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沖擊地壓淺解及防范治理
信息來源:網站編輯部   添加日期:2019-7-17   瀏覽次數:52
前言
沖擊地壓是井巷或采煤工作面的煤巖體,變形能的釋放產生一種以突然、急劇、猛烈、爆炸式破壞為特征的動力現象,是礦山壓力的一種特殊顯現形式。
沖擊地壓發生時一般伴有巨大聲響和強烈的震動,導致煤巖體振動和煤巖體破壞以及支架與設備損壞,人員傷亡,巷道垮落破壞,甚至造成其他礦井災害,特別是瓦斯煤塵爆炸、火災、水災,干擾通風系統,還有可能導致地面震動和建筑物破壞等等,是煤礦重大災害之一。因此,研究沖擊地壓對煤礦的正常安全生產意義重大。
一、沖擊地壓分類:
1、按顯現強度,分為4類:
[1] 彈射
單個碎塊從高應力狀態下的煤體上彈射出來,并伴有強烈聲響,屬于微沖擊現象。
[2] 礦震
它是內部或深部的沖擊地壓,即深部的煤或巖體發生破壞,但煤或巖石不向已采空間內拋出,只有片幫或散落現象,有聲響,產生煤塵。
[3]弱沖擊
煤或巖石向已采空間拋出,但破壞性不大,對支架、機器設備基本上沒有損壞,圍巖產生震動伴有很大聲響,產生煤塵,在瓦斯煤層中可能有大量瓦斯涌出。一般震級在2.2以下。
[4]強沖擊
部分煤和巖體急劇破壞,大量向已采空間拋出,出現支架折損,設備移動和圍巖震動伴有巨大聲響,形成大量煤塵和產生沖擊波,一般震級在2.3級以上。 
2、按煤體應力狀態不同,分為3類:
[1]重力型
主要受重力作用,沒有或只有極小構造應力影響。
[2]構造應力型
構造應力超過巖層自重應力,主要受構造應力的作用。
[3]中間型或重力——構造型
受重力和構造應力的共同作用.
3、按應力與強度綜合,分為3類:
既考慮沖擊強度也考慮拋出煤量,可分為三類
[1]輕微沖擊(級)
拋出煤量10噸以下,強度在里氏震級1.0級以下。
[2]中等沖擊(級)
  拋出煤量10~50噸,沖擊強度在里氏1~2級。
[3]強烈沖擊(級)
  拋出煤量50噸以上,沖擊強度在2 級以上。
4、按發生地點和位置,可分為2大類:
[1] 煤體沖擊
發生在煤體內,根據沖擊深度和強度又分為淺部沖擊和深部沖擊。
[2] 圍巖沖擊
發生在頂、底板巖層內,根據位置分頂板沖擊和底板沖擊。
5、按發生的原因可分為3類:
[1]自然因素方面
○1較大的原巖應力;○2地層中的厚煤層;○3煤巖層沖擊傾向性。
[2]技術管理方面
○1局部應力集中;○2生產過度集中;○3采礦地質因素的限制;○4防治措施的限制;○5煤層的超量開采。
[3]生產管理方面
○1無投資或投資不到位;○2防范措施采取不到位;○3采礦作業不當;○4缺乏培訓及違章作業。
6、按影響因素可分為6類:
[1]開采深度影響
○1一般在≤350m不發生;○2350~500m在一定程度上危險逐步增加;○3從≥500m開始,隨開采深度增加,沖擊危險性急劇增長。
[2]頂板、巖層結構影響
厚度大的堅硬巖層頂板發生沖擊地壓的可能性很大,并且容易引起較大強度的沖擊地壓。因為采空區形成的大面積懸頂在垮落時,釋放的彈性能較大
[3]煤的力學性質影響
○1在一定的圍巖與壓力條件下,任何煤層中的巷道或工作面均有可能發生沖擊地壓;○2煤的強度越高,引發沖擊地壓所要求的力越??;○3煤的沖擊傾向性、煤的濕度增加后,強性減小,塑性增強;○4缺乏培訓及違章作業。
[4] 地質構造影響
沖擊地壓經常發生在這些構造應力集中的區域。地質構造帶的構造應力場,積聚有巨大的變形彈性能,在其附近的巷道及工作面極易發生沖擊地壓。
[5] 開采技術因素影響
○1上覆煤層停采線形成的應力集中將影響下分層開采;○2采空區,接近采空區前20~30m范圍;○3接近老巷15m左右范圍;○4開采區域面積為3公頃(30000平方米)時,危險最大;○5孤島、半島煤柱;○6在?;っ褐講嗉扒涿褐芯蚪?。
[6] 外力影響
當煤層受壓達到極限狀態時,引發沖擊地壓往往有一個外力的影響。如機械震動(如:鑿巖機,風鎬)、放炮、機械切割煤體的震動。特別是掘進機在高瓦斯、高壓力的掘進面切割煤體的有規律連續振動,形成共振,使煤體抗壓強度下降迅速破壞而產生沖擊地壓。
二、沖擊地壓的預測預報:
1、綜合指數法
就是在分析已發生的各種沖擊地壓災害的基礎上,分析各種采礦地質因素對沖擊地壓發生的影響,確定各種因素的影響權重,然后將其綜合起來,建立的沖擊地壓危險性預測預報的一種方法。危險程度分析與早期預報沖擊地壓危險狀態決定因素有: 
[1] 巖體應力:
是由于采深、構造及開采歷史造成的,其中殘留煤柱和停采線上的應力集中將長期作用,而采空區卸壓在一定時間后會消失;
[2] 巖體特性:
特別是形成高能量震動的傾向。這主要來自厚層、高強度的頂板巖層,減小頂板巖層的強度,增加巖層的分層數目可限制大震動的發生。
[3] 煤層特性:
主要是在超過某個壓力標準時的動力破壞傾向性,對于所有的煤層來說,條件滿足時,都會發生沖擊,但對于弱沖擊煤層來說,所要求的壓力值要遠遠大于具有沖擊傾向性的煤層。
2、計算機數值模擬法
目前世界上比較通用的分析模擬程序有FLCA、UDEC、ANSYS等,其采用的方法主要是有限元法、邊界元法、離散元法等。
3、鉆屑法
該方法屬于局部監測方法,是通過在煤層中打一直徑為42mm的鉆孔,根據排出的煤粉量及其變化規律和有關動力效應,鑒別沖擊危險的一種方法。
4、微震法
該方法屬于區域性監測方法,能自動記錄微震活動,實時進行震源定位和微震能量計算。是利用拾震儀接收的直達P波起始點的時間差,在特定條件的波速場條件下進行二維或三維定位,以判定破壞點,同時利用震相持續時間計算所釋放的能量和震級,并將相關數據標入采掘工程圖和上報顯示給生產指揮體系,以便及時采取措施。
5、地音法
該方法屬于局部監測預報方法,是根據巖體地音的參數與局部應力場的變化來進行的,以脈沖形式記錄弱的、低能量的地音現象。其主要特性是振動頻率從幾十到至少2000Hz或更高;能量低于100J,下限不定;振動范圍從幾米到大約200m。采用的方法主要有站式的連續監測和便攜式流動地音監測。用來監測和評價局部震動的危險狀態及隨時間的變化情況。主要記錄聲發射頻度(脈沖數量)、一定時間內脈沖能量的總和、采礦地質條件及采礦活動等。
6、電磁輻射法
該方法屬于局部監測預報方法。電磁輻射可用來預測煤巖災害動力現象。其主要參數是電磁輻射強度和脈沖數。電磁輻射強度主要反映煤巖體的受載程度及變形破裂強度,脈沖數主要反映煤巖體變形及微破裂的頻次。
7、煤層圍巖壓力-變形觀測法
采掘活動在煤層和頂底板中將引起各種形式的礦山壓力顯現,其中支承壓力有著特殊的意義。支承壓力的大小、分布是多因素影響的結果。在發生沖擊地壓過程中,支承壓力特別是動壓顯現起著重要作用。因此利用它的顯現規律可以預測沖擊地壓。工作面安裝頂板壓力動態監測系統,對工作面支架進行支架阻力觀測,以便掌握全面支架受力情況,及時對工作面頂板來壓情況進行全面預報分析,為工作面安全推采提供可靠的頂板來壓預報。
8、采空區氣體分析法
當煤層壓力增高時,煤體瓦斯大量涌入采空區,氣體成分就會發生變化。通過連續的觀察分析以及沖擊地壓發生前后的氣體成分變化比照,找出變化規律,指導預測預報。初步將CH4的變化值做為預測的一個依據。
9、沖擊地壓的系統綜合預測方法
沖擊地壓的隨機性和突發性,破壞形式的多樣性,單憑一種方法預測是不可靠的,必須進行沖擊地壓危險的區域預報與局部預報相結合,早期預報與及時預報相結合;
首先分析地質開采條件,根據綜合指數法和計算機模擬分析方法,預先劃分出沖擊礦壓危險及重點防止區域,提出沖擊礦壓的早期區域性預報;
采用微震監測系統,對礦井沖擊危險提出區域和及時預報;
采用地音監測法、電磁輻射監測法等地球物理監測手段,對礦井回采和掘進工作面進行局部地點的預測預報;
然后采用鉆屑法,對沖擊礦壓危險區域進行檢測和預報。
三、沖擊地壓的防治防范措施
1、合理的開拓布置和開采方式
合理的開拓布置和開采方式應避免應力集中和疊加,是防治沖擊地壓的根本性措施;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。
[1] 開拓布置:
開采煤層群時,開拓布置應有利于解放層開采,首先開采無沖擊危險或沖擊危險小的煤層作為解放層。且優先開采上解放層。
[2] 采區(盤區)布置:
○1劃分采區(盤區)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;○2有沖擊危險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;
[3] 采煤工作面布置:
○1采區(盤區)的采面應朝一個方向推進,避免相向開采,以免應力疊加?!?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采用從斷層或采空區開始回采的開采程序;○3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法;○4頂板管理采用全部垮落法,工作面支架采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。
[4] 合理開采解放層
○1一個煤層(或分層)先采,能使臨近煤層得到一定時間的卸載;○2先采的解放層必須根據煤層賦存條件選擇無沖擊傾向或弱沖擊傾向的煤層;○3實施時必須保證開采的時間和空間有效性(全垮3年,全充2年);○4不得在采空區內留煤柱,以使每一個先采煤層的卸載作用能依次地使后采煤層得到最大限度的“解放”。
[5] 從支護設計方面改進支護方法
○1剛性支護改為柔性支護
過去巷道支護采用的梯形木棚、梯形鐵棚,都屬剛性支護。沖擊地壓發生后,出現折斷、冒頂、堵塞巷道。改為U型鋼可縮支架,如在厚煤層中的巷道要用強力可縮性全封閉型金屬支架,沖擊地壓發生后支架連接處滑動收縮,使巷道保持一定的斷面,不被摧垮,為人員脫險和恢復生產提供了保證。
○2被動支護改為主動支護
采用錨網支護。在掘出斷面后及時鋪網打錨桿,通過螺母對托盤的預緊力,對煤壁加壓,形成一定厚度的煤巖體加固拱,以提高巷壁自身強度來實現主動支護,防止了松動離層,大大提高了支護強度。通過數次沖擊地壓驗證,它對?;は锏蘭叭松戇踩?,進行長距離大工作面開采起到了不可替代的作用。
○3由幫頂支護改為全斷面支護
過去架棚支護無論是梯形還是拱形,都是對巷道幫頂的支護,主要目的是防止冒頂。但進入深部后尤其是沖擊地壓區,周邊都來壓,底鼓占巷道收縮率的一半以上。主要就是底板承壓力低,并且沒有支護。現改用圓形支護,首先把巷道掘成圓形,再打上錨網,給上“O”型棚,使巷道成為一個加固圓筒,受壓均勻,大大提高了支護強度。經過沖擊地壓后觀察,巷道收縮率大大降低。
○4改進回采工藝
采用綜采或綜放采煤工藝,選用高強度液壓支架,全跨法管理采空區;兩巷超前支護達到200米以上,沖擊危險巷道采用強力支護材料加固,如大立柱、移步支架、門式支架等。
○5重型化支護
為了抵御日益嚴重的沖擊地壓,保證巷道暢通,在高壓力部位如四岔口、三岔口處采用重型鋼梁,配以液壓單體支柱進行“超強支護”,或采用巷道垛式液壓支架支護。所有沖擊地壓的巷道都實行錨網索+36U“U”型棚復合支護,向重型化發展。再輔以棚間采用鐵拉桿和大立柱、門式支架等強化措施,抗沖擊能力大大加強。
2、處理措施
[1] 卸壓鉆孔
采用煤體鉆孔可以釋放煤體中聚集的彈性能,消除應力升高區,在鉆孔周圍形成一定的破碎區卸壓,通過煤層卸壓,釋放能量,清除沖擊危險。
[2] 爆破卸壓
在危險區段打10~20m深的孔,孔間距5m,每孔裝藥量5.4Kg,一次起爆3~4個孔。爆破使煤體內部產生大量裂隙,強度降低,彈性能減少,解除了沖擊地壓生成的條件。通過測試觀察卸壓爆破后,“小煤炮”增加,對巷道沒有破壞。而破壞性煤炮沒有發生。
[3] 兩幫煤體卸壓
兩幫卸壓爆破孔平行底板鉆進,孔徑Φ75mm,孔深25m,每孔裝5節被筒炸藥(9Kg), 雙發同段毫秒延期電雷管正向裝藥,其余用27節水泥藥卷封孔??啄誒墜薌洳⒘?,多個爆破孔的雷管之間采用串聯連線方式。兩幫每4m施工一個卸壓爆破孔,滯后迎頭不超過15m施工。
[4] 兩幫底板卸壓
兩幫斷底卸壓爆破孔傾角-45°,孔深10m,每孔裝5節被筒炸藥(9Kg), 雙發同段毫秒延期電雷管正向裝藥,其余用27節水泥藥卷封孔??啄誒墜薌洳⒘?,多個爆破孔的雷管之間采用串聯連線方式。兩幫每4m施工一個斷底卸壓爆破孔。切眼拐20m后進行底角卸壓炮措施,兩幫和底角卸壓炮交錯布置(三角形)。
[5] 迎頭煤體卸壓
迎頭炮鉆孔共兩個,沿巷道傾斜方向鉆進,兩個裝藥炮孔孔口距左、右幫各2.0m,鉆孔孔深12m。每孔裝藥5節被筒炸藥(9.0Kg), 雙發同段毫秒延期電雷管正向裝藥,其余用27節水泥藥卷封孔,孔內雷管間并聯,多個爆破孔的雷管之間采用串聯連線方式。
[6] 迎頭底板卸壓
迎頭斷底炮孔共一個,沿巷道傾斜方向-45°鉆進,炮孔位于迎頭中心位置,孔深10m。每孔裝5節被筒炸藥(9.0Kg), 雙發同段毫秒延期電雷管正向裝藥,其余用27節水泥藥卷封孔??啄誒墜薌洳⒘?,多個爆破孔的雷管之間采用串聯連線方式,每天施工一個。
[7] 煤層注水、水力壓裂
○1煤系地層巖層的單向抗壓強度隨著其含水量的增加而降低,故煤的強度與沖擊傾向指數也隨著煤的濕度的增加而降低。煤層注水后,工作面支承壓力帶寬度為12~18m,壓力峰值減小,應力集中系數明顯降低,頂板下沉速度增加,煤體的硬度降低,塑性增加。煤層注水可有效防治和減弱沖擊地壓的危險性。一些列注水措施后,沖擊地壓強度明顯減弱,沖擊頻率降低、破壞性沖擊大大減少?!?水力壓裂技術是把水作為動力,在煤層中形成人工的空腔、槽縫和裂隙或擴大已有的裂隙以及使煤體發生位移,從而起到卸壓的作用,由于煤層水力壓裂后軟化了煤體,改變了煤體的裂隙結構,降低了煤的彈性和儲蓄能量的能力,使煤體脆性減弱,塑性增強,促使煤壁前方塑性變形區變寬,應力集中帶向煤壁深處移動并變寬,使煤體沖擊傾向減弱,顯著地改善能量釋放過程中在時間上的穩定性和在空間上的均勻性,從而防止了沖擊地壓的發生和產生沖擊地壓的強度。
3、個體防護措施
[1]不得在以下地點逗留:○1巷道高度不夠處;○2人行道安全間隙不夠處;○3錨桿失錨或其它支護薄弱地點;○4錨索下方;○5設備或物料附近;○6靠近鐵質管路處;○7巷道交叉點運輸轉載點處。
[2]嚴禁多人扎堆休息、逗留、嚴禁摘掉安全帽;
[3]嚴格執行煤壁或迎頭敲幫問頂制度,防止片幫(片迎頭)傷人;
[4]不得長時間在安全間隙不夠處工作;
[5]同一地點盡可能安排少的人員同時工作;
[6]出現迎頭或巷道壓力明顯增大、煤炮明顯增強時,立即停止作業,撤出迎頭或工作地點;
[7]沖擊地壓發生時,切記不要慌張,盡快就近躲避至相對安全處,并注重摸清周圍支護狀況和人員情況,待沖擊地壓影響減緩后,利用通訊設備、機電信號及附近鋼制管路,視沖擊地壓嚴重程度及時進行匯報、聯系及求救;
[8]沖擊地壓對井下工作人員的危害,主要是使人員受外傷,以及被拋出和冒落的煤巖石擊傷和埋住,另外還有瓦斯等有害氣體的威脅;將肉眼可見的沖擊地壓危險性特征、沖擊前兆,減緩或消除事故的方法及自救措施等有關事項,向井下人員進行培訓和詳細指導;
[9]平時應積極組織沖擊地壓的預測預報工作,出現危險時應積極組織人員撤離。
[10]特殊措施○1在沖擊地壓危險特別大的情況下,應遠距離控制和操縱采掘機械,實現“無人工作面”的回采和掘進方式;○2在人員經常作業的地點,對巷道進行軟包;○3為了防止瓦斯積聚,必須規定有快速恢復正常通風條件和向被冒落殲石隔離的地區供給新鮮空氣的專門措施(壓風自救系統),以及用于個人自救的工具(自救器等);○4在沖擊地壓和突出危險地點,根據預測預報,在某一時間內采用無人的工作制度,甚至臨時撤離人員;○5有條件的盡量采用遠距離操縱。必須按《防治煤礦沖擊地壓細則》、《煤礦安全規程》及相關規定執行特殊的放炮制度;○6對于沖擊地壓危險的巷道,應把人員通過和停留的時間減到最小限度;○7加強對設備和物料的捆綁。
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