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）降低應力的集中
    減弱煤層區域內的礦山壓力值的方法有：
     1、超前開(kāi)采保護層；
     2、無(wú)煤柱開(kāi)采，在采區內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開(kāi)采；
     3、合理安排開(kāi)采順序，避免形成三面采空狀態(tài)的回采區段或條帶和在采煤工作面前方掘進(jìn)巷道，必要時(shí)應在巖石或安全層內掘進(jìn)巷道，禁止工作面對采和追采。
   (二)采用合理的開(kāi)拓布置和開(kāi)采方式
    實(shí)踐表明，合理的開(kāi)拓布置和開(kāi)采方式對于避免應力集中和疊加，防止沖擊地壓關(guān)系極大。大量實(shí)例證明，多數沖擊地壓是由于開(kāi)采技術(shù)不合理而造成的。不正確的開(kāi)拓開(kāi)采方式一經(jīng)形成就難于改變，臨到煤層開(kāi)采時(shí)，只能采取局部措施，而且耗費很大，效果有限。所以，合理的開(kāi)拓布置和開(kāi)采方式是防治沖擊地壓的根本性措施。其主要原則是：
     1、開(kāi)采煤層群時(shí)，開(kāi)拓布置應有利于保護層開(kāi)采。首先開(kāi)采無(wú)沖擊危險或沖擊危險小的煤層作為保護層，且優(yōu)先開(kāi)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(kāi)采。作為保護層的第一分層開(kāi)采都盡量布置在沖擊危險性小的煤層中進(jìn)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(kāi)采順序，首先開(kāi)采頂分層作為保護層，采完頂分層后再反過(guò)來(lái)自下而上開(kāi)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(kāi)采。
     2、劃分井田或采區時(shí)，應保證合理的開(kāi)采順序，最大限度地避免形成煤柱等應力集中區。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(gè)方面的疊加應力，最易產(chǎn)生沖擊地壓。上層遺留的煤柱還會(huì )向下傳遞集中壓力，導致下部煤層開(kāi)采時(shí)也易發(fā)生沖擊地壓。統計資料表明：陶莊煤礦回收煤柱時(shí)發(fā)生的沖擊地壓占全礦沖擊次數的29.8％；唐山煤礦、城子煤礦約占50％。龍風(fēng)煤礦實(shí)際資料抽樣分析表明，兩側為采空區的工作面在回采過(guò)程中，沖擊地壓發(fā)生次數顯著(zhù)增多。
     3、采區或盤(pán)區的采煤工作面應朝一個(gè)方向推進(jìn)，避免相向開(kāi)采，以免應力疊加。因為相向采煤時(shí)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水采區五號上山西翼開(kāi)采時(shí)，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中掘進(jìn)開(kāi)切眼，造成沖擊地壓頻繁發(fā)生(占總次數的60％)。為了改變這種狀況，提出實(shí)行單翼采區跨上山采煤的辦法。并把單區段獨立回采的開(kāi)采程序改為多區段聯(lián)合開(kāi)采程序，使回采與掘進(jìn)工作在不同區段中交替進(jìn)行，能夠實(shí)現沿采空區邊緣(低應力區)掘進(jìn)開(kāi)切眼，避免了往高應力區掘進(jìn)和維護回采開(kāi)切眼的弊端。
     4、在地質(zhì)構造等特殊部位，應采取能避免或減緩應力集中和疊加的開(kāi)采程序。在向斜和背斜構造區，應從軸部開(kāi)始回采；在構造盆地應從盆底開(kāi)始回采；在有斷層和采空區的條件下應從斷層或采空區附近開(kāi)始回采的開(kāi)采程序。龍風(fēng)煤礦的統計資料表明，采掘工作面接近斷層或向斜鈾部附近時(shí)，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(shí)，只有10％發(fā)生在離開(kāi)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。
     5、有沖擊危險的煤層的開(kāi)拓或準備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回風(fēng)巷應布置在底板巖層或無(wú)沖擊危險煤層中，以利于維護和減小沖擊危險?；夭上锏缿M可能避開(kāi)支承壓力峰值范圍，采用寬巷掘進(jìn)，少用或不用雙巷或多巷同時(shí)平行掘進(jìn)。對于水采區的回采開(kāi)切眼應躲開(kāi)高應力集中區，選在采空區附近的壓力降低區為好。例如，唐山煤礦十一水平5287 (北)區發(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(guò)程中，3次發(fā)生在高應力區新掘巷道時(shí)，7次發(fā)生在受采動(dòng)影響的巷道。硯石臺煤礦沖擊地壓大多數發(fā)生在支承壓力影響區的掘進(jìn)工作面，其中雙巷平行掘進(jìn)時(shí)發(fā)生的次數最多，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)驗教訓值得借鑒：1971年回收時(shí)按常規布置方法，造成嚴重的沖擊地壓傷亡事故，被迫停采封閉；時(shí)隔近20年后再進(jìn)行回收時(shí)，采用底板集中大巷、分區小石門(mén)進(jìn)入煤層，以及避開(kāi)應力峰值送巷、寬巷掘進(jìn)等開(kāi)采方式，僅歷時(shí)11個(gè)月就安全回收該煤柱，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
     6、開(kāi)采有沖擊危險的煤層，應采用不留煤柱垮落法管理頂板的長(cháng)壁開(kāi)采方法?；夭删€(xiàn)盡量是直線(xiàn)且有規律地按正確的開(kāi)采速度推進(jìn)。經(jīng)統計，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(kāi)采、正規和非正規開(kāi)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(jìn)的巷道多和在采空區遺留的煤柱多、頂板不能及時(shí)充分地垮落，造成支承壓力較高。在工作面前方掘進(jìn)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簡(jiǎn)單、高效，但遺留的煤垛在采空區形成支撐，頂板不能及時(shí)、規則地垮落，又要經(jīng)常在支承壓力帶開(kāi)掘水道和槍眼，加之推進(jìn)速度快，開(kāi)采強度大，易造成大面積懸頂的危害，導致發(fā)生沖擊地壓。所以，水采礦井要改進(jìn)開(kāi)采設計。
    采用長(cháng)壁式開(kāi)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(xiàn)，在臺階部位形成高應力集中，則易導致發(fā)生沖擊地壓。
    硯石臺煤礦在采用走向長(cháng)壁式采煤法時(shí)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)沖擊地壓，僅出現過(guò)煤炮聲；而改用倒臺階工作面回采時(shí)，經(jīng)常發(fā)生沖擊地壓，且大多數發(fā)生在臺階上隅角，約占回采時(shí)沖擊地壓總次數的90％，不僅次數多，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，工作面支架應采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。統計表明：采用非正規采煤法的采區沖擊地壓次數多、強度大；水力充填次之；全部垮落法次數少且強度弱。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(gè)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(yè)巖，采用水砂充填上行分層開(kāi)采，但第一分層開(kāi)采時(shí)，沖擊地壓仍較嚴重。除煤層性質(zhì)外，厚層油母頁(yè)巖老頂的整體彎曲下沉是造成煤層邊緣的高應力集中的重要因素。根據撫順、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(dòng)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定性。