南屯煤礦衝擊地壓防治技術研究與應用
聲實際，提出並製定了適合本礦條件的衝擊地壓危險預測方法，如煤岩鋒衝擊傾向鑒定、煤層壓力 一變形觀測、數值計算、綜合指數計算、煤粉鑽孔、電測輻射監測等；解危 措施是煤層注水、卸壓 爆破、鑽孔卸壓等；解危 措施效果檢驗方法是電磁輻射法和鑽屑法，從而建立了適合南屯 煤礦擊 地壓防治的 安全開采體係。
關鍵詞：衝擊地壓；解危 措施；效果檢驗； 安全開采
中圖分類號：TD324 文獻標誌碼：A 文章編號：0253—2336(2008)04—0039—04
南屯井田位於山東省鄒城市西部北宿、太平、城關和中心店境內。井田東西長10．5 km，南北寬4.5 km，麵積約43．5 km2。其中3煤層分布麵積約27．5 km 2。九采區位於井田東北部，其範圍東至一 號井東斷層，西到八采區東斷層與七、八采區相鄰。北以皇甫斷層與東灘井田為界，南至3煤層風化露頭。整個采區呈北寬南窄的不規則四邊形，南北長4 750 m，東西寬1100-2600 m，麵積約6.5 km 2。
以前開采過程中沒有發生過衝擊地壓，但隨著采深的增加，井田內留下了很多不規則的煤柱，一
方麵使上覆岩層的空問結構變得更加複雜，另一方 麵謀柱上的應力疊加相當於把采深成倍地加大了， 衝擊地壓已經成為深部開采的主要安全隱患。
1 南屯煤礦9304工作麵概況
93上04工作麵位於九采一分區東部，南側為93上02工作麵采空區(2006年5月回采結束)，北側為93上06工作麵(未準備)，東部與九采邊界膠帶巷相鄰。地麵標高50．11～55．62 m，平均52．87 m。井下標高一480～一650 m，平均一565 m。工作麵長度151．2 m，推進長度1 644 m，93上04工作麵自2007年2月7日開始回采，工作麵采用偽傾斜長壁綜合機械化放頂煤一次采全高全部垮落采煤法，目前工作麵已推進118 m。工作麵開采煤層為3上煤層，該工作麵範圍內，3上煤層賦存穩定，煤層的厚度3．40～6．70 m，平均5.21 m。煤層結構簡單，煤層傾角4～13°，平均10°，開采煤層3上普氏係數f=2～3。直接頂為粉砂岩、泥岩，0～ 2.95 m，平均1．55 m；基本頂為中細砂岩互層， 22．40～25．24 m，平均23．50 m；直接底板為粉砂 岩，2．89～5．34 m，平均3．94 m。
2衝擊地壓02manbetx.com
礦山壓力現象
2007年3月13日淩晨1時45分，南屯煤礦93上04綜放工作麵中間巷發生一起衝擊地壓02manbetx.com
(圖1)。這次02manbetx.com
造成正在中問巷電站附近工作的3名職工受傷，其中1人重傷，2人輕傷。
南屯煤礦衝擊地壓顯現主要表現在2個方麵， 一是礦井表現出明顯的動力現象，在巷道的開拓掘 進與工作麵生產過程中經常聽到煤炮聲；、二是部分巷道圍岩穩定性較差，巷道支架損壞、底鼓嚴重、兩幫變形量增大，巷道維護困難。通過現場觀測和礦壓資料收集，對南屯煤礦的礦山壓力現象進行了總結，其特點如下：
1)九采區已開采完5個工作麵，未發生過衝擊地壓02manbetx.com
，該次事故發生前現場也沒發現應力變
化的前兆信息，事故具有明顯的突發性、偶然性。
2)瞬時性。破壞過程持續時間相當短暫，並產生了強烈震動，強大的衝擊波造成了大量煤塵飛
揚，發出振動和響聲，巨大的能量在瞬時被釋放。 2007年3月13日1時45分南屯煤礦地震觀測站監 測到的震級為裏氏2．8，集團公司礦震觀測台監測到的震級為裏氏2．1。
3)巨大的破壞性。動力現象發生後損壞支 架、破壞巷道甚至造成人員傷亡。巷道頂底板、兩
幫移近量大，巷道破壞較嚴重。93上04中問巷自工作麵煤壁向外35～85 m處底鼓，變形量最大1．5 m，兩幫移近量大約1．4 m，13輛電站車被推到煤幫處，約35 m軌道被推到電站車側。93上04回風巷超前支護段12棵單體支柱彎曲、3棵折斷。巷道1處冒頂，冒頂範圍長4 m、寬3 m、高2．3 m。
4)有別於瓦斯突出。在動力現象發生後，通過現場進行瓦斯含量測量發現瓦斯含量沒有明顯增
加，這就否定了煤與瓦斯突出的可能性。
3衝擊地壓現象影響因素初步03manbetx
隨著南屯煤礦開采深度的逐年增加(目前為685 m)，煤岩動力現象逐漸顯現並趨於嚴重。對擊地壓發生的原因是多方麵的，通過係統的03manbetx
翻究總結影響南屯煤礦煤岩衝擊現象的主要因素為：
1)煤(岩)的性質。南屯煤礦煤的衝擊傾向性為強衝擊傾向。
2)圍岩性質。主要是頂板岩性和厚度及其吞煤層開采後的可冒性，是影響衝擊地壓的重要因素。特別是基本頂為厚層砂岩或其他堅硬岩層、確板也是堅硬岩層結構的煤層更具衝擊危險性。
3)開采深度。開采深度愈大，煤體應力愈高，煤體變形和積蓄的彈性能也愈大。南屯煤礦93上04工作麵目前開采深度在685 m，具有開采深度大的特點。
4)地質構造的影響。通常，在地質構造帶日中尚存有一部分地殼運動的殘餘應力，形成構造曼
力。在煤礦中常有斷層、褶曲和局部異常帶，衝地壓常發生在這些構造應力集中的區域。南屯煤礦 西部基本上是一單斜構造，故垂直和水平應力均，壓應力，最易發生衝擊地壓現象。
5)采煤方法的影響。采用綜放開采技術進季生產的礦井，其影響範圍大(一般工作麵超前承壓力影響範圍達60 m以上)，應力絕對值增加但集中程度降低。相對而言，綜放開采工作麵的衝擊地壓危險性比單一煤層或分層開采的工作麵的擊地壓危險性小一些，但由於其影響範圍大，故工作麵周圍的衝擊地壓危險性將會升高。
6)煤柱的影響。產生應力集中的地點、孤島形和半島形煤柱可能受幾個方向集中應力的疊加作用，因而在煤柱附近最易發生衝擊地壓。南屯煤礦93上04工作麵采用3條巷道布置且中間巷沿3上層頂板布置，中間巷與回風巷及運輸巷的距離分別為60，91 m，開采煤層平均厚度5．21 m，所以中間巷與回風巷的煤柱寬度正處在煤柱衝擊危險的臨界寬度範圍內。
在回采93上04工作麵中，中間巷掘進形成很大的支承壓力，如圖2中1號曲線所示。圖3中1 號線是采空區見方期間的應力曲線，2號曲線是基預周期來壓期間的應力曲線，3號線是基本頂岩
渤次斷裂階段的應力曲線。
93上04中間巷所處的采動應力場包含沿走向分布超前支承壓力和沿傾向的側向支承壓力。隨著93上04工作麵的開采，在不同階段中，圖2的傾向支撐壓力與圖3走向分布的超前支承壓力在一定範
範圍內疊加，產生很大的應力，共同作用於中間巷煤岩體上，如果疊加應力值達到衝擊臨界值，則很可能誘發衝擊地壓。
4.衝擊地壓治理的措施
根據施工技術、現場工作實際、施工觀測記錄和現場勞動組織管理，南屯煤礦建立了具有南屯煤 礦特色的“評價預測、實用解危、效果檢驗、安全研采”四位一體的衝擊地壓防治體係，如圖4
所示。
4．1 衝擊地壓的評價及預測
根據對南屯煤礦實際情況的03manbetx
和目前預測預報的研究成果，該礦采取了煤岩體衝擊傾向鑒定、煤層壓力一變形觀測、數值計算、綜合指數計算、煤粉鑽孔、電測輻射監測等方法進行了衝擊地壓的評價及預測，並取得了良好效果。
4．1．1 煤岩體衝擊傾向鑒定
判別煤層和圍岩衝擊傾向的強弱，是預測和防治工作的基礎。衝擊傾向性是煤岩介質產生衝擊破壞的固有能力或屬性，是衝擊地壓發生的必要條件。根據煤科總院北京開采所岩石力學實驗室對南 屯煤礦3．煤層衝擊傾向性進行的鑒定結果，判定南屯煤礦3．煤層具有強衝擊傾向性。
4。1．2綜合指數法
綜合指數法是在分析各種采礦地質影響衝擊地壓發生因素的基礎上，確定采掘工作麵周圍采礦地質條件的每個因數對衝擊地壓的影響程度，以及確定各個因數對衝擊地壓危險狀態影響的指數，將其綜合起來就可以形成衝擊地壓危險狀態等級評定的綜合指數法。衝擊礦壓危險狀態是隨著采礦地質條件的變化而在時間和空問上發生變化的，綜合考慮南屯煤礦的實際情況，得出確定衝擊地壓危險程度的綜合指數為0．84，有強衝擊危險；下一步工作麵的開采工作應與該危險狀態下的衝擊地壓防治措施一起進行。
4．1．3•鑽屑法及電磁輻射監測法
預測衝擊地壓的常規方法主要根據2個條件，一是煤的衝擊傾向，二是支承壓力帶特征，即支承 壓力峰值大小及其距煤壁的遠近。如果支承壓力參數達到臨界值，並且煤層又具有衝擊傾向，那麼衝擊地壓就有可能發生。而支承壓力帶參數的測定，一般多采用鑽屑法探測。煤岩體的受載變形破壞過程及原岩應力區的重新分布變化，一般采用電磁輻射技術探測。此2項預測預報方法在該礦局域性衝擊地壓危險預報中得到廣泛應用。
4。2實用解危措施
煤礦衝擊地壓防治措施的主要原則是及時查明衝擊危險煤層，及時采取綜合防治措施，包括區域性防範措施和局部性解危措施。該礦在區域性防範措施中主要采用了煤層注水，在局部性解危措施中主要采用了卸壓爆破、鑽孔卸壓等方法。
4．2．1煤層注水
煤層注水可以使煤的結構發生改變，降低煤體的強度；使得煤體積蓄彈性能的能力下降，以塑性變形能方式消耗彈性能的能力增加。通過現場礦壓觀測記錄的數據可知：煤層注水後，工作麵支承壓力的峰值降低，應力集中係數明顯降低，頂板下沉速度明顯增加，煤層的普氏係數降低，塑性增加。煤層注水可有效防治和減弱衝擊地壓的危險性。結合93上04工作麵的實際生產和管理情況，煤層注水采用與工作麵煤壁平行的長鑽孔高壓注水法。注水和采煤工作基本保持同步作業，但一定保證注水的超前時間應低於3個月，因為隨著時間的推移，注水效果會降低。這種方法可以最大限度地使用機械，而且注水工作可在衝擊地壓危險區域外進行，比較適合該礦這種具有強衝擊傾向的複合煤層。
4．2．2卸壓爆破
卸壓爆破是對電磁輻射技術和鑽屑法確定的衝擊危險煤體，采用爆破的方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。卸壓爆破屬於內部爆破，主要作用是使煤層產生大量裂隙，使煤體的力學性質發生變化，彈性模量減小，強度降低，彈性能減少，局部解除衝擊地壓發生的強度條件和能量條件。在實施卸壓爆破前必須先進行鑽屑法檢測，確認有衝擊地壓危險時才能進行卸壓爆破，爆破後還要用鑽屑法檢查泄壓效果，此方法在該礦得到具體應用。
4．2．3鑽孔卸壓
采用鑽孔卸壓可以釋放煤體中積聚的彈性能，消除應力升高區。頂板岩層作用在煤體上，工作麵前方煤體所受的壓力將有比較大的升高，而鑽孔卸壓通過鑽孔使原來作用於周邊圍岩的高應力向卸壓區以外的岩體深部轉移。鑽孔卸壓的實質是利用高應力條件下，煤層中積聚的彈性能來破壞鑽孔周圍的煤體，使煤層泄壓、釋放能量，消除衝擊危險。該礦鑽孔卸壓施工方式為：采用TXU一75型鑽機打卸壓鑽孔，采用長1．5 m的鑽杆，鑽頭直徑115m m，鑽孔以3 m的間距布置，孔深10 m，孔距底板1．2 m左右，單排布置，鑽孔方向與巷道煤幫垂直。此種方法在該礦也得到了具體應用。
4．3衝擊地壓治理效果檢驗
對於衝擊地壓解危措施效果檢驗主要是利用電磁輻射法和鑽屑法
4．3．1鑽屑法
煤的衝擊傾向性和支承應力帶特征是預測衝，地壓的主要依據。煤的衝擊傾向性是煤(岩)一
產生衝擊破壞的固有屬性，可由實驗室測定。支承壓力分布帶特征，即支承壓力峰值大小及其距煤的遠近，支承壓力帶參數的測定，一般可采用鑽屑；探測。如果支承壓力指數達到臨界值，且煤層又有中等以上衝擊傾向性，衝擊地壓就可能發生。操作中如果檢測到的煤粉量超過以上臨界指標，或， 現卡鑽、吸鑽、異響等動力現象，應認為煤體處於臨界危險狀態，必須立即采取解危措施。
4。3。2電磁輻射監測
煤岩電磁輻射是煤岩體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現象，與煤岩體的變形破裂
過程密切相關。掘進或回采空間形成後，工作麵媒體失去應力平衡，處於不穩定狀態，煤壁中的煤體必然要發生變形和破裂，以向新的應力平衡狀態過渡；煤體中的瓦斯也失去動態平衡，在瓦斯壓力梯度的作用下，沿煤體中的裂隙向工作麵空問湧出這2種過程均會引起電磁輻射。電磁輻射信息綜合反映了衝擊地壓、煤與瓦斯突出等煤岩災害動力現象的主要影響因素。其中，電磁輻射強度主要反映了煤岩體的受載程度及變形破裂強度，脈衝數主要反映了煤岩體變形及微破裂的頻次。操作中，輻射的脈衝數及強度臨界值應根據測試地點的實際情況進行相應設定。
5 結 論
通過理論學習和現場實踐，提出實用的衝擊地壓的評價及預測方法、實用解危措施和相應衝擊]
壓治理效果檢驗措施以及衝擊地壓應急預案。通過生產實踐證明，這些方法和措施具有良好效果，j在此基礎上建立了具有南屯煤礦特色的四位一體的衝擊地壓防治體係，在93上04工作麵生產期問有發生造成人員傷亡的衝擊地壓事故，保證了有衝擊傾向複合煤層的安全開采。
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