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      冲击地压浅解及防范治理
      信息来源:网站编辑部   添加日期:2019-7-17   浏览次数:131
      前言
      冲击地压是井巷或采煤工作面的煤岩体,变形能的释放产生一种以突然、急剧、猛烈、爆炸式破坏为特征的动力现象,是矿山压力的一种特殊显现形式。
      冲击地压发生时一般伴有巨大声响和强烈的震动,导致煤岩体振动和煤岩体破坏以及支架与设备损坏,人员伤亡,巷道垮落破坏,甚至造成其他矿井灾害,特别是瓦斯煤尘爆炸、火灾、水灾,干扰通风系统,还有可能导致地面震动和建筑物破坏等等,是煤矿重大灾害之一。因此,研究冲击地压对煤矿的正常安全生产意义重大。
      一、冲击地压分类:
      1、按显现强度,分为4类:
      [1] 弹射
      单个碎块从高应力状态下的煤体上弹射出来,并伴有强烈声响,属于微冲击现象。
      [2] 矿震
      它是内部或深部的冲击地压,即深部的煤或岩体发生破坏,但煤或岩石不向已采空间内抛出,只有片帮或散落现象,有声响,产生煤尘。
      [3]弱冲击
      煤或岩石向已采空间抛出,但破坏性不大,对支架、机器设备基本上没有损坏,围岩产生震动伴有很大声响,产生煤尘,在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。一般震级在2.2以下。
      [4]强冲击
      部分煤和岩体急剧破坏,大量向已采空间抛出,出现支架折损,设备移动和围岩震动伴有巨大声响,形成大量煤尘和产生冲击波,一般震级在2.3级以上。 
      2、按煤体应力状态不同,分为3类:
      [1]重力型
      主要受重力作用,没有或只有极小构造应力影响。
      [2]构造应力型
      构造应力超过岩层自重应力,主要受构造应力的作用。
      [3]中间型或重力——构造型
      受重力和构造应力的共同作用.
      3、按应力与强度综合,分为3类:
      既考虑冲击强度也考虑抛出煤量,可分为三类
      [1]轻微冲击(级)
      抛出煤量10吨以下,强度在里氏震级1.0级以下。
      [2]中等冲击(级)
        抛出煤量10~50吨,冲击强度在里氏1~2级。
      [3]强烈冲击(级)
        抛出煤量50吨以上,冲击强度在2 级以上。
      4、按发生地点和位置,可分为2大类:
      [1] 煤体冲击
      发生在煤体内,根据冲击深度和强度又分为浅部冲击和深部冲击。
      [2] 围岩冲击
      发生在顶、底板岩层内,根据位置分顶板冲击和底板冲击。
      5、按发生的原因可分为3类:
      [1]自然因素方面
      ○1较大的原岩应力;○2地层中的厚煤层;○3煤岩层冲击倾向性。
      [2]技术管理方面
      ○1局部应力集中;○2生产过度集中;○3采矿地质因素的限制;○4防治措施的限制;○5煤层的超量开采。
      [3]生产管理方面
      ○1无投资或投资不到位;○2防范措施采取不到位;○3采矿作业不当;○4缺乏培训及违章作业。
      6、按影响因素可分为6类:
      [1]开采深度影响
      ○1一般在≤350m不发生;○2350~500m在一定程度上危险逐步增加;○3从≥500m开始,随开采深度增加,冲击危险性急剧增长。
      [2]顶板、岩层结构影响
      厚度大的坚硬岩层顶板发生冲击地压的可能性很大,并且容易引起较大强度的冲击地压。因为采空区形成的大面积悬顶在垮落时,释放的弹性能较大
      [3]煤的力学性质影响
      ○1在一定的围岩与压力条件下,任何煤层中的巷道或工作面均有可能发生冲击地压;○2煤的强度越高,引发冲击地压所要求的力越小;○3煤的冲击倾向性、煤的湿度增加后,强性减小,塑性增强;○4缺乏培训及违章作业。
      [4] 地质构造影响
      冲击地压经常发生在这些构造应力集中的区域。地质构造带的构造应力场,积聚有巨大的变形弹性能,在其附近的巷道及工作面极易发生冲击地压。
      [5] 开采技术因素影响
      ○1上覆煤层停采线形成的应力集中将影响下分层开采;○2采空区,接近采空区前20~30m范围;○3接近老巷15m左右范围;○4开采区域面积为3公顷(30000平方米)时,危险最大;○5孤岛、半岛煤柱;○6在保护煤柱两侧及区间煤柱中掘进。
      [6] 外力影响
      当煤层受压达到极限状态时,引发冲击地压往往有一个外力的影响。如机械震动(如:凿岩机,风镐)、放炮、机械切割煤体的震动。特别是掘进机在高瓦斯、高压力的掘进面切割煤体的有规律连续振动,形成共振,使煤体抗压强度下降迅速破坏而产生冲击地压。
      二、冲击地压的预测预报:
      1、综合指数法
      就是在分析已发生的各种冲击地压灾害的基础上,分析各种采矿地质因素对冲击地压发生的影响,确定各种因素的影响权重,然后将其综合起来,建立的冲击地压危险性预测预报的一种方法。危险程度分析与早期预报冲击地压危险状态决定因素有: 
      [1] 岩体应力:
      是由于采深、构造及开采历史造成的,其中残留煤柱和停采线上的应力集中将长期作用,而采空区卸压在一定时间后会消失;
      [2] 岩体特性:
      特别是形成高能量震动的倾向。这主要来自厚层、高强度的顶板岩层,减小顶板岩层的强度,增加岩层的分层数目可限制大震动的发生。
      [3] 煤层特性:
      主要是在超过某个压力标准时的动力破坏倾向性,对于所有的煤层来说,条件满足时,都会发生冲击,但对于弱冲击煤层来说,所要求的压力值要远远大于具有冲击倾向性的煤层。
      2、计算机数值模拟法
      目前世界上比较通用的分析模拟程序有FLCA、UDEC、ANSYS等,其采用的方法主要是有限元法、边界元法、离散元法等。
      3、钻屑法
      该方法属于局部监测方法,是通过在煤层中打一直径为42mm的钻孔,根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应,鉴别冲击危险的一种方法。
      4、微震法
      该方法属于区域性监测方法,能自动记录微震活动,实时进行震源定位和微震能量计算。是利用拾震仪接收的直达P波起始点的时间差,在特定条件的波速场条件下进行二维或三维定位,以判定破坏点,同时利用震相持续时间计算所释放的能量和震级,并将相关数据标入采掘工程图和上报显示给生产指挥体系,以便及时采取措施。
      5、地音法
      该方法属于局部监测预报方法,是根据岩体地音的参数与局部应力场的变化来进行的,以脉冲形式记录弱的、低能量的地音现象。其主要特性是振动频率从几十到至少2000Hz或更高;能量低于100J,下限不定;振动范围从几米到大约200m。采用的方法主要有站式的连续监测和便携式流动地音监测。用来监测和评价局部震动的危险状态及随时间的变化情况。主要记录声发射频度(脉冲数量)、一定时间内脉冲能量的总和、采矿地质条件及采矿活动等。
      6、电磁辐射法
      该方法属于局部监测预报方法。电磁辐射可用来预测煤岩灾害动力现象。其主要参数是电磁辐射强度和脉冲数。电磁辐射强度主要反映煤岩体的受载程度及变形破裂强度,脉冲数主要反映煤岩体变形及微破裂的频次。
      7、煤层围岩压力-变形观测法
      采掘活动在煤层和顶底板中将引起各种形式的矿山压力显现,其中支承压力有着特殊的意义。支承压力的大小、分布是多因素影响的结果。在发生冲击地压过程中,支承压力特别是动压显现起着重要作用。因此利用它的显现规律可以预测冲击地压。工作面安装顶板压力动态监测系统,对工作面支架进行支架阻力观测,以便掌握全面支架受力情况,及时对工作面顶板来压情况进行全面预报分析,为工作面安全推采提供可靠的顶板来压预报。
      8、采空区气体分析法
      当煤层压力增高时,煤体瓦斯大量涌入采空区,气体成分就会发生变化。通过连续的观察分析以及冲击地压发生前后的气体成分变化比照,找出变化规律,指导预测预报。初步将CH4的变化值做为预测的一个依据。
      9、冲击地压的系统综合预测方法
      冲击地压的随机性和突发性,破坏形式的多样性,单凭一种方法预测是不可靠的,必须进行冲击地压危险的区域预报与局部预报相结合,早期预报与及时预报相结合;
      首先分析地质开采条件,根据综合指数法和计算机模拟分析方法,预先划分出冲击矿压危险及重点防止区域,提出冲击矿压的早期区域性预报;
      采用微震监测系统,对矿井冲击危险提出区域和及时预报;
      采用地音监测法、电磁辐射监测法等地球物理监测手段,对矿井回采和掘进工作面进行局部地点的预测预报;
      然后采用钻屑法,对冲击矿压危险区域进行检测和预报。
      三、冲击地压的防治防范措施
      1、合理的开拓布置和开采方式
      合理的开拓布置和开采方式应避免应力集中和叠加,是防治冲击地压的根本性措施;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。
      [1] 开拓布置:
      开采煤层群时,开拓布置应有利于解放层开采,首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层作为解放层。且优先开采上解放层。
      [2] 采区(盘区)布置:
      ○1划分采区(盘区)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;○2有冲击危险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;
      [3] 采煤工作面布置:
      ○1采区(盘区)的采面应朝一个方向推进,避免相向开采,以免应力叠加。○2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采用从断层或采空区开始回采的开采程序;○3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法;○4顶板管理采用全部垮落法,工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。
      [4] 合理开采解放层
      ○1一个煤层(或分层)先采,能使临近煤层得到一定时间的卸载;○2先采的解放层必须根据煤层赋存条件选择无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层;○3实施时必须保证开采的时间和空间有效性(全垮3年,全充2年);○4不得在采空区内留煤柱,以使每一个先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤层得到最大限度的“解放”。
      [5] 从支护设计方面改进支护方法
      ○1刚性支护改为柔性支护
      过去巷道支护采用的梯形木棚、梯形铁棚,都属刚性支护。冲击地压发生后,出现折断、冒顶、堵塞巷道。改为U型钢可缩支架,如在厚煤层中的巷道要用强力可缩性全封闭型金属支架,冲击地压发生后支架连接处滑动收缩,使巷道保持一定的断面,不被摧垮,为人员脱险和恢复生产提供了保证。
      ○2被动支护改为主动支护
      采用锚网支护。在掘出断面后及时铺网打锚杆,通过螺母对托盘的预紧力,对煤壁加压,形成一定厚度的煤岩体加固拱,以提高巷壁自身强度来实现主动支护,防止了松动离层,大大提高了支护强度。通过数次冲击地压验证,它对保护巷道及人身安全,进行长距离大工作面开采起到了不可替代的作用。
      ○3由帮顶支护改为全断面支护
      过去架棚支护无论是梯形还是拱形,都是对巷道帮顶的支护,主要目的是防止冒顶。但进入深部后尤其是冲击地压区,周边都来压,底鼓占巷道收缩率的一半以上。主要就是底板承压力低,并且没有支护。现改用圆形支护,首先把巷道掘成圆形,再打上锚网,给上“O”型棚,使巷道成为一个加固圆筒,受压均匀,大大提高了支护强度。经过冲击地压后观察,巷道收缩率大大降低。
      ○4改进回采工艺
      采用综采或综放采煤工艺,选用高强度液压支架,全跨法管理采空区;两巷超前支护达到200米以上,冲击危险巷道采用强力支护材料加固,如大立柱、移步支架、门式支架等。
      ○5重型化支护
      为了抵御日益严重的冲击地压,保证巷道畅通,在高压力部位如四岔口、三岔口处采用重型钢梁,配以液压单体支柱进行“超强支护”,或采用巷道垛式液压支架支护。所有冲击地压的巷道都实行锚网索+36U“U”型棚复合支护,向重型化发展。再辅以棚间采用铁拉杆和大立柱、门式支架等强化措施,抗冲击能力大大加强。
      2、处理措施
      [1] 卸压钻孔
      采用煤体钻孔可以释放煤体中聚集的弹性能,消除应力升高区,在钻孔周围形成一定的破碎区卸压,通过煤层卸压,释放能量,清除冲击危险。
      [2] 爆破卸压
      在危险区段打10~20m深的孔,孔间距5m,每孔装药量5.4Kg,一次起爆3~4个孔。爆破使煤体内部产生大量裂隙,强度降低,弹性能减少,解除了冲击地压生成的条件。通过测试观察卸压爆破后,“小煤炮”增加,对巷道没有破坏。而破坏性煤炮没有发生。
      [3] 两帮煤体卸压
      两帮卸压爆破孔平行底板钻进,孔径Φ75mm,孔深25m,每孔装5节被筒炸药(9Kg), 双发同段毫秒延期电雷管正向装药,其余用27节水泥药卷封孔。孔内雷管间并联,多个爆破孔的雷管之间采用串联连线方式。两帮每4m施工一个卸压爆破孔,滞后迎头不超过15m施工。
      [4] 两帮底板卸压
      两帮断底卸压爆破孔倾角-45°,孔深10m,每孔装5节被筒炸药(9Kg), 双发同段毫秒延期电雷管正向装药,其余用27节水泥药卷封孔。孔内雷管间并联,多个爆破孔的雷管之间采用串联连线方式。两帮每4m施工一个断底卸压爆破孔。切眼拐20m后进行底角卸压炮措施,两帮和底角卸压炮交错布置(三角形)。
      [5] 迎头煤体卸压
      迎头炮钻孔共两个,沿巷道倾斜方向钻进,两个装药炮孔孔口距左、右帮各2.0m,钻孔孔深12m。每孔装药5节被筒炸药(9.0Kg), 双发同段毫秒延期电雷管正向装药,其余用27节水泥药卷封孔,孔内雷管间并联,多个爆破孔的雷管之间采用串联连线方式。
      [6] 迎头底板卸压
      迎头断底炮孔共一个,沿巷道倾斜方向-45°钻进,炮孔位于迎头中心位置,孔深10m。每孔装5节被筒炸药(9.0Kg), 双发同段毫秒延期电雷管正向装药,其余用27节水泥药卷封孔。孔内雷管间并联,多个爆破孔的雷管之间采用串联连线方式,每天施工一个。
      [7] 煤层注水、水力压裂
      ○1煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低,故煤的强度与冲击倾向指数也随着煤的湿度的增加而降低。煤层注水后,工作面支承压力带宽度为12~18m,压力峰值减小,应力集中系数明显降低,顶板下沉速度增加,煤体的硬度降低,塑性增加。煤层注水可有效防治和减弱冲击地压的危险性。一些列注水措施后,冲击地压强度明显减弱,冲击频率降低、破坏性冲击大大减少。○2水力压裂技术是把水作为动力,在煤层中形成人工的空腔、槽缝和裂隙或扩大已有的裂隙以及使煤体发生位移,从而起到卸压的作用,由于煤层水力压裂后软化了煤体,改变了煤体的裂隙结构,降低了煤的弹性和储蓄能量的能力,使煤体脆性减弱,塑性增强,促使煤壁前方塑性变形区变宽,应力集中带向煤壁深处移动并变宽,使煤体冲击倾向减弱,显著地改善能量释放过程中在时间上的稳定性和在空间上的均匀性,从而防止了冲击地压的发生和产生冲击地压的强度。
      3、个体防护措施
      [1]不得在以下地点逗留:○1巷道高度不够处;○2人行道安全间隙不够处;○3锚杆失锚或其它支护薄弱地点;○4锚索下方;○5设备或物料附近;○6靠近铁质管路处;○7巷道交叉点运输转载点处。
      [2]严禁多人扎堆休息、逗留、严禁摘掉安全帽;
      [3]严格执行煤壁或迎头敲帮问顶制度,防止片帮(片迎头)伤人;
      [4]不得长时间在安全间隙不够处工作;
      [5]同一地点尽可能安排少的人员同时工作;
      [6]出现迎头或巷道压力明显增大、煤炮明显增强时,立即停止作业,撤出迎头或工作地点;
      [7]冲击地压发生时,切记不要慌张,尽快就近躲避至相对安全处,并注重摸清周围支护状况和人员情况,待冲击地压影响减缓后,利用通讯设备、机电信号及附近钢制管路,视冲击地压严重程度及时进行汇报、联系及求救;
      [8]冲击地压对井下工作人员的危害,主要是使人员受外伤,以及被抛出和冒落的煤岩石击伤和埋住,另外还有瓦斯等有害气体的威胁;将肉眼可见的冲击地压危险性特征、冲击前兆,减缓或消除事故的方法及自救措施等有关事项,向井下人员进行培训和详细指导;
      [9]平时应积极组织冲击地压的预测预报工作,出现危险时应积极组织人员撤离。
      [10]特殊措施○1在冲击地压危险特别大的情况下,应远距离控制和操纵采掘机械,实现“无人工作面”的回采和掘进方式;○2在人员经常作业的地点,对巷道进行软包;○3为了防止瓦斯积聚,必须规定有快速恢复正常通风条件和向被冒落歼石隔离的地区供给新鲜空气的专门措施(压风自救系统),以及用于个人自救的工具(自救器等);○4在冲击地压和突出危险地点,根据预测预报,在某一时间内采用无人的工作制度,甚至临时撤离人员;○5有条件的尽量采用远距离操纵。必须按《防治煤矿冲击地压细则》、《煤矿安全规程》及相关规定执行特殊的放炮制度;○6对于冲击地压危险的巷道,应把人员通过和停留的时间减到最小限度;○7加强对设备和物料的捆绑。
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