开采保护层防治冲击地压的机理分析

2012-07-20周明杰郑树良张立新

黑龙江工业学院学报(综合版) 2012年11期

周明杰，徐涛，郑树良，张立新

(1.七台河职业学院，黑龙江七台河 154600;2.鸡西大学，黑龙江鸡西 158100)

一冲击地压概述

冲击地压属矿井动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式。可以定义为:冲击地压是煤矿开采过程中，井巷和采场周围煤、岩体在一定高应力条件下释放变形能而产生的煤岩体突然破坏、垮落或抛出现象，对安全生产威胁巨大。简单地讲，冲击地压就是煤(岩)体的突然破坏现象。

由此可见冲击地压对煤矿的安全生产有强烈的破坏作用:首先，冲击地压会造成矿山井巷的破坏，甚至危及作业人员的生命，维修过程中不仅会耗费大量的资金而且还会导致工作面停产，影响矿井的生产效益;其次，发生强烈的冲击地压时，还可能破坏地表设施或地面建筑物。所以，冲击地压不但破坏了矿井的正常生产和经济效益，还会产生一系列的社会问题。

冲击地压发生的区域十分广泛:多数发生在煤层中，以煤层冲击地压为主，在深部矿井开采时，或在矿井顶板坚硬的条件下，顶板不易冒落处的顶、底板也极易发生冲击地压;在倾斜和急倾斜煤层矿井中，或在急转向背斜轴处因构造应力大而在底板产生冲击地压的现象也时有发生;在有通达地表的断层处，或在有坚硬顶板的远距离煤层群的矿井中各煤层间的活动断层上，也时常会发生断层错动型的冲击地压。总之，冲击地压的发生区域十分广泛。这给冲击地压的防治工作带来了很大的困难。

而由于我国煤矿生产地质条件的复杂性，所以冲击地压的防治工作一直以来就是困扰采矿工作者的一个难题。经过采矿工作者的长期实践研究，总结出的防治冲击地压的主要措施有:开采保护层;合理选择开采顺序和支护方法;消除孤立煤柱，避免应力集中现象;合理布置巷道位置;向岩层注水或软化剂;对厚层坚硬顶板进行处理，降低煤柱支承压力;用水力冲刷或震动爆破，扩大钻孔破岩效果等。其中开采保护层能很好地防止冲击地压现象的发生，其防治效果较为明显。下面就开采保护层防治冲击地压的机理与开采保护层的常用方案作一理论上的探讨。

二开采保护层防治冲击地压的机理

由于煤层开采，导致上覆岩层变形、破断和向已采空间移动。根据岩层移动的观测研究，采空区上覆岩层的移动情况见图1所示。一般情况下，可把岩层的排列情况分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。紧靠采空区上方岩层剧烈移动和冒落，冒落高度多数情况下不超过采高的4～6倍。冒落带以上为裂隙带，岩层产生大量裂隙并使天然裂隙张开。虽然岩层在采空区已破断，但仍然是排列整齐的岩层。裂隙带以上至地表的岩层，由于采动后裂隙不发育，为弯曲下沉带。如果从采煤工作面开始分析，则采空区上岩层的移动形态如图2所示。一般情况下从Ⅰ－Ⅰ线开始移动，但变形量很小，待工作面通过时，Ⅱ－Ⅱ线产生离层和剧烈移动，而到Ⅲ－Ⅲ线后才进入稳定移动区。根据国内外实测，一般情况下，上覆岩层下沉始于工作面前方30～40m，终止于工作面后方100～150m，而剧烈移动在工作面后方10～40m。

图1 开采保护层卸压带示意图

处于采空区下部煤层的变形和应力变化特征，取决于地质条件和开采工艺条件。经历着变形、应力的扩散和衰减过程，受到复杂的加载和卸载作用。升高应力区中遭到压实，而在卸载区中受到松动。其作用半径一般可达几十米到上百米。如果层间距超过上方采空的作用半径，则下部煤层实际上就不受什么影响了。但是上方采空的作用是不固定的，随着上层工作面的推进或时间的延长而周期性变化，可以引起各种不同的变形，在升高应力区和卸载区邻接处可使已有裂隙张开或产生新的裂隙。试验表明，下部煤岩层中支承压力扩展范围，可近似地用ω=55°的角度线圈定，如图3所示。在ω角度线以外应力增加相当小，近于γH。而且在一定条件下可以改变下部煤层的聚合状态和层间岩层性质(裂隙度、透气性等)。但是，对下部煤层开采时影响最大的是上层开采过程中遗留的煤柱，影响深度可达50～100m，影响宽度将比煤柱宽度大一倍多。

图2 回采工作面上方岩层移动状态

图3 上保护层开采后卸压带示意图

在《冲击地压煤层安全开采暂行规定》中规定的开采设计原则第一条就是首先开采保护层。所谓开采保护层是指一个煤层(或分层)先开采，能使临近煤层内的压力得到一定时间的卸载。先开采的作为保护层的煤层必须选择无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层。施工时必须保证开采的时间和空间同步。不得在采空区内留设煤柱，以使每一个先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤层得到最大限度的保护。保护层被扰动之后，其围岩内部必然会产生裂隙，引起围岩向采掘空间的移动，使采空区上下方的岩层应力卸载，形成“卸压带”，引起附近岩层的内部产生破坏。刚开始时岩层破裂移动是很剧烈的，特别是离保护层较近的地方，随着与保护层的距离增大而减弱。采空区一侧垮落的矸石或采用充填法管理顶板时使用的充填料，随着开采时间的延长逐渐被顶板压实，同时采空区和围岩中的应力相应地逐渐增加，趋于原岩应力水平。所以保护层的作用是有时间性的，卸压作用和效果会随时间的延长而减小。因此开采保护层的时间间隔不能太久。安排保护层和被保护层中的采掘工作时，首先要确定保护层的卸压范围和卸压程度，卸压带的结构尺寸，其参数可以根据具体条件计算，或根据各矿井的实际情况确定。

开采保护层的常用方案如图4所示。为了有效利用保护层的作用，可以采用开采上保护层、开采下保护层或混合开采形式。煤层群开采时可以采用上行、下行或混合的顺序进行开采。