防治煤层冲击地压的基本原理

防治煤层冲击地压的基本原理

根据发生冲击地压的成因和机理，防治冲击地压的措施的基本原理有两方面：一是降低应力的集中程度；二是改变煤岩体的物理力学性能，以减弱积聚弹性能的能力和释放速率。
   （一）降低应力的集中
    减弱煤层区域内的矿山压力值的方法有：
     1、超前开采保护层；
     2、无煤柱开采，在采区内不留煤柱和煤体突出部分，禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采；
     3、合理安排开采顺序，避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在采煤工作面前方掘进巷道，必要时应在岩石或安全层内掘进巷道，禁止工作面对采和追采。
   (二)采用合理的开拓布置和开采方式
    实践表明，合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加，防止冲击地压关系极大。大量实例证明，多数冲击地压是由于开采技术不合理而造成的。不正确的开拓开采方式一经形成就难于改变，临到煤层开采时，只能采取局部措施，而且耗费很大，效果有限。所以，合理的开拓布置和开采方式是防治冲击地压的根本性措施。其主要原则是：
     1、开采煤层群时，开拓布置应有利于保护层开采。首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层作为保护层，且优先开采上保护层。例如抚顺、辽源等煤矿，属厚煤层上行水砂充填法开采。作为保护层的第一分层开采都尽量布置在冲击危险性小的煤层中进行。西安矿为了发挥上保护层的作用改变自下而上的分层开采顺序，首先开采顶分层作为保护层，采完顶分层后再反过来自下而上开采其他各分层，甚至改用下行金属网分层假顶全部垮落法开采。
     2、划分井田或采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。因为煤柱承受的压力很高，特别是岛形或半岛形煤柱，要承受几个方面的叠加应力，最易产生冲击地压。上层遗留的煤柱还会向下传递集中压力，导致下部煤层开采时也易发生冲击地压。统计资料表明：陶庄煤矿回收煤柱时发生的冲击地压占全矿冲击次数的29.8％；唐山煤矿、城子煤矿约占50％。龙风煤矿实际资料抽样分析表明，两侧为采空区的工作面在回采过程中，冲击地压发生次数显著增多。
     3、采区或盘区的采煤工作面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。因为相向采煤时上山煤柱逐渐减小，支承压力逐渐增大，很容易引起冲击地压。例如陶庄煤矿272水采区五号上山西翼开采时，在上山附近发生了17次冲击地压。而且相向采煤又要被迫在高压力区中掘进开切眼，造成冲击地压频繁发生(占总次数的60％)。为了改变这种状况，提出实行单翼采区跨上山采煤的办法。并把单区段独立回采的开采程序改为多区段联合开采程序，使回采与掘进工作在不同区段中交替进行，能够实现沿采空区边缘(低应力区)掘进开切眼，避免了往高应力区掘进和维护回采开切眼的弊端。
     4、在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。在向斜和背斜构造区，应从轴部开始回采；在构造盆地应从盆底开始回采；在有断层和采空区的条件下应从断层或采空区附近开始回采的开采程序。龙风煤矿的统计资料表明，采掘工作面接近断层或向斜铀部附近时，冲击地压频度增加强度加大。随机抽样50例，其中与断层有关的36例，占72％，其中有62％的冲击地压发生在工作面接近断层时，只有10％发生在离开断层以后，而且34％的冲击地压发生在工作面接近断层5m～20m的范围内。
     5、有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。回采巷道应尽可能避开支承压力峰值范围，采用宽巷掘进，少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。对于水采区的回采开切眼应躲开高应力集中区，选在采空区附近的压力降低区为好。例如，唐山煤矿十一水平5287 (北)区发生的32次冲击地压，有12次发生在回采前的巷道维修过程中，3次发生在高应力区新掘巷道时，7次发生在受采动影响的巷道。砚石台煤矿冲击地压大多数发生在支承压力影响区的掘进工作面，其中双巷平行掘进时发生的次数最多，占 46.2％。城子煤矿回收八层—250m水平西护巷煤柱的前后两次经验教训值得借鉴：1971年回收时按常规布置方法，造成严重的冲击地压伤亡事故，被迫停采封闭；时隔近20年后再进行回收时，采用底板集中大巷、分区小石门进入煤层，以及避开应力峰值送巷、宽巷掘进等开采方式，仅历时11个月就安全回收该煤柱，取得了较好的经济效益和社会效益。
     6、开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采方法。回采线尽量是直线且有规律地按正确的开采速度推进。经统计，1992年以前，全国发生冲击地压的50余对矿井中，有水采、综采、分层开采、正规和非正规开采方法等多种情况。分析表明，不同的采煤方法，其矿山压力的分布也不相同。
    房柱式等柱式采煤法，由于掘进的巷道多和在采空区遗留的煤柱多、顶板不能及时充分地垮落，造成支承压力较高。在工作面前方掘进巷道势必受到叠加压力的影响，增加了危险性。
    水力采煤法虽然系统简单、高效，但遗留的煤垛在采空区形成支撑，顶板不能及时、规则地垮落，又要经常在支承压力带开掘水道和枪眼，加之推进速度快，开采强度大，易造成大面积悬顶的危害，导致发生冲击地压。所以，水采矿井要改进开采设计。
    采用长壁式开采方法，有利于减缓冲击地压的危害。
    倒台阶采煤法由于工作面不成一直线，在台阶部位形成高应力集中，则易导致发生冲击地压。
    砚石台煤矿在采用走向长壁式采煤法时，没有发生过冲击地压，仅出现过煤炮声；而改用倒台阶工作面回采时，经常发生冲击地压，且大多数发生在台阶上隅角，约占回采时冲击地压总次数的90％，不仅次数多，而且强度也大，平均每次冲出煤炭 130t以上。
     7、顶板管理尽量采用全部垮落法，工作面支架应采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。统计表明：采用非正规采煤法的采区冲击地压次数多、强度大；水力充填次之；全部垮落法次数少且强度弱。我国发生冲击地压的煤层其顶板大多又厚又硬，不易垮落。采用注水、爆破等方法，使顶板弱化或垮落，能够减缓冲击地压。在有冲击地压的矿井中，有6个采用水砂充填方法管理顶板，并不能避免冲击地压的发生。例如抚顺煤矿特厚煤层的顶板，虽为较软的厚层油母页岩，采用水砂充填上行分层开采，但第一分层开采时，冲击地压仍较严重。除煤层性质外，厚层油母页岩老顶的整体弯曲下沉是造成煤层边缘的高应力集中的重要因素。根据抚顺、阜新等煤矿冲击地压危害情况，伤亡事故主要由于冲击震动推倒或折断支架，造成片帮和冒顶伤人。所以冲击危险工作面必须采取特殊的支护形式，加强支护，提高支架的整体性和稳定性。