煤礦沖擊地壓的解危措施

上圖為沖擊式地壓檢測儀

    在煤層開采中，生產(chǎn)地質(zhì)條件極為復(fù)雜。往往由于人們對沖擊地壓發(fā)生條件不能完全掌握，造成開拓布置和開采方式不合理，沒有預(yù)先采取防范措施或防范措施不完善，不可避免地形成局部煤層地段的高應(yīng)力集中和沖擊地壓危險(xiǎn)。因此，在煤層開采過程中必須對這些地段進(jìn)行及時處理，以保證安全生產(chǎn)。這種對已形成沖擊危險(xiǎn)或具有潛在沖擊危險(xiǎn)地段的處理措施稱為解危措施。它屬于暫時的局部性措施，包括煤層爆破卸壓、鉆孔卸壓和誘發(fā)爆破等。
    按照沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件，工作面附近煤層被頂?shù)装寰o緊地夾持著，承受極高的載荷，雖并未破碎，卻積聚大量的變形能。這時煤體和圍巖形成的三軸壓縮應(yīng)力與礦山壓力處于臨界平衡狀態(tài)。采取的各種卸壓解危措施，正是為了減緩這種臨界狀態(tài)，把夾持狀態(tài)下煤層的側(cè)向約束解除掉，使已形成的局部高壓力分散轉(zhuǎn)移到較廣區(qū)域。由于卸壓措施造成煤體局部破裂，降低了強(qiáng)度，應(yīng)力重新分布，從而釋放或降低了煤巖體中的彈性能，使工作面前方一定范圍內(nèi)成為安全區(qū)。
    1、誘發(fā)爆破
    誘發(fā)爆破是在監(jiān)測到有沖擊危險(xiǎn)的情況下，利用較多藥量進(jìn)行爆破，人為地誘發(fā)沖擊地壓，使沖擊地壓發(fā)生在一定的時間和地點(diǎn)，從而避免更大損害的一種解危措施。
    實(shí)行誘發(fā)爆破必須慎重行事。作為輔助手段，誘發(fā)爆破只有在存在嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn)的情況下，其他方法無效或無法實(shí)施時才應(yīng)用。實(shí)施地點(diǎn)多用于煤柱回收時，與鉆屑法檢測孔配合互用?？拙?m～5m，孔深按沖擊危險(xiǎn)區(qū)范圍確定?？善叫凶呦蚧騼A斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，鉆大量較長的鉆孔直達(dá)高應(yīng)力帶。采用大藥量、集中裝藥和同時引爆的方法，以便使煤巖體強(qiáng)烈震動，誘發(fā)沖擊地壓，或造成煤體強(qiáng)烈卸壓、釋放能量，把高應(yīng)力帶移向煤體深部。集中爆破的藥量越多，誘發(fā)沖擊地壓的可能性越大。因?yàn)檫@樣在煤體中造成的動應(yīng)力就大，動應(yīng)力疊加在原來存于煤體中的靜應(yīng)力上的總和越大，超過臨界應(yīng)力值機(jī)會就愈多，就會誘發(fā)沖擊地壓。
    實(shí)施誘發(fā)爆破應(yīng)按《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定施工。實(shí)施前必須采用鉆屑法確定沖擊危險(xiǎn)地點(diǎn)，加固支架，掩護(hù)或撤出機(jī)械設(shè)備及電纜工具等。爆破時必須設(shè)專人警戒所有通往爆破地點(diǎn)的通道。躲炮半徑不得小于150m，躲炮時間30min以上。
    天池煤礦、門頭溝煤礦等都應(yīng)用過誘發(fā)爆破。天池煤礦在采掘過程中，特別是回收煤柱時，始終堅(jiān)持以爆破卸壓為主，誘發(fā)爆破為輔的措施。誘發(fā)爆破參數(shù)視具體情況而定。一般孔徑為 50mm～60mm，孔深6m～8m以上，每孔裝藥量2kg～3kg以上，孔間距2m～3m。炮泥封孔，填滿填實(shí)。瞬發(fā)雷管，同時引爆。門頭溝煤礦1980年開始試驗(yàn)應(yīng)用誘發(fā)爆破，其鉆孔布置方式在正規(guī)煤柱支撐法工作面為平行煤層走向或傾向布置，孔深為煤柱寬度的3/4。在非正規(guī)工作面如殘柱式回采，視煤柱尺寸進(jìn)行布置，但孔深均不超過煤柱寬度的3/4。誘發(fā)爆破后要及時回采，不要停留過長時間(不超過一個月)，以防能量重新積聚，產(chǎn)生新的沖擊危險(xiǎn)。
    誘發(fā)爆破應(yīng)作為爆破卸壓的輔助手段，用于特殊情況下。其效果是有限的，不能保證按時誘發(fā)，有時一小時后才發(fā)生沖擊地壓。而且大藥量同時引爆，必然造成一定程度的破壞作用。所以要慎重行事，有限度地使用。
    2、爆破卸壓
    爆破卸壓是指對形成沖擊危險(xiǎn)的煤體，用爆破方法減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施。實(shí)施爆破卸壓應(yīng)采取深孔爆破方法，孔深應(yīng)達(dá)到支承壓力峰值區(qū)。裝藥位置越靠近峰值區(qū)，炸藥威力越大，爆破解除煤層應(yīng)力的效果越好。該法適用于頂板比較完整的條件下或作為煤層注水時的輔助措施。
    爆破卸壓能同時局部解除沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件，即在有沖擊地壓危險(xiǎn)的工作面卸壓和在近煤壁一定寬度的條帶內(nèi)破壞煤的結(jié)構(gòu)(但不落煤)，使它不能積聚彈性能或達(dá)不到威脅安全的程度。這樣在工作面前方形成一條卸壓保護(hù)帶，隔絕了工作空間處于煤層深處的高應(yīng)力區(qū)。顯然，從防治沖擊地壓的角度看，應(yīng)用盡量多的炸藥爆破出盡量寬的保護(hù)帶，但實(shí)際上要達(dá)到這個目的，目前技術(shù)條件還不夠。不過根據(jù)多年的觀測實(shí)踐證明，如果能保證在工作面前方和巷道兩幫始終保持一個寬5m～10m的保護(hù)帶，就能防止沖擊地壓的危害。
    可以采用爆破斷頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行爆破卸壓，即在待采煤層隔離煤柱一側(cè)的老采空區(qū)內(nèi)，對采空區(qū)頂板內(nèi)造成寬約6m、深約 6m～8m的斷溝，用以削弱采空區(qū)與待采區(qū)之間的頂板連續(xù)性、減小待采煤層開采時的應(yīng)力集中，以消除沖擊地壓危害。
    爆破參數(shù)和施工工藝應(yīng)按《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》確定。
爆破卸壓屬于內(nèi)部爆破，主要物理作用是使煤層產(chǎn)生大量裂隙。試驗(yàn)表明，爆破使炮孔周圍形成破碎區(qū)和裂隙區(qū)，破碎區(qū)遠(yuǎn)小于裂隙區(qū)。徑向裂隙穿過切向裂隙，說明徑向裂隙擴(kuò)展在前，切向裂隙形成在后。炸藥爆炸后，沖擊波首先使煤體破裂。繼之爆破產(chǎn)生氣體進(jìn)一步使煤體破裂，在氣體壓力作用下，煤體沿徑向移動，形成切向拉應(yīng)力，產(chǎn)生徑向拉破裂。隨著裂隙的擴(kuò)展，氣體通過裂隙擴(kuò)散到煤體中，與煤體產(chǎn)生熱交換。同時，氣體的體積增大，而溫度和壓力下降。當(dāng)裂隙前端的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于斷裂韌性時，裂隙停止擴(kuò)展。當(dāng)壓力小于臨界值時，因原先受壓貯存于煤體中的彈性能釋放，使煤體向炮孔中心移動，在煤體中產(chǎn)生徑向拉伸作用，導(dǎo)致切向破裂。但徑向裂隙的擴(kuò)展遠(yuǎn)大于切向裂隙。造成煤層性質(zhì)變化的主要因素是徑向裂隙。
    根據(jù)彈塑性理論，把采煤工作面簡化為平面應(yīng)變的力學(xué)模型。以龍風(fēng)煤礦采煤工作面為例的計(jì)算結(jié)果表明，爆破卸壓使煤壁前方的支承壓力重新分布，應(yīng)力梯度變小，峰值壓力移往煤體深部7m以遠(yuǎn)屈服區(qū)，比爆破前增大近一倍，能量密度明顯減小。
     綜上所述，爆破卸壓在煤體中產(chǎn)生大量裂隙，使煤體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，彈性模量減小，強(qiáng)度降低，彈性能減少，破壞了沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件。由于煤體內(nèi)裂隙的長度和密度增加，按照失穩(wěn)理論，還具有致穩(wěn)作用和止裂作用，防止了沖擊地壓發(fā)生。
    實(shí)施爆破卸壓前必須先進(jìn)行鉆屑法檢測，確認(rèn)有沖擊危險(xiǎn)時才進(jìn)行爆破卸壓，爆破以后還要用鉆屑法檢查卸壓效果。如果在實(shí)施范圍內(nèi)仍有高應(yīng)力存在，則應(yīng)進(jìn)行第二次爆破，直至解除沖擊危險(xiǎn)為止。
    為了安全生產(chǎn)，通過爆破卸壓在工作面前方和巷道兩幫形成一個有足夠?qū)挾?大于3倍采高)的卸壓保護(hù)帶。所以，對巷道兩幫，爆破卸壓的深度應(yīng)等于保護(hù)帶寬度；對采煤工作面，爆破卸壓的深度應(yīng)等于保護(hù)帶寬度加上工作面進(jìn)度。
    爆破孔的孔深取決于卸壓深度。由于孔深藥量多，為保證殉爆可用導(dǎo)爆索連接加強(qiáng)引爆，使藥卷能裝到孔底，可先把藥卷裝在軟管里或用非金屬材料綁扎后進(jìn)行裝藥。爆破孔布置方式應(yīng)根據(jù)具體條件確定。通常用煤電鉆打眼，孔徑50mm～55mm，孔間距4m～10m，每孔裝藥量按不超過孔深一半計(jì)算，一般為1.5k8～3.5kg。鉆孔不裝藥部分必須填滿水炮泥或黏土炮泥。躲炮距離100m～150m，躲炮時間30min～40min。
    門頭溝煤礦、龍鳳煤礦、天池煤礦等都成功地使用爆破卸壓方法，取得良好的效果。
    天池煤礦的爆破卸壓參數(shù)為：孔深4m～8m，孔間距3m～6m，孔徑50mm～55mm(用φ42mm鉆頭)，每孔裝藥量1.0kg～3.5kg,瞬發(fā)雷管引爆(6m以上深孔裝兩發(fā)雷管)，炮泥封孔。
    龍風(fēng)煤礦進(jìn)行爆破卸壓時，用普通煤電鉆打眼，φ42mm鉆頭。按垂直煤壁方式布孔。鉆孔傾向與工作面頂板線一致?？咨?m～６m，孔間距3m～5m。每孔裝藥量1.0kg～1.4kg，黃泥封孔，填滿填實(shí)。瞬發(fā)雷管起爆，在孔底藥卷中加一段煤礦安全型導(dǎo)爆索，每次起爆二孔(也可多孔起爆)。
    城子煤礦的-250m水平八層西大巷煤柱，由于采取爆破卸壓等措施得當(dāng)，安全回收全部煤柱，沒有發(fā)生沖擊地壓事故。該煤柱在1971年曾回收過，由于沖擊地壓嚴(yán)重，并造成人員傷亡事故而被迫停采封閉。時隔近20年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱，再進(jìn)行回收存在著沖擊地壓和垮頂?shù)膰?yán)重威脅，在回收過程中嚴(yán)格執(zhí)行每循環(huán)都進(jìn)行超前爆破卸壓的措施。開切眼掘進(jìn)時就開始進(jìn)行超前爆破卸壓，孔數(shù)3個～4個，孔深4m～5m。采煤工作面沿傾向方向每5m布置一個爆破卸壓孔，孔深為循環(huán)進(jìn)度的3倍。每孔裝藥量3個～5個藥卷(0.5kg～1.0kg)。卸壓炮眼與工作面落煤炮眼同時起爆，取得較好效果。
    3、改變煤層的物理力學(xué)性能 
    改變煤層的物理力學(xué)性能主要有：高壓注水、放松動炮和鉆孔槽卸壓等方法。
    (1)高壓注水是通過注水，人為地在煤巖內(nèi)部造成一系列的弱面，并使其軟化，以降低煤的強(qiáng)度和增加塑性變形量。注水后，煤的濕度平均增加1.0％～2.2％時，可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3％～14.5％。
    (2)放松動炮，是通過放炮人為地釋放煤體內(nèi)部集中應(yīng)力區(qū)積聚的能量。在采煤工作面中使用時，一般是在工作面沿走向打 4m～6m深的炮眼，進(jìn)行松動爆破。它的作用是可以誘發(fā)沖擊地壓和在煤壁前方經(jīng)常保持一個破碎保護(hù)帶，使最大支撐壓力轉(zhuǎn)入煤體深處，隨后即便發(fā)生沖擊地壓，對采煤工作面的成脅也大為降低。
    (3)鉆孔槽卸壓是用大直徑鉆孔或切割溝槽使煤體松動，以達(dá)到卸壓效果。卸載鉆孔的深度一般應(yīng)穿過應(yīng)力增高帶，在掘進(jìn)石門揭開有沖擊危險(xiǎn)的煤層時，應(yīng)距煤層5m～8m處停止掘進(jìn)，使鉆孔穿透煤層，進(jìn)行卸壓。
    此外，還可依靠選擇最佳采煤方法、回采設(shè)備、開采參數(shù)和工作制度等方法，局部降低煤層邊緣的沖擊危險(xiǎn)程度。例如，當(dāng)開采有沖擊危險(xiǎn)的單一煤層時，應(yīng)采用直線式長壁工作面的前進(jìn)式采煤方法，并在巷道側(cè)不留煤柱。對有沖擊危險(xiǎn)的厚煤層，應(yīng)采用傾斜分層長壁式采煤方法。上分層的開采厚度應(yīng)當(dāng)最小。
    開采有沖擊危險(xiǎn)的煤層時，無論是在采煤工作面還是在掘進(jìn)工作面中，都應(yīng)采用支撐力大的可縮性金屬支架。
綜上所述可以認(rèn)為，在現(xiàn)有技術(shù)水平下對沖擊地壓認(rèn)真地進(jìn)行測定和預(yù)報(bào)工作，并針對具體情況采取有效的防治措施，完全可以消除或大大減少沖擊地壓事故。