根據發生衝擊地壓的成因和機理,防治衝擊地壓的措施的基本原理有兩方面:一是降低應力的集中程度;二是改變煤巖體的物理力學效能,以減弱積聚彈效能的能力和釋放速率。
(一)降低應力的集中
減弱煤層區域內的礦山壓力值的方法有:
1、超前開採保護層;
2、無煤柱開採,在採區內不留煤柱和煤體突出部分,禁止在鄰近層煤柱的影響範圍內開採;
3、合理安排開採順序,避免形成三面採空狀態的回採區段或條帶和在採煤工作面前方掘進巷道,必要時應在岩石或安全層內掘進巷道,禁止工作面對採和追採。
(二) 採用合理的開拓佈置和開採方式
實踐表明,合理的開拓佈置和開採方式對於避免應力集中和疊加,防止衝擊地壓關係極大。大量例項證明,多數衝擊地壓是由於開採技術不合理而造成的。不正確的開拓開採方式一經形成就難於改變,臨到煤層開採時,只能採取區域性措施,而且耗費很大,效果有限。所以,合理的開拓佈置和開採方式是防治衝擊地壓的根本性措施。其主要原則是:
1、開採煤層群時,開拓佈置應有利於保護層開採。首先開採無衝擊危險或衝擊危險小的煤層作為保護層,且優先開採上保護層。例如撫順、遼源等煤礦,屬厚煤層上行水砂充填法開採。作為保護層的第一分層開採都儘量佈置在衝擊危險性小的煤層中進行。西安礦為了發揮上保護層的作用改變自下而上的分層開採順序,首先開採頂分層作為保護層,採完頂分層後再反過來自下而上開採其他各分層,甚至改用下行金屬網分層假頂全部垮落法開採。
2、劃分井田或採區時,應保證合理的開採順序,最大限度地避免形成煤柱等應力集中區。因為煤柱承受的壓力很高,特別是島形或半島形煤柱,要承受幾個方面的疊加應力,最易產生衝擊地壓。上層遺留的煤柱還會向下傳遞集中壓力,導致下部煤層開採時也易發生衝擊地壓。統計資料表明:陶莊煤礦回收煤柱時發生的衝擊地壓佔全礦衝擊次數的29.8%;唐山煤礦、城子煤礦約佔50%。龍風煤礦實際資料抽樣分析表明,兩側為採空區的工作面在回採過程中,衝擊地壓發生次數顯著增多。
3、採區或盤區的採煤工作面應朝一個方向推進,避免相向開採,以免應力疊加。因為相向採煤時上山煤柱逐漸減小,支承壓力逐漸增大,很容易引起衝擊地壓。例如陶莊煤礦272水採區五號上山西翼開採時,在上山附近發生了17次衝擊地壓。而且相向採煤又要被迫在高壓力區中掘進開切眼,造成衝擊地壓頻繁發生(佔總次數的60%)。為了改變這種狀況,提出實行單翼採區跨上山採煤的辦法。並把單區段獨立回採的開採程式改為多區段聯合開採程式,使回採與掘進工作在不同區段中交替進行,能夠實現沿採空區邊緣(低應力區)掘進開切眼,避免了往高應力區掘進和維護回採開切眼的弊端。
4、在地質構造等特殊部位,應採取能避免或減緩應力集中和疊加的開採程式。在向斜和背斜構造區,應從軸部開始回採;在構造盆地應從盆底開始回採;在有斷層和採空區的條件下應從斷層或採空區附近開始回採的開採程式。龍風煤礦的統計資料表明,採掘工作面接近斷層或向斜鈾部附近時,衝擊地壓頻度增加強度加大。隨機抽樣50例,其中與斷層有關的36例,佔72%,其中有62%的衝擊地壓發生在工作面接近斷層時,只有10%發生在離開斷層以後,而且34%的衝擊地壓發生在工作面接近斷層5m~20m的範圍內。
5、有衝擊危險的煤層的開拓或準備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和迴風巷應佈置在底板岩層或無衝擊危險煤層中,以利於維護和減小衝擊危險。回採巷道應儘可能避開支承壓力峰值範圍,採用寬巷掘進,少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進。對於水採區的回採開切眼應躲開高應力集中區,選在採空區附近的壓力降低區為好。例如,唐山煤礦十一水平5287(北)區發生的32次衝擊地壓,有12次發生在回採前的巷道維修過程中,3次發生在高應力區新掘巷道時,7次發生在受採動影響的巷道。硯石臺煤礦衝擊地壓大多數發生在支承壓力影響區的掘進工作面,其中雙巷平行掘進時發生的次數最多,佔46.2%。城子煤礦回收八層—250m水平西護巷煤柱的前後兩次經驗教訓值得借鑑:1971年回收時按常規佈置方法,造成嚴重的衝擊地壓傷亡事故,被迫停採封閉;時隔近20年後再進行回收時,採用底板集中大巷、分割槽小石門進入煤層,以及避開應力峰值送巷、寬巷掘進等開採方式,僅歷時11個月就安全回收該煤柱,取得了較好的經濟效益和社會效益。
6、開採有衝擊危險的煤層,應採用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開採方法。回採線儘量是直線且有規律地按正確的開採速度推進。經統計,1992年以前,全國發生衝擊地壓的50餘對礦井中,有水採、綜採、分層開採、正規和非正規開採方法等多種情況。分析表明,不同的採煤方法,其礦山壓力的分佈也不相同。
房柱式等柱式採煤法,由於掘進的巷道多和在採空區遺留的煤柱多、頂板不能及時充分地垮落,造成支承壓力較高。在工作面前方掘進巷道勢必受到疊加壓力的影響,增加了危險性。
水力採煤法雖然系統簡單、高效,但遺留的煤垛在採空區形成支撐,頂板不能及時、規則地垮落,又要經常在支承壓力帶開掘水道和槍眼,加之推進速度快,開採強度大,易造成大面積懸頂的危害,導致發生衝擊地壓。所以,水採礦井要改進開採設計。
採用長壁式開採方法,有利於減緩衝擊地壓的危害。
倒臺階採煤法由於工作面不成一直線,在臺階部位形成高應力集中,則易導致發生衝擊地壓。
硯石臺煤礦在採用走向長壁式採煤法時,沒有發生過沖擊地壓,僅出現過煤炮聲;而改用倒臺階工作面回採時,經常發生衝擊地壓,且大多數發生在臺階上隅角,約佔回採時衝擊地壓總次數的90%,不僅次數多,而且強度也大,平均每次衝出煤炭130t以上。
7、頂板管理儘量採用全部垮落法,工作面支架應採用具有整體性和防護能力的可縮性支架。統計表明:採用非正規採煤法的採區衝擊地壓次數多、強度大;水力充填次之;全部垮落法次數少且強度弱。中國發生衝擊地壓的煤層其頂板大多又厚又硬,不易垮落。採用注水、爆破等方法,使頂板弱化或垮落,能夠減緩衝擊地壓。在有衝擊地壓的礦井中,有6個採用水砂充填方法管理頂板,並不能避免衝擊地壓的發生。例如撫順煤礦特厚煤層的頂板,雖為較軟的厚層油母頁岩,採用水砂充填上行分層開採,但第一分層開採時,衝擊地壓仍較嚴重。除煤層性質外,厚層油母頁岩老頂的整體彎曲下沉是造成煤層邊緣的高應力集中的重要因素。根據撫順、阜新等煤礦衝擊地壓危害情況,傷亡事故主要由於衝擊震動推倒或折斷支架,造成片幫和冒頂傷人。所以衝擊危險工作面必須採取特殊的支護形式,加強支護,提高支架的整體性和穩定性。
根據發生衝擊地壓的成因和機理,防治衝擊地壓的措施的基本原理有兩方面:一是降低應力的集中程度;二是改變煤巖體的物理力學效能,以減弱積聚彈效能的能力和釋放速率。
(一)降低應力的集中
減弱煤層區域內的礦山壓力值的方法有:
1、超前開採保護層;
2、無煤柱開採,在採區內不留煤柱和煤體突出部分,禁止在鄰近層煤柱的影響範圍內開採;
3、合理安排開採順序,避免形成三面採空狀態的回採區段或條帶和在採煤工作面前方掘進巷道,必要時應在岩石或安全層內掘進巷道,禁止工作面對採和追採。
(二) 採用合理的開拓佈置和開採方式
實踐表明,合理的開拓佈置和開採方式對於避免應力集中和疊加,防止衝擊地壓關係極大。大量例項證明,多數衝擊地壓是由於開採技術不合理而造成的。不正確的開拓開採方式一經形成就難於改變,臨到煤層開採時,只能採取區域性措施,而且耗費很大,效果有限。所以,合理的開拓佈置和開採方式是防治衝擊地壓的根本性措施。其主要原則是:
1、開採煤層群時,開拓佈置應有利於保護層開採。首先開採無衝擊危險或衝擊危險小的煤層作為保護層,且優先開採上保護層。例如撫順、遼源等煤礦,屬厚煤層上行水砂充填法開採。作為保護層的第一分層開採都儘量佈置在衝擊危險性小的煤層中進行。西安礦為了發揮上保護層的作用改變自下而上的分層開採順序,首先開採頂分層作為保護層,採完頂分層後再反過來自下而上開採其他各分層,甚至改用下行金屬網分層假頂全部垮落法開採。
2、劃分井田或採區時,應保證合理的開採順序,最大限度地避免形成煤柱等應力集中區。因為煤柱承受的壓力很高,特別是島形或半島形煤柱,要承受幾個方面的疊加應力,最易產生衝擊地壓。上層遺留的煤柱還會向下傳遞集中壓力,導致下部煤層開採時也易發生衝擊地壓。統計資料表明:陶莊煤礦回收煤柱時發生的衝擊地壓佔全礦衝擊次數的29.8%;唐山煤礦、城子煤礦約佔50%。龍風煤礦實際資料抽樣分析表明,兩側為採空區的工作面在回採過程中,衝擊地壓發生次數顯著增多。
3、採區或盤區的採煤工作面應朝一個方向推進,避免相向開採,以免應力疊加。因為相向採煤時上山煤柱逐漸減小,支承壓力逐漸增大,很容易引起衝擊地壓。例如陶莊煤礦272水採區五號上山西翼開採時,在上山附近發生了17次衝擊地壓。而且相向採煤又要被迫在高壓力區中掘進開切眼,造成衝擊地壓頻繁發生(佔總次數的60%)。為了改變這種狀況,提出實行單翼採區跨上山採煤的辦法。並把單區段獨立回採的開採程式改為多區段聯合開採程式,使回採與掘進工作在不同區段中交替進行,能夠實現沿採空區邊緣(低應力區)掘進開切眼,避免了往高應力區掘進和維護回採開切眼的弊端。
4、在地質構造等特殊部位,應採取能避免或減緩應力集中和疊加的開採程式。在向斜和背斜構造區,應從軸部開始回採;在構造盆地應從盆底開始回採;在有斷層和採空區的條件下應從斷層或採空區附近開始回採的開採程式。龍風煤礦的統計資料表明,採掘工作面接近斷層或向斜鈾部附近時,衝擊地壓頻度增加強度加大。隨機抽樣50例,其中與斷層有關的36例,佔72%,其中有62%的衝擊地壓發生在工作面接近斷層時,只有10%發生在離開斷層以後,而且34%的衝擊地壓發生在工作面接近斷層5m~20m的範圍內。
5、有衝擊危險的煤層的開拓或準備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和迴風巷應佈置在底板岩層或無衝擊危險煤層中,以利於維護和減小衝擊危險。回採巷道應儘可能避開支承壓力峰值範圍,採用寬巷掘進,少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進。對於水採區的回採開切眼應躲開高應力集中區,選在採空區附近的壓力降低區為好。例如,唐山煤礦十一水平5287(北)區發生的32次衝擊地壓,有12次發生在回採前的巷道維修過程中,3次發生在高應力區新掘巷道時,7次發生在受採動影響的巷道。硯石臺煤礦衝擊地壓大多數發生在支承壓力影響區的掘進工作面,其中雙巷平行掘進時發生的次數最多,佔46.2%。城子煤礦回收八層—250m水平西護巷煤柱的前後兩次經驗教訓值得借鑑:1971年回收時按常規佈置方法,造成嚴重的衝擊地壓傷亡事故,被迫停採封閉;時隔近20年後再進行回收時,採用底板集中大巷、分割槽小石門進入煤層,以及避開應力峰值送巷、寬巷掘進等開採方式,僅歷時11個月就安全回收該煤柱,取得了較好的經濟效益和社會效益。
6、開採有衝擊危險的煤層,應採用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開採方法。回採線儘量是直線且有規律地按正確的開採速度推進。經統計,1992年以前,全國發生衝擊地壓的50餘對礦井中,有水採、綜採、分層開採、正規和非正規開採方法等多種情況。分析表明,不同的採煤方法,其礦山壓力的分佈也不相同。
房柱式等柱式採煤法,由於掘進的巷道多和在採空區遺留的煤柱多、頂板不能及時充分地垮落,造成支承壓力較高。在工作面前方掘進巷道勢必受到疊加壓力的影響,增加了危險性。
水力採煤法雖然系統簡單、高效,但遺留的煤垛在採空區形成支撐,頂板不能及時、規則地垮落,又要經常在支承壓力帶開掘水道和槍眼,加之推進速度快,開採強度大,易造成大面積懸頂的危害,導致發生衝擊地壓。所以,水採礦井要改進開採設計。
採用長壁式開採方法,有利於減緩衝擊地壓的危害。
倒臺階採煤法由於工作面不成一直線,在臺階部位形成高應力集中,則易導致發生衝擊地壓。
硯石臺煤礦在採用走向長壁式採煤法時,沒有發生過沖擊地壓,僅出現過煤炮聲;而改用倒臺階工作面回採時,經常發生衝擊地壓,且大多數發生在臺階上隅角,約佔回採時衝擊地壓總次數的90%,不僅次數多,而且強度也大,平均每次衝出煤炭130t以上。
7、頂板管理儘量採用全部垮落法,工作面支架應採用具有整體性和防護能力的可縮性支架。統計表明:採用非正規採煤法的採區衝擊地壓次數多、強度大;水力充填次之;全部垮落法次數少且強度弱。中國發生衝擊地壓的煤層其頂板大多又厚又硬,不易垮落。採用注水、爆破等方法,使頂板弱化或垮落,能夠減緩衝擊地壓。在有衝擊地壓的礦井中,有6個採用水砂充填方法管理頂板,並不能避免衝擊地壓的發生。例如撫順煤礦特厚煤層的頂板,雖為較軟的厚層油母頁岩,採用水砂充填上行分層開採,但第一分層開採時,衝擊地壓仍較嚴重。除煤層性質外,厚層油母頁岩老頂的整體彎曲下沉是造成煤層邊緣的高應力集中的重要因素。根據撫順、阜新等煤礦衝擊地壓危害情況,傷亡事故主要由於衝擊震動推倒或折斷支架,造成片幫和冒頂傷人。所以衝擊危險工作面必須採取特殊的支護形式,加強支護,提高支架的整體性和穩定性。