1、煤矿冲击地压发生机理及治理方案研究 张智勇 太原理工大学 同煤国电同忻煤矿有限公司 摘 要： 冲击地压是煤矿安全生产的重要灾害之一。本文对同忻矿冲击地压的规律进行了分析, 并利用水压致裂、钻孔卸压、底板爆破等方法实现了对冲击地压的有效控制及防治, 取得了良好的经济效益和社会效益。关键词： 煤矿; 冲击地压; 机理; 治理; 作者简介：张智勇 (1978-) , 男, 山西大同人, 2013 年 7 月毕业于太原理工大学矿业工程专业, 本科, 现从事煤矿安全技术与培训等工作。收稿日期：2017-06-21A Study on Mechanism and Management of Coal Mi
2、ne Impact PressureZhang Zhi-yong Tai Yuan University of Technology; Abstract： Impact pressure is one of the important disasters of coal mine safety production.In this paper, the author analyzed the rule of impact ground pressure in Tongxin Coal Mine and found that by using hydraulic fracturing metho
3、ds such as blasting, drilling pressure relief, floor for the effective control and prevention of percussive ground pressure, the impact pressure can effectively controlled and prevented, which can also bring in good economic efficiency and social benefits.Keyword： coal mine; impact pressure; mechani
4、sm; management; Received： 2017-06-21开采石炭二叠系煤层的同忻煤矿有限公司, 煤层赋存较深、厚度大, 顶板和煤层都为坚硬煤岩体, 冲击地压问题较为突出。自 2011 年 3 月以来, 在 5107 巷、5105 巷和 5104 巷出现了多次强烈矿压显现和冲击地压。其中, 8105 工作面在开采过程中, 5105 巷发生多次冲击地压或强矿压, 在回风顺槽超前工作面1040m 范围内巷道底鼓强烈, 最大底鼓量 0.5m, 顶板下沉最大达 0.6m, 两帮混凝土喷层严重开裂, 超前支护单体支柱折损严重如图 1 所示。面对冲击地压研究与防治这一难题, 盲目的采取措施是
5、不科学的, 这类煤岩动力灾害, 能量大、发生迅速难以预测, 而且根据不同的地质条件还在发生着不同的变化, 所以必须进行深入研究分析, 采取针对性防治措施, 才能有效地控制和防治冲击地压。1 煤矿冲击地压发生机理1.1 煤矿构造背景与地质动力条件分析大同含煤盆地的大地构造位置属于华北断块内二级构造单元吕梁-太行断块中的云冈块坳, 云冈块坳北以淤泥河、十字河之分水岭为界与内蒙断块相邻, 东部及南部以口泉断裂, 神头山前断裂与桑干河新断裂为界, 西北部与偏关-神池块坪相接。呈 NNE 向展布, 长约 125km, 宽 1550km。分析区域断裂构造分布特征及活动性, 建立了矿区地质构造模型, 确定断
6、裂构造对冲击发生的控制作用。图 1 5105 巷超前支护区域 下载原图8107、8105 和 8104 工作面在开采过程中回风巷发生多次冲击地压。将井田内划分出的活动断裂同发生的冲击地压或强矿压显现点的信息进行对比分析得出:发生冲击地压或强矿压显现区域位于 V-11 断裂附近, 其中最严重的 8105 工作面推进 450m 时 5105 巷道超前 12m 处发生的冲击地压 (2012 年 12 月 30) 距 V-11 断裂约 60m, 受到地质构造明显, 如图 2 所示。图 2 冲击地压与构造应力关系示意图 下载原图1.2 煤矿应力场与岩体应力状态分析以建立好的地质构造模型为计算模型, 结合
7、地应力测试量值及方向, 计算区域岩体应力分布规律, 按照岩体应力大小划分不同等级的构造应力区, 然后分析构造应力场对冲击的控制作用。岩体应力计算和构造应力区划分表明, 井田内存在 5 个高应力区和 3 个应力梯度区。根据现有统计, 8107、8105 和 8104 工作面在开采过程中回风巷共发生16 次冲击地压或强矿压, 其中 15 次位于井田东部, 分布在 V-11 断裂附近的高应力区内。高应力区内冲击地压或强矿压发生次数占总次数的 93.8%。研究表明, 矿井的高应力区内易发生冲击地压或强矿压。同时还进行了冲击地压能量特征研究, 开采工程效应对冲击地压的影响分析, 冲击地压发生机理研究与危
8、险性区域划分等为治理冲击地压做了充足的准备。研究结果表明:(1) 上部侏罗系煤柱引起石炭纪系工作面围岩应力升高。侏罗系煤层开采结束, 侏罗系煤柱集中应力在底板影响深度为 5065m。当石炭系煤层开采主关键层破断后, 双系煤层采动裂隙发生连通, 并引起侏罗系采空区覆岩再次发生运动与破坏, 侏罗系煤柱集中应力沿破断硬岩向下传递, 影响至石炭系煤层工作面。(2) 石炭系煤层开采时, 水平方向距侏罗系工作面边界煤柱 7080m 时, 工作面超前支撑压力开始受到上部煤柱影响, 距煤柱边界 1530m 为影响强烈区;工作面位于侏罗系煤层采空区下时, 超前支撑压力降低;石炭系推进至侏罗系煤柱下方时, 超前支
9、撑压力升高明显, 当多层侏罗系煤柱相互重叠时影响最大, 超前支撑压力最大达 37MPa, 应力集中系数为 2.66, 应力提高 30%。此区域诱发冲击地压或强矿压的发生。(3) 石炭系工作面超前支撑压力影响范围为 57100m, 应力峰值点距煤壁1214m, 应力峰值为 2637MPa。工作面具有周期小压是复合矿压现象, 周期大压是由于工作面亚关键层、主关键层破断或二者同时破断引起的, 工作面周期小压是由工作面基本顶周期破断引起的。(4) 临空回巷道围岩变形破坏是上覆侏罗系煤柱、临近采空区悬顶、本工作面开采影响共同作用产生的。工作面采空区顶板运动与破坏持续时间较长, 在超前工作面 100200
10、m 和工作面后方 200300m 范围内顶板均产生运动, 造成临空回采巷道围岩受力变形严重。2 冲击地压综合治理技术2.1 水压致裂防冲击地压经过专业的分析, 与多年的防冲经验, 采用水力致裂法防治冲击地压, 在 5105巷、5104 巷, 以及 8104 工作面顶抽巷共打水力致裂孔 146 个, 并实施水力致裂, 成功致裂 136 个孔。由于水力致裂的成功实施, 巷道围岩整体性降低, 工作面尾巷压力减少, 变形减缓。木垛支护距离拉大, 临时支护减少, 节省了大量巷道维护费用, 在矿井冲击地压的防治上起到了积极的作用, 为工作面安全高效的生产做出了贡献。2.2 钻孔卸压防冲措施防治冲击地压是一
11、套技术体系, 需要一系列的措施配合才能起到效果, 在8103、8104、8105 工作面实施了钻孔卸压防冲措施, 卸压孔直径 108mm, 深度15m, 孔间距 1000mm, 每侧两排, 五花布置。卸压孔这项措施的有效实施, 成功地削弱了煤岩体的整体性, 减少减弱了应力集中区域。2.3 底板爆破防冲措施防治冲击地压需要考虑到方方面面的情况, 进行综合施策。水力致裂可以破坏顶板岩体的整体性, 使其不容易集聚应力, 不会突然爆发形成冲击地压, 巷道两帮施工卸压孔又在降低两帮煤岩体的整体性及应力的缓存上做足了功夫。因8105 工作面 5105 巷超前支护底鼓严重, 所以在 8103 工作面及 81
12、05 工作面采取了底板爆破防冲措施, 如 8105 工作面在采位 9501050m 范围内实施底板卸压爆破。每个爆破孔装药 3kg, 爆破孔共 21 个, 底板卸压爆破孔距煤柱侧帮 1.5m, 孔径 50mm, 垂深 5m, 朝进巷方向倾斜 30, 间距 5m。上述各项防冲击地压措施的使用, 有效地防治了冲击地压的发生, 迄今为止没有发生过危险性冲击地压。3 结论(1) 基于地质动力学基本原理, 从大同矿区的地质动力条件出发, 明确大同矿区的地质动力条件及其对井田冲击地压的影响作用, 分析区域构造特征、构造应力对冲击地压的影响作用, 揭示冲击地压的发生机理, 确定冲击地压防治方案, 同时结合优
13、化采掘布置及开采技术参数等, 逐步实现了对冲击地压的有效控制及防治。(2) 优化了采掘布置、开采顺序、开采深度等。设计回采巷道布置方向与最大主应力方向夹角应不大于 30;开采顺序应先开采井田的应力降低区, 再开采应力升高区;工作面日推进速度宜由 6.2m/d 减低至 4.8m/d;在覆岩大结构破坏的区间内, 减少放煤量或不放煤从而人为地控制冲击地压的形成和发生等。(3) 对冲击地压的深入研究以及综合治理技术的实践应用, 在冲击地压的治理上积累了宝贵的经验, 为实现千万吨矿井的安全、高效生产提供理论指导和技术保障, 也为类似条件矿井的安全高效的生产提供借鉴。参考文献1潘一山.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究J.岩石力学与工程学报, 2003, 22 (11) :1844-1851. 2陈刚, 李焱.冲击地压预测系统的设计与实现J.辽宁工程技术大学学报, 2003, 22 (5) :621-623. 3秦玉红, 窦林名, 牟宗龙.义马千秋煤矿冲击地压危险性分析J.贵州工业大学学报 (自然科学版) , 2004, 33 (1) :30-31.
