煤矿井下防冲击地压技术的应用研究

陈旭，张朋，张金宝

（兖矿能源集团股份有限公司济宁二号煤矿，山东 济宁 272072）

煤矿作为重要的能源产业，在现代工业中不可替代。然而，煤矿开采过程中常常面临着严峻的地压问题，给矿山安全和工人的生命财产造成了巨大威胁。因此，研究和应用煤矿井下防冲击地压技术具有重要的现实意义。

1 煤矿井下顶板断顶预裂技术

1.1 放顶高度确定

在煤矿井下开采过程中，为了保证矿井顶板的稳定性，减少矿山灾害的发生，需要确定适当的放顶高度。放顶高度的确定需要考虑矿层的厚度、地质条件、矿井的开采方式以及矿井的结构等因素。放顶高度的确定主要通过地质勘探和力学分析来进行。首先，通过对矿层地质结构的详细调查和勘探，获取矿层的厚度、倾角、断裂情况等信息。然后，利用地质力学理论和数值模拟方法，对矿层的稳定性进行分析和评估。根据分析结果，确定适当的放顶高度，以保证矿井的安全开采。

1.2 综采面垂直和侧向切顶技术

在煤矿井下综采面的开采过程中，为了防止顶板断裂和坍塌，需要采用垂直和侧向切顶技术。垂直切顶是指在综采面上方进行垂直方向的切割，减小矿井顶板的压力。侧向切顶是指在综采面两侧进行水平方向的切割，减小矿井顶板的跨距。垂直切顶技术主要包括冲孔爆破和切缝爆破2种方法。冲孔爆破是通过在矿井顶板上方钻孔，然后注入爆破药剂，使顶板发生破碎和剥离，减小对综采面的压力。切缝爆破是通过在矿井顶板上方钻孔，并沿顶板方向布置爆破药包，使顶板形成切缝状的破碎带，进一步减小对综采面的压力。侧向切顶技术主要包括侧向抽采和侧向放顶两种方法。侧向抽采是在综采面两侧设置排水巷道或抽采巷道，通过抽采矿井周围的地下水，减小顶板的水分含量，提高顶板的稳定性。侧向放顶是在综采面两侧进行顶板切割，减小顶板的跨距，减轻对综采面的压力。

1.3 超前深孔断顶

超前深孔断顶技术是一种常用的煤矿井下顶板断顶预裂技术。该技术通过在综采面上方钻探深孔，并注入高压水或高压气体，使矿井顶板发生裂隙和破碎，预先破坏顶板的连续性，减小对综采面的压力，保证矿井的安全开采。超前深孔断顶技术的优点在于能够预先破坏顶板，减小对综采面的压力，提高矿井的稳定性。同时，该技术可以通过控制注入水或气的压力和流量，灵活调整破碎范围和破碎程度，适应不同地质条件下的矿井开采需求。

2 煤矿井下防冲击地压控制方法

2.1 预控措施

（1）围岩支护设计。围岩支护是煤矿井下防冲击地压的基本措施之一。通过合理的围岩支护设计，可以增强矿井巷道的稳定性，减少冲击地压对巷道的影响。围岩支护设计应考虑矿层的地质条件、构造特征、应力状态等因素，选择适当的支护方式和材料，以提高围岩的强度和稳定性。常用的围岩支护方式包括钢拱支护、锚杆支护、网片支护等。其中，钢拱支护是一种常见且有效的支护方式，可以通过设置钢拱和钢梁等结构体，提高巷道的强度和稳定性。锚杆支护则是通过在巷道周围钻孔并注入锚杆，增加围岩的抗拉强度，提高巷道的抗冲击能力。网片支护则是在巷道周围安装钢网片，防止围岩的剥落和坍塌。

（2）钻孔预裂爆破技术。钻孔预裂爆破技术是一种常用的防冲击地压控制方法。通过在井下巷道周围钻孔并注入爆破药剂，使围岩发生裂隙和破碎，减小低压力对巷道的影响。钻孔预裂爆破技术可以调整爆破参数，如孔距、孔深、装药量等，以适应不同地质条件下的矿井开采需求。钻孔预裂爆破技术的优点在于能够预先破坏围岩，减小冲击地压对巷道的影响，提高巷道的稳定性。同时，该技术可以通过控制爆破参数，灵活调整破碎范围和破碎程度，适应不同地质条件下的矿井开采需求。

（3）预加固技术。预加固技术是一种在矿井开采前进行围岩加固的方法。通过在井下巷道周围进行加固工程，提前增强围岩的强度和稳定性，减少冲击地压对巷道的影响。预加固技术可以采用注浆加固、锚杆加固、钢筋网加固等方式，以提高围岩的抗冲击能力和抗变形能力。注浆加固是一种常用的预加固技术，通过在井下巷道周围注入硬化剂或聚合物材料，增加围岩的强度和稳定性。锚杆加固则是通过在巷道周围钻孔并注入锚杆，增加围岩的抗拉强度，提高巷道的抗冲击能力。钢筋网加固则是在巷道周围安装钢筋网片，增加围岩的抗剪强度，防止围岩的剥落和坍塌。

2.2 紧急控制措施

（1）应急支护。应急支护是在发生地压突出或其他突发情况时采取的紧急措施。在这种情况下，迅速采取适当的应急支护措施可以有效控制冲击地压的危害，保护工人的安全。常见的应急支护措施包括立即搭设支架、加固巷道周围围岩、设置钢拱和钢撑杆等。支架的搭设可以通过紧急搭设木枋、钢架或混凝土块等材料来增强巷道的稳定性。加固巷道周围围岩可以通过喷射混凝土、注浆、锚杆加固等方式来提高围岩的强度和稳定性。钢拱和钢撑竿的设置可以增加巷道的承载能力和抗冲击能力。

（2）应急排水。应急排水是在地压突出或其他突发情况下迅速采取的紧急措施之一。当矿井发生地压突出时，地下水的涌出会加剧地压的危害，因此需要迅速进行应急排水。应急排水的方式可以采用抽水机、抽水管道、排水井等设备和设施。通过迅速设置抽水机进行抽水，将地下水排出矿井，可以减小地压对巷道的影响，保护工人的安全。

（3）应急加固。应急加固是在地压突出或其他突发情况下迅速采取的紧急措施之一。当矿井发生地压突出时，及时采取应急加固措施可以增强巷道的稳定性，降低冲击地压的危害。应急加固的方法包括迅速进行围岩加固、设置临时支柱、加装支架等。围岩加固可以通过喷射混凝土、注浆、锚杆加固等方式来提高围岩的强度和稳定性。设置临时支柱或加装支架可以增加巷道的承载能力和抗冲击能力。

3 煤矿井下防冲击地压填充与排放

3.1 钢渣填充

钢渣填充是一种常用的煤矿井下地压控制填充技术。钢渣是指冶金工业生产过程中产生的含铁、含硅等成分的固体废弃物。通过将钢渣注入矿井巷道中，可以填充巷道的空隙，增加围岩的支撑力和稳定性。钢渣填充的优点在于钢渣具有较高的硬度和抗压强度，可以提供较好的支撑效果。此外，钢渣还具有良好的耐水性和耐腐蚀性，适用于潮湿环境下的填充作业。然而，钢渣填充需要考虑钢渣的供应和处理问题，以及可能带来的环境污染风险。

3.2 砂浆充填

砂浆充填是一种常用的煤矿井下地压控制填充技术。砂浆由水泥、砂子和水按一定比例混合而成，具有较高的黏结强度和耐久性。通过将砂浆注入矿井巷道中，可以填充巷道的空隙，提高围岩的强度和稳定性。砂浆充填的优点在于砂浆具有良好的流动性，可以充分填满巷道的空隙。此外，砂浆具有较好的硬化性和耐水性，适用于潮湿环境下的填充作业。然而，砂浆充填需要进行现场调配和施工，需要相应的设备和人力，并且充填后需要一定时间进行硬化。

3.3 煤矸石填充

煤矸石填充是一种常用的煤矿井下地压控制填充技术。煤矸石是指在煤矿开采和煤炭处理过程中产生的固体废弃物。通过将煤矸石注入矿井巷道中，可以填充巷道的空隙，提高围岩的支撑力和稳定性。煤矸石填充的优点在于煤矸石具有丰富的资源，易于获取和利用。同时，煤矸石的颗粒形状和粒度分布适合填充作业，可以提供较好的支撑效果。然而，煤矸石填充需要对煤矸石进行预处理，如破碎、筛分等，以满足填充要求，并且需要考虑煤矸石可能含有的有害物质和对环境的影响。填充技术在煤矿井下防冲击地压中起到重要的作用。通过选择适当的填充材料和施工方法，可以有效地填充巷道空隙，提高围岩的稳定性，减小冲击地压对巷道的影响。然而，在填充过程中，需要注意材料的选用、施工的合理性和环境的保护，以确保填充工作的安全和可持续发展。

3.4 排放技术

（1）废弃巷道排放。废弃巷道排放是一种常用的煤矿井下地压控制排放技术。在巷道开采过程中，产生的固体废弃物和废水可以通过废弃巷道进行排放。废弃巷道是指在煤矿巷道开采完毕后，不再使用的巷道，通过将废弃物和废水排入废弃巷道，实现安全、高效的处理和排放。废弃巷道排放的优点在于可以利用已有的巷道资源，减少对环境的影响。同时，废弃巷道通常位于煤矿井下较深处，利用重力作用可以实现废弃物和废水的自然排放，无须额外的能源消耗。然而，废弃巷道排放需要考虑巷道的结构和稳定性，以确保排放过程的安全性。

（2）煤与瓦斯共排放。煤与瓦斯共排放是一种常用的煤矿井下地压控制排放技术。在煤矿开采过程中，煤与瓦斯是同时产生的，通过将煤和瓦斯共同排放出矿井，可以减少地压危害和瓦斯爆炸的风险。煤与瓦斯共排放的原理是将瓦斯抽出矿井，同时将煤岩顺次从巷道中排出，实现煤与瓦斯的共同排放。通过煤与瓦斯共排放，可以减小煤岩对巷道的支撑力，降低冲击地压的危害。此外，共排放还可以有效控制瓦斯的积聚，降低瓦斯爆炸的风险。

（3）建设排放巷道。建设排放巷道是一种常用的煤矿井下地压控制排放技术。通过专门建设排放巷道，将产生的固体废弃物和废水直接排出矿井，实现安全、高效的处理和排放。建设排放巷道的优点在于可以专门设计和建造符合排放要求的巷道系统。通过合理布置巷道的位置和施工方式，可以方便地进行废弃物和废水的集中排放。此外，建设排放巷道还可以提供方便的通道，使巷道维修和管理更加便捷。

4 煤矿井下防冲击地压数值模拟与监测

4.1 数值模拟方法

（1）有限元方法。有限元方法是一种常用的数值模拟方法，用于煤矿井下地压分析和预测。该方法将巷道和围岩划分为离散的有限元单元，通过求解弹性力学方程和边界条件，得到巷道和围岩的应力、变形和位移等参数。有限元方法能够考虑多因素的耦合作用，如地质结构、巷道形状、围岩特性等，可以模拟复杂的地压变化和分布规律。

（2）边界元方法。边界元方法是一种基于边界积分方程的数值模拟方法，用于煤矿井下地压分析和预测。该方法将巷道和围岩划分为边界单元，通过求解边界积分方程，得到巷道和围岩的应力和位移等参数。边界元方法适用于边界条件较为复杂的问题，如巷道与煤岩交界面的接触问题，可以准确地模拟地压的传递和分布规律。

（3）细观模拟方法。细观模拟方法是一种基于微观结构特征的数值模拟方法，用于煤矿井下地压分析和预测。该方法将煤岩划分为细小的微观单元，通过求解微观单元的应力和变形，得到宏观尺度下的地压参数。细观模拟方法能够考虑煤岩内部的裂隙、层理和各向异性等特性，可以准确地模拟地压的局部变化和煤岩的破坏过程。

4.2 监测技术

（1）应力监测。应力监测是一种常用的煤矿井下地压监测技术。通过在巷道和围岩中布置应力传感器，可以实时监测巷道和围岩的应力变化，从而了解地压的大小和分布情况。应力监测可以采用压力传感器、压力继电器等设备，可以提供地压变化的定量数据，对地压控制和矿山安全管理具有重要意义。

（2）变形监测。变形监测是一种常用的煤矿井下地压监测技术。通过在巷道和围岩中布置变形传感器，可以实时监测巷道和围岩的变形情况，从而了解地压对巷道的影响和稳定性。变形监测可以采用位移传感器、测斜仪、水准仪等设备，可以提供巷道和围岩的变形数据，对地压控制和巷道支护的设计和评估具有重要意义。

5 结语

综上，煤矿井下防冲击地压技术的应用仍面临一些挑战，如复杂的地质条件、变化多样的工况环境和巷道形状等。因此，未来需要进一步加强煤矿井下防冲击地压技术的研究和创新，不断优化和完善技术方案，提高矿山安全管理水平。只有这样，才能够有效地保障煤矿的安全生产，实现煤矿行业的可持续发展。