防治首先要根據監(jiān)測出的結果進行危險性的評估，然后根據評估等級進行相對應的防治措施處理。常見的危險性等級評價包括4級。

A級：工作面無沖擊危險，未發(fā)生沖擊現象。

B級：工作面存在沖擊危險，小煤爆不斷，但是沒有巷道底板向上隆起的現象。

C級：工作面存在沖擊危險，煤爆頻繁出現，底板向上隆起在0～400 mm之間。

D級：工作面存在嚴重沖擊危險，底板向上隆起在400 mm以上，并造成巷道變形[2]。

1.2 煤礦沖擊礦壓預測技術

預測技術的分類及特點：目前應用最為廣泛的巖石壓力預測方法有應力預測法、鉆屑法、地震檢波器和微震法、電磁輻射法等。鉆屑方法和應力檢測方法是接觸式檢測方法，需要鉆孔工作，耗時且勞動密集，受限于鉆孔數量，檢測范圍非常有限。地震檢波器、微地震方法和電磁輻射方法是非接觸式方法，可以實時在線預測，近年來在我國得到了廣泛應用。微地震方法具有遠程接收應力波動力學和三維顯示的特點，可以實時接收和儲存煤巖體振動信號，為巖爆預測和預警提供基礎數據。

電磁輻射預測：煤礦和巖石斷裂是煤礦中極其復雜的動態(tài)現象，煤巖體受到壓力就會產生形變，在產生形變的過程中電磁輻射也隨之產生[3]。電磁輻射強度和載荷呈正相關，電磁輻射越強就能反映出載荷越大，煤巖體受到的壓力越大。沖擊礦壓的發(fā)生雖然是一種突變行為，但會有明顯的前兆。從宏觀的角度看，隨著煤巖體承受的壓力越來越大，煤巖體之間的縫隙就會越來越大，電磁輻射強度也會隨之增大。也可以說隨著預測到的電磁輻射強度逐漸增強，其產生沖擊礦壓的概率就會增大。從微觀角度來看，巖爆發(fā)生前后的應力應變狀態(tài)和煤巖體的裂紋萌生和擴展都發(fā)生了變化?？梢酝ㄟ^巖爆過程中電磁輻射的特點，來劃分危險程度進而達到預測沖擊礦壓的目的[4]。

鉆屑法預測：鉆屑法是根據排出的煤粉量的多少來斷定是否有發(fā)生沖擊礦壓危險的可能性。鉆孔在進入正常狀態(tài)下的煤巖體內時，應該是與孔徑相同的煤體產生的煤粉。如果鉆孔進入的是高應力區(qū)域的煤巖體，煤巖體由于已經承受了很高的壓力，鉆孔周圍的煤體很可能就會擠進鉆孔內，伴隨著震動、聲響和微沖擊的現象，高應力區(qū)域煤巖體之間由于受到的壓力過大產生較大的縫隙，鉆具會很容易地向前推進。如果附近的煤巖體有一個向內部的壓力，鉆機的推進會變得很難，就會出現卡鉆甚至是鉆機直接卡死的情況[5]。

微震法預測：受到多個采掘工作面的影響，必須要將工作面進行分區(qū)，根據煤礦的巷道布置，最好選取停采線以外200 m附近的區(qū)域進行安裝拾振器。統(tǒng)計各參數變化規(guī)律，確定危險區(qū)域和沖擊礦壓的危險指數[6]。微震系統(tǒng)監(jiān)測一共把沖擊礦壓分為3個等級：礦壓沖擊危險指數0.25～0.5，為弱沖擊，此時發(fā)生沖擊礦壓的概率大約是0.35；指數0.5～0.75，為中沖擊，此時發(fā)生沖擊礦壓的概率大約是0.65；指數在0.75～0.95之間，為強沖擊，發(fā)生沖擊礦壓的概率大約為0.85；若指數大于0.95，則認為該區(qū)域極度不安全。

2 煤礦沖擊礦壓防治技術

2.1 22605工作面采礦方法

工程背景：鎮(zhèn)城底煤礦22605工作面所采煤層為2#、3#煤層，煤層穩(wěn)定，厚度最大為3.16 m，最小為2.52 m，平均為2.80 m，結構1.86(0.36)0.58 m，結構復雜。煤質為肥煤，煤層普氏硬度2～3，比較堅硬。地質構造復雜，掘進過程皮帶順槽將揭露一條落差為3.0 m、4.0 m的FS179、FS36正斷層，軌道順槽揭露落差為4.9 m的FS180正斷層。

采礦方法：采礦方法的合理安排是防治沖擊礦壓的有效措施，也避免了高應力集中和能量的形成。塔山礦區(qū)在開采前礦壓顯現方式預測。初采期間：采放厚度為16～20 m、工作面回收率86%、巖石冒落碎漲系數是1.4，頂煤不放。按照以上數據可以計算出初采時充滿采空區(qū)需要冒落的高度。而頂煤的厚度是11.8～16.6 m，滿足了采空后的高度，形不成冒落空洞。礦區(qū)地質構造復雜，影響風險較大。針對不同的地質條件，采用不同的采場布局(如多塊聯采，避峰跳頂)，有效控制沖擊壓力的發(fā)生。當礦址位置復雜時，采取合理的采場布置方式，會大大降低沖擊礦壓風險[7]。合理的部署和采礦方法可以避免大量能量的積累和高應力集中的形成，這對于防止沖擊礦壓的發(fā)生是非常重要的。根據沖擊壓力的綜合分類結果，防止沖擊礦壓發(fā)生的關鍵是使煤巖體受到的應力可以得到相應的控制。在22605工作面的開采推進過程中，煤巖體之間所蘊含的彈性勢能比其所能承受的能量要小。因此，在考慮采礦計劃的設計時，應注意以下“防止沖擊礦壓”的時空原則。其影響條件見表1。

表1 影響回采的其它地質情況

采煤巷道和推進22605工作面應設置在原始應力場施工壓應力峰值和采動應力場支護壓力峰值處。最大限度地實現在采礦釋放應力后保持穩(wěn)定的“內應力場”(經受采礦失敗的巖石覆蓋的重力場)下的巷道掘進和維護[8]。

2.2 開采順序優(yōu)化

當地下煤層開采時，每個煤層的開采將受到影響。因此，有必要在采礦設計階段規(guī)劃每個煤層組的開采順序。首先，為了降低安全性，必須開采不易造成危害的煤層。區(qū)域對危險煤層的影響，減少在危險區(qū)域撞擊巖石壓力的可能性。煤層注水是通過鉆井，將壓力水和水溶液注入煤體，增加水分，從而減少煤塵的產生，同時減少壓力，煤和煤層氣的影響突出和自燃。根據鉆井深度將煤層注水分為深層注水和淺孔注水。深部注水是在采煤22605工作面前的近風巷或回風巷進行鉆孔。防治體系由預防和臨時解危雙重防治措施。預防措施是在開采分區(qū)之間開采保護層，臨時解危措施是根據監(jiān)測預警結果指定相應的防控方案，主要是大直徑鉆孔卸壓方法卸掉煤層之間的應力，從而達到解危措施，降低了危險區(qū)域的沖擊危險。使用大直徑鉆井方法可以有效地消除或減輕地面壓力的影響。鉆孔深度越接近高應力區(qū)，積聚的能量就越多。鉆井沖擊頻率越高，強度越大，粉煤量也會顯著增加。每個鉆孔周圍形成一定的破碎區(qū)域。當這些破碎帶開始相互靠近時，煤層會因壓力而破裂。在煤層支護壓力峰值區(qū)，煤層內高應力和聚集的彈性能量可以用來破壞鉆孔周圍的煤體。煤層釋放能量以消除碰撞危險。

2.3 煤層處理

堅硬而厚實的屋頂容易爆裂。其中一個原因是22605工作面上方的大面積屋頂和懸掛在厚而堅硬的舊屋頂上，這將導致煤層和屋頂的應力集中過大。另一個原因是懸掛在巷道上方和下方的裸露巖石和22605工作面會導致不規(guī)則的塌陷和周期性的壓力增加。爆破破碎屋頂位于煤柱一側的采空區(qū)，與尚未開采的煤層隔開，造成排水溝寬度約7 m，深度約6～8 m的采空區(qū)。為了減少采空區(qū)與采空區(qū)之間屋頂的連續(xù)性，使煤層的應力集中減小，同時也將地面壓力的影響降到最低。屋頂的高壓預注是在厚砂巖硬頂條件下進行的，水通過裂縫、孔隙、層理、接縫等弱表面壓入硬巖中堅硬的巖石，經過了很長時間的物理、化學作用擴大了巖石中的裂縫，溶解了部分巖石，增加了含水量，破壞了巖石的完整性，降低了巖石的強度，增加了巖石形成的風險，使屋頂難以變成屋頂。這種方法類似于噴煤。

3 結語

這些年來經過許多專家的理論分析和鎮(zhèn)城底煤礦22605工作面的現場實踐，沖擊礦壓的預測和防治已成為礦井安全生產的前提，沖擊礦壓的預測和防治也成為了一套完整的技術體系，完善的預測手段和合理的防治措施對礦井安全生產有著重要的意義。文章結合22605工作面的現場地質數據和資料，制定了整體-局部-點的監(jiān)測預警體系。主要運用的監(jiān)測手段有微震法監(jiān)測、電磁輻射法和鉆屑法。這種全方位的監(jiān)測體系有著很好的監(jiān)測效果。該套預測防治體系經過大量的工程實踐可以應用于特厚煤層和地質環(huán)境復雜的煤礦生產中，保證了煤礦的安全生產和礦井工作人員的人身安全，達到了煤礦安全生產的目的。