煤矿冲击地压的解危措施

煤矿冲击地压的解危措施

上图为冲击式地压检测仪

    在煤层开采中，生产地质条件极为复杂。往往由于人们对冲击地压发生条件不能完全掌握，造成开拓布置和开采方式不合理，没有预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层地段的高应力集中和冲击地压危险。因此，在煤层开采过程中必须对这些地段进行及时处理，以保证安全生产。这种对已形成冲击危险或具有潜在冲击危险地段的处理措施称为解危措施。它属于暂时的局部性措施，包括煤层爆破卸压、钻孔卸压和诱发爆破等。
    按照冲击地压发生的强度条件和能量条件，工作面附近煤层被顶底板紧紧地夹持着，承受极高的载荷，虽并未破碎，却积聚大量的变形能。这时煤体和围岩形成的三轴压缩应力与矿山压力处于临界平衡状态。采取的各种卸压解危措施，正是为了减缓这种临界状态，把夹持状态下煤层的侧向约束解除掉，使已形成的局部高压力分散转移到较广区域。由于卸压措施造成煤体局部破裂，降低了强度，应力重新分布，从而释放或降低了煤岩体中的弹性能，使工作面前方一定范围内成为安全区。
    1、诱发爆破
    诱发爆破是在监测到有冲击危险的情况下，利用较多药量进行爆破，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大损害的一种解危措施。
    实行诱发爆破必须慎重行事。作为辅助手段，诱发爆破只有在存在严重冲击危险的情况下，其他方法无效或无法实施时才应用。实施地点多用于煤柱回收时，与钻屑法检测孔配合互用。孔距2m～5m，孔深按冲击危险区范围确定。可平行走向或倾斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，钻大量较长的钻孔直达高应力带。采用大药量、集中装药和同时引爆的方法，以便使煤岩体强烈震动，诱发冲击地压，或造成煤体强烈卸压、释放能量，把高应力带移向煤体深部。集中爆破的药量越多，诱发冲击地压的可能性越大。因为这样在煤体中造成的动应力就大，动应力叠加在原来存于煤体中的静应力上的总和越大，超过临界应力值机会就愈多，就会诱发冲击地压。
    实施诱发爆破应按《煤矿安全规程》的有关规定施工。实施前必须采用钻屑法确定冲击危险地点，加固支架，掩护或撤出机械设备及电缆工具等。爆破时必须设专人警戒所有通往爆破地点的通道。躲炮半径不得小于150m，躲炮时间30min以上。
    天池煤矿、门头沟煤矿等都应用过诱发爆破。天池煤矿在采掘过程中，特别是回收煤柱时，始终坚持以爆破卸压为主，诱发爆破为辅的措施。诱发爆破参数视具体情况而定。一般孔径为 50mm～60mm，孔深6m～8m以上，每孔装药量2kg～3kg以上，孔间距2m～3m。炮泥封孔，填满填实。瞬发雷管，同时引爆。门头沟煤矿1980年开始试验应用诱发爆破，其钻孔布置方式在正规煤柱支撑法工作面为平行煤层走向或倾向布置，孔深为煤柱宽度的3/4。在非正规工作面如残柱式回采，视煤柱尺寸进行布置，但孔深均不超过煤柱宽度的3/4。诱发爆破后要及时回采，不要停留过长时间(不超过一个月)，以防能量重新积聚，产生新的冲击危险。
    诱发爆破应作为爆破卸压的辅助手段，用于特殊情况下。其效果是有限的，不能保证按时诱发，有时一小时后才发生冲击地压。而且大药量同时引爆，必然造成一定程度的破坏作用。所以要慎重行事，有限度地使用。
    2、爆破卸压
    爆破卸压是指对形成冲击危险的煤体，用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。实施爆破卸压应采取深孔爆破方法，孔深应达到支承压力峰值区。装药位置越靠近峰值区，炸药威力越大，爆破解除煤层应力的效果越好。该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。
    爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件，即在有冲击地压危险的工作面卸压和在近煤壁一定宽度的条带内破坏煤的结构(但不落煤)，使它不能积聚弹性能或达不到威胁安全的程度。这样在工作面前方形成一条卸压保护带，隔绝了工作空间处于煤层深处的高应力区。显然，从防治冲击地压的角度看，应用尽量多的炸药爆破出尽量宽的保护带，但实际上要达到这个目的，目前技术条件还不够。不过根据多年的观测实践证明，如果能保证在工作面前方和巷道两帮始终保持一个宽5m～10m的保护带，就能防止冲击地压的危害。
    可以采用爆破断顶的方法进行爆破卸压，即在待采煤层隔离煤柱一侧的老采空区内，对采空区顶板内造成宽约6m、深约 6m～8m的断沟，用以削弱采空区与待采区之间的顶板连续性、减小待采煤层开采时的应力集中，以消除冲击地压危害。
    爆破参数和施工工艺应按《冲击地压煤层安全开采暂行规定》确定。
爆破卸压属于内部爆破，主要物理作用是使煤层产生大量裂隙。试验表明，爆破使炮孔周围形成破碎区和裂隙区，破碎区远小于裂隙区。径向裂隙穿过切向裂隙，说明径向裂隙扩展在前，切向裂隙形成在后。炸药爆炸后，冲击波首先使煤体破裂。继之爆破产生气体进一步使煤体破裂，在气体压力作用下，煤体沿径向移动，形成切向拉应力，产生径向拉破裂。随着裂隙的扩展，气体通过裂隙扩散到煤体中，与煤体产生热交换。同时，气体的体积增大，而温度和压力下降。当裂隙前端的应力强度因子小于断裂韧性时，裂隙停止扩展。当压力小于临界值时，因原先受压贮存于煤体中的弹性能释放，使煤体向炮孔中心移动，在煤体中产生径向拉伸作用，导致切向破裂。但径向裂隙的扩展远大于切向裂隙。造成煤层性质变化的主要因素是径向裂隙。
    根据弹塑性理论，把采煤工作面简化为平面应变的力学模型。以龙风煤矿采煤工作面为例的计算结果表明，爆破卸压使煤壁前方的支承压力重新分布，应力梯度变小，峰值压力移往煤体深部7m以远屈服区，比爆破前增大近一倍，能量密度明显减小。
     综上所述，爆破卸压在煤体中产生大量裂隙，使煤体的力学性质发生变化，弹性模量减小，强度降低，弹性能减少，破坏了冲击地压发生的强度条件和能量条件。由于煤体内裂隙的长度和密度增加，按照失稳理论，还具有致稳作用和止裂作用，防止了冲击地压发生。
    实施爆破卸压前必须先进行钻屑法检测，确认有冲击危险时才进行爆破卸压，爆破以后还要用钻屑法检查卸压效果。如果在实施范围内仍有高应力存在，则应进行第二次爆破，直至解除冲击危险为止。
    为了安全生产，通过爆破卸压在工作面前方和巷道两帮形成一个有足够宽度(大于3倍采高)的卸压保护带。所以，对巷道两帮，爆破卸压的深度应等于保护带宽度；对采煤工作面，爆破卸压的深度应等于保护带宽度加上工作面进度。
    爆破孔的孔深取决于卸压深度。由于孔深药量多，为保证殉爆可用导爆索连接加强引爆，使药卷能装到孔底，可先把药卷装在软管里或用非金属材料绑扎后进行装药。爆破孔布置方式应根据具体条件确定。通常用煤电钻打眼，孔径50mm～55mm，孔间距4m～10m，每孔装药量按不超过孔深一半计算，一般为1.5k8～3.5kg。钻孔不装药部分必须填满水炮泥或黏土炮泥。躲炮距离100m～150m，躲炮时间30min～40min。
    门头沟煤矿、龙凤煤矿、天池煤矿等都成功地使用爆破卸压方法，取得良好的效果。
    天池煤矿的爆破卸压参数为：孔深4m～8m，孔间距3m～6m，孔径50mm～55mm(用φ42mm钻头)，每孔装药量1.0kg～3.5kg,瞬发雷管引爆(6m以上深孔装两发雷管)，炮泥封孔。
    龙风煤矿进行爆破卸压时，用普通煤电钻打眼，φ42mm钻头。按垂直煤壁方式布孔。钻孔倾向与工作面顶板线一致。孔深4m～６m，孔间距3m～5m。每孔装药量1.0kg～1.4kg，黄泥封孔，填满填实。瞬发雷管起爆，在孔底药卷中加一段煤矿安全型导爆索，每次起爆二孔(也可多孔起爆)。
    城子煤矿的-250m水平八层西大巷煤柱，由于采取爆破卸压等措施得当，安全回收全部煤柱，没有发生冲击地压事故。该煤柱在1971年曾回收过，由于冲击地压严重，并造成人员伤亡事故而被迫停采封闭。时隔近20年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱，再进行回收存在着冲击地压和垮顶的严重威胁，在回收过程中严格执行每循环都进行超前爆破卸压的措施。开切眼掘进时就开始进行超前爆破卸压，孔数3个～4个，孔深4m～5m。采煤工作面沿倾向方向每5m布置一个爆破卸压孔，孔深为循环进度的3倍。每孔装药量3个～5个药卷(0.5kg～1.0kg)。卸压炮眼与工作面落煤炮眼同时起爆，取得较好效果。
    3、改变煤层的物理力学性能 
    改变煤层的物理力学性能主要有：高压注水、放松动炮和钻孔槽卸压等方法。
    (1)高压注水是通过注水，人为地在煤岩内部造成一系列的弱面，并使其软化，以降低煤的强度和增加塑性变形量。注水后，煤的湿度平均增加1.0％～2.2％时，可使其单向受压的塑性变形量增加13.3％～14.5％。
    (2)放松动炮，是通过放炮人为地释放煤体内部集中应力区积聚的能量。在采煤工作面中使用时，一般是在工作面沿走向打 4m～6m深的炮眼，进行松动爆破。它的作用是可以诱发冲击地压和在煤壁前方经常保持一个破碎保护带，使最大支撑压力转入煤体深处，随后即便发生冲击地压，对采煤工作面的成胁也大为降低。
    (3)钻孔槽卸压是用大直径钻孔或切割沟槽使煤体松动，以达到卸压效果。卸载钻孔的深度一般应穿过应力增高带，在掘进石门揭开有冲击危险的煤层时，应距煤层5m～8m处停止掘进，使钻孔穿透煤层，进行卸压。
    此外，还可依靠选择最佳采煤方法、回采设备、开采参数和工作制度等方法，局部降低煤层边缘的冲击危险程度。例如，当开采有冲击危险的单一煤层时，应采用直线式长壁工作面的前进式采煤方法，并在巷道侧不留煤柱。对有冲击危险的厚煤层，应采用倾斜分层长壁式采煤方法。上分层的开采厚度应当最小。
    开采有冲击危险的煤层时，无论是在采煤工作面还是在掘进工作面中，都应采用支撑力大的可缩性金属支架。
综上所述可以认为，在现有技术水平下对冲击地压认真地进行测定和预报工作，并针对具体情况采取有效的防治措施，完全可以消除或大大减少冲击地压事故。