摘要:煤矿开采过程中,在高应力状态下积聚有大量的弹性能的煤或岩体,在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出,使能量突然释放,呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。它具有氨爆发的特点、其效果有的如同大量炸药爆炸,有的能形成强烈暴风,危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重,在地下开采中易造成严重的自然灾害,但它可以通过采取科学的方法和技术方式进行防治。
关键词:冲击矿压;分类;发生机理;防治
一、冲击矿压的特征及分类
对于冲击矿压现象,世界各国,以及不同的行业,其称谓是不一样的,常见的有“岩爆”、“煤爆”、“冲击矿压”、“冲击地压”、“矿山冲击”等。通常情况下,冲击矿压会直接将煤岩抛向巷道,引起岩体的强烈震动、产生强烈声响,造成岩体的破断和裂缝扩展,破坏井巷工程。冲击矿压具有突发行、瞬时震动性、巨大破坏性、复杂性等明显特征。冲击矿压按其显现强度及释放的能量等进行分类。
第一,矿震。深部的煤岩体发生破坏。煤岩并不向已采空间抛出,只有片帮或塌落现象,但有明显震动,伴有巨大声响,有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震,也称为“煤炮”。
第二,强冲击。部分煤或岩石向已采空间抛出,但破坏性不很大,对支架、机器和设备基本无损坏,围岩产生震动,一般震级在2.2级以下伴有很大声响,产生煤尘,在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。
第三,强冲击。部分煤或岩石急剧破碎,大量向已采空间抛出,出现支架折损、设备移动和围岩震动,震级在2.3级以上伴有巨大声响,产生大量煤和冲击波。
根据震级强度和考虑抛出的煤量,可将冲击矿压分为三级:一是轻微冲击(1级)。抛出煤量在10t以下,震级在1级以下的冲击矿压。二是中等冲击(2级)。抛出煤量在0-50t,震级在1-2级的冲击矿压。三是强烈冲击(3级)。抛出煤量在50t以上,震级在2级以上的冲击矿压。
根据国内外的分类方法,冲击矿压可分为由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和有构造引起的构造型,采矿型冲击矿压可分为压力型、冲击型和冲击压力型。压力冲击型是由于巷道周围煤体中的压力由亚稳定增加至极限值,其积聚的能量突然释放引起的。冲击型冲击矿压是由于煤层顶底板厚岩层突然破断或位移引起的,它与震动脉冲地点有关。在某种程度上,构造型冲击矿压也可看作冲击矿压。冲击压力型冲击矿压介于上述两者之间,当煤层受较大压力时,来自围岩内不大的冲击脉冲作用下发生的冲击矿压。
二、冲击矿压发生机理
冲击矿压发生的原因是多方面的,但从总的来说可以分为三类,即自然地质因素(应力)、开采技术(采动应力集中)及组织管理措施(防治措施)。
(一)地质条件对冲击矿压的影响
1、开采深度
随着开采深度的增加,煤层中的自重应力随之增加,煤岩体中聚积的弹性能也随之增加,为了便于分析开采深度的影响,只考虑围岩系统中煤层内所积聚的弹性能。
理论上讲,煤层在采深为H的且无采动影响的三向应力状态下,其应力为:
δ1=γH①
δ2=δ3=γH ②
设煤的单向抗压强度为Rc,则破碎单位体积煤块所需能量U1为:
U1=③
假设巷道周边煤体处于双向受力状态,则需要能量比U1要大,现用系数KO(KO>1)来表达,则破碎单位体积煤块的能量为:
U2=KO ④
若Uv≥U2就有可能发生冲击矿压,这样就可求得发生冲击矿压的初始采深H为:
H≥1.73⑤
统计分析表明,开采深度越大,冲击矿压发生的可能性也越大。开采深度与冲击矿压发生的关系如图1所示:
图1表明冲击矿压的发生与开采深度有很大的关系,结合表1可以看出在我国煤矿的条件下,发生冲击矿压的最小采深为200m-540m,平均380m。700m时发生冲击矿压的次数大大高于400m时的次数。
2、煤岩的力学特征
在一定的围岩与压力条件下,任何煤层中的巷道或采场可能发生冲击矿压。煤的强度越高,引发冲击矿压所要求的应力越小。煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。
3、顶板岩层的结构特点
顶板岩层结构,特别是煤层上方坚硬,厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一,其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中,大量的弹性能突然释放,形成强烈震动,导致顶板煤层型(冲击压力型)冲击矿压或顶板型(冲击型)冲击矿压。
4、地质动力因素
实践证明,冲击矿压经常发生在向斜轴部,特别是构造变化区,断层附近,煤层倾角变化带,煤层皱曲,构造应力带。例如,龙风矿,在向斜轴部准备工作面时,经常发生冲击矿压,当巷道接近断层或向斜轴部时,冲击矿压发生的次数明显上升,且强度加大。
(二)开采技术对冲击矿压的影响
冲击矿压大多数发生在巷道(72.6%),采场则较少(27.4%)。残采区和停采线对冲击矿压发生影响较大。从统计结果看,89%的冲击矿压发生在残采区、停采线、断层区域或煤层超采的地方。发生冲击矿压的区域如表2所示。
1、开采设计和开采顺序
当在几个煤层中同时布置几个采面时,采面的布置方式和开采顺序将强烈影响煤岩体内的应力分布。
冲击矿压经常出现在采面向采空区推进时;在距采空区15m-40m的应力集中区内掘进巷道;两个采面相向推进时及两个近距离煤层中的两个采面同时开采时。
2、上覆煤层工作面停采线和煤柱的影响
上覆煤层工作面的停采线和煤柱形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威胁,使冲击矿压的危险性有很大的增加。
3、采空区的影响
当工作面接近已有的采空区,其距离为20m-30m时,冲击矿压危险性随之增加。
4、开采区域的影响
在煤层开采面积增加的情况下,岩体的震动能量也随之增加。研究表明,当开采面积为3万m2时,释放的单位面积的震动能量为最大。
三、冲击矿压的防治
(一)合理的开拓布置和开采方式
实践证明,合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加、防止冲击矿压关系极大。大量实例证明多数冲击地压是由于开采技术不合理而造成的。不正确的开拓开采方式一经形成就难以改变,临到煤层开采时,只能采取局部措施,而且耗费很大,效果有限。故合理的开拓布置和开采方式是防治冲击矿压的根本措施。
第一,开采煤层群时,开拓布置应有利于解放层开采。首先开采无冲击矿压或冲击矿压小的煤层作为解放层,且优先开采上解放层。
第二,划分采区时,应保证合理的开采顺序,最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。由于煤柱承受的压力很高,特别是岛形或半岛形煤柱,要承受几个方面的叠加应力,最容易产生冲击矿压,因此应尽量避孤岛工作面的形成。
第三,采区或盘区的采面应朝一个方向推进,避免相向开采,以免应力叠加。因为相向采煤时上山煤柱逐渐减小,支撑压力逐渐增大,很容易引起冲击矿压,应避免在高应力状态下掘进。
第四,在地质构造等特殊部位,应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。在向斜和背斜构造区,应从轴部开始回采,在构造盆地应从盆地开始回采;在有断层和采空区的条件下应从采用断层或采空区开始回采的开采程序。
第五,有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中,以利于维护和减小冲击危险。回采巷道应尽可能避开支撑压力峰值范围,采用宽巷掘进,少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。
第六,开采有冲击危险的煤层,应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。回采线应尽量是直线且有规律地推进。
(二)开采解放层
一个煤层(或分层)先采,能使临近煤层得到一定时间的卸载。这种卸载开采称之为开采解放层。先采的解放层必须根据煤层赋存条件选择无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层。实施时必须保证开采的时间和空间的有效性。
四、结论
煤矿开采过程中,冲击矿压现象的危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重。一些矿井在开采边角煤、保护煤柱的条件下,甚至在设计不合理的工作面开采中或巷道掘进中都容易发生冲击矿压,造成严重的自然灾害。因此,矿山压力作为煤矿行业必须了解和研究的一门学科,通过众多的实践经验和科学研究,为我们控制采场压力提供了宝贵依据,我们在掌握其成因和机理,并了解影响其发生因素的基础上,在现有的技术水平下,通过对冲击矿压的认真测定,并针对具体情况采取有效的防治手段,完全可以消除或大大减少冲击矿压事故,确保煤矿正常有序的安全生产。
参考文献:
1、钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].中国矿业大学出版社,2003.
2、窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论技术[M].中国矿业大学出版社,2001.
(作者单位:泗河煤矿)