＊常秋鵬 劉更慶 葛祥吉

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司東灘煤礦 山東 272000）

現(xiàn)代煤礦開采工作會(huì)受到多種因素的影響，比如人員、開采技術(shù)、環(huán)境等等，沖擊地壓屬于常見問題之一，可以影響煤礦開采質(zhì)量與效率。當(dāng)前沖擊傾向存在于我國絕大多數(shù)礦山煤層與巖層之間，伴隨煤礦開采工作不斷深入，沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生可能性也就越高，對(duì)我國礦山開采生產(chǎn)安全性造成了嚴(yán)重影響。因此要如何降低沖擊地下形成概率，保證井下人員作業(yè)安全成為了行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。即應(yīng)以煤礦沖擊地壓形成原因?yàn)榍腥朦c(diǎn)，結(jié)合礦井所在位置信息展開深度分析，并提出科學(xué)合理預(yù)防手段，保證作業(yè)人員人身安全，確保開采工作順利完成。

1.煤礦沖擊地壓類型

結(jié)合不同切入點(diǎn)，可將煤礦沖擊地壓劃分為不同類型，常見劃分習(xí)慣如下：

（1）根據(jù)誘發(fā)因素，可將煤礦沖擊地壓劃分為重力型、構(gòu)造應(yīng)力型以及構(gòu)造重力型三類。其中重力型沖擊地壓出現(xiàn)的原因?yàn)榘殡S開采深度不斷增加，礦井上部巖石層所受重力增加；構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓出現(xiàn)的原因?yàn)閿鄬优c褶曲等區(qū)域受構(gòu)造應(yīng)力影響產(chǎn)生較高彈性勢(shì)能；構(gòu)造重力型沖擊地壓出現(xiàn)的原因?yàn)殚_采區(qū)域存在應(yīng)力與重力雙重作用。

（2）根據(jù)發(fā)生位置不同，可將煤礦沖擊地壓劃分為煤體沖擊與巖體沖擊兩類。其中煤體沖擊根據(jù)發(fā)生位置不同，被劃分為淺層沖擊與深層沖擊兩類；巖體沖擊根據(jù)發(fā)生位置不同，被劃分為頂板沖擊與底板沖擊。

（3）根據(jù)破壞力度不同，可將煤礦沖擊地壓劃分為弱沖擊、中強(qiáng)度沖擊以及嚴(yán)重沖擊。其中弱沖擊會(huì)導(dǎo)致巷道20m以內(nèi)破壞；中強(qiáng)度沖擊會(huì)導(dǎo)致巷道出現(xiàn)20～50m破壞；嚴(yán)重沖擊會(huì)導(dǎo)致巷道出現(xiàn)50m以上破壞[1]。

2.煤礦沖擊地壓特征

結(jié)合現(xiàn)有資料研究發(fā)現(xiàn)，煤礦沖擊地壓具備以下特征：

（1）如果沖擊地壓強(qiáng)度較小，發(fā)生頻率較高，威力較小，通常只是在礦井中發(fā)生了彈跳，不會(huì)對(duì)后續(xù)采礦工作產(chǎn)生太大的影響。

（2）如果是由煤體引起的，則破壞情況會(huì)比較嚴(yán)重，一般發(fā)生在煤層較深位置。盡管地震強(qiáng)度很大，地表也會(huì)有強(qiáng)烈的震動(dòng)，但是對(duì)地下工作面沖擊較少，對(duì)工作面的損害較輕。

（3）如果在巷道附近發(fā)生該情況，則不論沖擊地壓具體級(jí)別，都會(huì)對(duì)巷道造成較大壓力，這種壓力會(huì)造成巷道損壞，甚至還會(huì)引發(fā)底鼓現(xiàn)象，對(duì)后續(xù)工作造成影響。

（4）絕大多數(shù)沖擊地壓情況發(fā)生時(shí)間較短，最多也就十幾秒鐘。因此在沖擊地壓發(fā)生之前，一般沒有預(yù)警信號(hào)。

3.煤礦沖擊地壓理論及產(chǎn)生因素

(1)煤礦沖擊地壓理論

綜合現(xiàn)有研究成果可知，與煤礦沖擊地壓形成問題有關(guān)的理論主要有以下四項(xiàng)。

①強(qiáng)度理論：該理論為最早出現(xiàn)的理論，理論表明采場周邊存在明顯的應(yīng)力集中情況，煤巖體達(dá)到最大承載壓力時(shí)，如果巖體遭受破壞，則會(huì)引發(fā)沖擊地壓。當(dāng)前研究理論表明：應(yīng)力在突然增加或受到阻力下降時(shí)，煤巖體都將出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)破壞，此時(shí)煤巖體將出現(xiàn)拋射情況，即當(dāng)煤巖體自身應(yīng)力不小于系統(tǒng)強(qiáng)度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沖擊地壓情況[2]。

②能量理論：該理論表明礦體與圍巖所釋放能力是形成沖擊地壓的主要能量源。伴隨企業(yè)不斷發(fā)展，系統(tǒng)整體平衡將被破壞，釋放能力遠(yuǎn)高于消耗能量，此時(shí)完全具備形成煤礦沖擊地壓的條件。

③沖擊傾向理論：沖擊傾向是指煤巖介質(zhì)自身破壞力，在工作中，借助相應(yīng)數(shù)據(jù)完成沖擊傾向度確定。

圖1 煤的強(qiáng)度與參數(shù)應(yīng)力之間的關(guān)系

④組合理論：沖擊傾向理論與強(qiáng)度理論同時(shí)滿足沖擊地壓要求，是形成沖擊地壓的必要條件。

(2)煤礦沖擊地壓產(chǎn)生因素

①地質(zhì)因素。沖擊地壓結(jié)束后，煤層將被劃分為“硬頂—硬煤—硬頂”與“硬頂—薄軟層—煤層”兩種不同結(jié)構(gòu)，這兩大結(jié)構(gòu)構(gòu)造形成沖擊地壓的潛在風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)斷層、褶渠、煤層傾角發(fā)生變化時(shí)可能出現(xiàn)開采后沖擊危險(xiǎn)[3]。如果開采區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)具備復(fù)雜性特點(diǎn)，則其附近必然存在較為強(qiáng)大的應(yīng)力場，而構(gòu)造曼力會(huì)伴隨應(yīng)力場形成，此時(shí)將可能出現(xiàn)反沖擊地壓事故。假設(shè)開采區(qū)域效應(yīng)力較為集中，則在開采過程中也可能引發(fā)沖擊地壓事故。結(jié)合上述內(nèi)容可知，地質(zhì)方面，煤礦沖擊地壓形成原因主要有三點(diǎn)，第一，煤層或圍巖存在沖擊傾向；第二，周邊聚集有大量能量；第三，能量具備可釋放條件。

②技術(shù)因素。所使用開采技術(shù)也可以決定是否會(huì)造成沖擊地壓。開采工作會(huì)導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力迅速增加，當(dāng)某區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)集中應(yīng)力時(shí)，將極易引發(fā)沖擊地壓事故。對(duì)現(xiàn)有開采技術(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，綜合式開采技術(shù)對(duì)煤巖體應(yīng)力影響最為嚴(yán)重，使用危險(xiǎn)性遠(yuǎn)高于單一煤層開采技術(shù)與分層煤炭開采技術(shù)。除此之外，地質(zhì)條件不同，所選擇開采方式也存在一定差異。如果存在方法使用不當(dāng)，開采順序與規(guī)定不符等情況，都將造成沖擊地壓事故的出現(xiàn)。

③管理因素。選擇煤礦沖擊傾向技術(shù)不僅可以有效提高管理組織科學(xué)性，還可以控制沖擊地壓事故發(fā)生概率。如果管理組織存在問題，也可能引發(fā)沖擊地壓事故。如工作面布設(shè)、開采順序有待優(yōu)化、煤柱開采作業(yè)未規(guī)避應(yīng)力集中問題等等[4]。

企業(yè)不應(yīng)為追求經(jīng)濟(jì)效益而忽略完全管理，組織管理人員為考慮工作危險(xiǎn)性，使得實(shí)際工作計(jì)劃存在漏洞，會(huì)增加沖擊地壓事故發(fā)生概率。

4.煤礦沖擊地壓防治技術(shù)分析

（1）煤礦壓力預(yù)測。礦井預(yù)測的重點(diǎn)為煤炭傾向性預(yù)測，完成周邊煤巖硬度測量，從煤炭中所形成的多種介質(zhì)以及它們的破壞能力和屬性來進(jìn)行分析，這也是當(dāng)前使用最廣泛的一種防范技術(shù)。通過北京巖體機(jī)械采煤室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了某些礦井自身存在較大的沖擊傾向。礦井的沖擊傾向性可以用試驗(yàn)來驗(yàn)證，在采礦前對(duì)礦井進(jìn)行現(xiàn)場勘測及試驗(yàn)研究，為以后的采礦工作提供了較大的安全保障。本項(xiàng)目擬采用鉆屑方法對(duì)煤巖進(jìn)行鉆進(jìn)，依據(jù)煤巖粉含量和含量變化特征，實(shí)現(xiàn)一系列檢測目標(biāo)，對(duì)煤巖層中可能發(fā)生的沖擊災(zāi)害進(jìn)行分級(jí)，為下一步工作奠定基礎(chǔ)[5]。

圖2 鉆屑法原理

（2）鉆孔卸壓技術(shù)。鉆孔卸壓就是在礦井高應(yīng)力條件下，通過各地層的彈性變形，使井眼周圍的煤巖發(fā)生破壞。這樣，就可以讓煤炭釋放出自己的力量，來減少爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。鉆井卸壓是一種將煤層中的高應(yīng)力和壓力進(jìn)行卸壓的方法，適用于在礦井中進(jìn)行作業(yè)，也可以利用鉆井將高應(yīng)力轉(zhuǎn)化為其它的卸壓巖體。需要注意的是，開展鉆井工作時(shí)，必須結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況完成相關(guān)工具選擇，比如鉆機(jī)型號(hào)、鉆桿長度、鉆頭直徑等等。對(duì)可能發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的煤層進(jìn)行開采時(shí)，必須慎重選擇開采技術(shù)，并制定具體開采方案，其主要目的為：減小煤層應(yīng)力集中情況或?qū)⑵滢D(zhuǎn)移至煤層深處；改變煤巖體機(jī)械性質(zhì)，降低其儲(chǔ)藏與突然釋放彈性的能力；降低沖擊地壓危害程度。根據(jù)要求，在一定范圍內(nèi)將孔深與底板之間的有效距離控制好，將鉆孔布置為單行，并對(duì)各項(xiàng)鉆孔參數(shù)進(jìn)行控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)泄壓，還可以保證鉆孔作業(yè)的安全性。

（3）卸壓爆破技術(shù)。卸壓法是在煤礦高應(yīng)力條件下，對(duì)其進(jìn)行定向爆破，使其在采礦時(shí)產(chǎn)生沖擊波，從而達(dá)到消除沖擊波危害的目的。卸壓法最主要的作用是將煤層引爆，使其內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙，進(jìn)而使鄰近煤層的機(jī)械構(gòu)造發(fā)生變化，使其彈性強(qiáng)度和彈性能量下降，進(jìn)而使發(fā)生沖擊地壓的強(qiáng)度和能量大大減少，降低了其彈性強(qiáng)度和彈性能量，以及大幅度地降低了出現(xiàn)沖擊地壓的強(qiáng)度和能量，從而增大了應(yīng)力的釋放范圍，減少了其集中程度和釋放速度，在一定程度上避免了沖擊地壓的危害[6]。

（4）煤層注水技術(shù)。對(duì)煤層進(jìn)行注水處理是一種十分有效的方法。由于煤的自身存在著一定的孔隙和透水性，所以在注水的過程中，能夠?qū)γ旱奈锢硖匦赃M(jìn)行改造，使煤的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤的強(qiáng)度下降，煤的蓄力變小，提高了煤的塑性，并且還能夠起到降塵的作用，消除了沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)。最常用的兩種方法就是將頂板注水和壓注化學(xué)溶液，在注水的時(shí)候，要對(duì)注水的時(shí)機(jī)進(jìn)行科學(xué)、合理的規(guī)劃，同時(shí)要對(duì)煤層進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)其適合進(jìn)行卸壓，確保注水的泄壓效果。水驅(qū)的目的在于通過改變煤的構(gòu)造，降低煤的力學(xué)強(qiáng)度、儲(chǔ)存彈性以及沖擊傾向性。大部分的煤層在進(jìn)行水壓處理后，其沖擊力會(huì)下降一級(jí)。通過水驅(qū)作用，可以有效地減小支撐壓力的峰值，并將其傳遞至煤體內(nèi)深處，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤（或部分）應(yīng)力場的調(diào)控。采煤技術(shù)采用了最大限度的機(jī)械化，并在危險(xiǎn)區(qū)域以外進(jìn)行操作，從而保證了采煤工人的生命安全[7]。

（5）加強(qiáng)支護(hù)與管理。對(duì)于有沖擊危險(xiǎn)性的煤層區(qū)，應(yīng)保證足夠的支護(hù)力，全方位地增強(qiáng)其抵抗沖擊的能力。在采礦、開挖過程中，必須進(jìn)行噴絲網(wǎng)。在采礦過程中，為了保持井巷的剖面形狀，必須采用單個(gè)水力柱來強(qiáng)化井巷的支護(hù)，以減少井巷的沖撞風(fēng)險(xiǎn)和損害。在進(jìn)行采礦作業(yè)的時(shí)候，要重視對(duì)現(xiàn)場管理人員、生產(chǎn)作業(yè)人員的安全培訓(xùn)，制定出一系列完善的煤層管理制度，強(qiáng)化技術(shù)管理，以及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)煤層和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的識(shí)別與預(yù)報(bào)。

（6）制訂合理的開采計(jì)劃。伴隨煤礦開采深度增加，礦井發(fā)生沖擊地壓可能性增大，危險(xiǎn)性增大，給礦井生產(chǎn)帶來了很大的難度。因此，要制定出一套科學(xué)的采礦方案，才能保證礦井的正常生產(chǎn)?；仫L(fēng)平巷是現(xiàn)代煤炭開采中比較重要的一環(huán)，關(guān)系到煤炭開采的整體安全。在回采時(shí)，要沿回采方向進(jìn)行，并要對(duì)回采全過程進(jìn)行監(jiān)測和觀測。如果風(fēng)平巷存在問題，不能滿足礦井下的工作需要，就要根據(jù)具體條件進(jìn)行合理的布置，通常布置在煤柱周圍，這樣可以有效地抑制礦井下的支撐作用，同時(shí)也可以防止它給煤柱帶來過大的壓力。在礦井安全程度較高的情況下，可以不設(shè)置煤柱。如果采空區(qū)沒有煤柱，則需合理選擇開采區(qū)域，不能在高應(yīng)力地方進(jìn)行開采，否則會(huì)因?yàn)楦邞?yīng)力的影響而發(fā)生垮塌等問題。

（7）保護(hù)層的科學(xué)開采。在礦井中，安全層起到了舉足輕重的作用，是保證礦井施工安全的關(guān)鍵。在實(shí)際的采礦作業(yè)中，一般選擇沒有沖擊地壓或輕微沖擊地壓的地區(qū)完成安全區(qū)搭建。借助安全區(qū)，可以有效地控制巖體之間的相互作用，避免巖體中的能量累積，減少巖體壓力。在采煤過程中，不管是頂板，還是底板，都會(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)力場，為了防止沖擊礦壓，采取了防護(hù)措施，將這些應(yīng)力場控制在一定范圍之內(nèi)。

5.結(jié)束語

煤炭開采過程中沖擊地壓造成的影響與危害都是巨大的。因此，以煤礦采礦現(xiàn)場的具體狀況為依據(jù)，制訂出有效的、具體的、安全的計(jì)劃，使其達(dá)到科學(xué)、合理的預(yù)防沖擊礦壓的目的，從而有效的保證煤礦采礦工程的安全，推動(dòng)煤礦采礦事業(yè)的正常開展，營造煤礦采礦事業(yè)安全發(fā)展的良好氛圍。