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煤矿冲击地压的影响因素和防治对策研究

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：王继超

[导读] 摘要：冲击地压是煤矿生产所面临的严重自然灾害之一，伴随着煤炭开采逐渐往深部转移，冲击地压发生的强度和频繁程度日益增加。

        济宁矿业集团安居煤矿山东济宁 272100
        摘要：冲击地压是煤矿生产所面临的严重自然灾害之一，伴随着煤炭开采逐渐往深部转移，冲击地压发生的强度和频繁程度日益增加。同时，生产实践也表明煤矿冲击地压的发生没有明显的前兆，而且在各种类型的煤层、地质构造、顶板条件下都发生过这种破坏力极大的动力灾害现象。一旦发生，很可能会造成难以估量的经济损失和巨大的人员伤亡。因此，研究冲击地压的发生机理和防治措施是急切的并且非常必要的。
        关键词：煤矿；冲击地压；防治措施
        通常，煤矿冲击地压的发生都是有一些条件的，是煤层以及应力等共同影响的结果。冲击地压出现的主要条件是煤岩体，具备较强的冲击倾向性。煤岩体积累的弹性应变能可以释放的足够空间是发生冲击地压的前提条件，而出现冲击地压的诱发条件是煤岩体积累能量的应力加载。必须要兼具以上这些条件，才有可能出现冲击地压。结合煤岩冲击失去稳定性的物理特点，可以将冲击地压划分为三大类，一是岩爆型冲击地压，二是顶板垮落型冲击地压，三是构造型冲击地压。[1]首先，岩爆型冲击地压主要是指煤岩体一直积累弹性应变能，在能量上升到煤岩的最大承载力时，煤岩就会出现瞬间爆炸的情况，其具体表现是弹射以及抛出媒体。然后，顶板垮落性冲击地压，主要是指推过回采工作面后，上部较厚而硬度较高的顶板始终没有垮落，在悬顶面积达到规定的数值时，顶板瞬间出现折断而造成的冲击波强烈性损坏。最后，构造型冲击地压通常出现在构造条件相当复杂的地质环境中，因为构造应力过于集中导致的煤岩失去稳定性冲击损坏。[2]从外，结合不同的出现位置，能够将冲击地压划分为两大类，一是掘进冲击地压，二是回采冲击地压。首先，掘进冲进地压通常出现在巷道掘进中，与巷道的布局位置以及布局方法存在联系。其次，回采冲击地压出现在回采工作面的推进中，一般和回采工作面的回采时间以及长度存在联系。
        1、冲击地压具有以下明显的显现特征
        （1）突发性没有明显的宏观前兆而突然发生，过程短暂（持续几秒到几十秒），难以事先准确确定发生时间、地点和强度。
        （2）瞬时震动性过程急剧而短暂，伴有巨大声响和强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动范围可达几千米甚至几十千米，地面有震感，但震动持续时间一般不超过几十秒。
        （3）巨大破坏性顶板可能瞬间明显下沉，但一般不冒落；底板可能突然开裂鼓起甚至接顶；常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎从煤壁抛出，堵塞巷道，损坏设备。造成惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。
        （4）复杂性在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从200～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄到厚，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。
        煤岩体在构造应力以及重力的影响下聚集了大量的弹性能量，在巷道掘进或者工作面推进的过程中，原始的平衡状态遭到破坏，当应力达到煤岩体极限强度时，煤岩体内聚集的高强度弹性能量快速地释放，其中大多数以动能的形式释放，并且可能伴随着响声和瓦斯等气体的喷出，对安全生产和工人的安全造成严重威胁。
        2、影响冲击地压的因素
        2.1 煤岩体的物理性质
        煤岩体的弹性、硬度和湿度等都是影响其发生冲击地压事故的重要物理性质。岩体弹性的变形程度与能量聚集程度密切相关，在一定程度上可以表明发生冲击地压可能性的大小。煤岩体的弹性变形程度大，发生事故的可能性就大。在弹性变形小的煤岩体中，其变形大部分都是塑性变形，发生事故的可能性就大大降低。此外，如果煤岩体中含有的水分较少，变形的能力就会增大，从而更容易积聚能量发生冲击地压事故。
        2.2 开采的深度
        根据生产实践经验，开采深度越大，发生冲击地压的可能性就越大。这是因为煤岩体的埋深越大，受到重力的影响就越明显，煤体所具有的原始应力也就越大。一旦应力超过煤体的极限强度，就会发生冲击地压。但是，这个深度会根据各个地区煤体和岩体的某些物理特性发生改变，因此各个地区发生冲击地压事故的临界深度是不同的。
        2.3 地质构造
        冲击地压事故在复杂的地质环境下，比如断层、褶皱、煤层厚度发生改变等地应力较大的地方发生的概率比较大。

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当工作面推进到具有断层、褶皱等地应力高度集中的区域内时，在超前采动压力的影响下，煤岩体积聚的弹性能量极易突然释放，造成冲击地压。而在构造应力已经得到释放的区域，比如背斜侧方向上宽缓的地方，由于应力的提前释放，发生冲击地压的危险性会大幅度降低，甚至不会发生冲击地压。
        2.4 开采方法
        采用的采煤方法和采煤工艺不同，矿山压力的分布范围和大小也存在区别。如果巷道在掘进的过程中交岔点多，巷道数量多，并且留设的煤柱也多，就很容易造成多重支承压力相互重叠的现象，使这一区域的地质环境变得更加复杂，该区域发生冲击地压的可能性就增大。
        3、防治事故的措施
        3.1 煤层注水
        冲击地压的发生与煤岩体的含水量密切相关。向煤岩体注水后，其含水量增加，煤体的结构发生变化，塑性变形的能力改变，从而能够降低煤岩体内聚集的弹性势能，降低事故发生的概率。
        3.2 改进巷道支护方式
        在容易发生冲击地压事故的巷道中，可以采取锚喷网索等主动支护的方式，根据现场矿压显现的实际情况，在顶板变形量较大的区域提高支护能力，可以增加单体液压支柱的数量或者采用垛式支架等加强对巷道的支护，防止出现当冲击地压事故发生时巷道遭到大范围的破坏，甚至出现巷道被完全堵死的情况。
        3.3 局部综合性的防治措施
        防治冲击地压的措施的有两方面：一是降低应力的集中程度；二是改变煤岩体的物理力学性能，以减弱积聚弹性能的能力和释放速率。
        ①、降低应力的集中
        （1）、超前开采保护层；（2）、无煤柱开采，在采区内不留煤柱和煤体突出部分，禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采；（3）、合理安排开采顺序，避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在采煤工作面前方掘进巷道，必要时应在岩石或安全层内掘进巷道，禁止工作面对采和追采。
        ②、采用合理的开拓布置和开采方式
        合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加，防止冲击地压关系极大。大量实例证明，多数冲击地压是由于开采技术不合理而造成的。不正确的开拓开采方式一经形成就难于改变，临到煤层开采时，只能采取局部措施，而且耗费很大，效果有限。所以，合理的开拓布置和开采方式是防治冲击地压的根本性措施。
        ③、开采解放层
        研究结果表明，在保护角内煤顶底板围岩应力得到较大范围和幅度的降低，直接底、直接顶、基本顶应力降低幅度约35%。实施解放层开采后，冲击现象明显降低。
        ④、合理开采
        各煤层、水平、阶段、采区应按合理顺序开采，避免相向回采和形成孤岛煤柱。采用长壁开采方法，冒落法管理顶板。厚层坚硬砂岩顶板大面积悬顶时，应进行强行放顶。采用无煤柱护巷，尽量不留煤柱，少掘巷道。开拓巷道及永久峒室，应布置在岩层或无冲击地压危险的煤层中。
        4、结论
        通过上述分析，得出以下3点结论：①煤体所受到的高强度的应力是导致冲击地压的直接原因，避免事故发生的关键在于控制煤体的应力大小和分布范围，同时，防治冲击地压可以通过控制应力来实现。②影响冲击地压事故的因素有很多，事故的发生也是多种因素共同作用的结果，包括开采深度、断层、褶皱的影响等，煤体本身的物理力学性质和开采方法等。③防治冲击地压的措施是被动的，主要是为了发生事故时尽可能地减少危害和损失，可采取煤层注水、改进支护方式、卸压钻孔等多种方式。
        参考文献：
        [1]李文，纪洪广，武玉梁.深井冲击地压发生机理分析及预测方法研究[J].中国矿业，2015（8）
        [2]李宝富，魏向志，任永康.千秋煤矿冲击地压发生特点及成因分析[J].煤炭工程，2014（1）
        [3]徐天涛.轻放工作面开切眼锚网梯及单体液压支柱联合支护技术实践[J].煤矿安全，2016