特厚煤层冲击矿压机理及防治分析

特厚煤层冲击矿压机理及防治分析

刘文军

陕西彬长孟村矿业有限公司陕西咸阳713600

摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。特厚煤层是中国煤炭资源存储中占比较大的一种煤炭存储形式，特别是急倾斜特厚煤层，更是一种相对复杂的煤炭赋存形式，其回采作业环境与常规回采作业环境差异显著。现阶段，较为常用的急倾斜特厚煤层回采工艺为水平分段开采，当回采达到一定深度后，作业面往往会出现强烈的矿压显现，从而对回采作业的安全管理构成严重威胁，使得回采作业面存在随时发生冲击矿压的危险。本文就特厚煤层冲击矿压机理及防治展开探讨。

关键词：矿井；特厚煤层；冲击地压；机理分析；防治措施

引言

近年来，我国冲击矿压灾害事故仍然频发，危害程度大，影响面广，严重威胁着煤矿安全生产。随着我国西部矿区煤炭生产规模进一步加大，煤矿开采深度也随之加大，新建矿井数量也随之持续增加，进而出现了各类在中东部煤矿生产中未曾遇到过的煤层赋存条件，以致现有的煤炭开采技术已无法有效解决其开采过程中遇到的生产和安全技术问题。

1工程概述

A矿煤层赋存角为55°～86°，主采煤层为B1+2煤层和B3-6煤层，煤层厚度均值分别为25m和40m，采用多煤层联合布置的开采方式进行水平分段放顶煤开采。煤层顶板为平均厚50m以上的粉砂岩坚硬顶板，抗压强度介于15MPa～26MPa之间，为典型的急倾斜特厚煤层坚硬顶板，具有弱冲击倾向性，这使得回采面生产作业过程中时常出现矿震事件，引起了多起严重的冲击矿压事故。

2冲击矿压研究现状

冲击矿压的分类方法有多种:可以根据冲击矿压发生位置进行分类，也可以根据震源机理和表现特征的异同对冲击矿压进行分类，也可以用地震波谱分析技术得出的冲击矿压震源参数之间的不同关系进行冲击矿压分类，还可以根据地震波初功符号和分布特征对冲击矿压进行分类。根据冲击矿压发生位置进行分类:将矿山地震分为两大类型，第一种和开采工作面的破裂变形相联系，第二种和大的地质间断工作面的运动相联系，都和矿山开采有关。将冲击矿压划分为两种类型多少有些粗糙，这些冲击矿压事件还可细分成若干模型。根据冲击矿压震源类型和冲击矿压破坏点与采矿工作面的相对位置关系，建议将冲击矿压分为6种类型:①巷道垮落;②矿柱冲击矿压;③采空区顶板张性断裂;④正断层断裂;⑤逆断层断裂;⑥近水平冲断层断裂。冲击矿压发生机理，是指冲击矿压发生的原因、条件、机制和物理过程，与冲击矿压发生的条件既有联系又相互独立。冲击矿压的机理是预测和防治冲击矿压发生的理论基础，是国内外学术界和工程界的重要研究内容。冲击矿压机理的研究，最早始于对天然地震机理的研究，一些对天然地震研究的方法手段乃至结论直接被“借用”到冲击矿压研究，尤其是构造型冲击矿压的研究之中，并相继提出多种冲击矿压发生机理模型。各国学者在实验室研究和现场调查实践的基础上，从不同的角度先后提出了一系列重要的理论，主要有:强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、三准则理论和变形系统的失稳理论等。

3井下冲击地压机理分析

（1）顶板破断诱发冲击。A矿B3-6煤层回采作业面布设深度为+466m，在整个水平分段放顶回采作业中，回采面推移方向与顶板倾向保持垂直，作业面液压支架在放顶煤回采过程中无法实现与顶板的有效解除，顶板主要依靠自身强度来维持。而由于煤层赋存倾角较大，加之顶板为厚煤层坚硬顶板，煤层顶板中往往聚集有大量的弹性势能，这便是急倾斜煤层出现冲击矿压的概率远大于缓倾斜煤层的主要原因。此外，煤层顶板出现的弯曲变形往往会对煤层形成一定的挤压作用，从而使得煤体内部出现应力集中现象，其直接表现为煤层巷道移动变形突出，日常维护难度相对较大。同时，当顶板发生破断后，顶板中聚集的大量弹性势能通常会从顶板破断位置释放，产生的冲击震动波往往会对采掘作业面内的煤体产生严重的扰动。这种情形下，煤体内部的应力集中区会在动力扰动下出现冲击地压破坏。（2）顶板冲击能积聚。如上所述，急倾斜特厚煤层出现冲击矿压的主要原因是井下煤层回采作业中坚硬顶板所积聚的高能量突然集中释放，特别是对于深部分层回采作业来说，当回采面推移到一定位置后，顶板岩体便会在自身质量和覆岩质量的综合影响下出现弯曲破断，进而导致所积聚的势能突然释放，诱发冲击地压事故。这种情况下，顶板所积聚的势能与其发生破断时的顶板长度和覆岩能量有着直接的关联，其中，覆岩能量取决于作业面回采深度。在此情形下，通过人为减小顶板破断时的悬顶长度，便可实现对顶板变形能量的有效降低，避免顶板破断后释放高能量而产生冲击动载，从而避免对整个回采作业的安全构成威胁。

4巨厚砾岩下特厚煤层冲击地压发生机理

（1）冲击地压外部力源估算方法。①巨厚砾岩下特厚煤层支承压力快速估算方法研究针对巨厚砾岩下特厚煤层开采后地表无明显沉陷的现象，探索通过采用微地震实测数据，估算断裂角大小，研究巨厚砾岩下特厚煤层走向和倾向支承压力快速估算模型，为揭示巨厚砾岩下特厚煤层条件下的支承压力影响范围与程度提供必要条件。②构造应力定量分析方法研究以义马矿区Fib逆冲断层为例，根据现有资料对逆冲断层进行了受力分析。为定量表达构造应力影响范围及程度，探索构造应力定量表达的方法。③叠加应力估算方法及冲击危险性判断标准研究了多因素叠加应力的估算方法，并应用动应力比作为冲击危险性判断标准，探索义马矿区冲击危险性判断指标的经验数值。为巨厚砾岩下特厚煤层采/掘工作面冲击危险性定量评价和工作面开采设计提供依据。（2）巨厚砾岩下特厚煤层冲击地压发生机理。通过理论研究和现场勘查发现，建立巨厚砾岩下特厚煤层冲击地压力学模型，研究巨厚砾岩特厚煤层条件下的冲击地压发生机理。

5井下冲击地压防治措施分析

基于上述分析可知，通过人为减小顶板悬顶长度的方式能够有效降低顶板变形能量，从而大幅度降低回采作业面出现冲击地压事故的概率。为此，特选择A矿+466m水平的B3-6回采作业面开展工程试验，从而对急倾斜特厚煤层顶板冲击地压防治措施的应用效果进行探究。具体的防治措施是基于回采面走向长度和实际回采作业情况制定的，采用的是顶板深孔爆破卸压工艺。在作业面巷道顶板内布设深孔，利用钻孔爆破提前释放顶板所聚集的势能。作业时，沿巷道轴向每间隔20m布设1组炮孔，每组布设2个炮孔，布设角度分别为13°和24°。装药作业时选用人工连续正向装药方式，每布设9节乳化炸药后布设1节炮头，单个炮头内布设雷管1发并使用引线引出，所有炮孔均采用全长封孔的方式封堵。封堵作业中，先封堵5m黄土，随后封堵10m马丽散，最后再封堵5m黄土。炮孔联孔方法采用并联法，脚线连接选用串联连接方式。

结语

矿井管理者必须高度重视相关问题，在矿井生产中充分结合矿井实际，组织专业技术力量，在立足矿井生产实际的基础上对矿井急倾斜特厚煤层回采中的冲击地压防治措施进行全面分析，从而自根源上实现对冲击地压事故的有效防治。

参考文献

[1]李长录，孙雪亮，闫瑞兵.碱沟煤矿急倾斜特厚煤层冲击矿压机理及防治措施研究[J].煤炭技术，2018，37(5)：92-94.

[2]井广成.褶皱构造区厚煤层开采应力演化与冲击矿压孕育规律研究[D].徐州：中国矿业大学，2017.