衝擊礦壓誘發原因、監測手段及防治方法

每一個注重學習的人

GIF

衝擊礦壓誘發原因、監測手段及防治方法

文丨礦事奇材

衝擊礦壓是聚積在巷道和采場周圍煤岩體中的能量突然釋放，將煤岩拋向巷道，同時發出強烈聲響，造成煤岩體震動和破壞，支架與設備損壞，人員傷亡，部分巷道垮落破壞等的動力現象。衝擊礦壓還會引發或可能引發其他礦井災害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸，火災以及水災，干擾通風系統，嚴重時造成地面震動和建築物破壞等。因此，衝擊礦壓是煤礦重大災害之一。

研究表明，衝擊礦壓的發生和煤岩體內的震動事件有很密切的關係。發生衝擊礦壓的可能性和震動的能量有很大的關係，震動的能量越大，發生衝擊礦壓的可能性就越大。從衝擊礦壓與岩體震動的關係來看，發生衝擊礦壓的最低能量為1×104J；在能量級別為1×106J時，發生的衝擊礦壓最多；當震動能量為4×1010J時，其發生衝擊礦壓的概率幾乎為1。

（圖1 衝擊礦壓「動靜載疊加誘沖原理」模型示意圖（引自竇林名教授著作））

GIF

衝擊礦壓誘發原因

按照失穩原因可將衝擊礦壓可分為3類：

1）頂板拉伸型衝擊礦壓。頂板拉伸型衝擊礦壓是由於頂板岩石拉伸失穩而產生的衝擊礦壓。頂板衝擊礦壓多發生在工作面頂板為堅硬、緻密、完整且厚的岩體中。隨工作面開採，形成採空區大面積空頂。當採空區懸頂面積達到一定值時，由於頂板岩石拉伸失穩而引起頂板拉伸型衝擊礦壓。

2）煤體壓縮型衝擊礦壓。煤體壓縮型衝擊礦壓是煤體受壓縮產生失穩而導致的衝擊礦壓，包括重力和水平構造應力兩種，多發生在厚煤層的採煤工作面和回採巷道中，是煤—岩結構在壓性載荷作用下失穩破壞的動力現象。

3）斷層錯動型衝擊礦壓。斷層錯動型衝擊礦壓是由於斷層圍岩體剪切失穩造成的衝擊礦壓。斷層衝擊礦壓發生在採掘活動接近斷層時，受採礦活動影響而使斷層突然破裂錯動。

（圖2 失穩原因誘發衝擊礦壓分類示意圖）

按衝擊礦壓發生的工程原因，可將衝擊礦壓分為：孤島煤柱、相鄰上下層影響、向斜和背斜、變夾或變薄帶、同向或相向開採、堅硬頂板、巨厚岩層、初次來壓和周期來壓、斷層附近、突水、瓦斯壓力、開採速度及初一和十五等。通過大量的案例統計和分析可以得出，對於任何一起衝擊礦壓，其工程原因都不是單一的，而是多種原因共同作用的結果，其中可能有一種或幾種因素起決定性作用。

GIF

衝擊礦壓監測手段

目前，衝擊礦壓常用的監測預警方法可歸結為以下三類：

第一類是經驗類比法，主要有綜合指數法、計算機數值模擬法和多因素耦合法等；

第二類是煤岩應力狀態監測法，包括鑽屑法、煤岩體變形觀察法（頂板動態、圍岩變形）、煤岩體應力測量法（相對應力和絕對應力測量）；

第三類是採礦地球物理監測法，包括微震監測法、電磁輻射法、聲發射法、聲波探測法等方法。

它們都是根據連續記錄煤岩體內出現的動力現象，預測煤礦動力現象危險狀態。

1）鑽屑法

為了探索出前兆規律及危險性指標，本研究計劃採用鑽屑法（煤粉鑽孔法），作為衝擊危險性的判定指標。鑽屑法是通過在煤層中打小直徑（42～50mm）鑽孔，根據排出的煤粉量及其變化規律以及有關動力效應鑒別衝擊危險的一種方法。當向煤體鑽孔時，其排粉量由兩部分組成，一是鑽孔過程中與孔徑相同的煤體破碎後形成的煤粉，二是成孔後，煤體中的應力使孔徑發生變化而產生的煤粉。前者僅與孔徑有關，後者則與圍岩應力狀態及力學性質有關，這就是鑽屑法的依據所在。當單位長度的排粉率增大或超過標定值時，表示應力集中程度增加和衝擊危險性提高，這便是鑽屑法預測衝擊礦壓的原理。

判別工作地點衝擊危險性的鑽粉率指標：

2）電磁輻射儀

大量的實驗室、現場測試均表明，煤岩等脆性材料在載荷作用下，其衝擊破壞過程中內部將產生塑性變形或裂紋，當裂紋形成和擴展時，將瞬態釋放應變能而產生彈性波的現象。伴隨著這種現象，將會有電磁輻射產生。為了對巷道圍岩卸壓效果和煤柱穩定性進行監測，採用電磁輻射儀對回採工作面和掘進工作面周圍岩體內的塑性變形或裂紋進行監測。

（圖3 KBD5礦用本安型衝擊礦壓電磁輻射檢測儀）

3）震動波CT探測技術

震動波CT技術作為一種新的地球物理方法逐漸應用於礦山工程與地質診斷。該技術基於礦震與微震台站間形成的彈性波傳播射線，可對工作面附近大範圍波速進行反演，進而評價區域應力場分布，實現工作面超前應力探測，如圖4。為了探究衝擊礦壓顯現機理和大範圍探測工作面圍岩應力狀態，採用震動波CT探測技術進行了區域應力場反演，力圖構建了衝擊危險性技術指標，對衝擊危險區域進行預測。

（圖4 震動波CT探測技術工作原理）

GIF

衝擊礦壓防治方法

強度弱化減沖原理：

①採取鬆散煤岩體的方式，降低煤岩體的強度及衝擊傾向性，使得衝擊危險性降低；

②對煤岩體的強度進行弱化後，使得應力高峰向岩體深部轉移，並降低應力集中程度；

③採取一定的減沖解危措施後，使得發生衝擊礦壓時，降低衝擊強度。

區段煤柱留設：煤柱越窄對防強礦壓越有利，因為窄煤柱中煤體幾乎會全部「壓酥」，其內部不存在衝擊核。也就不會存儲大量的彈性性能，發生衝擊礦壓危險性越小。巷道圍岩柔性蓄能支護控制體系：一級錨網索支護、二級錨網索+充填結構+「O」型棚聯合支護、三級錨網索+充填結構+「O」型棚聯合支護+門式支架支護。常見的卸壓解危措施有：大直徑鑽孔卸壓、煤體爆破卸壓、爆破斷頂卸壓、定向水力卸壓。

（圖5 巷道圍岩柔性蓄能支護控制體系示意圖（引自竇林名教授著作））

1）大深度卸壓鑽孔

如圖6，鑽孔卸壓是在煤體內施工大直徑卸壓鑽孔，實質是利用高應力條件下，煤層中積聚的彈性能破壞鑽孔周圍的煤體，使煤層卸壓，釋放能量，消除衝擊危險。鑽進愈接近高應力帶，由於煤體積聚能量愈多，鑽孔衝擊頻率越高，強度也越大，鑽孔衝擊時煤粉量顯著增多。

因此每一個鑽孔周圍形成一定的破碎區，當這些破碎區互相接近後，便能使煤層破裂卸壓。同時大直徑鑽孔引起巷道深部圍岩（鑽孔遠端附近圍岩）發生結構性破壞，形成一個弱化帶，引起巷道周邊圍岩內的高應力向深部轉移，從而使巷道周邊附近圍岩處於低應力區。當發生衝擊時，一方面大直徑鑽孔的空間能夠吸收衝出的煤粉，防止煤體衝出，另一方面卸壓區內頂底板的閉合產生「楔形」阻力帶，也能夠防止煤體衝出而發生災害。

（圖6 某礦煤層大直徑鑽孔卸壓布置圖）

2）頂板水壓致裂切頂技術

水壓致裂的實質是在一段封閉的鑽孔內注入高壓水，使孔壁附近產生大量裂紋，使岩體中原有裂紋張開和擴展。水壓致裂技術可以通過擴展緻密岩體的孔隙、裂隙來使岩體破碎斷裂。本研究提出在巷道頂板進行水壓致裂切頂，以避免大面積懸頂，致使頂板積聚大量彈性能而引發的衝擊礦壓。

研究認為，當工作面頂板岩層（中粒砂岩）由多種礦物質組成，而大部分岩石均含有遇水易於膨脹的粘土質礦物。根據水對莫爾一庫倫強度準則進行分析，在水力作用下岩層會發生一定程度的破壞。用損傷力學進行分析，在水的作用下，岩層發生的微觀結構變化可導致其物理特性的改變，岩體強度整體降低。水對岩體強度的影響主要表現在水的壓力和水作用下的岩石損傷，水的壓力可以降低岩體破裂面正壓力，降低岩體礦物顆粒摩擦阻力，促使岩體內部裂隙擴大和延伸，增加水在岩體內的滲透程度；水力對岩層的損傷如上述損傷力學分析。因此，如圖7，在利用水力致裂進行處理堅硬頂板時應注入高壓水，通過高壓水力作用改變岩層物理特性，降低其強度和整體性，促使其內部裂隙發育，從而可達到切斷頂板的目的。

1-切縫槽；2-孔壁

（圖7 水壓致裂切縫工作原理圖）

PS：本平台現階段會相繼推送學術小文章，希望業內人士可以互動交流，加強學習，歡迎在留言區進一步探討。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！