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煤矿开采冲击地压形成的机理及控制

发表时间：2020/6/19 来源：《基层建设》2020年第6期作者：石高远

[导读] 摘要：煤矿开采过程中冲击地压对煤矿安全生产造成极大影响，为进一步保证煤矿开采效率与质量的提升，对冲击地压形成机理进行分析，并探讨有效的防治控制措施具有重要意义。下面文章以为基础探讨冲击地压的防治策略。

        黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司峻德煤矿防冲大队黑龙江鹤岗   154100
        摘要：煤矿开采过程中冲击地压对煤矿安全生产造成极大影响，为进一步保证煤矿开采效率与质量的提升，对冲击地压形成机理进行分析，并探讨有效的防治控制措施具有重要意义。下面文章以为基础探讨冲击地压的防治策略。
        关键词：煤矿开采；冲击地压；形成机理；开采控制
        引言
        目前采场基本处于“边、远、深、热”状况，采深已超过1200m，采场布置集中，具有大采深、强冲击、厚煤层等特点，在矿井向深部要资源的背景下，冲击地压是威胁矿井安全生产的主要隐患。为保障井下作业职工的人身安全，实现安全生产，治理采掘期间的底板型冲击地压显现迫在眉睫。
        1基础性煤矿冲击地压发生机理
        基础性煤矿冲击地压发生机理主要是强度理论、刚度理论、能量理论和冲击倾向性理论，最早的冲击地压发生机理是由库克于1951年提出的强度理论，该理论从材料强度的角度来认识冲击地压发生机理，认为冲击地压的发生本质上是构成矿体与围岩最基本的元素强度遭到了破坏，基本元素的强度是有极限的，当其强度达到极限时就会难以承担其所受到的载荷，从而遭到破坏导致冲击地压的发生。之后，强度理论得到了进一步发展，从单纯对基本元素的认识再到基本元素以及基本结构之间的关系的认识，进而上升到整个矿体与围岩系统认识，从对强度应力的绝对值认识到整个矿体与围岩系统的相对值的认识，但是该理论的不足之处是并没有明确相对值的临界点。刚度理论从材料刚度的角度来认识冲击地压发生机理，认为冲击地压本质上是构成矿体与围岩的最基本元素的刚度遭到了破坏，当基本元素所承受的载荷超过其极限时，基本元素的刚度就会遭到破坏导致冲击地压的发生，该理论并没有从矿体与围岩系统角度考虑刚度的能量的积聚与扩散的这种可能性。能量理论从矿体与围岩系统能量的角度来认识冲击地压发生机理，认为非平衡状态下的矿体与围岩系统能量的释放大于其消耗就会发生冲击地压，从能量守恒的观点看这种理论解释是正确的。冲击倾向性理论从矿体与围岩系统内部运动的角度来认识冲击地压发生机理，认为矿体与围岩系统内部不断地发生着相互作用，不断地酝酿着冲击破坏的能量，这种冲击破坏能力是矿体与围岩系统发生冲击地压的内在动力，是矿体与围岩系统发生冲击地压的必要条件。
        2冲击地压的影响因素
        影响冲击地压形成的因素很多，总体上可分为地质因素与开采技术因素两种。其中，自然条件主要包括煤岩体的强度、刚度、煤层厚度及顶底板条件和开采深度。结合大量冲击地压的技术分析可发现，煤岩体的强度与刚度越小、顶板越坚硬、煤层越厚、开采深度越大，引起岩爆现象所要求的应力越小，冲击地矿压发生的可能性就越大。开采技术因素主要包括采煤方法的选取、采掘顺序的安排、煤柱应力叠加的情况和顶板控制的方法，通过对我国冲击矿压频发的煤矿进行数据收集整理，不难得出以下结论：第一，煤柱内是发生冲击地压频率最高的场合，加强对煤柱应力的监测与控制至关重要；第二，相邻区段追逐采煤会造成煤岩体内的应力大量集聚，引发岩爆；第三，通过留设煤柱控制顶板的稳定性时，冲击矿压更易形成。
        3煤矿开采冲击地压控制措施
        3.1对冲击地压危险性进行判断
        煤粉监测施工中，煤粉量超过临界值或孔内出现动力现象，如吸钻、卡钻、孔内冲击、声响、煤粉颗粒度增大、煤粉量急剧增加和煤炮频繁，且强度有增大趋势，即判定为存在冲击危险。判断有冲击危险，必须立即停止工作，撤出人员，并按照要求采取治理措施。回采期间治理冲击地压的方法主要是打钻卸压。当采用钻屑法判定现场存在冲击地压危险时，必须立即停止生产，将现场所有人员撤至距冲击危险区300m以外后进行卸压解危处理。对危险区域实施卸压解危，应从无危险区域向危险区域逐步施工卸压孔，直至钻屑法监测无冲击危险为止。

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卸压期间必须设置警戒，严禁无关人员进入卸压危险区域，警戒距离距危险区域不得小于300m。冲击危险区域实施钻孔卸压后，必须进行效果检验。只有确定冲击地压危险已解除，方可允许其他人员进入施工范围，否则，应继续采取治理措施，直至解除冲击危险。具体检验方法为：首先，卸压后待动压稳定之后，在煤粉超限区域采用钻屑法校验。其次，钻屑法监测：煤粉量<临界值，且钻屑法监测时无明显动力效应，确定冲击地压危险解除。
        3.2制定合理的防治方案
        造成冲击地压形成的原因主要是煤岩体应力大量集中，在极短时间内难以得到有效的释放，从而导致岩体发生破坏，针对岩爆产生的原因及形成机理，避免应力集中、及时释放煤岩体中集聚的能量是必要的控制手段。在冲击地压高频发生的地区或煤矿，采用长壁式采煤法是杜绝冲击地压形成的最有效的开采方法。孤立的煤柱往往承担着来自上覆岩层绝大部分的重力，为了避免应力集中，在采空区以及巷道上方应禁止煤柱的留设，尽量选用无煤柱开采技术，用全部垮落法管理顶板。工作面在进行推进的过程中，如不是特殊地质条件的要求，建议使用后退式开采，防止由于相向采煤引起的应力集中。开采保护层也是控制冲击地压形成的有效技术手段。
        3.3安全风险与管控技术
        第一，两道超前支护距离和强度不够，有可能造成压力显现明显。当压力显现较大时，应延长两道超前单体支护距离，增加单体支护密度。第二，两道采空区的悬顶过长，突然冒落有可能引成冲击地压。正常回采期间两道采空区的悬顶超过10m时，必须打隔离墙，加强两道退锚工作；钻屑法监测存在冲击危险的区域两道悬顶不得超过10m，否则必须强制采取放顶措施。第三，打眼时，顶板掉煤（矸），片帮有可能造成伤人事故。打眼施工前先进行敲帮问顶，找掉危岩，顶、帮应及时支护。第四，使用风煤钻不规范，可能造成伤人事故。规范操作行为，操作风煤钻时，作业人员不能戴手套，袖口必须系紧。第五，使用风煤钻过程中，如果风煤钻接头不牢或风管接头不牢，可能会造成人员伤害。风煤钻接头和风管接头均要牢固可靠，并用铁丝扎紧防脱。第六，现场人员相对集中，操作不当可能造成人员伤害。所有作业人员要相互配合、互相照应，做好自保互保，做到“三不伤害”。
        3.4采用电磁辐射监测技术
        在采掘作用下,工作面前方煤层岩体的松弛状态消失,应力越发集中,活动越来越密集,因此电磁辐射信号也就越强,在应力越集中的区域,电磁辐射越强,这就为电磁辐射监测技术的应用奠定了基础。电磁辐射监测技术就是通过监测电磁辐射情况反映应力集中情况的技术,该煤矿每班监测一次工作面电磁辐射,共布置15个监测点,每次的监测时间为120s,综合考虑到工作面周围应力属于不均匀状态,而冲击矿压灾害多发生在工作面附近100m范围内,所以电磁辐射监测点布置在工作面区域、两巷区域,测试间距控制在13m左右。根据电磁辐射监测结果,若通过电磁辐射变化情况,发现电磁辐射上升,则需要采取爆破等方式来实现有效卸压。
        结语
        冲击地压是一个尚在深入研究的问题，往往发生在复杂且独特的条件下，这使得它们很难被预测和控制，是煤矿安全生产环节中潜在的隐患，能否有效地对其预测、控制，关乎着矿井深部开采高效顺利地进行。正确评价和管理煤矿突发灾害，必须依靠对其发生的基本机理的深刻认识，搞清楚煤岩体发生岩爆的内在机制，借助现代计算机监测系统、非线性数值计算理念与传统经典理论对冲击矿压进行实时预测，从根本上降低冲击地压的危害程度。
        参考文献
        [1]潘一山.煤矿冲击地压扰动响应失稳理论及应用[J].北京:煤炭学报,2018,43(8):2091-2098.
        [2]齐庆新,欧阳振华,赵善坤,李宏艳,李晓璐,张宁博.我国冲击地压矿井类型及防治方法研究[J].煤炭科学技术,2014,42(10):1-5.
        [3]王旭宏,杜献杰,冯国瑞,康立勋.“三硬”煤层巷道冲击地压发生机理研究[J].采矿与安全工程学报,2017,34(04):663-669.