煤矿冲击地压灾害分析与控制技术研究_任超.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-04修回日期 2020-03-08 作者简介 任超 （1985-） ， 男 （汉族） ， 陕西蒲城人， 助理工程师， 现从事煤矿开采工作。 煤矿冲击地压灾害分析与控制技术研究 任超* （陕西陕煤黄陵矿业有限责任公司一号煤矿， 陕西 黄陵 727307） 摘要 为有效减轻煤矿冲击地压造成的危害， 介绍了煤矿冲击地压的主要类型， 分析了煤矿冲击地 压的主要特点， 并提出了防治煤矿冲击地压的一些技术措施， 以期通过综合应用这些措施， 有助于人 们早发现早防治煤矿冲击地压， 最大限度地减轻煤矿冲击地压造成的危害， 避免出现不必要的安全 事故， 降低经济损失。 关键词 冲击地压； 分类； 特点； 防治； 监测预警 中图分类号 TD324 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0167-04 通常冲击地压属于动力灾难的范畴， 一般冲击地 压对于矿井危害非常大。在形成冲击时具有多的复杂 现象。因此不能应用同一套治理冲压地压的方法， 从 而需要采用因地制宜的方法， 基于基础理论进行充分 地探究， 找到解决问题的关键点。要想发生冲击地压， 煤岩出现最大的临界承载强度。同时需要聚集大量的 能量， 在巷道内具有相应的冲击倾向性， 从而能量才可 以在一瞬间释放出来。假如煤岩所受到的应力尚未达 到临界强度， 将不会出现煤岩冲击地压的现象。假如 在满足第一条件时， 同时却不能满足余下两个条件， 那 么相应的不会出现冲击地压。因为仅仅满足压强临界 条件， 也仅仅表明煤岩会发生畸变， 只有煤岩处于破坏 的临界时， 煤岩中聚集大量的能力， 同时煤岩位置脆性 满足一定的条件， 即煤岩积聚能量的速度大于能量耗 散的速度， 这时煤岩将会急剧地发生破坏。对冲击地 压产生的原因进行分析， 从而提出了防止冲击地压的 方法以及相应的检测预警机制， 与此同时实施科学的 探究， 这样能够为避免出现冲击地压以及制定相应的 治理方法提供依据。 1冲击地压的一般类型 依据相应的原岩体所具有的应力情况， 通常可以 把冲击地压划分为如下三种 第一， 对于重力型冲击地压而言， 其往往受到重力 的作用， 使得超过煤岩所能够承担的极限， 同时开始聚 集非常大的能量， 假如煤岩达到爆发的脆性， 那么将会 出现冲击地压的现象。 第二， 对于构造应力型冲击地压而言， 其往往受到 构造应力的影响， 使得超过煤岩所能够承受的应力极 限， 同时聚集了大量的能量， 假如煤岩达到爆发的脆 性， 那么将会出现冲击地压的现象。 第三， 对于重力构造型冲击地压而言， 其往往受 到重力构造型应力的影响， 使得超过煤岩所能够承 受的应力极限， 同时聚集了大量的能量， 假如煤岩达到 爆发的脆性， 那么将会出现冲击地压的现象。 2冲击地压的特点和技术 通过工程实践发现， 在探究冲击地压过程中， 往往 探究下面的三个问题 第一， 对煤矿冲击地压产生的原 因， 通常需要考虑冲击地压发生时， 煤岩内部所受到的 力。考虑冲击煤矿的物理、 化学以及相应的力学性 能。第二， 对冲击地压所具有的破坏性以及相应的危 险性进行总结， 对冲击地压监测以及相应的预测技术 进行研究， 这样能够有效地为冲击地压进行预防。第 三， 冲击地压发生之后如何实现人员的救助， 这样可以 有效地避免人员伤亡， 同时降低到最低限度。 冲击地压主要是由于煤岩性质以及相应的煤岩构 造引起的。当前， 煤岩性质以及相应的煤岩构造是研 究的难点， 现在对于冲击地压的防范并未形成一套完 善的防范机理。可是由于经济对煤矿开采的不断增 加， 也促使煤矿冲击地压不断发展， 每个国家的学者都 进行了艰苦的探索， 并且都发表了不同的理论， 虽然理 论各异， 但都具有实际的指导意义。 在对冲击地压研究的过程中， 应该将研究的重心 167 2020年第10期西部探矿工程 放在预测防范， 治理与降低伤亡为辅的原则。只要能 够有效地避免冲击地压的出现， 才可以有效地避免事 故率以及降低不必要的损失， 这样才可以使得煤矿开 采朝着安全与绿色的方向发展。当前技术虽然不能够 完全有效地预测冲击地压可是也可以采用相应的措 施， 降低冲击地压的发生率， 具体如下 （1） 应力集中， 在工程中可以打卸压孔， 这样能够 有效实现卸压， 其对预防突发性的冲击地压能够发挥 良好的作用。 （2） 在工作面回采时， 通常可以在上下平巷煤壁中 设置一组压力检测器， 间隔设定为5～10m， 这样可以 有效地检测煤壁内部压强的变化情况， 当出现冲击地 压的预警时， 可以采取一定的保护措施。 （3） 可以在每一个巷道顶板设置顶板离层仪， 这样 能够对顶板离层实现实时监测的效果， 从而可以防止 顶板离层严重围岩超出自身最大承受能力， 最终出现 冲击地压。 虽然依据相关技术指标采取了操作， 可是依旧需 要对煤矿各个环节出现冲击地压的情况进行评定， 从 而可以确定该位置出现冲击地压的等级以及相应的预 防措施。工程实践中对冲击地压发生的等级有如下几 个级别 第一， 钻屑法； 第二， 数值模拟分析法； 第三， 综 合性指数法； 第四， 煤岩层冲击地压倾向性分类法等。 依据相应的采矿地球物理预报方法有如下几种 第一， 振动法； 第二， 声发射法； 第三， 微震法等。综合分析发 现， 在工程中可以设定冲击地压的等级， 以及采取有效 地预防方法， 其能够精准地预防冲击地压发生的时间 以及相应的位置， 同时也可以预测发生的强度等。 3冲击地压防治措施 通常冲击地压治理机制大致可以划分为如下三 种 第一， 有效减轻煤岩巷道采动对其产生的影响， 比 如对于容易受到冲击地压影响矿井而言， 通常可以选 用综掘机掘进巷道， 对于回采工作面的回采速度而言， 通常需要加快， 往往大于顶板来压速度的周期。第二， 一般可以借助支护方法实现煤岩体所具有的力学性 能。比如可以实施喷浆， 以此达到柔性支护的特点， 进 而卸载围岩中的能量， 能够起到前期卸压的效果。第 三， 一般可以借助打锚杆法， 其可以有效地改变围岩的 强度， 这样能够有效地优化围岩应对应力变化， 从而可 以有效地减少出现冲击地压的概率。 基于冲击地压的成因与相应的机理， 从而构造一 个煤岩巷道冲击地压结构力学模型， 进而能够对力学 模型进行相应的分析， 最终可以得到防冲击、 抗震动以 及相应的耐受力等方面的机理。通过分析发现在如下 几个方面表现出各异的三维特性， 比如 第一， 由于模 型自身具备一定的应力； 第二， 模型变形等。依据上述 指标能够为冲击地压提供相应的参考依据。同时能够 为煤岩能量聚集的方式、 形式以及相应的时间提供有 效地证明。通过对模型的分析发现在预防冲击地压灾 难方面可以从如下几个方面考虑 （1） 通过实际调研发现， 依据工程实践对可能出现 的冲击地压进行分析， 并且选择合适的开采以及回采 速度等， 这样可以有效地避免冲击地压的出现。 （2） 减弱煤岩应力集中。通常从如下两个方面着 手 第一， 对于应力集中或者巷道采煤较深， 一般设置 卸压孔， 这样能够实现卸压的效果， 从而可以起到避免 冲击地压的效果； 第二， 找到良好的减压位置， 一般步 骤如下 ①采用无煤柱的形式进行开采， 对于煤体存在 突出位置， 可以将其清除， 这样能够保证在开采的过程 中不会受到煤柱的影响。②有效消除邻近层煤柱的相 互租用， 进一步降低冲击地压发生的概率。③优化开 采顺序， 在实施工程的过程中， 假如开采不规范， 那么 可能出现大量应力集中的现象。 现在比较有效的卸压方式有如下几种 依据应力 三向化转移原理， 如图1所示， 对于冲击地压爆发的位 置， 可以设置大直径钻孔， 以此来实现卸压。当设置了 大直径钻孔之后， 往往对巷道内的围岩结构带来一定 的破坏， 进而演化成为弱化带， 使得局部高应力向深度 位置扩散， 这样巷道位置的围岩位置应力比较小。假 如出现冲击时， 那么大直径孔可以吸收一定的冲击煤 粉， 如图2所示， 此外， 卸压区内顶底板将会形成闭合楔 形阻力带， 从而能够有效地防止煤体冲击， 避免不必要 的损失。 （3） 对煤岩的力学性能进行优化， 主要有如下几个 方面 第一， 通常在煤层中诸如一定的高压水， 从而对 煤层起到弱化的作用， 这样能够有效地消除围岩位置 出现能量聚集。第二， 可以在应力集中位置设置应力 炮， 这样能够有效地降低应力集中， 在实施的过程中， 必须使用工程试验作为指导， 否则将会诱发出冲击地 压的现象。第三， 可以选用喷浆锚索锚网进行支护， 这 样可以加强支护力度。 通过对工程实践调研发现， 改变煤层物理特性的 方式主要是煤层注水， 其不仅可以有效地防止冲击地 压， 而且可以起到防尘的效果。在进行研究的过程中， 168 2020年第10期西部探矿工程 煤体冲击倾向指数与煤体湿度呈现反比例关系。图3 表示在对陕西某矿1301工作面进行监测时， 得到的应 力计松弛现象。在进行应力安装的过程中， 通常在钻 孔位置会出现一定的煤粉等， 同时还可以在煤体中出 现相应的裂纹， 从而导致出现应力计松弛的现象。在 经过补压处理之后， 还存在一定的松弛现象。从而能 够发挥卸压的效果。 （4） 当安装仪器来预测冲击地压的情况， 主要有如 下两个方面的特点 ①冲击地压预警系统理论依据主 要有如下两个方面 第一， 当量钻屑量原理； 第二， 多因 素耦合的冲击地压危险性测定方法， 可以对冲击地压 进行实时监控。其中冲击地压实时监测预警机理主要 是指如下四者之间的关系 第一， 岩层之间发生的运 动； 第二， 能够支承相应的压力； 第三， 钻孔围岩应力 等。在运用监控系统之后可以有效地发现采动应力场 的变化情况， 进而可以发现高应力区域。与此同时， 实 现实时监测发生概率较大的冲击地压位置。图4为回 采工作面系统结构图与布置组图， 图 5表示相应的系 统结构图以及相应的布置。②微震监测系统可以对围 岩裂缝进行追踪， 同时能够准确地定位既发事件。依 据微震事件所呈现的规律可以发现， 能够有效地发现 支撑压力的位置， 从而可以找到高应力和煤壁之间的 关系， 进而判断冲击地压位置。 4结论 （1） 通过工程实践发现， 冲击地压主要是于局部应 力集中， 诱发原因比较多， 由此可以看出防止冲击地压 比较困难， 往往需要依据每一个来源选择相应的方法， 这样可以做到因地制宜的防范冲击地压。 （下转第172页） 169 2020年第10期西部探矿工程 给路径地下水通过两泉点排泄比例组成不同， 导致其 硫酸根含量存在差异。 3.2.2余家坪龙井锶元素组分特征分析 地下水中锶含量的主要取决于岩石中锶元素含 量、 溶滤时间及温度条件， 即补给条件的差异。余家坪 龙井S1、 S2锶含量相差近一倍， 推断造成差异的原因 同上述对SO42-组分特征分析， 远源地下水补给径流路 径较长， 地下水循环条件差， 为围岩中锶元素向地下水 中的迁移提供较好的环境， 故其地下水锶元素含量较 高。 4结论 针对出露富锶、 高产地下水天然露头， 钻探手段为 “杀鸡取卵” 式的破坏型手段， 通过动态长观、 水样检 测、 水文地质调查、 水文物探、 岩矿分析等多种方法， 综 合研究富锶泉水的出露条件及两处泉点水化学特征差 异的原因。结果表明其出露条件与水化学特征两者之 间相互印证、 相互契合， 为该类专项水文地质调查、 研 究方法提供思路。 （上接第166页） 参考文献 [1]熊翥.地震数据处理应用技术[M].北京 石油工业出版社， 2008. 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