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(jī)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(kāi)采保護(hù)層；
     2、無(wú)煤柱開(kāi)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(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(qū)段或條帶和在采煤工作面前方掘進(jìn)巷道，必要時(shí)應(yīng)在巖石或安全層內(nèi)掘進(jìn)巷道，禁止工作面對(duì)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(duì)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(shí)例證明，多數(shù)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(fèi)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(yīng)有利于保護(hù)層開(kāi)采。首先開(kāi)采無(wú)沖擊危險(xiǎn)或沖擊危險(xiǎn)小的煤層作為保護(hù)層，且優(yōu)先開(kāi)采上保護(hù)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(hù)層的第一分層開(kāi)采都盡量布置在沖擊危險(xiǎn)性小的煤層中進(jìn)行。西安礦為了發(fā)揮上保護(hù)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(hù)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(qū)時(shí)，應(yīng)保證合理的開(kāi)采順序，最大限度地避免形成煤柱等應(yīng)力集中區(qū)。因?yàn)槊褐惺艿膲毫芨撸貏e是島形或半島形煤柱，要承受幾個(gè)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(huì)向下傳遞集中壓力，導(dǎo)致下部煤層開(kāi)采時(shí)也易發(fā)生沖擊地壓。統(tǒng)計(jì)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(shù)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(cè)為采空區(qū)的工作面在回采過(guò)程中，沖擊地壓發(fā)生次數(shù)顯著增多。
     3、采區(qū)或盤(pán)區(qū)的采煤工作面應(yīng)朝一個(gè)方向推進(jìn)，避免相向開(kāi)采，以免應(yīng)力疊加。因?yàn)橄嘞虿擅簳r(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(qū)五號(hào)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(qū)中掘進(jìn)開(kāi)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(shí)行單翼采區(qū)跨上山采煤的辦法。并把單區(qū)段獨(dú)立回采的開(kāi)采程序改為多區(qū)段聯(lián)合開(kāi)采程序，使回采與掘進(jìn)工作在不同區(qū)段中交替進(jìn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)沿采空區(qū)邊緣(低應(yīng)力區(qū))掘進(jìn)開(kāi)切眼，避免了往高應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)和維護(hù)回采開(kāi)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(kāi)采程序。在向斜和背斜構(gòu)造區(qū)，應(yīng)從軸部開(kāi)始回采；在構(gòu)造盆地應(yīng)從盆底開(kāi)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(kāi)始回采的開(kāi)采程序。龍風(fēng)煤礦的統(tǒng)計(jì)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(qiáng)度加大。隨機(jī)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(nèi)。
     5、有沖擊危險(xiǎn)的煤層的開(kāi)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(wú)沖擊危險(xiǎn)煤層中，以利于維護(hù)和減小沖擊危險(xiǎn)。回采巷道應(yīng)盡可能避開(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(duì)于水采區(qū)的回采開(kāi)切眼應(yīng)躲開(kāi)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(guò)程中，3次發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)新掘巷道時(shí)，7次發(fā)生在受采動(dòng)影響的巷道。硯石臺(tái)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(jìn)工作面，其中雙巷平行掘進(jìn)時(shí)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(hù)巷煤柱的前后兩次經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得借鑒：1971年回收時(shí)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(shí)隔近20年后再進(jìn)行回收時(shí)，采用底板集中大巷、分區(qū)小石門(mén)進(jìn)入煤層，以及避開(kāi)應(yīng)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(jì)效益和社會(huì)效益。
     6、開(kāi)采有沖擊危險(xiǎn)的煤層，應(yīng)采用不留煤柱垮落法管理頂板的長(zhǎng)壁開(kāi)采方法。回采線盡量是直線且有規(guī)律地按正確的開(kāi)采速度推進(jìn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1992年以前，全國(guó)發(fā)生沖擊地壓的50余對(duì)礦井中，有水采、綜采、分層開(kāi)采、正規(guī)和非正規(guī)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(qū)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(shì)必受到疊加壓力的影響，增加了危險(xiǎn)性。
    水力采煤法雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)單、高效，但遺留的煤垛在采空區(qū)形成支撐，頂板不能及時(shí)、規(guī)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(qiáng)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(jìn)開(kāi)采設(shè)計(jì)。
    采用長(zhǎng)壁式開(kāi)采方法，有利于減緩沖擊地壓的危害。
    倒臺(tái)階采煤法由于工作面不成一直線，在臺(tái)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(tái)煤礦在采用走向長(zhǎng)壁式采煤法時(shí)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)沖擊地壓，僅出現(xiàn)過(guò)煤炮聲；而改用倒臺(tái)階工作面回采時(shí)，經(jīng)常發(fā)生沖擊地壓，且大多數(shù)發(fā)生在臺(tái)階上隅角，約占回采時(shí)沖擊地壓總次數(shù)的90％，不僅次數(shù)多，而且強(qiáng)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(hù)能力的可縮性支架。統(tǒng)計(jì)表明：采用非正規(guī)采煤法的采區(qū)沖擊地壓次數(shù)多、強(qiáng)度大；水力充填次之；全部垮落法次數(shù)少且強(qiáng)度弱。我國(guó)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(yán)重。除煤層性質(zhì)外，厚層油母頁(yè)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(dòng)推倒或折斷支架，造成片幫和冒頂傷人。所以沖擊危險(xiǎn)工作面必須采取特殊的支護(hù)形式，加強(qiáng)支護(hù)，提高支架的整體性和穩(wěn)定性。