沖擊地壓預(yù)測與控制體系

1、沖擊地壓預(yù)測與控制體系 沖擊地壓是采動誘發(fā)高強(qiáng)度的煤（巖）彈性能瞬時釋放，在相應(yīng)采動空間引起強(qiáng)烈圍巖震動和擠出的現(xiàn)象。是我國煤礦常見的重大事故災(zāi)害。沖擊地壓引起人員傷亡和設(shè)備損壞，不僅發(fā)生在推進(jìn)的工作面現(xiàn)場，而且可能波及彈性釋放范圍的巷道、峒室，特別是存在應(yīng)力集中的空間部位。迄今為止，沖擊地壓的控制處在統(tǒng)計管理與條理決策階段，沒有形成沖擊地壓的防治理論、監(jiān)測方法及控制決策的一體化體系。本文基于對沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理，對沖擊地壓事故進(jìn)行了分類，提出了沖擊地壓事故預(yù)測與控制動力信息基礎(chǔ)，形成了實(shí)用的沖擊地壓預(yù)測控制的體系。1沖擊地壓發(fā)生的原因及實(shí)現(xiàn)的條件具有沖擊傾向的煤（巖）層，受構(gòu)造運(yùn)動和采場推進(jìn)

2、影響而形成的高度應(yīng)力集中和高能級的彈性變形能的儲存，是沖擊地壓發(fā)生的根本原因。沒有采取釋放應(yīng)力和能量的措施，在可能有高應(yīng)力集中和高能級彈性能釋放的區(qū)域推進(jìn)采掘工作面，是沖擊地壓得以實(shí)現(xiàn)的條件。有沖擊傾向的高強(qiáng)度煤（巖）中儲存的高能級彈性能，包括煤（巖）受構(gòu)造運(yùn)動擠壓儲存的彈性能、堅硬頂板條件下大面積推進(jìn)采場聚集的壓縮彈性能及高強(qiáng)度大厚度堅硬巖層大面積懸露的彎曲變形彈性能。因此，了解煤田構(gòu)造運(yùn)動的歷史和殘余構(gòu)造應(yīng)力的現(xiàn)實(shí)分布，掌握具體煤層條件下不同開采方法、不同開采參數(shù)和不同開采程序，對煤（巖）應(yīng)力和能量積聚和釋放的影響，是沖擊地壓預(yù)防的關(guān)鍵1,2。2沖擊地壓的分類及其發(fā)生和破壞的特點(diǎn)沖擊地壓是

3、一種復(fù)雜的礦山動力現(xiàn)象。其形成的力學(xué)環(huán)境、發(fā)生的地點(diǎn)、宏觀和微觀上的顯現(xiàn)形態(tài)多種多樣，沖擊破壞強(qiáng)度和所造成的破壞程度也各不相同。由于沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理存在不同的理論，有各自不同的發(fā)生條件和判別準(zhǔn)則?？陀^上不同礦井的沖擊地壓的成因和顯現(xiàn)特征也不同，即使同一礦井，由于地質(zhì)構(gòu)造（變化）、開采條件和開采方法的差異，也使得沖擊地壓的成因、性質(zhì)、特征、震源部位和破壞程度不同。綜上所述，沖擊地壓存在不同的種類，不能用同一機(jī)理去解釋不同沖擊地壓的成因和現(xiàn)象，更不能用單一方法或措施去預(yù)測和防治沖擊地壓。通過對我國沖擊地壓嚴(yán)重的礦井進(jìn)行案例分析，綜合沖擊地壓案例研究成果，將沖擊地壓分為巷道發(fā)生的沖擊地壓與工作面發(fā)

4、生的沖擊地壓兩類。(1)掘進(jìn)沖擊地壓發(fā)生的條件和破壞的特點(diǎn)掘進(jìn)沖擊地壓發(fā)生在掘進(jìn)工作面推進(jìn)的過程中。其中，在原始應(yīng)力場中掘進(jìn)煤巷發(fā)生沖擊的條件是：1)煤層強(qiáng)度較高、含水率低，加壓時發(fā)生脆性破壞，即有“沖擊傾向性”。2)巷道圍巖中的應(yīng)力達(dá)到?jīng)_擊破壞的極限。在單一重力應(yīng)力場條件下達(dá)到這一極限的“臨界開采深度”，一般在700800m以上。對于存在構(gòu)造應(yīng)力的原始應(yīng)力場，在開采深度超過500600m的厚煤層中掘進(jìn)，即有可能出現(xiàn)頂煤沖擊破壞的事故。在受采動影響的應(yīng)力場中掘進(jìn)巷道，發(fā)生沖擊地壓的煤層條件和應(yīng)力極限要求與原始應(yīng)力場中掘進(jìn)的巷道一樣。但考慮極限應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的條件時，不能再只是簡單的與原始應(yīng)力的性質(zhì)大

5、小和相應(yīng)的開采深度聯(lián)系在一起。相反必須把掌握不同開采深度和不同采動條件下，重新分布的應(yīng)力場特征及其形成和發(fā)展規(guī)律放在首要的地位。(2)回采沖擊地壓發(fā)生條件和破壞的特點(diǎn)回采沖擊地壓發(fā)生在回采工作面推進(jìn)的過程中?；夭蓻_擊地壓發(fā)生的條件是：煤層具有“沖擊破壞的傾向”，煤層和上覆巖層中積聚的應(yīng)力和彈性，能達(dá)到足以產(chǎn)生沖擊震動和圍巖破壞的極限?；夭晒ぷ髅鏇_擊地壓的力（能）源，包括煤層在大面積懸露的上覆巖層壓力作用下被壓縮彈性能，和高強(qiáng)度大厚度堅硬頂板彈性彎曲變形儲存的彈性能。煤層埋藏深度及由高強(qiáng)度堅硬頂板所決定懸露面積愈大，相應(yīng)的能級將愈高。采動誘發(fā)和頂板自身裂斷破壞誘發(fā)和釋放的能量愈高，波及的范圍將愈

6、大，工作面及相臨巷道中的沖擊破壞也將愈嚴(yán)重?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)過程中發(fā)生的沖擊地壓，包括工作面采動或老頂裂斷誘發(fā)煤層壓縮彈性能釋放及處于大面積彈性彎曲狀態(tài)的厚煤層堅硬頂板裂斷，造成的沖擊地壓兩種類型?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)過程中發(fā)生威脅安全生產(chǎn)的沖擊地壓，是有條件的，有規(guī)律的。實(shí)踐證明威脅安全生產(chǎn)的沖擊地壓發(fā)生的條件是：1)開采煤層具有“沖擊傾向性”。2)工作面推進(jìn)部位煤層中聚集有足以產(chǎn)生沖擊性破壞的壓縮彈性能。該壓縮彈性能的來源可以是殘余構(gòu)造應(yīng)力，也可以是采動形成的高峰應(yīng)力。3)破煤放頂生產(chǎn)過程；頂板裂斷來壓等誘發(fā)沖擊能量，達(dá)到促使該部位彈性能釋放的界限。4)工作面及超前兩巷煤幫沒有形成足以緩沖的超前破

7、壞區(qū)間。同時具備上述條件的要求，決定了回采工作面推進(jìn)過程中破壞性沖擊地莊發(fā)生時間和地點(diǎn)的規(guī)律性。其中：避免把開切眼布置在構(gòu)造應(yīng)力場中或臨近工作面的壓力高峰區(qū)?；蛘咴谝巡晒ぷ髅嫘纬傻膬?nèi)應(yīng)力場中布置開切眼的推進(jìn)方案。是排除工作面初采階段破壞性沖擊地壓的關(guān)鍵。采場進(jìn)入正常推進(jìn)階段后，就沖擊地壓發(fā)生的可能性差異而言，包括以下兩個區(qū)間（見圖1)：“危險區(qū)間”：包括從煤壁集中應(yīng)力增加到?jīng)_擊破壞極限開始，到煤壁破壞超前破壞已經(jīng)深入到形成足夠緩充帶寬度的部位。即圖1中的b到c的位置。該區(qū)段范圍內(nèi)高能級的采動誘發(fā)和老頂?shù)臄嗔讯加写俪善茐男詻_擊地壓的危險3?！捌椒€(wěn)區(qū)間”：即煤壁前方緩沖帶形成之后。即從圖1中的c位

8、置開始，至工作面推進(jìn)完成為止的全部長度上。該推進(jìn)區(qū)間內(nèi)，除非堅硬頂板裂斷高強(qiáng)度彎曲彈性能釋放發(fā)生沖擊，否則，工作面內(nèi)部不會發(fā)生破壞性沖擊地壓。3沖擊地壓事故的控制及相關(guān)信息基礎(chǔ)綜合沖擊地壓分類研究的成果，可以清楚的看到，控制沖擊地壓實(shí)現(xiàn)的應(yīng)力條件，是控制煤礦沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵。必須把采掘工作面推進(jìn)過程中可能誘發(fā)釋放的彈性壓縮能，限制在足以導(dǎo)致沖擊性破壞發(fā)生的范圍內(nèi)。為此，在考慮開采方案設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)注意以下“防沖”的時空原則。(1)嚴(yán)格杜絕在原始應(yīng)力場的構(gòu)造壓縮應(yīng)力帶和采動應(yīng)力場支承壓力的高峰部位布置采煤巷道和推進(jìn)工作面。(2)最大限度的爭取實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)歷采動釋放應(yīng)力后穩(wěn)定的“內(nèi)應(yīng)力場”（已經(jīng)歷采

9、動破壞的巖層覆蓋的重力場）中掘進(jìn)和維護(hù)巷道。保證按上述時間、空間原則進(jìn)行開采方案設(shè)計的相關(guān)信息基礎(chǔ)，包括：(1)經(jīng)歷構(gòu)造運(yùn)動破壞的原始應(yīng)力場應(yīng)力大小分布的的信息4。(2)不同開采程序和開采參數(shù)條件下支承壓力大小分布及發(fā)展變化規(guī)律的信息。上述信息必須針對具體的煤層條件和具體開采部位的實(shí)際采用理論計算和實(shí)測推斷相結(jié)合的方法確定。絕對不能對不同開來?xiàng)l件的變化，一成不變的采用統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在有可能發(fā)生沖擊地壓的工作面，應(yīng)當(dāng)采取下列措施控制事故的災(zāi)害。1)采用“井下巖層動態(tài)觀測研究方法”（必要時再以“鉆孔應(yīng)力分析”），在取得下列相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對沖擊地壓可能的時間、地點(diǎn)和強(qiáng)度的預(yù)測和預(yù)報。支承壓

10、力分布、特別是“內(nèi)應(yīng)力場”范圍支承壓力高峰隨采場推進(jìn)擴(kuò)展規(guī)律以此推斷可能發(fā)生沖擊地壓的起點(diǎn)、終點(diǎn)（有足夠的“內(nèi)應(yīng)力場”寬度作為緩沖區(qū)）位置以及危險區(qū)的全長。推斷超前巷道中可能發(fā)生沖擊性破壞的范圍。老頂裂斷來壓的規(guī)律包括老頂下位巖梁、上位巖梁以及有彎曲彈性能釋放威力的堅硬頂板裂斷的時間、位置及相應(yīng)的工作面推進(jìn)步距等信息。以此作為預(yù)測預(yù)報頂板裂斷誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生時間、地點(diǎn)以及可能強(qiáng)度的依據(jù)。實(shí)踐證明，老頂裂斷是誘發(fā)回采工作面沖擊地壓的主動力。2)在預(yù)計發(fā)生高強(qiáng)度沖擊地壓危險的地點(diǎn)，采取降低儲存的彈性能和誘發(fā)能量等措施，力爭把沖擊破壞的范圍減少到最低限度。3)在有承受沖擊地壓破壞的工作面和巷道中采用正確的支護(hù)方式維護(hù)工作空間的安全。例如回采工作面必須采用穩(wěn)定的可縮性支護(hù)，絕對避免采用木棚等不穩(wěn)定的支護(hù)方式。有沖擊破壞危險的巷道應(yīng)以實(shí)護(hù)頂，護(hù)幫要求的錨網(wǎng)支護(hù)。4結(jié)論(1)沖擊地壓是與應(yīng)力條件直接相關(guān)的事故，其應(yīng)力條件的實(shí)現(xiàn)都是一定采動條件下巖