防治煤層沖擊地壓的基本原理

防治煤層沖擊地壓的基本原理

根據發生沖擊地壓的成因和機理，防治沖擊地壓的措施的基本原理有兩方面：一是降低應力的集中程度；二是改變煤巖體的物理力學性能，以減弱積聚彈性能的能力和釋放速率。
   （一）降低應力的集中
    減弱煤層區域內的礦山壓力值的方法有：
     1、超前開采保護層；
     2、無煤柱開采，在采區內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開采；
     3、合理安排開采順序，避免形成三面采空狀態的回采區段或條帶和在采煤工作面前方掘進巷道，必要時應在巖石或安全層內掘進巷道，禁止工作面對采和追采。
   (二)采用合理的開拓布置和開采方式
    實踐表明，合理的開拓布置和開采方式對于避免應力集中和疊加，防止沖擊地壓關系極大。大量實例證明，多數沖擊地壓是由于開采技術不合理而造成的。不正確的開拓開采方式一經形成就難于改變，臨到煤層開采時，只能采取局部措施，而且耗費很大，效果有限。所以，合理的開拓布置和開采方式是防治沖擊地壓的根本性措施。其主要原則是：
     1、開采煤層群時，開拓布置應有利于保護層開采。首先開采無沖擊危險或沖擊危險小的煤層作為保護層，且優先開采上保護層。例如撫順、遼源等煤礦，屬厚煤層上行水砂充填法開采。作為保護層的第一分層開采都盡量布置在沖擊危險性小的煤層中進行。西安礦為了發揮上保護層的作用改變自下而上的分層開采順序，首先開采頂分層作為保護層，采完頂分層后再反過來自下而上開采其他各分層，甚至改用下行金屬網分層假頂全部垮落法開采。
     2、劃分井田或采區時，應保證合理的開采順序，最大限度地避免形成煤柱等應力集中區。因為煤柱承受的壓力很高，特別是島形或半島形煤柱，要承受幾個方面的疊加應力，最易產生沖擊地壓。上層遺留的煤柱還會向下傳遞集中壓力，導致下部煤層開采時也易發生沖擊地壓。統計資料表明：陶莊煤礦回收煤柱時發生的沖擊地壓占全礦沖擊次數的29.8％；唐山煤礦、城子煤礦約占50％。龍風煤礦實際資料抽樣分析表明，兩側為采空區的工作面在回采過程中，沖擊地壓發生次數顯著增多。
     3、采區或盤區的采煤工作面應朝一個方向推進，避免相向開采，以免應力疊加。因為相向采煤時上山煤柱逐漸減小，支承壓力逐漸增大，很容易引起沖擊地壓。例如陶莊煤礦272水采區五號上山西翼開采時，在上山附近發生了17次沖擊地壓。而且相向采煤又要被迫在高壓力區中掘進開切眼，造成沖擊地壓頻繁發生(占總次數的60％)。為了改變這種狀況，提出實行單翼采區跨上山采煤的辦法。并把單區段獨立回采的開采程序改為多區段聯合開采程序，使回采與掘進工作在不同區段中交替進行，能夠實現沿采空區邊緣(低應力區)掘進開切眼，避免了往高應力區掘進和維護回采開切眼的弊端。
     4、在地質構造等特殊部位，應采取能避免或減緩應力集中和疊加的開采程序。在向斜和背斜構造區，應從軸部開始回采；在構造盆地應從盆底開始回采；在有斷層和采空區的條件下應從斷層或采空區附近開始回采的開采程序。龍風煤礦的統計資料表明，采掘工作面接近斷層或向斜鈾部附近時，沖擊地壓頻度增加強度加大。隨機抽樣50例，其中與斷層有關的36例，占72％，其中有62％的沖擊地壓發生在工作面接近斷層時，只有10％發生在離開斷層以后，而且34％的沖擊地壓發生在工作面接近斷層5m～20m的范圍內。
     5、有沖擊危險的煤層的開拓或準備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回風巷應布置在底板巖層或無沖擊危險煤層中，以利于維護和減小沖擊危險?；夭上锏缿M可能避開支承壓力峰值范圍，采用寬巷掘進，少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進。對于水采區的回采開切眼應躲開高應力集中區，選在采空區附近的壓力降低區為好。例如，唐山煤礦十一水平5287 (北)區發生的32次沖擊地壓，有12次發生在回采前的巷道維修過程中，3次發生在高應力區新掘巷道時，7次發生在受采動影響的巷道。硯石臺煤礦沖擊地壓大多數發生在支承壓力影響區的掘進工作面，其中雙巷平行掘進時發生的次數最多，占 46.2％。城子煤礦回收八層—250m水平西護巷煤柱的前后兩次經驗教訓值得借鑒：1971年回收時按常規布置方法，造成嚴重的沖擊地壓傷亡事故，被迫停采封閉；時隔近20年后再進行回收時，采用底板集中大巷、分區小石門進入煤層，以及避開應力峰值送巷、寬巷掘進等開采方式，僅歷時11個月就安全回收該煤柱，取得了較好的經濟效益和社會效益。
     6、開采有沖擊危險的煤層，應采用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開采方法?；夭删€盡量是直線且有規律地按正確的開采速度推進。經統計，1992年以前，全國發生沖擊地壓的50余對礦井中，有水采、綜采、分層開采、正規和非正規開采方法等多種情況。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，由于掘進的巷道多和在采空區遺留的煤柱多、頂板不能及時充分地垮落，造成支承壓力較高。在工作面前方掘進巷道勢必受到疊加壓力的影響，增加了危險性。
    水力采煤法雖然系統簡單、高效，但遺留的煤垛在采空區形成支撐，頂板不能及時、規則地垮落，又要經常在支承壓力帶開掘水道和槍眼，加之推進速度快，開采強度大，易造成大面積懸頂的危害，導致發生沖擊地壓。所以，水采礦井要改進開采設計。
    采用長壁式開采方法，有利于減緩沖擊地壓的危害。
    倒臺階采煤法由于工作面不成一直線，在臺階部位形成高應力集中，則易導致發生沖擊地壓。
    硯石臺煤礦在采用走向長壁式采煤法時，沒有發生過沖擊地壓，僅出現過煤炮聲；而改用倒臺階工作面回采時，經常發生沖擊地壓，且大多數發生在臺階上隅角，約占回采時沖擊地壓總次數的90％，不僅次數多，而且強度也大，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，工作面支架應采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。統計表明：采用非正規采煤法的采區沖擊地壓次數多、強度大；水力充填次之；全部垮落法次數少且強度弱。我國發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個采用水砂充填方法管理頂板，并不能避免沖擊地壓的發生。例如撫順煤礦特厚煤層的頂板，雖為較軟的厚層油母頁巖，采用水砂充填上行分層開采，但第一分層開采時，沖擊地壓仍較嚴重。除煤層性質外，厚層油母頁巖老頂的整體彎曲下沉是造成煤層邊緣的高應力集中的重要因素。根據撫順、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推倒或折斷支架，造成片幫和冒頂傷人。所以沖擊危險工作面必須采取特殊的支護形式，加強支護，提高支架的整體性和穩定性。