錢營孜煤礦3.0Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】
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煤礦沖擊礦壓理論及防治技術(shù)
摘要：沖擊礦壓作為煤巖動力災(zāi)害之一，越來越受到煤礦行業(yè)的關(guān)注，尤其是隨著各個礦井開采深度的增加，沖擊礦壓現(xiàn)象更是屢見不鮮。對于沖擊礦壓的監(jiān)測我們有很多方法，如鉆屑法、微震監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、電磁輻射技術(shù)等等。由于沖擊礦壓具有突然性、瞬時性、破壞性的特征，對于沖擊礦壓的發(fā)生機理仍沒有一個統(tǒng)一的認識，本文從沖擊礦壓的特征，發(fā)生條件以及影響沖擊礦壓的因素出發(fā)，研究了沖擊礦壓發(fā)生機理以及各種監(jiān)測技術(shù)，及目前在實際生產(chǎn)過程中采取的主要應(yīng)對措施如煤層注水、爆破卸壓、鉆孔卸壓、定向裂縫、掘卸壓巷等。
關(guān)鍵詞：沖擊礦壓；防治
1、緒論
沖擊礦壓是壓力超過煤巖體的強度極限，聚積在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，動力將煤巖拋向巷道，同時發(fā)出強烈聲響，造成煤巖體震動和煤巖體破壞、支架與設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等的一種煤礦自然災(zāi)害。沖擊礦壓還可能引發(fā)其他礦井災(zāi)害，尤其是瓦斯煤塵爆炸、火災(zāi)及水災(zāi)、干擾通風(fēng)系統(tǒng)等…。長期以來，沖擊礦壓作為巖石力學(xué)的重大難題之一，一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重要研究課題。沖擊礦壓發(fā)生的機理十分復(fù)雜，是一個正在深入研究的問題，更是關(guān)注的焦點。
沖擊礦壓始于1738年的英國煤礦。從那時起到現(xiàn)在的200多年歷史中，包括我國在內(nèi)的世界各采礦國家.如德國、南非、前蘇聯(lián)、波蘭、捷克、加拿大、日本、美國等2。多個國家和地區(qū)的煤礦均受到?jīng)_擊礦壓的威脅，許多國家和地區(qū)對沖擊礦壓問題給予了極大的關(guān)注和投入。
沖示礦壓發(fā)生機理十分復(fù)余.、各國學(xué)者在對沖擊礦生現(xiàn)場調(diào)查及實驗室研究的基礎(chǔ)上。從不同角度相繼提出了一系列的重要理論，如強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向理論、屯準則和變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論等。l世紀50年代提出的強度理論認為。產(chǎn)生沖擊礦壓時支架一圍巖力學(xué)系統(tǒng)將達到力學(xué)極限狀態(tài);剛度理論認為，礦山結(jié)構(gòu)的剛度大于圍巖一支架剛度是產(chǎn)生沖擊礦壓的必要條件;能量理論則認為礦山開采中如果支架一圍巖力學(xué)系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)被破壞時的能量大于所消耗的能量時即發(fā)生沖擊礦壓;沖擊傾向性理論認為煤巖層沖擊傾向性是煤巖介質(zhì)的固有屬性，是產(chǎn)生沖擊礦壓的內(nèi)在因素;穩(wěn)定性理論則認為，煤巖體內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)局部形成應(yīng)變軟化，與尚未形成應(yīng)變軟化的介質(zhì)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)在外界擾動下動力失穩(wěn)。形成沖擊礦壓等。
研究沖擊礦壓的目的是防治或控制沖擊礦壓的發(fā)生，消除沖擊礦壓可能對井下人員和設(shè)備的危害。沖擊礦壓防控措施包括區(qū)域性防治措施和局部解危措施，前者旨在消除產(chǎn)生沖擊礦壓的條件，具有時空上的長期性和區(qū)域性；后者旨在對已形成沖擊礦壓的區(qū)段進行解危處理和安全防護，屬于暫時的局部性措施。目前，我國大部分國有大中型礦井進入深部開采，這些礦井中有的受制于某些因素的制約，不可避免形成了具有沖擊礦壓危險的開采布局(如無法開采保護層、形成孤島煤柱、開采深度大或煤層具有沖擊傾向性等)，對這樣已經(jīng)布置好的開采系統(tǒng)來說，必須采取沖擊礦壓的局部解危措施。目前應(yīng)用于我國煤礦沖擊礦壓的解危措施較多，如煤層注水、鉆孔卸壓、卸壓爆破和頂板巖層定向水力致裂等。沖擊礦壓解危措施的根本目的就是把高應(yīng)力區(qū)向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，減小應(yīng)力增高區(qū)的應(yīng)力峰值，降低煤巖體的沖擊傾向性，減小應(yīng)力增高區(qū)的能量聚積程度。這些措施的應(yīng)用在一定程度上消除或降低了沖擊礦壓危險性，在煤礦安全生產(chǎn)中起到了重要的作用。
2、國內(nèi)外沖擊礦壓的概述
2.1國內(nèi)沖擊礦壓現(xiàn)狀
我國煤礦開采深度每年以10~ 15m的速度增加, 深部開采條件下的沖擊礦壓問題日益嚴重。據(jù)不完全統(tǒng)計, 截止目前, 我國沖擊礦壓礦井總數(shù)達80個以上, 其中以新汶礦業(yè)集團的華豐煤礦、京煤集團的木城澗煤礦、華亭煤業(yè)公司的華亭煤礦、開灤集團的唐山煤礦、撫順煤業(yè)公司的老虎臺煤礦等煤礦的沖擊礦壓危害最為嚴重。
目前國內(nèi)具有沖擊礦壓危害的礦井, 大部分沒有安裝有效的沖擊礦壓監(jiān)測設(shè)備, 導(dǎo)致對沖擊礦壓的預(yù)測不夠準確, 防治效果也不夠理想。
我國最早記錄的沖擊礦壓現(xiàn)象于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦，當時的開采深度為200m左右。從1949年以來，已發(fā)生破壞性沖擊礦壓4000多次。震級Ml=0.5~3.8級，造成大量巷道破壞和慘重的人員傷亡。近年來。我國一些金屬礦山、水電與鐵路隧道工程也出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。
我國煤礦發(fā)生沖擊礦壓'有如下特征:
(1)突然性。沖擊礦壓發(fā)生前沒有明顯的征兆，突然、猛烈。
(2)多樣性。煤層沖擊、頂板沖擊、底板沖擊等兩三種沖擊的組合。
(3)破壞性。片幫和煤炭拋出，頂板突然下沉、底鼓、破壞巷道支護，造成人員傷亡等。
(4)在各種采礦和地質(zhì)條件下均發(fā)生過沖擊礦壓。
除了褐煤煤層外.我國煤礦的其他各種煤層均發(fā)生過沖擊礦壓，而且、采深從200一1000m ,煤層厚度從薄到厚，煤層傾角從緩到急，各種頂板條件如砂巖、頁巖、石灰?guī)r等均發(fā)生過沖擊礦壓。我國煤礦發(fā)生沖擊礦壓的典型條件為:初始深度200~600m，煤的單向抗壓強度10~30 MPa頂板一般為厚10~40m的堅硬砂巖，強度100~600M Pa。
然而，具體分析起來，我國沖擊礦壓發(fā)生的條件極為復(fù)雜。從自然地質(zhì)條件來看，除褐煤以外的各煤種都記錄到了沖擊現(xiàn)象，采深從20 0~ 8 0 0m地質(zhì)構(gòu)造從極簡單至極復(fù)雜。煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁巖等都發(fā)生過;從生產(chǎn)技術(shù)條件來看，水采、水砂充填、綜采、炮采、機采、手采等各種工藝，長壁、短壁、巷柱、傾斜分層、水平分層、倒臺階、房柱式等各種方法都出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象。
2.2國外沖擊礦壓現(xiàn)狀
沖擊礦壓是世界采礦業(yè)面臨的共同問題。1738年英國在世界上首先報道了沖擊礦壓現(xiàn)象。之后，前蘇聯(lián)、南非、德國、波蘭、美國、加拿大、日本、法國、印度、捷克、匈牙利、保加利亞、奧地利、新西蘭和安哥拉等都記錄了沖擊礦壓。目前，有包括我國在內(nèi)的20
多個國家和地區(qū)都有沖擊礦壓.這一事實表明，世界上幾乎所有采礦國家都不同程度地受到?jīng)_擊礦壓的威脅。
煤礦沖擊礦壓災(zāi)害最嚴重而且防治工作最有成效的國家是前蘇聯(lián)、波蘭和德國。
(1}前蘇聯(lián)
前蘇聯(lián)的沖擊礦壓最早于1947年發(fā)生在吉謝羅夫礦區(qū)。此后共有9個礦區(qū)出現(xiàn)了沖擊礦壓問題。
發(fā)生沖擊礦壓的一般條件是:初始深度為400~1860rn .煤厚0.5~20m。在各種傾角、各個煤種(包括褐煤)中都記錄到?jīng)_擊礦壓現(xiàn)象，多數(shù)情況下頂板為堅硬砂巖。也有一些煤田是破碎頂板。開采技術(shù)條件涉及到刀柱式或長壁式等開采方法;充填或垮落等頂板管理方法;整層或分層開采情況。
自1951年起，全蘇地質(zhì)力學(xué)及礦山測量研究院以及其他研究羊位和高等院校等幾十個單位配合國家技術(shù)監(jiān)察部門與生產(chǎn)單位一起著手解決煤礦的沖擊礦壓問題。經(jīng)過25年的努力，基本上形成了一整套防治沖擊礦壓的組織管理系統(tǒng)，并制定了有關(guān)技術(shù)規(guī)程，發(fā)展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和預(yù)報方法，取得了良好效果，沖擊次數(shù)大為減少。1955~1977年沖擊危險礦井數(shù)由8個增至36個，而年沖擊次數(shù)則由83次降至7次，1980年以后又降至5一6次。
在前蘇聯(lián)金屬礦，沖擊礦壓的頻度比煤礦要小得多，其上要形式為巖石彈射、震動和微沖擊.主要發(fā)生在北烏拉爾鋁上礦等20余個礦山。開始出現(xiàn)的深度為300~700m，主要巖石種類為輝綠巖、正長巖、花崗巖、凝灰?guī)r以及鐵礦石、鋁土礦石、銅礦石、鉀鹽礦石等，平均單向杭壓強度100~250MPa，最低25一30 MPa。前蘇聯(lián)金屬礦防治沖擊礦壓的基本措施原則上同煤礦的沒有差別。
(2)波蘭
波蘭有三個井工開采煤田:上西里西亞、下西里西亞和魯布林。產(chǎn)量的98%來自上西里西亞煤田。該煤田中煤的強度為10~35M Pa，煤厚0.5~20m（一般為1.5~3.5m），傾角0°~45°（一般為5°~15°），平均采深600m，項板大都為堅硬砂巖。長壁工作面產(chǎn)量占9 9%。其中70%為垮落法開采。其余為水砂充填。工作面平均長度150m，日產(chǎn)1300~1400 t商品煤。機械化程度96.2%，其中綜采占83.7%。
沖擊礦壓是波蘭煤礦重大災(zāi)害之一。最早記載于1958年。目前開采的400號、500號，600號、7 00號和800號煤層組中45%以上的煤層有沖擊礦壓傾向，其中500號煤層組最為嚴重。開始發(fā)生沖擊礦壓災(zāi)害的平均采深約為400m，隨著采深的增加，沖擊礦壓危險越來越嚴重。沖擊礦壓強度一般為105~109j ，最大是1011j，1949~1982年，共發(fā)生破壞性沖擊礦壓3097次，造成死亡401人，井巷破壞130km。
波蘭很重視沖擊礦壓問題.早在20世紀60年代初期就著手大力開展科學(xué)研究和防治工作。煤層的沖擊傾向?qū)嶒炇覝y定和井下測定是波蘭學(xué)者首先倡導(dǎo)并大力發(fā)展的。此外，在將巖體聲學(xué)以及地震法用于礦山?jīng)_擊危險探測和監(jiān)側(cè)方面，居世界領(lǐng)先地位。由于采取綜合防治措施，保證了安全，促進廠生產(chǎn)。
(3)德國
魯爾礦區(qū)是德國的主要產(chǎn)煤區(qū)，也是發(fā)生沖擊礦壓的主要礦區(qū)。1910~1978年間共記載了危害性沖擊礦壓283次，有沖擊傾向或危險的煤層20余個，其中底克班克、陽光和依達煤層具有最強的沖擊傾向，其抗壓強度10~20MPa，煤種為長焰煤、氣煤和肥煤等。沖擊礦壓發(fā)生深度590~1100m，其中850~1000m沖擊礦壓數(shù)占75%左右，最大拋出量2000m3。發(fā)生沖擊礦壓的煤厚為1~6m，其中主要為1.5~2m，傾角4°~44°。
在德國。產(chǎn)生沖擊礦壓的煤層頂板絕人部分是5~40m較厚的砂巖或其他堅硬巖層，因而，認為砂巖頂板是沖擊礦壓危險煤層的主要標志。
德國是防治沖擊礦壓較有成效的國家，其主要的工作點在于實用。由德國所發(fā)展的鉆孔卸載法、鉆屑法以及其他方法在國際上亨有較高聲譽。
(4〕非謀開采中的沖擊礦壓
在世界的采礦實踐中，沖擊礦壓現(xiàn)象不僅發(fā)生在煤礦，也發(fā)生在其他礦物的開采過程中、除前述前蘇聯(lián)的實例外，開采金屬礦發(fā)生沖擊礦壓的還有：捷克的普希勃拉姆多種金屬共生礦床，奧地利的鉛鋅礦，美國的銅礦，加拿大的銅鎳礦和金礦，印度科拉爾礦區(qū)的金礦和采深超過3000m的南非維特瓦切爾斯蘭德金屬礦。到日前為止，最強烈的沖擊礦壓發(fā)生在鹽礦中，破壞面積達1~3 Mm3，震動傳播距離達幾百公里。例如，,1958年原民卞德國維爾,鉀鹽公司臺爾曼礦一所發(fā)生的沖擊礦壓，曾被莫斯科、土耳其和西班牙的地震站記錄到。此外。沖擊礦壓還發(fā)生在露天礦中。
綜上所述，世界采礦業(yè)發(fā)生沖擊礦壓的歷史已近250年之久。近30年來，沖擊礦壓所造成的破壞后果口益嚴重，引起了各國的注意。目前世界采礦大會國際巖石力學(xué)局成立了沖擊礦壓研究小組。沖擊礦壓的研究已成為礦一山壓力學(xué)科中與現(xiàn)代科學(xué)聯(lián)系最密切的一個獨立的學(xué)科分支。
3、沖擊礦壓的現(xiàn)象及特征
3.1沖擊礦壓現(xiàn)象
沖擊礦壓是壓力超過煤巖體的強度極限.聚積在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，動力將煤巖拋向巷道，同時發(fā)出強烈聲響，造成煤巖體振動和煤巖體破壞、支架與設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等。沖擊礦壓還會引發(fā)或可能引發(fā)其他礦井災(zāi)害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)等。
通常情況下。沖擊礦壓將直接產(chǎn)生：
①、將煤巖動力拋向巷道;
②、引起巖體的強烈震動;
③、產(chǎn)生強烈聲響;
④、造成巖體的破斷和裂縫擴展。
因此，沖擊礦壓具有如下明顯的顯現(xiàn)特征:
①突發(fā)性。沖擊礦壓一般沒有明顯的宏觀前兆而突然發(fā)生，難于事先準確確定發(fā)生的時間、地點和強度。
②瞬時震動性。沖擊礦壓發(fā)生過程急劇而短暫，像爆炸一樣伴有巨大的盧響和強烈的震動。電機車等重型設(shè)備被移動，人員被彈起摔倒，震動波及范圍可達兒公里甚至幾十公里，地而有地震感覺，但一般震動持續(xù)時間不超過幾十秒。
③巨大破壞性。沖擊礦壓發(fā)生時，頂板可能有瞬間明顯下沉，但一般并不冒落;有時底板突然開裂鼓起甚至接頂；常常有大量煤塊甚至上百立方米的煤體突然破碎并從煤壁拋出，堵塞巷道，破壞支架；從后果來看沖擊礦壓常常造成慘重的人員傷亡和巨大的生產(chǎn)損失。
3.2沖擊礦壓分類
根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)、顯現(xiàn)強度、發(fā)生的地點和位置的不同，沖擊礦壓有如下幾種分類方法。
根據(jù)原巖（煤)體應(yīng)力狀態(tài)不同，沖擊礦壓可分為三類:
(1)重力型沖擊礦壓。主要受重力作用，沒有或只有極小構(gòu)造應(yīng)力影響的條件下引起的沖擊礦一壓，如棗莊、撫順、開灤等礦區(qū)發(fā)生的沖擊礦壓屬重力型。
(2)構(gòu)造應(yīng)力型沖擊礦壓。若構(gòu)造應(yīng)力遠遠超過巖層自重應(yīng)力時，主要受構(gòu)造應(yīng)力的作用引起的沖擊礦壓，如北票和天池礦區(qū)發(fā)生的沖擊礦壓屬于構(gòu)造應(yīng)力型。
(3)中間型或重力構(gòu)造型沖擊礦壓。它是受重力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用引起的沖擊礦壓。
根據(jù)沖擊的顯現(xiàn)強度，可分為四類:
(])彈射。一些單個碎塊從處于高壓應(yīng)力狀態(tài)下的煤或巖體上射落，并伴有強烈聲響，屬于微沖擊現(xiàn)象。
(2)礦震。它是煤、巖內(nèi)部的沖擊礦壓，即深部的煤或巖體發(fā)生破壞。但煤、巖并不向已采空間拋出，只有片幫或塌落現(xiàn)象，但煤或巖體產(chǎn)生明顯震動，伴有巨大聲響，有時產(chǎn)生煤塵。較弱的礦震稱為微震，也稱為“煤炮”。
(3)弱沖擊。煤或巖石向已采空間拋出，但破壞性不很大，對支架、機器和設(shè)備基本上沒有損壞，圍巖產(chǎn)生震動，一般震級在2.2級以下，伴有很大聲響，產(chǎn)生煤塵，在瓦斯煤層中可能有大量瓦斯涌出。
（4）強沖擊。部分煤或巖石急劇破碎，大量向已采空間拋出，出現(xiàn)支架折損、設(shè)備移動和圍巖震動、震級在2.3級以上，伴有巨大聲響，形成大量煤塵和產(chǎn)生沖擊波。
另一種分類是根據(jù)震級強度和考慮拋出的煤量，可將沖擊礦壓分為三級：
(1)輕微沖擊(Ⅰ級)n拋出煤量在10t以下，震級在1級以下的沖擊礦壓。
(2)中等沖擊〔Ⅱ級)。拋出煤量在10~50 t，震級在1 ~2級的沖擊礦壓
(3)強烈沖擊(Ⅲ級)。拋出煤量在50t以上，震級在2級以上的沖擊礦壓。
一般面波震級M=1時，礦區(qū)附近居民可能有震感；M=2時，對井上下有不同程度的破壞；M=2.5時，地面建筑物將出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。
根據(jù)發(fā)生的地點和位置沖擊礦壓可分為兩大類：
(1)煤體沖擊。發(fā)生在煤體內(nèi)，根據(jù)沖擊深度和強度又分為表面、淺部和深部沖擊。
(2)圍巖沖擊。發(fā)生在頂?shù)装鍘r層內(nèi)，根據(jù)位置有頂板沖擊和底板沖擊。
根據(jù)國內(nèi)外的分類方法，我們認為沖擊礦壓可以分為由采礦活動引起的采礦型沖擊礦壓和由構(gòu)造活動引起的構(gòu)造型沖擊礦壓。而采礦型沖擊礦壓可分為壓力型、沖擊型和沖擊壓力型。壓力型沖擊礦壓是由于巷道周圍煤體中的壓力由亞穩(wěn)態(tài)增加至極限值，其聚集的能量突然釋放。沖擊型沖擊礦壓是由于煤層頂?shù)装搴駧r層突然破斷或位移引發(fā)的，它與震動脈沖地點有關(guān)。在某種程度上、構(gòu)造型沖擊礦壓也可看作為沖擊型。沖擊壓力型沖擊礦壓則介于上述兩者之間，即當煤層受較大壓力時，來自周圍巖體內(nèi)不大的沖擊脈沖作用下發(fā)生的沖擊礦壓。
國際經(jīng)貿(mào)委員會歐洲能源協(xié)會煤炭勞動分會基于沖擊礦壓的能量理論、煤與瓦斯突出的能量理論等，對煤礦發(fā)生的煤巖動力現(xiàn)象進行了分類：
(1)據(jù)能量源對動力現(xiàn)象分類
主要將煤巖動力現(xiàn)象分為四類，即沖擊礦壓、瓦斯突出，煤和瓦斯突出以及與構(gòu)造有關(guān)的動力現(xiàn)象。
沖擊礦壓是由于聚積在煤巖體中的能量引發(fā)的動力現(xiàn)象。沖擊礦壓一般發(fā)生在處于極限應(yīng)力狀態(tài)的煤巖體中，其狀態(tài)的變化速度超過應(yīng)力松弛速度。
瓦斯噴出就是在鉆孔或巷道揭露構(gòu)造斷層區(qū)域時，從裂縫或孔洞中突然噴出瓦斯而發(fā)生的動力現(xiàn)象。
煤與瓦斯突出是煤巖體和瓦斯的彈性能突然釋放而引發(fā)的動力現(xiàn)象，意思是在壓力作用卜;破壞的煤層體隨瓦斯一起噴出。
與巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)的動力現(xiàn)象包括除了上述動力現(xiàn)象外的一切由巖體震動的地震波引發(fā)的動力現(xiàn)象。具體地說，就是在危險區(qū)域，由于附加能星使巖體失去穩(wěn)定而引發(fā)的沖擊礦壓和煤與瓦斯突出。地震波攜帶的能量比巖體本身破壞釋放的能量多。因此，結(jié)構(gòu)構(gòu)造的震動可能引發(fā)大的災(zāi)害。l儷且這種災(zāi)害是非常強烈的，通常發(fā)生在本礦或相鄰礦井處于多條平行巷道的時候，巷道或煤柱破壞的特征與通常的沖擊礦壓類似，但強度大。
含瓦斯煤層的動力現(xiàn)象通常具有卜述幾種類型的棍合，區(qū)分哪種類型的動力現(xiàn)象，主要是看動力災(zāi)害后，是煤炭拋出。還是煤和瓦斯一起噴出。
(2)據(jù)強度對動力現(xiàn)象細分
表-1介紹了根據(jù)巷道中記錄的參數(shù)，確定的動力現(xiàn)象強度分類
表-1 動力現(xiàn)象強度分類
危險分類
沖擊礦壓
突出
破壞的煤炭質(zhì)量P/t
破壞的煤炭質(zhì)量P/t
瓦斯的體積V/m3
弱
P≤5
P≤10
V≤100
中等
5＜P≤100
10＜P≤200
100＜V≤1000
強
100＜P≤1000
200＜P≤2000
1000＜V≤10000
災(zāi)害
P＞1000
P＞2000
V＞10000
4、沖擊礦壓機理研究概述
長期以來，沖擊礦壓作為巖石力學(xué)的重大難題之一，一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重要研究課題口沖擊礦壓發(fā)生機理十分復(fù)雜，是一個正在深入研究的問題，更是關(guān)注的焦點。各國學(xué)者在對沖擊礦壓現(xiàn)場調(diào)查及實驗室研究的基礎(chǔ)上，從不同角度相繼提出了一系列的重要理論，如強度理論、剛度理淪、能量理論、.沖擊傾向理論、三準則理論和變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論等。20世紀60年代以后，在對沖擊礦壓的研究中。人們逐漸認識到?jīng)_擊礦壓是裂紋擴展及變形局部化導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象。與具有裂隙的各向異性巖石介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和圍巖在外加載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變場的演化與失穩(wěn)密切相關(guān)。
4.1 強度理論
早期的強度理論主要涉及煤(巖)體的破壞原因。認為井巷和采場周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。當應(yīng)力達到煤(巖)強度的極限時，煤〔巖)體突然發(fā)生破壞，形成沖擊礦壓。并對煤(巖)體形成應(yīng)力集中的原因提出各種假說.如20世紀30年代未的拱頂理論和懸臂梁理論等等。近代強度理論以“礦體圍巖”系統(tǒng)為研究對象，其主要特點是考慮“礦體一圍巖，，系統(tǒng)的極限平衡。認為煤(巖)體的承載能力應(yīng)是“煤體一圍巖”系統(tǒng)的強度。導(dǎo)致煤(巖)體破壞的決定因素不僅僅是應(yīng)力值人小，而是它與巖體強度的比值。
70年代強度理淪得到進一步的發(fā)展，Brauner提出煤(巖)體夾持理論，并導(dǎo)出煤體極限壓應(yīng)力的計算公式。李玉生等的研究將此理論做了進一步的完善。
4.2 剛度理論
剛度理論是由Cook等人根據(jù)剛性壓力機理論而得到的。該理論認為:礦山結(jié)構(gòu)的剛度人十礦山負載系統(tǒng)的剛度是發(fā)生沖擊礦壓的必要條件。近年來petukhov在他所提出的沖擊礦壓機理模型中也引入了剛度條件。但他進一步將礦山結(jié)構(gòu)的剛度明確為達到峰值強度后其載荷一變形曲線下降的剛度。在剛度理論中。如何確定礦山結(jié)構(gòu)剛度是否達到峰值強度后的剛度是一難題，它不能由試驗測定。數(shù)值方法可能是有效途徑之一，但目前的結(jié)果仍存在一定的偏差，需要開展進一步的研究工作。
4.3 能量理論
能量理論從能量轉(zhuǎn)化角度解釋沖擊礦壓的成因，是沖擊礦壓機理研究的一大進步。該理論認為礦體圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)遭破壞所釋放的能量大于所消耗的能量時發(fā)生沖擊礦壓。20世紀70年代Brauner提出沖擊礦壓的能量判據(jù)，該判據(jù)考慮了能量釋放與時間因素的相關(guān)性，其后，吳耀混等對此加以補充修正，引入空間坐標系統(tǒng)以說明沖擊礦壓發(fā)生的條件應(yīng)同時滿足能量釋放的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)。
沖擊發(fā)生的能量源分析至關(guān)重要。Petukhov認為沖擊能量由被破壞的煤(巖)積蓄的能量和鄰接于煤柱或煤〔巖)層邊緣部分的彈性變形能所組成、即從外部流人的能量賦予沖擊礦壓以動力。
剩余能量理論認為剩余能量的存在是圍巖動力失穩(wěn)的力學(xué)原因.該理論20世紀70年代由美國人提出，其后得到了進一步的發(fā)展和應(yīng)用。
能量理論說明礦體一圍巖系統(tǒng)在力學(xué)平衡狀態(tài)時，釋放的能量大于消耗的能量，
沖擊礦壓就可能發(fā)生，但沒有說明平衡狀態(tài)的性質(zhì)及其破壞條件，特別是圍巖釋放能量的條件，因此，沖擊礦壓的能量理論判據(jù)尚缺乏必要條件:
4.4沖擊傾向性理論
沖擊傾向性是指煤(巖)介質(zhì)產(chǎn)生沖擊破壞的固有能力或?qū)傩?，?巖)體沖擊傾向性是產(chǎn)生沖擊礦壓的必要條件。沖擊傾向理論是波蘭和前蘇聯(lián)學(xué)者提出的，我國學(xué)者在這方面作了大量的工作，提出用煤樣動態(tài)破壞時間、彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)三項指標綜合判別煤的沖擊傾向的試驗方法。此外，在試驗方法、數(shù)據(jù)處理及綜合評判等研究中取得了一定的進展。
沖擊傾向理論的另一重要方面是頂板沖擊傾向性的研究，而且也越來越引起人們的重視。這方面的研究包括頂板彎曲能指標和長壁開采方式下頂板斷裂引起的煤層沖擊等。
顯然，用一組沖擊傾向指標來評價煤(巖)體本身的沖擊危險具有實際意義，并已得到了廣泛的應(yīng)用。然而，沖擊礦壓的發(fā)生與采掘和地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，面且實際的煤(巖)物理力學(xué)性質(zhì)隨地質(zhì)開采條件不同而有很大差異，實驗室測定的結(jié)果往往不能完全代表各種環(huán)境下的煤(巖)性質(zhì)，這也給沖擊傾向理論的應(yīng)用帶來了局限性。
4.5穩(wěn)定性理論
穩(wěn)定性理論應(yīng)用于沖擊礦壓間題最早可追溯到20世紀60年代中期NevilleCook的研究。剛性試驗機的出現(xiàn)使人們可以獲得受壓巖石的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線。得到巖石峰后變形的描述，從而可以研究采動巖體的平衡以及這種平衡的穩(wěn)定性，Lippmann將沖擊礦壓處理為彈塑性極限靜力平衡的失穩(wěn)現(xiàn)象，進一步又提出煤層沖擊的“初等理論”二同一時期，章夢濤根據(jù)煤(巖)變形破壞的機理，認為煤(巖)介質(zhì)受采動影響而在采場周鬧形成應(yīng)力集中.煤(巖)體內(nèi)高應(yīng)力區(qū)局部形成應(yīng)變軟化介質(zhì)與尚未形成應(yīng)變軟化〔包括彈性和應(yīng)變硬化)的介質(zhì)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，在外界擾動下的動力失穩(wěn)，形成沖擊礦壓.提出沖擊礦壓的失穩(wěn)理論，并得到了初步的應(yīng)用。
在目前的研究中、以斷裂力學(xué)和穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)的圍巖近表面裂紋的擴展規(guī)律、能量耗散和局部圍巖穩(wěn)定性研究備受關(guān)注.大量研究表明裂紋的擴展為一向受最大壓應(yīng)力方向控制，圍壓對裂紋的擴展起限制作用。Vardoulakis研究指出近自由表面的裂紋一旦開始擴展，將失去穩(wěn)定，導(dǎo)致表面局部屈曲，臨界屈曲應(yīng)力隨自由表面與裂紋間距離的減小而急劇減小。Dyskin對壁面附近裂紋擴展方式及裂紋貫穿后的壁面穩(wěn)定進行了分析，認為壓應(yīng)力集中
造成初始裂紋以穩(wěn)定的方式平行于最大壓應(yīng)力方向擴展，這種擴展與自由表面相互作用加速了裂紋白年增長并最終導(dǎo)致失穩(wěn)擴展，裂紋面出現(xiàn)分離，分離層屈曲破壞形成沖擊礦壓。并建立廠一個二維裂紋擴展模型以計算非穩(wěn)定裂紋起裂點的應(yīng)力大小。Bazant等分析了近壁裂紋擴展引起的能量耗散及尺度效應(yīng)，使對沖擊礦壓的能量估算成為可能。張曉春等在這方面結(jié)合實際情況對近表面裂紋擴展、壁面局部穩(wěn)定性作了初步的研究。探討了煤礦巷道附近
圍巖層裂區(qū)的形成和破壞機理，通過理論分析和試驗?zāi)M，建立了煤礦片幫型沖擊礦壓發(fā)生的層裂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模型，認為巷道或采場壁面的局部穩(wěn)定是由高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)形成的層裂板結(jié)構(gòu)區(qū)的穩(wěn)定控制的，沖擊礦壓是煤壁形成的層裂板結(jié)構(gòu)區(qū)的局部壓屈。齊慶新等在煤與巖石以及煤層之間摩擦滑動實驗研究基礎(chǔ)上，考察了煤礦沖擊礦服煤巖層間結(jié)構(gòu)粘滑失穩(wěn)機制。
近年來，突變理論在沖擊5.壓研究中也取得了一系列的進展。這包括:針對煤柱的非穩(wěn)定問題，利用尖角突變模型，得到了判斷煤(巖)柱沖擊礦壓發(fā)生的必要條件和充分條件;分析水平力和垂直力控制的空間煤(巖)體系統(tǒng)失穩(wěn)的分叉集以及由于它們變化而導(dǎo)致煤巖體狀態(tài)突變的過程。這些研究在煤巖體的本構(gòu)關(guān)系方面采用線性(彈性)和非線性(h}}變軟化、損傷)模型。
5、沖擊礦壓防治
沖擊礦壓現(xiàn)象是由于巷道或工作面周圍煤體中的壓力超過極限值，使聚集的彈性能突然釋放而造成的。因此，預(yù)報沖擊礦壓何時發(fā)生是非常困難的。但是，采用一些沖擊礦壓危險性評價和預(yù)測預(yù)報的方法，可以確定沖擊礦壓發(fā)生的范圍和地點，也可以確定沖擊礦壓的危險等級。當并巷中的沖擊地點沖擊危險性等級很高時，采取相應(yīng)的解危和防治措施，消除和減弱沖擊礦壓現(xiàn)象的發(fā)生。
因此，合理地預(yù)報和防治沖擊礦壓的措施和步驟應(yīng)包括如下階段:
①沖擊礦壓危險性評定和預(yù)測預(yù)報;
②選擇防治和限制沖擊礦壓危險性的措施和方法;
③沖擊礦壓防治措施的實施;
④檢查和評定沖擊礦壓防治措施的有效性，檢測沖擊礦壓危險狀態(tài)降低與否，如沒有降低，則繼續(xù)采取其他防治和解危措施。
沖擊礦壓的防治方法由沖擊礦壓的危險性評價方法和沖擊礦壓的治理方法組成，而沖擊礦壓的治理效果控制方法則與危險性評價方法是一樣的。
沖擊礦壓的危險性評價方法包括:
①分析法。分析所給定的采礦地質(zhì)條件，確定應(yīng)力集中區(qū)域，預(yù)測巖體震動活動性等。
②采礦法。是基于對巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性的認識及采礦歷史的認識。小直徑鉆孔法也屬于這一類。采面頂板動力現(xiàn)象的觀察及聲響可提供一系列沖擊礦壓危險信息。
③地球物理方法。這是沖擊礦壓危險性評價最有代表性的方法。這些方法大部分可進行連續(xù)觀測及自動記錄，并給出結(jié)果。
④測量法。主要是測量巖體的變形和巷道的壓縮情況。這些量的速度增長及隨時間的變化可很好地反映沖擊礦壓危險的實際情況。
沖擊礦壓的治理方法可分為長期的和臨時的。長期的方法是從考慮煤層有沖擊礦壓危險開始，在設(shè)計煤層開采時就考慮這個問題。最大限度地使用開采卸壓層卸壓，選擇防治沖擊礦壓的支架及支護方式，并且從組織管理、開采措施方面來限制沖擊礦壓的發(fā)生。
主動解危措施有松散煤巖體的放炮方法，注水方法及卸壓方法來破壞巷道周圍煤巖體結(jié)構(gòu)。形成緩沖帶。另外培訓(xùn)有關(guān)人員，加強和控制采礦工藝過程，并通過組織實施來限制沖擊礦壓造成的后果口在特殊的不能限制沖擊礦壓發(fā)生的情況下，引發(fā)沖擊礦壓的發(fā)生，避免人員傷亡。
5.1 沖擊礦壓煤層的設(shè)計
對于有沖擊礦壓危險的煤層，在設(shè)計時我們對以下各個方面進行綜合考慮，以減輕礦井的沖擊危險。
(1) 開采深度 開采深度愈大，煤巖體應(yīng)力愈高，高應(yīng)力所導(dǎo)致的礦壓顯現(xiàn)和沖擊礦壓等現(xiàn)象就愈嚴重。
(2) 煤層地質(zhì)構(gòu)造 地層的動力運動形成各種各樣的地質(zhì)構(gòu)造。在煤礦中常有斷層、褶曲和局部異常(如底鼓、頂板下陷、煤厚變化、煤層分叉、空洞、傾角局部變化等現(xiàn)象)等構(gòu)造帶。實踐證明，沖擊礦壓經(jīng)常發(fā)生在向斜軸部，特別是構(gòu)造變化區(qū)，斷層附近，煤層傾角變化帶，煤層褶曲，這些構(gòu)造應(yīng)力集中的區(qū)域積聚了大量的彈性變形能，發(fā)生沖擊礦壓的危險性最大。
(3) 煤層和頂?shù)装宓牧W(xué)特性 沖擊礦壓的發(fā)生與煤層的沖擊傾向性有關(guān)，煤越軟，強度越低，引發(fā)沖擊礦壓所要求的應(yīng)力越大。反過來說，煤越硬，強度越高，較小的應(yīng)力就能引發(fā)沖擊礦壓。因此，煤質(zhì)中硬、致密、裂隙、層節(jié)理較不發(fā)育的煤易發(fā)生較大強度的沖擊礦壓。從這方面講，軟化煤體，將煤體變成塑性或離散體，可以防治沖擊礦壓的發(fā)生。煤層厚度及其變化對發(fā)生沖擊礦壓也有影響，煤層越厚，越易形成較大的局部應(yīng)力集中，一旦發(fā)生沖擊礦壓，強度更劇烈。研究表明，硬而厚的頂板巖層容易聚集大量的彈性能且不易冒落，所以發(fā)生沖擊礦壓的可能性很大。根據(jù)研究，影響沖擊礦壓發(fā)生的巖層為煤層上100m范圍內(nèi)的巖層，其中巖體強度大、厚度大的砂巖層起主要作用。
(4) 開采設(shè)計 各種采煤方法因巷道布置和頂板管理方法不同，所產(chǎn)生的礦山壓力和分布規(guī)律也不同。一般短壁體系(房柱式、刀柱式、短壁水采等)采煤方法由于采掘巷道多，巷道交岔多，遺留煤柱多，形成多處支承壓力疊加，容易發(fā)生沖擊礦壓。因此，具有沖擊危險的礦井最好采用直線長臂式開采。
(5) 開采順序 正確地設(shè)計選擇合理的開采順序也是至關(guān)重要。采面的布置方式和開采順序?qū)娏矣绊懨后w內(nèi)的應(yīng)力分布。巷道或采煤工作面的相向推進，在工作面向采空區(qū)推進，鄰近工作面錯距不夠以及鄰近開采邊界影響的區(qū)域等不合理的布置，都會使應(yīng)力疊加而發(fā)生沖擊礦壓。因此，應(yīng)當避免同一區(qū)段上兩翼工作面同時接近上下山。
(6) 孤島采煤或回收煤柱 在四周為采空區(qū)的地點采煤或回收煤柱，由于煤柱是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地點，孤島形和半孤島形煤柱可能受幾個方向集中應(yīng)力的疊加作用，易發(fā)生沖擊礦壓。煤柱上的集中應(yīng)力，不僅對本煤層開采有影響，還向下傳遞，對下部煤層形成沖擊條件。據(jù)以往經(jīng)驗，特別是回收煤柱的工作面接近采空區(qū)時，煤柱剩余高度約為其高度的10倍時最危險。
(7) 工作面推進速度 大量的研究表明，回采工作面的推進速度與低能量的礦山震動之間存在著明顯的關(guān)系，即工作面的推進速度越快，產(chǎn)生的礦山震動就越多。而對于沖擊礦壓，波蘭的研究結(jié)果是：頂板沖擊礦壓危險性與工作面開采過程中。發(fā)生的最大震動事件成正比。統(tǒng)計表明，當回采工作面推進速度小下1m/ d或回采工作面推進速度為3m/d左右時，沖擊礦壓發(fā)生的次數(shù)最少;面當回采工作而推進速度為1.3rn /d< v<2.5m/d時，對于防治沖擊礦壓是最不利的。但是，由于開采技術(shù)條件的不同，地質(zhì)構(gòu)造條件的不同.防治沖擊礦壓發(fā)生的最有利的推進速度也不同，需要根據(jù)具體條件而定。
實踐表明，多數(shù)礦井的沖擊礦壓是由于不合理的開采技術(shù)條件所造成的。在巖體中存在構(gòu)造應(yīng)力情況下，主要開拓或準備巷道的方向最好與構(gòu)造應(yīng)力作用方向一致，以使巷道周邊應(yīng)力分布趨于均勻，避免巷道與構(gòu)造應(yīng)力作用方向垂直分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中。對于開采煤層群時的開拓布置應(yīng)有利于保護層開采，要首先開采能夠卸壓的煤層，而且沒有煤的沖擊傾向性或弱沖擊傾向性，并以此作為保護層，且優(yōu)先開采上保護層，在開采方向和回采順序上，采區(qū)或盤區(qū)的工作面應(yīng)朝一個方向推進，避免相向或背向開采，以杜絕應(yīng)力疊加。在向斜和背斜構(gòu)造區(qū)，應(yīng)從軸部開始開采；在構(gòu)造盆地應(yīng)從盆底開始開采，開采順序由上而下；在有斷層或采空區(qū)的條件下，應(yīng)從斷層或采空區(qū)開始開采；在掘進巷道時，應(yīng)將巷道布置在煤層邊緣的低應(yīng)力區(qū)，避免巷道近距離平行布置或交叉布置。采區(qū)或盤區(qū)的采面應(yīng)朝一個方向推進，避免相向開采，以免應(yīng)力疊加。頂板管理應(yīng)采用全部跨落法，工作面支架要采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。
在設(shè)計時，我們應(yīng)考慮優(yōu)先對保護層進行開采，依降低被保護煤層的沖擊危險對于保護層與被保護層的開采安排應(yīng)遵循以下原則①開采煤層時將無沖擊礦壓的煤層作為保護層；②在傾斜賦存條件下，上保護層：開采后，同區(qū)段的危險煤體都得到保護，其工作面可以滯后推進；下保護層開采后超前一個區(qū)段，以使本區(qū)段的危險煤體全部得到保護，本區(qū)段危險層工作面滯后于下區(qū)段保護層工作面推進；③危險工作面子保護層工作面應(yīng)同向推進，危險層工作面應(yīng)保持滯后距離30—60m。滯后距離過小，上下工作面相互影響，支承壓力疊加；滯后距離過大則容易進人應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的還原帶，降低保護效果；④當相鄰層都是沖擊危險煤層時，應(yīng)當首先開采危險性最小或厚度最小的煤層。
5.2 沖擊礦壓的預(yù)測
5.2.1時空預(yù)測
在時間上,沖擊礦壓的預(yù)測分早期綜合分析預(yù)測和即時預(yù)測. 早期綜合分析預(yù)測主要采用綜合指數(shù)的方法,而即時預(yù)測則采用電磁輻射、微震和鉆屑等方法進行。在空間上,沖擊礦壓的預(yù)測分區(qū)域預(yù)測、局部預(yù)測和點預(yù)測. 區(qū)域預(yù)測主要采用綜合指數(shù)法和微震監(jiān)測方法,而局部預(yù)測采用綜合指數(shù)方法、微震法和電磁輻射法,點預(yù)測則采用鉆屑方法.也就是采用綜合指數(shù)法、微震法、電磁輻射法和鉆屑法相結(jié)合,在時間上從早期預(yù)測到即時預(yù)測,在空間上從區(qū)域預(yù)測到局部、點預(yù)測,逐級排除和確認沖擊礦壓危險,實現(xiàn)分級預(yù)測,見圖5-1.
圖5-1 沖擊礦壓危險的時空預(yù)測
1) 早期與區(qū)域局部預(yù)測的綜合指數(shù)法
綜合指數(shù)法就是通過對影響沖擊礦壓發(fā)生的地質(zhì)及開采因素的分析,以及100 多次已發(fā)生沖擊礦壓事故的分析,確定出采掘工作面周圍地質(zhì)條件和開采條件的每個因素對沖擊礦壓的影響程度,以及各個因素對沖擊礦壓危險影響的指數(shù)。 通過綜合分析,形成了沖擊礦壓危險狀態(tài)等級評定的綜合指數(shù)法。 綜合指數(shù)法既是一種早期綜合評價的方法,又是一種區(qū)域和局部預(yù)測的方法。這種綜合指數(shù)法分地質(zhì)因素確定的沖擊礦壓危險程度和開采因素確定的沖擊礦壓危險程度. 地質(zhì)因素確定沖擊危險主要考慮了沖擊礦壓發(fā)生的情況、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造、堅硬頂板、頂板厚度特征參數(shù)、煤的沖擊傾向性、煤的強度等7 個因素。 開采因素確定沖擊危險主要考慮了開采技術(shù)條件、開采歷史、煤柱、停采線、采空區(qū)、工作面接近煤層的變化帶、工作面接近斷層皺曲等12 個開采因素對沖擊礦壓發(fā)生的影響。
對于一個礦井的采區(qū)和工作面,首先分析礦井的地質(zhì)與開采因素對沖擊礦壓的影響,然后采用綜合指數(shù)法,分析確定礦井的水平、采區(qū)、工作面各部分的沖擊礦壓危險指數(shù),劃分出沖擊礦壓的危險區(qū)域和重點防治區(qū)域。
2) 即時與區(qū)域預(yù)測的微震法
微震法就是記錄采礦震動的能量,確定和分析震動的方向,對震中進行定位。 在此基礎(chǔ)上,提出了沖擊礦壓危險性的微震分級預(yù)測技術(shù)。微震預(yù)測沖擊礦壓危險時,主要采用礦震時釋放能量的大小來確定沖擊礦壓發(fā)生的危險程度. 當?shù)V井的某個區(qū)域監(jiān)測到礦震釋放的能量大于發(fā)生沖擊礦壓的所需的最小能量時,則該區(qū)域的當前時間內(nèi)有發(fā)生沖擊礦壓的危險性. 如果在礦井的某個區(qū)域內(nèi),在一定的時間內(nèi),已進行了微震監(jiān)測,根據(jù)觀測到的微震能量水平,就可以捕捉到?jīng)_擊礦壓危險信息,并進行預(yù)測。
3) 即時與局部預(yù)測的電磁輻射法
根據(jù)大量的實驗室試驗研究、現(xiàn)場實測分析研究、理論分析表明,煤巖沖擊變形破壞的損傷速度、能量與電磁輻射的幅值、脈沖數(shù)成正比。在工作面采掘過程中,圍巖發(fā)生破裂時,均有電磁輻射信號產(chǎn)生。電磁輻射信號的強度隨著圍巖受載程度的增大而增強,隨變形速率的增加而增強。 與此同時,煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著載荷的增大及變形破裂過程的增強而增大. 載荷越大,加載速率越大,煤體的變形破裂越強烈,電磁輻射信號也越強。
根據(jù)上述理論及電磁輻射觀測規(guī)律,可采用電磁輻射的幅值和脈沖數(shù)變化率確定沖擊礦壓的危險前兆信息和進行預(yù)測預(yù)報。
4) 即時與點預(yù)測的鉆屑法
鉆屑法是通過在煤層中打直徑42～50 mm 的鉆孔,根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關(guān)動力效應(yīng),鑒別沖擊危險的一種方法。該方法的基本理論和最初試驗始于20 世紀60 年代,其理論基礎(chǔ)是鉆出煤粉量與煤體應(yīng)力狀態(tài)具有定量的關(guān)系,即其他條件相同的煤體,當應(yīng)力狀態(tài)不同時,其鉆孔的煤粉量也不同。 當單位長度的排粉率增大或超過標定值時,表示應(yīng)力集中程度增加和沖擊危險性提高。
對于一定條件的煤體,在正常應(yīng)力作用下,不同鉆孔深度的煤體的應(yīng)力狀態(tài)是不同的,此時鉆孔的煤粉量也不相同。 當煤層的應(yīng)力集中程度增加或應(yīng)力狀態(tài)異常時,鉆孔的煤粉量將發(fā)生改變。 根據(jù)煤粉量的變化,即可預(yù)測煤體的受力狀態(tài),并進一步預(yù)測沖擊危險性。
5.2.2分級預(yù)測
上述時空預(yù)測的綜合指數(shù)法、微震法、電磁輻射法和鉆屑法分別確定了沖擊礦壓的危險性程度。綜合指數(shù)法分析的是早期的、區(qū)域和局部的沖擊礦壓危險性程度;微震法確定的是頂板等震動引發(fā)沖擊等的即時與區(qū)域性的沖擊礦壓危險性程度,電磁輻射法確定的是監(jiān)測點20 m 范圍內(nèi)即時與局部的沖擊礦壓危險性程度,而鉆屑法確定的則是打鉆孔點的即時沖擊礦壓危險性。沖擊礦壓危險性預(yù)測的方法不同,確定的沖擊礦壓危險性的時間和區(qū)域不同。 由于沖擊礦壓的發(fā)生有煤層型和頂板型,為了提高沖擊礦壓預(yù)測的可靠性和準確性,需要綜合考慮沖擊礦壓危險性的預(yù)測技術(shù)。
根據(jù)理論分析、實驗室試驗和大量的現(xiàn)場試驗,按照沖擊礦壓的危險性程度,我們將沖擊礦壓的危險程度定量化分為4 級進行預(yù)測,分別為無沖擊危險、弱沖擊危險、中等沖擊危險和強沖擊危險.根據(jù)沖擊礦壓危險性的不同,采取相應(yīng)的防治對策,如表5.1 所示：
表5.1 沖擊礦壓危險狀態(tài)的分級
危險等級
危險狀態(tài)
危險指數(shù)
防治對策
A
無
< 0.25
所有的采掘工作可正常進行
B
弱
0.25～0.5
采掘工作過程中,加強沖擊礦壓危險的監(jiān)測預(yù)報
C
中等
0.5～0.75
進行采掘工作的同時,采取強度弱化減沖治理措施,消除沖擊危險
D
強
> 0.75
停止采掘作業(yè),人員撤離危險地點. 采取強度弱化減沖治理措施. 采取措施后,通過
監(jiān)測檢驗,沖擊危險消除后,方可進行下一步作業(yè)
5.2.3危險分級預(yù)測實施方案
對于一個有沖擊礦壓危險的礦井和采區(qū),首先根據(jù)綜合指數(shù)法分析地質(zhì)和開采條件,劃分出沖擊礦壓危險區(qū)域及重點監(jiān)測區(qū)域,實現(xiàn)沖擊礦壓的早期預(yù)測。 在早期預(yù)測的基礎(chǔ)上,采用微震法,對礦井沖擊礦壓的危險性進行區(qū)域監(jiān)測和預(yù)測;對于有危險的區(qū)域,采用微震法和電磁輻射法,進行局部監(jiān)測和預(yù)測;對于局部預(yù)測有危險的區(qū)域,采用鉆屑法進行預(yù)測驗證. 綜合確定沖擊礦壓危險等級,并對危險區(qū)域和地點采用強度弱化減沖技術(shù)進行治理。
具有沖擊礦壓危險的區(qū)域,分級預(yù)測及治理的工作流程為：
→早期綜合預(yù)測(綜合指數(shù)法確定重點監(jiān)測區(qū)域)
→即時預(yù)測
→區(qū)域預(yù)測(微震法連續(xù)監(jiān)測、即時預(yù)測工作面區(qū)域沖擊危險性)
→局部預(yù)測(微震法、電磁輻射法連續(xù)監(jiān)測、即時預(yù)測工作面局部沖擊危險性)
→點預(yù)測(鉆屑法驗證區(qū)域局部監(jiān)測的準確性,并進行點預(yù)測)
→逐級排除、確認危險等級
→解危處理(煤巖體的強度弱化減沖治理,消除沖擊危險)
→治理效果檢驗(微震、電磁、鉆屑檢驗解危效果)
因此,對于沖擊礦壓危險的礦井,在分析沖擊礦壓發(fā)生機理的的基礎(chǔ)上,采用時間上早期綜合分析預(yù)測與即時預(yù)測相結(jié)合,空間上區(qū)域預(yù)測與局部監(jiān)測、點預(yù)測相結(jié)合,構(gòu)成可靠性高、簡單易行、行之有效的沖擊礦壓危險性預(yù)測技術(shù)體系,見圖5-2。
圖5-2 沖擊礦壓的分級預(yù)測技術(shù)體系
5.3沖擊礦壓治理措施
5.3.1煤層注水
煤層注水是通過高壓向煤體注水，以改變煤體的物理性質(zhì)及在煤巖體周圍產(chǎn)生裂縫，起到降低煤體抗壓強度和破壞原有結(jié)構(gòu)以釋放積聚的能量降低所受應(yīng)力的目的。大量的研究表明，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。
煤層注水依注水方式的不同可以分為三種：
①與采面煤壁垂直的短鉆孔注水法;
②與采面煤壁平行的長鉆孔注水法;
③聯(lián)合注水法。
1） 短鉆孔注水法
短鉆孑L注水法主要看注水鉆孔的數(shù)量。鉆孔通常垂直于煤壁，而且在煤層中線附近。注水時，依次在每一個鉆孔放人注水槍。水壓力通常為20-25MPa。比較有效的注水孔間距為6-10m，注水鉆孔的深度不小于10m，注水孔的大小應(yīng)與注水槍的大小相適應(yīng)，而且放人注水槍后能自行注水，封孔封在破裂帶以外。
該方法的優(yōu)點是容易鉆孔注水;可以在煤層的任意部分進行;可在難打長鉆孔的薄煤層進行注水;可在其他不方便的條件下用短鉆孔注水。
短鉆孔注水法的缺點是:
①注水工作需在機道進行，影響采煤;
②注水工作需在沖擊最危險的區(qū)域進行;
③注水范圍小。
2） 長鉆孔注水法
這種方法是通過平行工作面的鉆孔，對原煤體進行高壓注水，鉆孔長度應(yīng)覆蓋整個工作面范圍。注水鉆孔后面的長度應(yīng)小于兩倍的注水半徑，通常為10-20m，注水鉆孔之間的距離應(yīng)為10-20m。上述均取決于注水時的滲透半徑。
采面區(qū)域內(nèi)的注水應(yīng)從兩巷相對的兩個鉆孔進行注水，注水從靠工作面最近的鉆孔開始，一直持續(xù)到整個工作面范圍。注水槍應(yīng)布置在破碎帶以外，深度視具體情況而定。一般情況下，注水區(qū)應(yīng)在工作面前方60m外講行。
長鉆孔注水法的最大優(yōu)點是工作而前方區(qū)域內(nèi)的注水是均勻的，注水工作在兩巷進行，不影響采煤作業(yè)。注水的超前時間不宜過早，因為隨時間的推移，注水效果就會降低。實踐證明，注水的有效時間為三個月。這種方法可最大限度地使用機械，而且注水工作可在沖擊危險區(qū)域外進行。其缺點是某些情況下很難進行鉆孔作業(yè)，特別是薄煤層更加困難。
3） 聯(lián)合注水法
這種方法是上述兩種方法的綜合，采面部分區(qū)域采用長鉆孔注水，部分區(qū)域采用短鉆孔注水，注水壓力不小于10MPa，當水壓力降至5MPa時，認為該鉆孔水已注好。在有些情況下煤壁會滴水。在長鉆孔或聯(lián)合注水法注水的情況下，為了預(yù)防早期注過水的煤層干燥，用高壓設(shè)備注水結(jié)束后，可將注水鉆孔和消防龍頭相連。注水效果可由下面的方法控制:
①定期測量從注水煤體中取得煤樣的濕度;
②觀察滴水與含水情況;
③采用地球物理方法測量。
高壓注水時，可能產(chǎn)生注水槍拋出現(xiàn)象;另外，頂?shù)装遘浫?、破碎時注水可能很困難。
5.3.2爆破卸壓
爆破卸壓是通過在煤巖體中實施鉆孔及爆破來改變應(yīng)力分布從而起到卸壓的目的一種卸壓措施。在回采工作面及上下兩巷，振動爆破能最大限度地釋放積聚在煤體中的彈性能，在工作面附近及巷道兩幫形成卸壓破壞區(qū)，使壓力升高區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。振動爆破的合理布置及合理的裝藥量，不僅形成巖體震動，在一定程度上形成煤體的松動帶，而且落煤方便。卸壓爆破是沖擊礦壓解危措施中最常用的一種方法。
在現(xiàn)場根據(jù)爆破條件不同，爆破卸壓可分為卸壓爆破、落煤爆破、卸壓落煤爆破和頂板爆破四種。
卸壓爆破除引發(fā)沖擊礦壓外，可將高的應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移到煤體深部，形成松動帶。而煤體的松動帶不可能是應(yīng)力集中區(qū)。
落煤爆破的目的是在人員撤離的情況下，引發(fā)沖擊礦壓，減緩或移去深部煤休或采煤機截深范圍內(nèi)的支承壓力區(qū)。這種爆破要求炮眼全長爆破，使得下一個截深范圍內(nèi)應(yīng)力釋放。這種情況下，采煤機幾乎僅起裝煤作用。
卸壓落煤爆組合了卸壓爆破和落煤爆破兩種的優(yōu)點。卸壓落煤爆破既用于采面前方，也可用于巷道掘進，其參數(shù)根據(jù)具體條件而定，但卸壓長鉆孔爆破后，應(yīng)避免在同一眼位布置落煤爆破孔。
頂板爆破就是將頂板破斷，降低其強度，釋放因壓力而聚集的能量，減少對煤層和支架的沖擊振動。而這種振動將處于極限應(yīng)力狀態(tài)的煤巖體使其應(yīng)力超限，引發(fā)沖擊礦壓。
5.3.3鉆孔卸壓
鉆孔卸壓是利用鉆孔的方法消除或減緩圍巖變形和巷道沖擊地壓危險。在高應(yīng)力煤體內(nèi)施工鉆孔,鉆孔周圍煤體在高應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂隙并發(fā)生破壞,在鉆孔周圍形成了一個比鉆孔直徑大得多的破裂區(qū),單個鉆孔周圍的破裂區(qū)之間相互連通后,在煤體內(nèi)部形成一條更大范圍的破裂卸壓區(qū),使得應(yīng)力峰值減小并向煤體深部轉(zhuǎn)移,起到卸壓作用。研究表明：鉆孔間距是影響鉆孔卸壓效果的一個重要參數(shù)。并且鉆孔間距越小鉆孔卸壓效果越好。隨著埋深的增大,煤體垂直壓力增大,鉆孔卸壓效果越來越好。
鉆孔卸壓具有卸壓工作量小，施工方便，施工速度較快，不影響施工工期等優(yōu)點。
合理布置的鉆孔可以引起巷道深部圍巖 （鉆孔遠端附近圍巖）首先發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，從而形成一個弱化區(qū)和弱化帶，引起巷道周邊圍巖內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道周邊附近圍巖處于低應(yīng)力區(qū)，有利于巷道圍巖的穩(wěn)定；采用卸壓和錨網(wǎng)聯(lián)合支護時可以充分發(fā)揮錨網(wǎng)支護的柔性，釋放圍巖內(nèi)的應(yīng)變能，同時利用錨網(wǎng)提高圍巖受力性能，控制圍巖有害變形.工業(yè)試驗表明，鉆孔卸壓和錨網(wǎng)聯(lián)合支護技術(shù)完全適用于深井高應(yīng)力厚煤層沿底掘進巷道，可以取得較好的支護效果和經(jīng)濟效益，可為礦井 “高產(chǎn)高效”建設(shè)提供技術(shù)保障.卸壓鉆孔的參數(shù)優(yōu)化和確定還需進一步研究，一般應(yīng)該根據(jù)具體的地質(zhì)條件結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場施工與觀測確定。
5.3.4定向裂縫法
定向裂縫法分為兩種，即定向水力裂縫法與定向爆破裂縫法。
1） 定向水力裂縫法
定向水力裂縫法就是人為地在巖層中。預(yù)先制造一個裂縫。在較短的時間內(nèi)，采用高壓水，將巖體沿預(yù)先制造的裂縫破裂。在高壓水的作用下，巖體的破裂半徑范圍可達15-2 5m，有的甚至更大。
采用定向水力裂縫法可以簡單、有效、低成本地改變巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。故這種方法可用于：
①降低沖擊礦壓危險性，改變頂板巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，將堅硬厚層頂板分成幾個分層或破壞其完整性。
②為維護平巷，將懸頂挑落。
③在煤體中制造裂縫，有利于瓦斯抽放。
①破壞煤體的完整性，降低開采時產(chǎn)生的煤塵等。
定向水力裂縫法實施的步驟是:
①在要進行分層的巖體中打鉆;
②在鉆孔中完成定向預(yù)裂縫;
③在一定的水壓和流量下，向其中注人高壓水;
④檢查作業(yè)效果。
定向水力裂縫法有兩種，一種是預(yù)裂縫為周向的、另一種是預(yù)裂縫為軸向的。研究表明，在要形成周向預(yù)裂縫的情況下，為了達到較好的效果。周向預(yù)裂縫的直徑至少應(yīng)為鉆孔直徑的兩倍以上，而且裂縫端部要尖。高壓泵的壓力應(yīng)在30 MP。以上，流量應(yīng)在60L/min以上。而軸向裂縫法則是沿鉆孔軸向制造預(yù)裂縫，從而沿裂縫將巖體破斷。
制造周向預(yù)裂縫的鉆頭如圖5-3所示。
圖5-3 制造周向預(yù)裂縫的鉆頭
當在礦井中實施定向水力裂縫法時，其效果可采用水壓力的變化和聲發(fā)射的脈沖來控制。當水壓力突然下降或突然出現(xiàn)大量的聲發(fā)射，則說明有較大的裂縫產(chǎn)生，并且采用聲發(fā)射法可確定裂縫的范圍。也可采用在控制鉆孔中觀察水位的變化和電阻的變化來控制該方法的效果。定向水力裂縫法的鉆孔布置及效果控制鉆孔的布置如圖5-4所示。
圖5-4 注水鉆孔和效果控制鉆孔布置示意圖
2） 定向爆破裂縫法
定向爆破裂縫法的原理與定向水力裂縫法的原理是一樣的，不同之處只是將高壓水換成了炸藥。其預(yù)裂縫也有周向和軸向之分。圖5-5為制造軸向裂縫鉆頭。而制造的周向裂縫可以是在鉆孔的底部，也可以在鉆孔中形成幾個預(yù)裂縫，如圖5-6所示。
圖5-5 軸向預(yù)裂縫鉆頭示意圖
圖5-6 爆破鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
定向爆破裂縫法的鉆孔長度、布置方式、制造預(yù)裂縫的數(shù)量、形式等均取決于井巷文護形式．要破壞巖體的力學(xué)性質(zhì)以及破裂的目的，這需要根據(jù)具體的生產(chǎn)實際，進行具體的設(shè)計和實施。
5.3.5卸壓巷卸壓
掘巷卸壓法就是在被保護巷道和硐室附近圍巖中開掘卸壓巷(槽)使被保護巷道和硐室處于應(yīng)力降低區(qū)，從而提高圍巖的穩(wěn)定性，減小圍巖變形。利用卸壓巷硐卸壓方法的實質(zhì)是，在被保護的巷道附近(通常是在其上部、一側(cè)或兩側(cè))開掘?qū)ｉT用于卸壓的巷道或硐室。轉(zhuǎn)移附近煤層開采的采動影響，促使采動引起的應(yīng)力再次重新分布，最終使被保護巷道處于開掘卸壓巷硐而形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。同時也可以使煤體中積聚的彈性能能夠得到釋放。卸壓巷卸壓法一般分為頂部卸壓法和側(cè)幫卸壓法2種 。
在巷道頂部布置卸壓巷硐時，卸壓巷硐的寬度及其與被保護巷道的垂直距是影響卸壓效果的主要參數(shù)。一般情況下，卸壓巷硐與被保護巷道間的垂直距不應(yīng)小于卸壓巷硐底板破壞深度與至少2 m的安全巖柱之和。依據(jù)卸壓巷硐與被保護巷道間的垂距和支承壓力傳遞影響角，卸壓巷硐的寬度應(yīng)確保被保護巷道在其形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。如果將被保護巷道布置在卸壓巷的下面，也就是在卸壓巷周圍應(yīng)力較小的地區(qū)，那么被保護巷道就處于應(yīng)力相對較小的地方，煤巖體中的彈性能也相對較低。同時卸壓巷的開掘也可以釋放煤巖體中積聚的一部分的彈性能。沖擊礦壓大多數(shù)發(fā)生在巷道(72．6％)，回采工作面則很少(27．4％)?。這樣對沖擊礦壓工作面回采過程中的沖擊危險性就將有所降低。
5.4沖擊傾向性礦井其他注意事項
在沖擊礦壓區(qū)域采取錨網(wǎng)支護和可縮支護，并根據(jù)沖擊礦壓嚴重程度提高支護強度，在巷道交岔口采用單體液壓支柱或垛式支架加強支護，防止發(fā)生沖擊礦壓造成大面積的巷道破壞和堵塞安全出口。
對從事開采沖擊礦壓的有關(guān)人員，必須進行防治沖擊礦壓基本知識教育，熟悉沖擊礦壓發(fā)生的原因、條件、前兆等基礎(chǔ)知識。在沖擊危險區(qū)作業(yè)的人
員配戴專用的防震帽和防震背心，防止沖擊礦壓發(fā)生時對作業(yè)人員造成的傷害。清理現(xiàn)場閑置設(shè)備，必須的設(shè)備設(shè)施進行捆綁固定，防止沖擊礦壓發(fā)生時對作業(yè)人員可能帶來的危害。
6、結(jié)論
隨著礦井開采深度的增加和開采難度的加大，地質(zhì)條件、開采條件越來越復(fù)雜，沖擊礦壓災(zāi)害日趨嚴重。在這種情形下，通過對沖擊礦壓發(fā)生的影響因素與防治技術(shù)分析，搞清楚采場周圍煤巖層中應(yīng)力場發(fā)展變化規(guī)律以及掘進巷道和推采工作面沖擊礦壓防治技術(shù)，采取綜合性的防治措施和防護措施，能夠有效降低沖擊礦壓發(fā)生的次數(shù)和強度，使沖擊礦壓得到有效的控制。
參考文獻
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