矿井深部开采冲击地压研究与防治.pdf

矿井深部开采冲击地压研究与防治 李百宜 王盛川 齐文跃 中国矿业大学 孙越崎学院。 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 我国矿井地质条件多种多样 ， 由于开采深度的增加， 发生冲击地压灾害的矿井数量也变得越来越多。本文首先介绍了深 部开采冲击地压发生的条件及影响因素， 然后对冲击地压的发生规律和破坏形式进行了分析， 最后提出了煤体冲击地压的预测技术 并给出了具体的防治措施。 关键词l 冲击地压； 发生的条件 ； 发生规律 ； 防治措施 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 1 5 5 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 8 9 中图分类号 F 4 0 7 ． 2 1 ； T D 3 2 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 0 1 5 5 2 0 1 3 0 7 0 1 4 5 0 2 l 、 冲击地压发生的条件 1 在煤层和它们的附近有一定的冲击倾 向性。 当煤岩受到力的作用就会被破坏， 其中， 镜煤和亮煤是 这一方面的代表。如果所处的煤层具有 比较小的脆 性、 比较小的湿度以及比较高的抗压强度的话， 那么就 很容易出现冲击地压的情况。 2 较多的能量集中存在于回采工作面周围。通 常情况下 ， 在距离 回采工作面前方 1 5 5 0 m 的位置 附 近容易发生冲击地压， 这些区域被称为回采工作面超 前支承压力 区， 煤层在这些 区域会产生很 大的弹性应 变能 ， 当弹性应变能大到煤层难 以忍受时 ， 就会出现 冲 击地压 。 3 采场拥有释放能量 的区域 。有非常多 的弹性 变形能存在于采场前方煤体里面， 在这些煤体的周围 又具有一定的间隔， 如果煤体的强度超过了极限强度 那么就很容易出现冲击地压。 2 、 冲击地压的影响因素 1 地质构造 。由于不同区域 的地质情况不 同， 使 得在煤体的断层、 褶陆等区域附近会存在非常多的弹 性变形能 ， 如果人们挖煤 的时候不能正确 的实施作 业 的话就很容易导致这些区域出现冲击地压 。 2 开采技术。开采技术不合理也会 导致 冲击 地 压， 例如不能正确的布置巷道； 没有履行正确的开采程 序， 使得孤岛采煤情况的出现等； 没有合理的设置煤柱 等都是容易引发冲击地压的因素。 3 开采深度。原岩应力会 随着开采 深度 的增加 而不断变 大 ， 这样也会 加大 出现 冲击危 险 的可 能性。 尽管不同矿井采用不同的开采条件， 但通常情况下当 开采深度大于 2 0 0 m以后就很有可能出现冲击地压。 4 开采范围。当开采范围不断增加以后， 会使得 很多的顶板被破坏， 这样人们就很难确定顶板的活动 规律 ， 增加 了冲击地压发生的可能性 。 3 ． 冲击地压发生的规律与破坏形式 1 冲击地压发生的规律。a 震级 比较大的 冲击 地压往往发生在大断层周围； b 冲击地压往往会出现 在第一次出现压力的时候， 而且冲击地压在出现压力 之前已经多次出现； e 冲击地压出现的次数随开采深 度的增加而不断增多， 冲击地压的震级随开采深度的 收稿日期 2 0 1 3 0 4 2 6 增加而不断增高； d 冲击地压的震级在构造带周围往 往不会太高 ， 但是其影响范围和破坏能力却往往超出 人们的预计。 2 冲击地压的破坏形式。a 煤出现完全的位移 这种形式会使得顶板出现擦痕， 并且会减小巷道的规 模； b 煤的抛射 煤块被抛出， 使得煤尘被扬起等； C 震动 这种情况会使得棚子发生倒塌， 设备器材发生位 移。并且会有飓风跟随着 出现 如果 冲击地压强度 比 较大时其出现的冲击波很强， 可造成人员伤亡； d 底 鼓 底煤因为发生鼓起而造成伤人的现象。 4 、 煤矿冲击地压预测技术 1 电磁辐射监测仪探测法。人们通过煤岩 流变 的规律对 电磁辐射 的规律 以及其特性 造成一 定 的干 扰 ， 这种方法是一种通过监测煤岩流变 的破坏程序及 在不接触的情况下判断煤 与瓦斯突出以及 出现冲击地 压等煤矿中经常出现的对人们生命财产造成威胁事件 可能性的技术方法。当人们在煤矿中掘进或回采以 后， 工作面煤体的应力平衡就会消失， 导致煤壁里面煤 体的变形或裂变 ， 从而可 以过渡到新的应力平衡状态 ； 煤体中的瓦斯也会在这时 出现动态不稳定 ， 从 而会 因 为瓦斯压力梯度的作用而顺着煤体中的裂隙向煤层以 外扩散， 电磁辐射均会伴随着这两种过程出现。 2 煤岩变形监测法。随着开采活动的进行， 围岩 难免会出现位移 和形变 ， 这种变化表现在采 面的话就 是顶底板会 向近处移动 ， 表现在巷道 的话就是 出现围 岩的形变。煤体质地越软， 硬度越小， 越容易产生巷道 形变 ， 也越不容易产生冲击破坏 ； 如果巷道没有足够大 的形变的话， 那就表明煤体具有较大的刚度， 这种情况 下就很容易出现冲击破坏。 3 煤粉钻孔法。这种方法是通过在煤体中钻小 直径钻孔， 然后再将不同深度的钻孔使煤层排出的煤 粉量和标准值进行对 比， 如果排 出的煤粉量大于极 限 煤粉量的话， 工作面出现冲击危险的可能性就大大增 加 。但研究表明 ， 如果是危险煤粉量 的位 置 比 3倍采 高的还要大， 那么就不会出现冲击地压。 5 、 煤矿冲击地压的防治措施 1 超前注永软化煤层。在人们挖掘巷道的过程 中， 人们可以通过巷道断面的面积在迎头煤体内设置 1 45 多个钻孔 ， 钻孔的直径在 4 2 5 O毫米范围内， 钻孔的 深度在 7 m附近， 然后向钻孔内注水。 2 深孔爆破卸压。当人们通过钻屑法查看到煤 体中出现应力集中的情况时， 通常会利用深孔爆破的 方法降低压力， 也就是在煤层 8～1 5米深度的左右设 置多个炮眼， 在炮眼内放置炸药 ， 并且通过反向爆破的 方法实施 。 3 实施合理 的开采程序。煤矿开采过程中要对 顺序以及开采方式进行合理的安排 对煤层进行混合 开采， 通过先开采上层然后再不断的开采下层的顺序 开采煤层； 工作面通过使用长壁走向的方式不断推进， 这种方法也就是不同方向的工作面均向同一方向扩 展 ， 避免 出现采空 区。 4 优化开拓布局合理设置巷道。通过研究采区 内煤层及地质构造状况， 把永久硐室以及开拓巷道设 置在没有冲击可能的煤层中或者是设置在赋存比较稳 定的煤层底板岩石内， 尽量不要将巷道布置在出现冲 击地压可能性较大的区域。 5 采用宽巷道掘进， 便于应力释放。在进行巷道 开采的过程中， 巷道的形状往往会 由于受矿压的作用 而不断变化。这种变化主要体现在两帮出现位置移 动， 这种位置的移动会使得煤层中的应力得以释放， 因 而可以很好地防止冲击地压 的出现。 6 合理安排采掘活动、 避免采掘相互影响。当采 区里面同时发生同翼掘进与生产时， 这两个部分之间 的距离至少要有一个工作面那么大， 并且还要对采区 两翼的交替开采进行合理的安排， 避免在开采的过程 中采区同一翼的不同工作面出现同时被开采的情况。 6 、 总结 随着矿井开采深度的不断增加以及矿井开采难度 的不断加大， 这些区域的地质条件以及开采条件也变 得越来越复杂， 开采扰动应力以及原始应力在这些区 域相互作用， 使得矿井出现冲击地压灾害的可能性逐 渐增大， 给矿工的生命安全带来很大威胁。基于此， 既 要深人的研究矿井灾害发生的原理 ， 研究 出合理 的预 警和防治机制， 还要对不同矿区出现矿区危险的可能 性进行对比分析， 以便正确的划分整个矿区范围内发 生冲击的危险区域的等级。 参考文献 [ 1 ] 郭延华， 等． 内错式下分层回采巷道围岩变形破坏机理研究 [ J ] ． 河北工程大学学报， 2 0 0 7 ， 2 4 2 3 6 3 8 ． [ 2 ] 窦林名， 何学秋． 冲击矿压防治理论与技术 [ M] ． 徐州 中国 矿业大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 章梦涛。 我国冲击地压预测和防治 [ J ] ． 辽宁工程技术大学 学报 自 然科学版 ， 2 0 0 1 ， 2 0 4 4 3 4 4 3 5 ． [ 4 ] 赵本均． 冲击矿压及防治[ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 5 ． 责任编辑 陈文明l 下转第 1 2 7页 走向约为 2 6 0 。 ， 短轴长度约为 6 5 m。 l 4 6 4 ． 2仰 角 1 5 。 测 面的探 测结果 仰角 l 5 。 测面与煤层内的测面同样地布置了 l 3条 测线。根据地质资料， 靠近探测点处为陷落柱的充填 物 低阻 ， 远处为 1 2 蝶 层的顶板灰岩 高阻 ， 即低阻 区为陷落柱充填物， 高阻区为 l 2 I煤层顶板灰岩。可以 认为低阻闭合圈为陷落柱充填物， 闭合圈的长轴长度 约为7 0 m， 走向约为2 7 0 。 ， 短轴长度约为4 0 m 。 4 ． 3俯角 l 0 。 测面的探测结果 俯角 1 0 。 测面与上述测面以同样的方位角布置了 l 3 条测线。在测点附近的视电阻率低， 远离测点的视 电阻率高， 围绕着测点存在着低阻闭合圈。根据地质 资料， 低阻区为陷落柱充填物， 高阻区为 1 3 煤层及其 顶板灰岩 ， 参照掘进头的钻孔资料 ， 可以解释 出陷落柱 的边界线总体呈不规则的闭合圈， 长轴长度约为 7 5 m， 走向约为2 6 5 。 ， 短轴长度约为5 5 m 。 4 ． 4仰角 4 5 。 测面的探测结果 仰角 4 5 。 测面与 l 3条测线布置方案同前。总体 上 在测点附近的视电阻率低， 远离测点的视电阻率高， 围 绕着测点存在着 1 个边缘不规则闭合圈。根据地质资 料， 低阻区为陷落柱充填物， 高阻区为围岩， 参照掘进 头的钻孔资料， 可以解释出陷落柱的长轴长度约为 6 3 m， 走 向约为 2 7 5 。 ， 短轴长度约为 4 0 m。 5结 语 根据瞬变电磁探测结果和井下观测 ， 得 出结论如 下 1 由于充填物和围岩的视 电阻率具有 的显著的 差异， 5 1 2 3 1 工作面轨道顺槽掘进头的陷落柱在视电阻 率剖面图上容易识别 ， 解释效果较好 。 2 5 1 2 3 1 工作面轨道顺槽掘进头的陷落柱在不 同的深度边界线是不同的， 总体上显示为边缘不规则， 煤层下方陷落柱的面积较上的大。顺煤层测面获得陷 落柱长轴走向约为 2 6 0 。 ， 最大直径约为7 0 m， 短轴长度 约为 5 0 m。 3 由于充填物和围岩接触带的视电阻率具有过 渡性， 加上干扰因素和物探结果的多解性， 陷落柱的确 切边界线难 以准确确定， 因此解释的陷落柱边界线具 有一定的误差。 建议在 5 1 2 3 1工作 面轨道顺 槽掘进 头施 工钻孔。 第一批钻孔底板探测， 注浆封堵陷落柱； 第二批钻孔后 退 1 5 m， 向底板施工， 垂深 3 0 m 。封堵陷落柱揭露的边 界部分。 参考文献 [ 1 ] 霍全明， 等． 瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用[ M] ． 西安 西北工业大学出版社，1 9 9 2 ． [ 2 ] 刘树才， 等． 煤矿水文物探技术与应用[ M] ． 徐州 中国矿业 大学出版社， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 蔡水库． 瞬变电磁方法及其新进展[ D ] ． 第七届中国国际地 球电磁学术讨论会论文集， 2 0 0 5 ． 责任编辑 熊红婴