防治煤層沖擊地壓的基本原理

 防治煤層沖擊地壓的基本原理

根據(jù)發(fā)生沖擊地壓的成因和機理，防治沖擊地壓的措施的基本原理有兩方面：一是降低應(yīng)力的集中程度；二是改變煤巖體的物理力學(xué)性能，以減弱積聚彈性能的能力和釋放速率。
   （一）降低應(yīng)力的集中
    減弱煤層區(qū)域內(nèi)的礦山壓力值的方法有：
     1、超前開采保護層；
     2、無煤柱開采，在采區(qū)內(nèi)不留煤柱和煤體突出部分，禁止在鄰近層煤柱的影響范圍內(nèi)開采；
     3、合理安排開采順序，避免形成三面采空狀態(tài)的回采區(qū)段或條帶和在采煤工作面前方掘進巷道，必要時應(yīng)在巖石或安全層內(nèi)掘進巷道，禁止工作面對采和追采。
   (二)采用合理的開拓布置和開采方式
    實踐表明，合理的開拓布置和開采方式對于避免應(yīng)力集中和疊加，防止沖擊地壓關(guān)系極大。大量實例證明，多數(shù)沖擊地壓是由于開采技術(shù)不合理而造成的。不正確的開拓開采方式一經(jīng)形成就難于改變，臨到煤層開采時，只能采取局部措施，而且耗費很大，效果有限。所以，合理的開拓布置和開采方式是防治沖擊地壓的根本性措施。其主要原則是：
     1、開采煤層群時，開拓布置應(yīng)有利于保護層開采。首先開采無沖擊危險或沖擊危險小的煤層作為保護層，且優(yōu)先開采上保護層。例如撫順、遼源等煤礦，屬厚煤層上行水砂充填法開采。作為保護層的第一分層開采都盡量布置在沖擊危險性小的煤層中進行。西安礦為了發(fā)揮上保護層的作用改變自下而上的分層開采順序，首先開采頂分層作為保護層，采完頂分層后再反過來自下而上開采其他各分層，甚至改用下行金屬網(wǎng)分層假頂全部垮落法開采。
     2、劃分井田或采區(qū)時，應(yīng)保證合理的開采順序，最大限度地避免形成煤柱等應(yīng)力集中區(qū)。因為煤柱承受的壓力很高，特別是島形或半島形煤柱，要承受幾個方面的疊加應(yīng)力，最易產(chǎn)生沖擊地壓。上層遺留的煤柱還會向下傳遞集中壓力，導(dǎo)致下部煤層開采時也易發(fā)生沖擊地壓。統(tǒng)計資料表明：陶莊煤礦回收煤柱時發(fā)生的沖擊地壓占全礦沖擊次數(shù)的29.8％；唐山煤礦、城子煤礦約占50％。龍風(fēng)煤礦實際資料抽樣分析表明，兩側(cè)為采空區(qū)的工作面在回采過程中，沖擊地壓發(fā)生次數(shù)顯著增多。
     3、采區(qū)或盤區(qū)的采煤工作面應(yīng)朝一個方向推進，避免相向開采，以免應(yīng)力疊加。因為相向采煤時上山煤柱逐漸減小，支承壓力逐漸增大，很容易引起沖擊地壓。例如陶莊煤礦272水采區(qū)五號上山西翼開采時，在上山附近發(fā)生了17次沖擊地壓。而且相向采煤又要被迫在高壓力區(qū)中掘進開切眼，造成沖擊地壓頻繁發(fā)生(占總次數(shù)的60％)。為了改變這種狀況，提出實行單翼采區(qū)跨上山采煤的辦法。并把單區(qū)段獨立回采的開采程序改為多區(qū)段聯(lián)合開采程序，使回采與掘進工作在不同區(qū)段中交替進行，能夠?qū)崿F(xiàn)沿采空區(qū)邊緣(低應(yīng)力區(qū))掘進開切眼，避免了往高應(yīng)力區(qū)掘進和維護回采開切眼的弊端。
     4、在地質(zhì)構(gòu)造等特殊部位，應(yīng)采取能避免或減緩應(yīng)力集中和疊加的開采程序。在向斜和背斜構(gòu)造區(qū)，應(yīng)從軸部開始回采；在構(gòu)造盆地應(yīng)從盆底開始回采；在有斷層和采空區(qū)的條件下應(yīng)從斷層或采空區(qū)附近開始回采的開采程序。龍風(fēng)煤礦的統(tǒng)計資料表明，采掘工作面接近斷層或向斜鈾部附近時，沖擊地壓頻度增加強度加大。隨機抽樣50例，其中與斷層有關(guān)的36例，占72％，其中有62％的沖擊地壓發(fā)生在工作面接近斷層時，只有10％發(fā)生在離開斷層以后，而且34％的沖擊地壓發(fā)生在工作面接近斷層5m～20m的范圍內(nèi)。
     5、有沖擊危險的煤層的開拓或準(zhǔn)備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回風(fēng)巷應(yīng)布置在底板巖層或無沖擊危險煤層中，以利于維護和減小沖擊危險?；夭上锏缿?yīng)盡可能避開支承壓力峰值范圍，采用寬巷掘進，少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進。對于水采區(qū)的回采開切眼應(yīng)躲開高應(yīng)力集中區(qū)，選在采空區(qū)附近的壓力降低區(qū)為好。例如，唐山煤礦十一水平5287 (北)區(qū)發(fā)生的32次沖擊地壓，有12次發(fā)生在回采前的巷道維修過程中，3次發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)新掘巷道時，7次發(fā)生在受采動影響的巷道。硯石臺煤礦沖擊地壓大多數(shù)發(fā)生在支承壓力影響區(qū)的掘進工作面，其中雙巷平行掘進時發(fā)生的次數(shù)最多，占 46.2％。城子煤礦回收八層—250m水平西護巷煤柱的前后兩次經(jīng)驗教訓(xùn)值得借鑒：1971年回收時按常規(guī)布置方法，造成嚴(yán)重的沖擊地壓傷亡事故，被迫停采封閉；時隔近20年后再進行回收時，采用底板集中大巷、分區(qū)小石門進入煤層，以及避開應(yīng)力峰值送巷、寬巷掘進等開采方式，僅歷時11個月就安全回收該煤柱，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
     6、開采有沖擊危險的煤層，應(yīng)采用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開采方法?；夭删€盡量是直線且有規(guī)律地按正確的開采速度推進。經(jīng)統(tǒng)計，1992年以前，全國發(fā)生沖擊地壓的50余對礦井中，有水采、綜采、分層開采、正規(guī)和非正規(guī)開采方法等多種情況。分析表明，不同的采煤方法，其礦山壓力的分布也不相同。
    房柱式等柱式采煤法，由于掘進的巷道多和在采空區(qū)遺留的煤柱多、頂板不能及時充分地垮落，造成支承壓力較高。在工作面前方掘進巷道勢必受到疊加壓力的影響，增加了危險性。
    水力采煤法雖然系統(tǒng)簡單、高效，但遺留的煤垛在采空區(qū)形成支撐，頂板不能及時、規(guī)則地垮落，又要經(jīng)常在支承壓力帶開掘水道和槍眼，加之推進速度快，開采強度大，易造成大面積懸頂?shù)奈：?，?dǎo)致發(fā)生沖擊地壓。所以，水采礦井要改進開采設(shè)計。
    采用長壁式開采方法，有利于減緩沖擊地壓的危害。
    倒臺階采煤法由于工作面不成一直線，在臺階部位形成高應(yīng)力集中，則易導(dǎo)致發(fā)生沖擊地壓。
    硯石臺煤礦在采用走向長壁式采煤法時，沒有發(fā)生過沖擊地壓，僅出現(xiàn)過煤炮聲；而改用倒臺階工作面回采時，經(jīng)常發(fā)生沖擊地壓，且大多數(shù)發(fā)生在臺階上隅角，約占回采時沖擊地壓總次數(shù)的90％，不僅次數(shù)多，而且強度也大，平均每次沖出煤炭 130t以上。
     7、頂板管理盡量采用全部垮落法，工作面支架應(yīng)采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。統(tǒng)計表明：采用非正規(guī)采煤法的采區(qū)沖擊地壓次數(shù)多、強度大；水力充填次之；全部垮落法次數(shù)少且強度弱。我國發(fā)生沖擊地壓的煤層其頂板大多又厚又硬，不易垮落。采用注水、爆破等方法，使頂板弱化或垮落，能夠減緩沖擊地壓。在有沖擊地壓的礦井中，有6個采用水砂充填方法管理頂板，并不能避免沖擊地壓的發(fā)生。例如撫順煤礦特厚煤層的頂板，雖為較軟的厚層油母頁巖，采用水砂充填上行分層開采，但第一分層開采時，沖擊地壓仍較嚴(yán)重。除煤層性質(zhì)外，厚層油母頁巖老頂?shù)恼w彎曲下沉是造成煤層邊緣的高應(yīng)力集中的重要因素。根據(jù)撫順、阜新等煤礦沖擊地壓危害情況，傷亡事故主要由于沖擊震動推倒或折斷支架，造成片幫和冒頂傷人。所以沖擊危險工作面必須采取特殊的支護形式，加強支護，提高支架的整體性和穩(wěn)定性。