煤矿冲击地压防治技术讨论

2023-08-31常秋鹏刘更庆葛祥吉

当代化工研究 2023年17期

＊常秋鹏刘更庆葛祥吉

（兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿山东 272000）

现代煤矿开采工作会受到多种因素的影响，比如人员、开采技术、环境等等，冲击地压属于常见问题之一，可以影响煤矿开采质量与效率。当前冲击倾向存在于我国绝大多数矿山煤层与岩层之间，伴随煤矿开采工作不断深入，冲击地压灾害发生可能性也就越高，对我国矿山开采生产安全性造成了严重影响。因此要如何降低冲击地下形成概率，保证井下人员作业安全成为了行业重点关注内容。即应以煤矿冲击地压形成原因为切入点，结合矿井所在位置信息展开深度分析，并提出科学合理预防手段，保证作业人员人身安全，确保开采工作顺利完成。

1.煤矿冲击地压类型

结合不同切入点，可将煤矿冲击地压划分为不同类型，常见划分习惯如下：

（1）根据诱发因素，可将煤矿冲击地压划分为重力型、构造应力型以及构造重力型三类。其中重力型冲击地压出现的原因为伴随开采深度不断增加，矿井上部岩石层所受重力增加；构造应力型冲击地压出现的原因为断层与褶曲等区域受构造应力影响产生较高弹性势能；构造重力型冲击地压出现的原因为开采区域存在应力与重力双重作用。

（2）根据发生位置不同，可将煤矿冲击地压划分为煤体冲击与岩体冲击两类。其中煤体冲击根据发生位置不同，被划分为浅层冲击与深层冲击两类；岩体冲击根据发生位置不同，被划分为顶板冲击与底板冲击。

（3）根据破坏力度不同，可将煤矿冲击地压划分为弱冲击、中强度冲击以及严重冲击。其中弱冲击会导致巷道20m以内破坏；中强度冲击会导致巷道出现20～50m破坏；严重冲击会导致巷道出现50m以上破坏[1]。

2.煤矿冲击地压特征

结合现有资料研究发现，煤矿冲击地压具备以下特征：

（1）如果冲击地压强度较小，发生频率较高，威力较小，通常只是在矿井中发生了弹跳，不会对后续采矿工作产生太大的影响。

（2）如果是由煤体引起的，则破坏情况会比较严重，一般发生在煤层较深位置。尽管地震强度很大，地表也会有强烈的震动，但是对地下工作面冲击较少，对工作面的损害较轻。

（3）如果在巷道附近发生该情况，则不论冲击地压具体级别，都会对巷道造成较大压力，这种压力会造成巷道损坏，甚至还会引发底鼓现象，对后续工作造成影响。

（4）绝大多数冲击地压情况发生时间较短，最多也就十几秒钟。因此在冲击地压发生之前，一般没有预警信号。

3.煤矿冲击地压理论及产生因素

(1)煤矿冲击地压理论

综合现有研究成果可知，与煤矿冲击地压形成问题有关的理论主要有以下四项。

①强度理论：该理论为最早出现的理论，理论表明采场周边存在明显的应力集中情况，煤岩体达到最大承载压力时，如果岩体遭受破坏，则会引发冲击地压。当前研究理论表明：应力在突然增加或受到阻力下降时，煤岩体都将出现运动破坏，此时煤岩体将出现抛射情况，即当煤岩体自身应力不小于系统强度时，会出现冲击地压情况[2]。

②能量理论：该理论表明矿体与围岩所释放能力是形成冲击地压的主要能量源。伴随企业不断发展，系统整体平衡将被破坏，释放能力远高于消耗能量，此时完全具备形成煤矿冲击地压的条件。

③冲击倾向理论：冲击倾向是指煤岩介质自身破坏力，在工作中，借助相应数据完成冲击倾向度确定。

图1 煤的强度与参数应力之间的关系

④组合理论：冲击倾向理论与强度理论同时满足冲击地压要求，是形成冲击地压的必要条件。

(2)煤矿冲击地压产生因素

①地质因素。冲击地压结束后，煤层将被划分为“硬顶—硬煤—硬顶”与“硬顶—薄软层—煤层”两种不同结构，这两大结构构造形成冲击地压的潜在风险，当断层、褶渠、煤层倾角发生变化时可能出现开采后冲击危险[3]。如果开采区域地质结构具备复杂性特点，则其附近必然存在较为强大的应力场，而构造曼力会伴随应力场形成，此时将可能出现反冲击地压事故。假设开采区域效应力较为集中，则在开采过程中也可能引发冲击地压事故。结合上述内容可知，地质方面，煤矿冲击地压形成原因主要有三点，第一，煤层或围岩存在冲击倾向；第二，周边聚集有大量能量；第三，能量具备可释放条件。

②技术因素。所使用开采技术也可以决定是否会造成冲击地压。开采工作会导致煤岩体应力迅速增加，当某区域内出现集中应力时，将极易引发冲击地压事故。对现有开采技术进行分析发现，综合式开采技术对煤岩体应力影响最为严重，使用危险性远高于单一煤层开采技术与分层煤炭开采技术。除此之外，地质条件不同，所选择开采方式也存在一定差异。如果存在方法使用不当，开采顺序与规定不符等情况，都将造成冲击地压事故的出现。

③管理因素。选择煤矿冲击倾向技术不仅可以有效提高管理组织科学性，还可以控制冲击地压事故发生概率。如果管理组织存在问题，也可能引发冲击地压事故。如工作面布设、开采顺序有待优化、煤柱开采作业未规避应力集中问题等等[4]。

企业不应为追求经济效益而忽略完全管理，组织管理人员为考虑工作危险性，使得实际工作计划存在漏洞，会增加冲击地压事故发生概率。

4.煤矿冲击地压防治技术分析

（1）煤矿压力预测。矿井预测的重点为煤炭倾向性预测，完成周边煤岩硬度测量，从煤炭中所形成的多种介质以及它们的破坏能力和属性来进行分析，这也是当前使用最广泛的一种防范技术。通过北京岩体机械采煤室内实验，确认了某些矿井自身存在较大的冲击倾向。矿井的冲击倾向性可以用试验来验证，在采矿前对矿井进行现场勘测及试验研究，为以后的采矿工作提供了较大的安全保障。本项目拟采用钻屑方法对煤岩进行钻进，依据煤岩粉含量和含量变化特征，实现一系列检测目标，对煤岩层中可能发生的冲击灾害进行分级，为下一步工作奠定基础[5]。

图2 钻屑法原理

（2）钻孔卸压技术。钻孔卸压就是在矿井高应力条件下，通过各地层的弹性变形，使井眼周围的煤岩发生破坏。这样，就可以让煤炭释放出自己的力量，来减少爆炸的风险。钻井卸压是一种将煤层中的高应力和压力进行卸压的方法，适用于在矿井中进行作业，也可以利用钻井将高应力转化为其它的卸压岩体。需要注意的是，开展钻井工作时，必须结合现场实际情况完成相关工具选择，比如钻机型号、钻杆长度、钻头直径等等。对可能发生冲击地压灾害的煤层进行开采时，必须慎重选择开采技术，并制定具体开采方案，其主要目的为：减小煤层应力集中情况或将其转移至煤层深处；改变煤岩体机械性质，降低其储藏与突然释放弹性的能力；降低冲击地压危害程度。根据要求，在一定范围内将孔深与底板之间的有效距离控制好，将钻孔布置为单行，并对各项钻孔参数进行控制，不仅可以实现泄压，还可以保证钻孔作业的安全性。

（3）卸压爆破技术。卸压法是在煤矿高应力条件下，对其进行定向爆破，使其在采矿时产生冲击波，从而达到消除冲击波危害的目的。卸压法最主要的作用是将煤层引爆，使其内部产生大量的裂隙，进而使邻近煤层的机械构造发生变化，使其弹性强度和弹性能量下降，进而使发生冲击地压的强度和能量大大减少，降低了其弹性强度和弹性能量，以及大幅度地降低了出现冲击地压的强度和能量，从而增大了应力的释放范围，减少了其集中程度和释放速度，在一定程度上避免了冲击地压的危害[6]。

（4）煤层注水技术。对煤层进行注水处理是一种十分有效的方法。由于煤的自身存在着一定的孔隙和透水性，所以在注水的过程中，能够对煤的物理特性进行改造，使煤的结构发生变化，煤的强度下降，煤的蓄力变小，提高了煤的塑性，并且还能够起到降尘的作用，消除了冲击地压的风险。最常用的两种方法就是将顶板注水和压注化学溶液，在注水的时候，要对注水的时机进行科学、合理的规划，同时要对煤层进行检验，确认其适合进行卸压，确保注水的泄压效果。水驱的目的在于通过改变煤的构造，降低煤的力学强度、储存弹性以及冲击倾向性。大部分的煤层在进行水压处理后，其冲击力会下降一级。通过水驱作用，可以有效地减小支撑压力的峰值，并将其传递至煤体内深处，进而实现对煤（或部分）应力场的调控。采煤技术采用了最大限度的机械化，并在危险区域以外进行操作，从而保证了采煤工人的生命安全[7]。

（5）加强支护与管理。对于有冲击危险性的煤层区，应保证足够的支护力，全方位地增强其抵抗冲击的能力。在采矿、开挖过程中，必须进行喷丝网。在采矿过程中，为了保持井巷的剖面形状，必须采用单个水力柱来强化井巷的支护，以减少井巷的冲撞风险和损害。在进行采矿作业的时候，要重视对现场管理人员、生产作业人员的安全培训，制定出一系列完善的煤层管理制度，强化技术管理，以及对风险煤层和风险等级的识别与预报。

（6）制订合理的开采计划。伴随煤矿开采深度增加，矿井发生冲击地压可能性增大，危险性增大，给矿井生产带来了很大的难度。因此，要制定出一套科学的采矿方案，才能保证矿井的正常生产。回风平巷是现代煤炭开采中比较重要的一环，关系到煤炭开采的整体安全。在回采时，要沿回采方向进行，并要对回采全过程进行监测和观测。如果风平巷存在问题，不能满足矿井下的工作需要，就要根据具体条件进行合理的布置，通常布置在煤柱周围，这样可以有效地抑制矿井下的支撑作用，同时也可以防止它给煤柱带来过大的压力。在矿井安全程度较高的情况下，可以不设置煤柱。如果采空区没有煤柱，则需合理选择开采区域，不能在高应力地方进行开采，否则会因为高应力的影响而发生垮塌等问题。

（7）保护层的科学开采。在矿井中，安全层起到了举足轻重的作用，是保证矿井施工安全的关键。在实际的采矿作业中，一般选择没有冲击地压或轻微冲击地压的地区完成安全区搭建。借助安全区，可以有效地控制岩体之间的相互作用，避免岩体中的能量累积，减少岩体压力。在采煤过程中，不管是顶板，还是底板，都会产生一定应力场，为了防止冲击矿压，采取了防护措施，将这些应力场控制在一定范围之内。